WO2023011803A1 - Method and device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system, and fuel cell system - Google Patents

Method and device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system, and fuel cell system Download PDF

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WO2023011803A1
WO2023011803A1 PCT/EP2022/067590 EP2022067590W WO2023011803A1 WO 2023011803 A1 WO2023011803 A1 WO 2023011803A1 EP 2022067590 W EP2022067590 W EP 2022067590W WO 2023011803 A1 WO2023011803 A1 WO 2023011803A1
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WO
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water
drain valve
fuel cell
cell system
collection container
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PCT/EP2022/067590
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Inventor
Martin Katz
Jochen Wessner
Benedikt Leibssle
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system.
  • the invention relates to a fuel cell system with a device according to the invention.
  • a fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode. With the help of the fuel cell, hydrogen, which is supplied to the anode, and oxygen, which is supplied to the cathode in the form of air, can be converted into electrical energy, heat and water. In order to increase the electrical voltage generated, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack, also known as a "stack".
  • anode gas escaping from a fuel cell usually still contains unused hydrogen, it is recirculated and fed back to the anode.
  • the recirculation can be implemented passively using a jet pump and/or actively using a recirculation fan. Over time, however, the recirculated anode gas is enriched with nitrogen and water, since the electrolyte membrane is partially permeable to these substances, so that they diffuse through the membrane from the cathode side to the anode side. This reduces the hydrogen concentration of the anode gas, so that the anode circuit has to be purged from time to time.
  • a valve the so-called purge valve, is opened, through which anode gas is discharged from the anode circuit.
  • the discharged amount is replaced by fresh hydrogen from a tank.
  • Integrated water separator with collection tank To remove liquid water from the anode circuit is usually in the anode circuit Integrated water separator with collection tank. The collection container is emptied into a line by opening a valve, the so-called drain valve, and discharged via the line.
  • the present invention is concerned with the task of better protecting the drain valve from residual water running back and thus from ice pressure damage and/or leaks.
  • a method for separating water from an anode circuit of a fuel cell system is proposed.
  • anode gas from the anode circuit is fed to a water separator for separating water.
  • the separated water is collected in a collection tank.
  • the collection container is also emptied into a line by opening a drain valve from time to time.
  • a barrier is created which prevents or at least impedes a backflow of water from the line to the drain valve.
  • the barrier effect is due to the capillary forces in the capillaries of the structure having at least one capillary. They cause the water in the capillaries to be held in the capillaries so that - ideally - it does not get beyond the barrier, especially not back to the drain valve. This means that in the event of a shutdown, after the system has been blown out via the drain valve, any water remaining in the line cannot flow back to the drain valve.
  • the drain valve thus remains free of water, so that no water can freeze at low outside temperatures and the drain valve cannot accidentally open and/or be damaged by ice pressure.
  • the capillaries are dimensioned in such a way that the barrier effect achieved by means of the capillary forces can be overcome at a specific filling level in the collection container, ie at a specific hydrostatic pressure. This ensures that the collection container can still be emptied via the drain valve.
  • a barrier be created with the aid of at least one further structure having capillaries, which is arranged between an outlet of the collecting container and an inlet of the drain valve.
  • the additional barrier can be designed analogously to the first barrier, so that—particularly when it is parked—after the collection container has been blown out and/or emptied, the hydrostatic pressure is no longer sufficient to overcome the barrier. In this way, residual water remaining in the collection container or water that subsequently accumulates in the collection container, for example due to condensation, can be kept away from the drain valve.
  • the structures having capillaries before and after the drain valve can thus be used to ensure that no water reaches the drain valve in the event of a shutdown. As a result, no water can freeze and unintentionally open or damage the drain valve due to ice pressure. Since capillaries have very small diameters due to the principle of operation, the water in the capillaries can easily freeze at low outside temperatures. In order to thaw the ice as quickly as possible when freezing starts, it is proposed as a further development measure that the structure having at least one capillary is heated. If the line connected to the drain valve is heated, which is preferably the case, the same heating device can be used to heat the capillary. For this purpose, the heating device is preferably extended to the structure having at least one capillary.
  • the water present in the collection container is fed to the outlet of the collection container via at least one inclined surface.
  • the at least one sloping surface can form a type of funnel that tapers downwards or in the direction of the outlet, so that—in mobile applications—in every position of the vehicle it is ensured that water present in the collection container is fed to the outlet.
  • the outlet is preferably arranged at the bottom, so that the water is fed to the outlet by gravity. This makes it easier to empty the collection container.
  • a device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system comprises a water separator for separating the water, a collecting container for collecting the separated water, a drain valve for emptying the collecting container and a line connected to the drain valve for draining the water.
  • at least one structure having a capillary is arranged between an outlet of the drain valve and an inlet of the line.
  • the proposed device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above, so that the same advantages described above can be achieved with it.
  • a backflow of water from the line to the drain valve can be prevented since the capillary forces acting in the capillaries hold the water.
