WO2023061968A1 - Wasserabscheidevorrichtung für eine brennstoffzelle mit beweglichem volumenausgleichskörper als gefrierschutzeinrichtung - Google Patents

Wasserabscheidevorrichtung für eine brennstoffzelle mit beweglichem volumenausgleichskörper als gefrierschutzeinrichtung Download PDF

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WO2023061968A1
WO2023061968A1 PCT/EP2022/078170 EP2022078170W WO2023061968A1 WO 2023061968 A1 WO2023061968 A1 WO 2023061968A1 EP 2022078170 W EP2022078170 W EP 2022078170W WO 2023061968 A1 WO2023061968 A1 WO 2023061968A1
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water
fuel cell
collection
collection volume
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PCT/EP2022/078170
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Florian Braun
Matthias Bleeck
Henry Meißgeier
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Vitesco Technologies GmbH
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
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    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems

Definitions

  • the invention relates to a water separator for a fuel cell, which has an antifreeze device with a movable volume compensation body.
  • the invention also relates to a fuel cell device for a motor vehicle, which has such a water separation device.
  • fuel cells are also used as electrical energy sources.
  • the fuel cell is a galvanic cell in which electrical energy is generated based on a chemical reaction between a fuel and an oxidizing agent. Hydrogen is the preferred fuel used in motor vehicles. Atmospheric oxygen is used as the oxidizing agent.
  • the fuel cell consists of two electrodes (anode and cathode), which are separated from each other by a semi-permeable membrane. The two reactants, fuel and oxidant, are fed continuously to the electrodes. The membrane is only for one of the types of ions released during the reaction, e.g. B. protons, permeable.
  • the reaction between the oxidizing agent and the fuel releases electrical energy, which is used to operate the motor vehicle's electric motors.
  • water is produced as a reaction product on the cathode side.
  • nitrogen as the main component of air
  • water gradually diffuse from the cathode via the membrane to the anode. This is undesirable because nitrogen and water block the hydrogen supply channels and reduce the even distribution of the hydrogen within the anode, which adversely affects the efficiency of the fuel cell.
  • it must be evacuated from the electrodes. This is often done by blowing out.
  • the water-containing gas mixture (aerosol), which leaves the electrodes, is fed to a water separator on the outlet side, in which the water is separated from the remaining gas.
  • the separated water is collected in a collection container and released from time to time through a valve. If the fuel cell is operated below the freezing point of water, ice can form in the area of the collection container and the valve. Due to the very high pressure forces that occur as a result, water separators, collection tanks and valves can be damaged or destroyed. The risk of ice formation is particularly high when the fuel cell is switched off. To avoid ice formation, the affected components can be heated electrically or by means of a heat transfer fluid. However, the technical infrastructure required for this is complex, expensive and prone to defects.
  • a water separating device for a fuel cell has a separating device for separating water from a water-containing gas mixture discharged from the fuel cell.
  • the water separation device also includes a container with a collection volume for collecting or catching the water separated by the separation device.
  • the water separating device also includes an antifreeze device with a movable volume compensation body, which is coupled to the collection volume in a compressive force-transmitting manner, the antifreeze device being designed in such a way that when the water in the collection volume freezes, the volume compensation body falls below Increasing the collection volume moves towards a freezing position, and that when the frozen water in the collection volume melts, the volume compensating body moves back towards a melting position while reducing the collection volume.
  • Ice has a specific volume that is approx. 8-10% larger than water. If the water that has accumulated in the container freezes to form ice, very high pressure forces arise if expansion of the ice or adequate volume equalization is not possible.
  • the idea on which the invention is based is to be seen in providing an antifreeze device that enables variable volume equalization in the collection volume. In other words, the antifreeze device enables the collection volume to be increased as required if the water in the collection volume freezes, and a corresponding reduction in the collection volume if the ice in the collection volume liquefies.
  • the volume compensating body has two opposite surface sides.
  • the volume compensation body On one side of the surface it is in contact with the collection volume and, depending on the fill level, with the water or ice that has collected in it, in a manner that transmits compressive force.
  • the volume compensation body On the other side of the surface, the volume compensation body is in force-transmitting contact with the environment (atmospheric pressure, ambient air).
  • the volume compensating body can also be coupled on the other surface side to a restoring device, which exerts a force on it that opposes the force on the side of the collection volume (see claim 2).
  • the volume compensation body is movably or displaceably mounted along a displacement path. It assumes a position along this displacement path in which the forces acting on it on opposite surface sides are in equilibrium.
  • the volume compensating body If there is water in the collection volume, the volume compensating body is in a melting position. If the water in the collection volume freezes, this results in a one-sided increase in the pressure force on the volume compensation body. The volume compensating body then moves along the displacement path in the direction of the freezing position, in which equilibrium of forces prevails again. If the ice in the collection volume melts, this has a one-sided reduction in the ice volume due to the shrinkage of the ice volume Compressive force on the volume compensating body on the side of the collection volume result (e.g. due to the evacuation effect in the space between volume compensating body and the melting ice). The volume compensating body then moves along the displacement path in the direction of the melting position until there is a balance of forces again.
  • the antifreeze device is dimensioned in such a way that the increase in the collection volume is large enough to prevent damage to the water separation device due to the formation of ice.
  • the antifreeze device can be designed or dimensioned in such a way that the collection volume can expand or increase by at least 8% when ice forms.
  • damage to the water separation device in the event of ice formation within the collection volume can be reliably avoided.
  • the operational reliability of the water separation device is thus ensured even at temperatures below freezing.
  • the costs and the susceptibility to failure are low. Electrical or fluid-based heating can be dispensed with, which considerably reduces the costs, the technical complexity and the susceptibility of the water separation device to failure.
  • the antifreeze device has a restoring device coupled in a force-transmitting manner to the volume compensation body for exerting a restoring force on the volume compensation body directed in the direction of the melting position, with the restoring force increasing when the volume compensation body moves in the direction of the freezing position, and with a movement of the volume compensation body in the direction of the melting position