  • a barrier is created which, in the event of a shutdown, prevents water from reaching the drain valve from the line.
  • no water can freeze and the drain valve - due to ice pressure - can open unintentionally or even be damaged.
  • the diameters and/or lengths of the capillaries are dimensioned such that the barrier effect of the structure having at least one capillary can be overcome via the hydrostatic pressure in the collection container, so that the container can continue to be emptied into the line via the drain valve.
  • At least one further structure having capillaries is preferably arranged between an outlet of the collection container and an inlet of the drain valve.
  • the collection container can be emptied by opening the drain valve to such an extent that the hydrostatic pressure is no longer sufficient to overcome the barrier effect of the structures having capillaries. This allows the drain valve to be “drained” on both the outlet and inlet sides to prevent damage and/or leakage due to ice pressure.
  • the structure having at least one capillary can be, for example, a disk penetrated by a large number of bores, a grid, a mesh and/or a fabric.
  • the number of bores or the total free cross-sectional area can depend in particular on the pressure loss that is still permissible.
  • the diameter of the bores and/or openings is preferably selected in such a way that the capillary forces are somewhat greater than the field forces due to gravity, but are always significantly less than the dynamic pressure forces that are available.
  • the length of the bores is dimensioned in such a way that the desired capillary forces can form.
  • the structure having at least one capillary can advantageously be heated. In this way, freezing of water in the capillaries can be prevented. During a freeze start, ice that has formed during the shutdown phase can be thawed quickly.
  • the collection container of the device preferably has at least one surface which delimits the container volume and runs obliquely.
  • a type of funnel can be formed over the at least one sloping surface, which guides the water in the direction of the outlet of the collection container.
  • the at least one surface therefore preferably runs obliquely in the direction of the outlet.
  • the collection container preferably tapers in Direction of the outlet, so that the residue remaining in the collection container when emptying is as small as possible.
  • the outlet of the collection container is ideally located at the bottom.
  • the proposed device is preferably used in a fuel cell system, a fuel cell system with an anode circuit and a device according to the invention is also proposed.
  • the water separator of the device is integrated into the Andes circle.
  • Anode gas can then be fed to the water separator via the anode circuit in order to free it from water.
  • the advantages of the device contribute to increasing the robustness of the fuel cell system, in particular with regard to ice pressure.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for separating water
  • FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1 in the area of a first structure having a capillary
  • FIG. 3 shows an enlarged section of FIG. 1 in the region of a second structure having a capillary
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system with a device according to the invention for separating water.
  • the device according to the invention shown in Figure 1 for separating water 1 from an anode circuit 2 of a fuel cell system 3 comprises a water separator 4 with an integrated collecting tank 5 bottom outlet 12 runs obliquely. Water 1 in the collection container 5 is accordingly supplied to the outlet 12 via the surface 14 .
  • the outlet 12 of the collection container 5 is connected to an inlet 13 of a drain valve 6 via a connecting line 20 .
  • a structure 9 having a capillary 8 is integrated into the connection line 20, so that when the drain valve 6 is open, water 1 flows out of the collection container 5 through the capillary 8, provided that the hydrostatic pressure in the collection container 5 is sufficient to overcome the capillary forces acting in the capillaries 8 . This is always the case when the collection container s is full. However, if the filling level in the collection container 5 falls below a predetermined minimum, the structure 9 having the capillary 8 forms a barrier which prevents water 1 from reaching the drain valve 6 from the collection container 5 (see FIG. 2).
  • a structure 9 having a further capillary 8 is arranged in a connection line 21 between an outlet 10 of the drain valve 6 and an inlet 11 of a line 7 . Similar to the first structure 9 in the connection line 20, this also forms a barrier for water due to the capillary forces acting in the capillaries 8, so that no water 1, which was previously introduced into the line 7 via the drain valve 6, back out of the line 7 reaches the drain valve 6 (see Figure 3).
  • the water separator 4 of the device can be integrated into an anode circuit 2 of the fuel cell system 3 in order to integrate the device according to the invention into a fuel cell system 3 .
  • the anode gas of the anode circuit 2 can then be dehumidified with the aid of the water separator 4 before it is recirculated and fed back to a fuel cell stack 18 .
  • the recirculation can be effected passively by means of the ejector pump 15 shown and/or actively with the aid of the blower 17 shown.
  • Fresh anode gas, preferably fresh hydrogen, can be taken from a tank (not shown) and introduced into the anode circuit 2 via a metering valve 16 .
  • a purge valve 19 for flushing or purging the anode circuit 2 is also provided.
  • the amount of gas discharged via the purge valve 19 and the amount of water discharged via the drain valve 6 and the line 7 can be combined.

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Abstract

The invention relates to a method for separating water (1) from an anode circuit (2) of a fuel cell system (3), in which method anode gas from the anode circuit (2) is fed to a water separator (4) for separating water (1), the separated water (1) is collected in a collection container (5), and the collection container (5) is emptied by occasionally opening a drain valve (6) into a line (7). According to the invention, a structure (9) which has at least one capillary tube (8) and is located between an outlet (10) of the drain valve (6) and an inlet (11) of the line (7) is used to produce a barrier which prevents or at least impedes water from flowing back out of the line (7) to the drain valve (6). The invention also relates to a device for separating water (1) from an anode circuit (2) of a fuel cell system (3) and to a fuel cell system (3) having a device according to the invention.

Description

Beschreibung Description
Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem Method and device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system and fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. The invention relates to a method and a device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system. In addition, the invention relates to a fuel cell system with a device according to the invention.
Stand der Technik State of the art
Eine Brennstoffzelle weist eine Elektrolyt-Membran auf, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Mit Hilfe der Brennstoffzelle können Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, und Sauerstoff, welcher in Form von Luft der Kathode zugeführt wird, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, werden in der praktischen Anwendung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, zusammengefasst. A fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode. With the help of the fuel cell, hydrogen, which is supplied to the anode, and oxygen, which is supplied to the cathode in the form of air, can be converted into electrical energy, heat and water. In order to increase the electrical voltage generated, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack, also known as a "stack".
Da aus einer Brennstoffzelle austretendes Anodengas in der Regel noch unverbrauchten Wasserstoff enthält, wird es rezirkuliert und erneut der Anode zugeführt. Die Rezirkulation kann dabei passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses realisiert werden. Über die Zeit reichert sich jedoch das rezirkulierte Anodengas mit Stickstoff und Wasser an, da die Elektrolyt-Membran teilweise durchlässig für diese Stoffe ist, so dass sie durch die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundieren. Dadurch sinkt die Wasserstoffkonzentration des Anodengases, so dass der Anodenkreis von Zeit zu Zeit gespült (engl.: „purgen“) werden muss. Zum Spülen bzw. Purgen wird ein Ventil, das sogenannte Purgeventil, geöffnet, über welches Anodengas aus dem Anodenkreis abgeführt wird. Zeitgleich wird die abgeführte Menge durch frischen Wasserstoff aus einem Tank ersetzt. Um flüssiges Wasser aus dem Anodenkreis zu entfernen, ist in der Regel in den Anodenkreis ein Wasserabscheider mit Sammelbehälter integriert. Der Sammelbehälter wird durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Drainventil, in eine Leitung entleert und über die Leitung abgeführt. Since anode gas escaping from a fuel cell usually still contains unused hydrogen, it is recirculated and fed back to the anode. The recirculation can be implemented passively using a jet pump and/or actively using a recirculation fan. Over time, however, the recirculated anode gas is enriched with nitrogen and water, since the electrolyte membrane is partially permeable to these substances, so that they diffuse through the membrane from the cathode side to the anode side. This reduces the hydrogen concentration of the anode gas, so that the anode circuit has to be purged from time to time. For flushing or purging, a valve, the so-called purge valve, is opened, through which anode gas is discharged from the anode circuit. At the same time, the discharged amount is replaced by fresh hydrogen from a tank. To remove liquid water from the anode circuit is usually in the anode circuit Integrated water separator with collection tank. The collection container is emptied into a line by opening a valve, the so-called drain valve, and discharged via the line.
Vor dem Abstellen eines Brennstoffzellensystems versucht man es vollständig von flüssigem Wasser zu befreien. Denn dieses kann bei tiefen Außentemperaturen gefrieren, so dass sensible Komponenten, wie beispielsweise Ventile und/oder Leitungen, durch Eisdruck beschädigt werden können. In der Regel wird daher das System über das Drainventil ausgeblasen. Dennoch ist es möglich, dass nach dem Abstellen noch Restwasser im System verbleibt oder anfällt, insbesondere aufgrund von Kondensation und/oder Unterdruckeffekten. Zudem wurde erkannt, dass die an das Drainventil angeschlossene Leitung nie vollständig ausgeblasen werden kann. Zur Vermeidung von Schäden durch Eisdruck wird daher die Leitung in der Regel beheizt. Allerdings besteht dann die Gefahr, dass flüssiges Wasser zum Drainventil zurückläuft, dort gefriert und das Drainventil beschädigt. Ferner kann das Drainventil durch rücklaufendes und gefrierendes Wasser unbeabsichtigt aufgedrückt werden, so dass es zu einer Leckage über das Ventil kommt. Before shutting down a fuel cell system, an attempt is made to free it completely of liquid water. Because this can freeze at low outside temperatures, so that sensitive components such as valves and/or lines can be damaged by ice pressure. As a rule, the system is therefore blown out via the drain valve. However, it is possible that residual water will remain in the system after it has been switched off, in particular due to condensation and/or negative pressure effects. In addition, it was recognized that the line connected to the drain valve can never be completely blown out. To avoid damage from ice pressure, the line is therefore usually heated. However, there is then a risk that liquid water will run back to the drain valve, freeze there and damage the drain valve. Furthermore, the drain valve can be inadvertently pushed open by backflowing and freezing water, resulting in leakage through the valve.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Drainventil besser vor rücklaufendem Restwasser und damit vor Eisdruckschäden und/oder Leckagen zu schützen. The present invention is concerned with the task of better protecting the drain valve from residual water running back and thus from ice pressure damage and/or leaks.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben. To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the device with the features of claim 5 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims. In addition, a fuel cell system with a device according to the invention is specified.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Bei dem Verfahren wird Anodengas aus dem Anodenkreis einem Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser zugeführt. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Sammelbehälter gesammelt. Bei dem Verfahren wird zudem der Sammelbehälter durch Öffnen eines Drainventils von Zeit zu Zeit in eine Leitung entleert. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens einer Kapillare aufweisenden Struktur, die zwischen einem Auslass des Drainventils und einem Einlass der Leitung angeordnet ist, eine Barriere geschaffen, die ein Rückströmen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert oder zumindest erschwert. A method for separating water from an anode circuit of a fuel cell system is proposed. In the process, anode gas from the anode circuit is fed to a water separator for separating water. The separated water is collected in a collection tank. In the method, the collection container is also emptied into a line by opening a drain valve from time to time. According to the invention with the aid of at least one structure having capillaries, which is arranged between an outlet of the drain valve and an inlet of the line, a barrier is created which prevents or at least impedes a backflow of water from the line to the drain valve.
Die Barrierewirkung ist auf die Kapillarkräfte in den Kapillaren der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur zurückzuführen. Sie bewirken, dass in den Kapillaren befindliches Wasser in den Kapillaren gehalten wird, so dass es - im Idealfall - nicht über die Barriere hinaus, insbesondere nicht zurück zum Drainventil, gelangt. Das heißt, dass im Abstellfall, nachdem das System über das Drainventil ausgeblasen worden ist, in der Leitung verbliebenes Wasser nicht zurück zum Drainventil strömen kann. Das Drainventil bleibt somit frei von Wasser, so dass bei tiefen Außentemperaturen auch kein Wasser gefrieren und das Drainventil durch Eisdruck unbeabsichtigt öffnen und/oder beschädigen kann. The barrier effect is due to the capillary forces in the capillaries of the structure having at least one capillary. They cause the water in the capillaries to be held in the capillaries so that - ideally - it does not get beyond the barrier, especially not back to the drain valve. This means that in the event of a shutdown, after the system has been blown out via the drain valve, any water remaining in the line cannot flow back to the drain valve. The drain valve thus remains free of water, so that no water can freeze at low outside temperatures and the drain valve cannot accidentally open and/or be damaged by ice pressure.
Die Kapillare sind hinsichtlich ihrer Durchmesser und/oder Länge derart bemessen, dass bei einem bestimmten Füllstand im Sammelbehälter, das heißt bei einem bestimmten hydrostatischen Druck, die mittels der Kapillarkräfte erzielte Barrierewirkung überwunden werden kann. Dadurch ist sichergestellt, dass der Sammelbehälter weiterhin über das Drainventil entleert werden kann. With regard to their diameter and/or length, the capillaries are dimensioned in such a way that the barrier effect achieved by means of the capillary forces can be overcome at a specific filling level in the collection container, ie at a specific hydrostatic pressure. This ensures that the collection container can still be emptied via the drain valve.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe mindestens einer weiteren Kapillare aufweisenden Struktur, die zwischen einem Auslass des Sammelbehälters und einem Einlass des Drainventils angeordnet ist, eine Barriere geschaffen wird. Die weitere Barriere kann analog der ersten Barriere ausgebildet sein, so dass - insbesondere im Abstellfall - nach dem Ausblasen und/oder Entleeren des Sammelbehälters der hydrostatische Druck nicht mehr ausreicht, die Barriere zu überwinden. Auf diese Weise kann im Sammelbehälter verbleibendes Restwasser oder Wasser, das nachträglich, beispielsweise aufgrund von Kondensation, im Sammelbehälter anfällt, fern vom Drainventil gehalten werden. In a development of the invention, it is proposed that a barrier be created with the aid of at least one further structure having capillaries, which is arranged between an outlet of the collecting container and an inlet of the drain valve. The additional barrier can be designed analogously to the first barrier, so that—particularly when it is parked—after the collection container has been blown out and/or emptied, the hydrostatic pressure is no longer sufficient to overcome the barrier. In this way, residual water remaining in the collection container or water that subsequently accumulates in the collection container, for example due to condensation, can be kept away from the drain valve.
Über die Kapillare aufweisenden Strukturen vor und nach dem Drainventil kann somit sichergestellt werden, dass im Abstellfall kein Wasser zum Drainventil gelangt. Demzufolge kann auch kein Wasser gefrieren und das Drainventil durch Eisdruck unbeabsichtigt öffnen oder beschädigen. Da Kapillare prinzipbedingt sehr kleine Durchmesser aufweisen, kann in den Kapillaren vorhandenes Wasser bei tiefen Außentemperaturen leicht gefrieren. Um bei einem Gefrierstart das Eis möglichst schnell aufzutauen, wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur beheizt wird. Sofern die an das Drainventil anschließende Leitung beheizt wird, was bevorzugt der Fall ist, kann die gleiche Heizvorrichtung zum Beheizen der Kapillare genutzt werden. Die Heizeinrichtung wird hierzu bevorzugt auf die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur erweitert. The structures having capillaries before and after the drain valve can thus be used to ensure that no water reaches the drain valve in the event of a shutdown. As a result, no water can freeze and unintentionally open or damage the drain valve due to ice pressure. Since capillaries have very small diameters due to the principle of operation, the water in the capillaries can easily freeze at low outside temperatures. In order to thaw the ice as quickly as possible when freezing starts, it is proposed as a further development measure that the structure having at least one capillary is heated. If the line connected to the drain valve is heated, which is preferably the case, the same heating device can be used to heat the capillary. For this purpose, the heating device is preferably extended to the structure having at least one capillary.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das im Sammelbehälter vorhandene Wasser über mindestens eine schräge Fläche dem Auslass des Sammelbehälters zugeführt wird. Beispielsweise kann die mindestens eine schräg verlaufende Fläche eine Art Trichter ausbilden, der sich nach unten bzw. in Richtung des Auslasses verjüngt, so dass - in mobilen Anwendungen - in jeder Lage des Fahrzeugs gewährleistet ist, dass im Sammelbehälter vorhandenes Wasser dem Auslass zugeführt wird. Der Auslass ist vorzugsweise bodenseitig angeordnet, so dass das Wasser schwerkraftgetrieben dem Auslass zugeführt wird. Dies erleichtert das Entleeren des Sammelbehälters. Furthermore, it is proposed that the water present in the collection container is fed to the outlet of the collection container via at least one inclined surface. For example, the at least one sloping surface can form a type of funnel that tapers downwards or in the direction of the outlet, so that—in mobile applications—in every position of the vehicle it is ensured that water present in the collection container is fed to the outlet. The outlet is preferably arranged at the bottom, so that the water is fed to the outlet by gravity. This makes it easier to empty the collection container.
Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Wasserabscheider zum Abscheiden des Wassers, einen Sammelbehälter zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers, ein Drainventil zum Entleeren des Sammelbehälters und eine an das Drainventil angeschlossene Leitung zum Abführen des Wassers. Erfindungsgemäß ist zwischen einem Auslass des Drainventils und einem Einlass der Leitung mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur angeordnet. In addition, a device for separating water from an anode circuit of a fuel cell system is proposed. The device comprises a water separator for separating the water, a collecting container for collecting the separated water, a drain valve for emptying the collecting container and a line connected to the drain valve for draining the water. According to the invention, at least one structure having a capillary is arranged between an outlet of the drain valve and an inlet of the line.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass mit ihr die gleichen zuvor beschriebenen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann mit Hilfe der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur ein Rückströmen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert werden, da die in den Kapillaren wirkenden Kapillarkräfte das Wasser festhalten. Auf diese Weise wird eine Barriere geschaffen, die im Abstellfall verhindert, dass Wasser aus der Leitung zum Drainventil gelangt. Demzufolge kann kein Wasser gefrieren und das Drainventil - aufgrund Eisdruck - unbeabsichtigt öffnen oder sogar beschädigen kann. Die Durchmesser und/oder Längen der Kapillare sind derart bemessen, dass die Barrierewirkung der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur über den hydrostatischen Druck im Sammelbehälter überwunden werden kann, so dass der Behälter weiterhin über das Drainventil in die Leitung entleert werden kann. The proposed device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above, so that the same advantages described above can be achieved with it. In particular, with the aid of the structure having at least one capillary, a backflow of water from the line to the drain valve can be prevented since the capillary forces acting in the capillaries hold the water. In this way, a barrier is created which, in the event of a shutdown, prevents water from reaching the drain valve from the line. As a result, no water can freeze and the drain valve - due to ice pressure - can open unintentionally or even be damaged. The diameters and/or lengths of the capillaries are dimensioned such that the barrier effect of the structure having at least one capillary can be overcome via the hydrostatic pressure in the collection container, so that the container can continue to be emptied into the line via the drain valve.
Bevorzugt ist zwischen einem Auslass des Sammelbehälters und einem Einlass des Drainventils mindestens eine weitere Kapillare aufweisende Struktur angeordnet. Im Abstellfall kann durch Öffnen des Drainventils der Sammelbehälter soweit entleert werden, dass der hydrostatische Druck nicht mehr ausreicht, die Barrierewirkung der Kapillare aufweisenden Strukturen zu überwinden. Das Drainventil kann auf diese Weise sowohl auslassseitig als auch einlassseitig „trocken“ gelegt werden, um Schäden und/oder Leckagen aufgrund von Eisdruck zu vermeiden. At least one further structure having capillaries is preferably arranged between an outlet of the collection container and an inlet of the drain valve. In the case of shutdown, the collection container can be emptied by opening the drain valve to such an extent that the hydrostatic pressure is no longer sufficient to overcome the barrier effect of the structures having capillaries. This allows the drain valve to be "drained" on both the outlet and inlet sides to prevent damage and/or leakage due to ice pressure.
Die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur kann beispielsweise eine von einer Vielzahl an Bohrungen durchsetzte Scheibe, ein Gitter, ein Netz und/oder ein Gewebe sein. Die Anzahl der Bohrungen bzw. die aufsummierte freie Querschnittsfläche kann sich insbesondere nach dem noch zulässigen Druckverlust richten. Der Durchmesser der Bohrungen und/oder Öffnungen wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Kapillarkräfte etwas größer sind als die Feldkräfte durch die Schwerkraft, aber immer deutlich geringer als die zur Verfügung stehenden dynamischen Druckkräfte. Die Länge der Bohrungen ist derart bemessen, dass sich die gewünschten Kapillarkräfte bilden können. The structure having at least one capillary can be, for example, a disk penetrated by a large number of bores, a grid, a mesh and/or a fabric. The number of bores or the total free cross-sectional area can depend in particular on the pressure loss that is still permissible. The diameter of the bores and/or openings is preferably selected in such a way that the capillary forces are somewhat greater than the field forces due to gravity, but are always significantly less than the dynamic pressure forces that are available. The length of the bores is dimensioned in such a way that the desired capillary forces can form.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur beheizbar. Auf diese Weise kann ein Gefrieren von Wasser in den Kapillaren verhindert werden. Bei einem Gefrierstart kann Eis, das sich während der Abstellphase gebildet hat, schnell aufgetaut werden. The structure having at least one capillary can advantageously be heated. In this way, freezing of water in the capillaries can be prevented. During a freeze start, ice that has formed during the shutdown phase can be thawed quickly.
Des Weiteren bevorzugt weist der Sammelbehälter der Vorrichtung mindestens eine das Behältervolumen begrenzende Fläche auf, die schräg verläuft. Über die mindestens eine schräg verlaufende Fläche kann eine Art Trichter gebildet werden, die das Wasser in Richtung des Auslasses des Sammelbehälters lenkt. Die mindestens eine Fläche verläuft daher vorzugsweise schräg in Richtung des Auslasses. Weiterhin vorzugsweise verjüngt sich der Sammelbehälter in Richtung des Auslasses, so dass die beim Entleeren im Sammelbehälter verbleibende Restmenge möglichst klein ist. Der Auslass des Sammelbehälters ist idealerweise bodenseitig angeordnet. Furthermore, the collection container of the device preferably has at least one surface which delimits the container volume and runs obliquely. A type of funnel can be formed over the at least one sloping surface, which guides the water in the direction of the outlet of the collection container. The at least one surface therefore preferably runs obliquely in the direction of the outlet. Furthermore, the collection container preferably tapers in Direction of the outlet, so that the residue remaining in the collection container when emptying is as small as possible. The outlet of the collection container is ideally located at the bottom.
Da die vorgeschlagene Vorrichtung bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Der Wasserabscheider der Vorrichtung ist dabei in den Andenkreis integriert. Über den Anodenkreis kann dann dem Wasserabscheider Anodengas zugeführt werden, um dieses von Wasser zu befreien. Die Vorteile der Vorrichtung tragen in dieser Anwendung dazu bei, dass die Robustheit des Brennstoffzellensystems, insbesondere gegenüber Eisdruck, steigt. Since the proposed device is preferably used in a fuel cell system, a fuel cell system with an anode circuit and a device according to the invention is also proposed. The water separator of the device is integrated into the Andes circle. Anode gas can then be fed to the water separator via the anode circuit in order to free it from water. In this application, the advantages of the device contribute to increasing the robustness of the fuel cell system, in particular with regard to ice pressure.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser, 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for separating water,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 im Bereich einer ersten Kapillare aufweisenden Struktur, FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1 in the area of a first structure having a capillary,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 im Bereich einer zweiten Kapillare aufweisenden Struktur und 3 shows an enlarged section of FIG. 1 in the region of a second structure having a capillary, and FIG
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system with a device according to the invention for separating water.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Die in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser 1 aus einem Anodenkreis 2 eines Brennstoffzellensystems 3 (siehe Figur 4) umfasst einen Wasserabscheider 4 mit integriertem Sammelbehälter 5. Der Sammelbehälter 5 weist eine das Behältervolumen begrenzende Fläche 14 auf, die in Richtung eines bodenseitigen Auslasses 12 schräg verläuft. Im Sammelbehälter 5 befindliches Wasser 1 wird demnach über die Fläche 14 dem Auslass 12 zugeführt. Der Auslass 12 des Sammelbehälters 5 ist über eine Anschlussleitung 20 mit einem Einlass 13 eines Drainventils 6 verbunden. In die Anschlussleitung 20 ist eine Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 integriert, so dass bei geöffnetem Drainventil 6 Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 durch die Kapillare 8 strömt, vorausgesetzt, dass der hydrostatische Druck im Sammelbehälter 5 ausreicht die in den Kapillaren 8 wirkenden Kapillarkräfte zu überwinden. Dies ist bei gefülltem Sammelbehälter s stets der Fall. Unterschreitet jedoch der Füllstand im Sammelbehälter 5 ein vorgegebenes Minimum, bildet die Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 eine Barriere aus, die verhindert, dass Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 zum Drainventil 6 gelangt (siehe Figur 2). The device according to the invention shown in Figure 1 for separating water 1 from an anode circuit 2 of a fuel cell system 3 (see Figure 4) comprises a water separator 4 with an integrated collecting tank 5 bottom outlet 12 runs obliquely. Water 1 in the collection container 5 is accordingly supplied to the outlet 12 via the surface 14 . The outlet 12 of the collection container 5 is connected to an inlet 13 of a drain valve 6 via a connecting line 20 . A structure 9 having a capillary 8 is integrated into the connection line 20, so that when the drain valve 6 is open, water 1 flows out of the collection container 5 through the capillary 8, provided that the hydrostatic pressure in the collection container 5 is sufficient to overcome the capillary forces acting in the capillaries 8 . This is always the case when the collection container s is full. However, if the filling level in the collection container 5 falls below a predetermined minimum, the structure 9 having the capillary 8 forms a barrier which prevents water 1 from reaching the drain valve 6 from the collection container 5 (see FIG. 2).
Zwischen einem Auslass 10 des Drainventils 6 und einem Einlass 11 einer Leitung 7 ist eine weitere Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 in einer Anschlussleitung 21 angeordnet. Analog zur ersten Struktur 9 in der Anschlussleitung 20 bildet auch diese aufgrund der in den kapillaren 8 wirkenden Kapillarkräfte eine Barriere für Wasser aus, so dass kein Wasser 1, das zuvor über das Drainventil 6 in die Leitung 7 eingeleitet wurde, aus der Leitung 7 zurück zum Drainventil 6 gelangt (siehe Figur 3). A structure 9 having a further capillary 8 is arranged in a connection line 21 between an outlet 10 of the drain valve 6 and an inlet 11 of a line 7 . Similar to the first structure 9 in the connection line 20, this also forms a barrier for water due to the capillary forces acting in the capillaries 8, so that no water 1, which was previously introduced into the line 7 via the drain valve 6, back out of the line 7 reaches the drain valve 6 (see Figure 3).
Wie beispielhaft in der Figur 4 dargestellt, kann zur Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Brennstoffzellensystem 3 der Wasserabscheider 4 der Vorrichtung in einen Anodenkreis 2 des Brennstoffzellensystems 3 integriert werden. Das Anodengas des Anodenkreises 2 kann dann mit Hilfe des Wasserabscheiders 4 entfeuchtet werden, bevor es rezirkuliert und erneut einem Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt wird. Die Rezirkulation kann passiv mittels der dargestellten Saugstrahlpumpe 15 und/oder aktiv mit Hilfe des dargestellten Gebläses 17 bewirkt werden. Frisches Anodengas, vorzugsweise frischer Wasserstoff, kann einem Tank (nicht dargestellt) entnommen und über ein Dosierventil 16 in den Anodenkreis 2 eingebracht werden. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit nicht nur mit Wasser, sondern auch mit Stickstoff anreichert, ist ferner ein Purgeventil 19 zum Spülen bzw. Purgen des Anodenkreises 2 vorgesehen. Die über das Purgeventil 19 abgeleitete Gasmenge und die über das Drainventil 6 und die Leitung 7 abgeführte Wassermenge können zusammengeführt werden. As shown by way of example in FIG. 4, the water separator 4 of the device can be integrated into an anode circuit 2 of the fuel cell system 3 in order to integrate the device according to the invention into a fuel cell system 3 . The anode gas of the anode circuit 2 can then be dehumidified with the aid of the water separator 4 before it is recirculated and fed back to a fuel cell stack 18 . The recirculation can be effected passively by means of the ejector pump 15 shown and/or actively with the aid of the blower 17 shown. Fresh anode gas, preferably fresh hydrogen, can be taken from a tank (not shown) and introduced into the anode circuit 2 via a metering valve 16 . Since the recirculated anode gas is enriched over time not only with water but also with nitrogen, a purge valve 19 for flushing or purging the anode circuit 2 is also provided. The amount of gas discharged via the purge valve 19 and the amount of water discharged via the drain valve 6 and the line 7 can be combined.

Claims

- 8 - Ansprüche - 8 - Claims
1. Verfahren zum Abscheiden von Wasser (1) aus einem Anodenkreis (2) eines Brennstoffzellensystems (3), bei dem Anodengas aus dem Anodenkreis (2) einem Wasserabscheider (4) zum Abscheiden von Wasser (1) zugeführt wird, das abgeschiedene Wasser (1) in einem Sammelbehälter (5) gesammelt wird und bei dem der Sammelbehälter (5) durch Öffnen eines Drainventils (6) von Zeit zu Zeit in eine Leitung (7) entleert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mindestens einer Kapillare (8) aufweisenden Struktur (9), die zwischen einem Auslass (10) des Drainventils (6) und einem Einlass (11) der Leitung (7) angeordnet ist, eine Barriere geschaffen wird, die ein Rückströmen von Wasser (1) aus der Leitung (7) zum Drainventil (6) verhindert oder zumindest erschwert. 1. A method for separating water (1) from an anode circuit (2) of a fuel cell system (3), in which anode gas from the anode circuit (2) is fed to a water separator (4) for separating water (1), the separated water ( 1) is collected in a collection container (5) and in which the collection container (5) is emptied into a line (7) from time to time by opening a drain valve (6), characterized in that with the aid of at least one capillary (8) structure (9) which is arranged between an outlet (10) of the drain valve (6) and an inlet (11) of the line (7), a barrier is created which prevents water (1) from flowing back out of the line (7 ) to the drain valve (6) is prevented or at least made more difficult.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mindestens einer weiteren Kapillare (8) aufweisenden Struktur (9), die zwischen einem Auslass (12) des Sammelbehälters (5) und einem Einlass (13) des Drainventils (6) angeordnet ist, eine Barriere geschaffen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that with the aid of at least one further capillary (8) having structure (9) between an outlet (12) of the collecting container (5) and an inlet (13) of the drain valve (6). is, a barrier is created.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kapillare (8) aufweisende Struktur (9) beheizt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at least one capillary (8) having structure (9) is heated.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Sammelbehälter (5) vorhandene Wasser (1) über mindestens eine schräge Fläche (14) dem Auslass (12) des Sammelbehälters (5) zugeführt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the water (1) present in the collecting container (5) is supplied to the outlet (12) of the collecting container (5) via at least one inclined surface (14).
5. Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser (1) aus einem Anodenkreis (2) eines Brennstoffzellensystems (3), umfassend einen Wasserabscheider (4) zum Abscheiden des Wassers (1), einen Sammelbehälter (5) zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers (1), ein Drainventil (6) zum Entleeren des - 9 - 5. Device for separating water (1) from an anode circuit (2) of a fuel cell system (3), comprising a water separator (4) for separating the water (1), a collection container (5) for collecting the separated water (1), a drain valve (6) for emptying the - 9 -
Sammelbehälters (5) und eine an das Drainventil (6) angeschlossene Leitung (7) zum Abführen des Wassers (1), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass (10) des Drainventils (6) und einem Einlass (11) der Leitung (7) mindestens eine Kapillare (8) aufweisende Struktur (9) angeordnet ist. Collection container (5) and a line (7) connected to the drain valve (6) for draining the water (1), characterized in that between an outlet (10) of the drain valve (6) and an inlet (11) of the line (7 ) At least one capillary (8) having structure (9) is arranged.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass (12) des Sammelbehälters (5) und einem Einlass (13) des Drainventils (6) mindestens eine weitere Kapillare (8) aufweisende Struktur (9) angeordnet ist. 6. Device according to claim 5, characterized in that between an outlet (12) of the collection container (5) and an inlet (13) of the drain valve (6) having at least one further capillary (8) structure (9) is arranged.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kapillare (8) aufweisende Struktur (9) eine von einer Vielzahl an Bohrungen durchsetzte Scheibe, ein Gitter, ein Netz und/oder ein Gewebe ist. 7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the structure (9) having at least one capillary (8) is a disc, a grid, a mesh and/or a fabric through which a large number of bores pass.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kapillare (8) aufweisende Struktur (9) beheizbar ist. 8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the at least one capillary (8) having structure (9) can be heated.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (5) mindestens eine das Behältervolumen begrenzende Fläche (14) aufweist, die, vorzugsweise in Richtung des Auslasses (12), schräg verläuft. 9. Device according to one of Claims 5 to 8, characterized in that the collection container (5) has at least one surface (14) which delimits the container volume and runs obliquely, preferably in the direction of the outlet (12).
10. Brennstoffzellensystem (3) mit einem Anodenkreis (2) sowie einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Wasserabscheider (4) der Vorrichtung in den Andenkreis (2) integriert ist. 10. Fuel cell system (3) with an anode circuit (2) and a device according to one of claims 5 to 9, wherein the water separator (4) of the device is integrated into the Andean circuit (2).
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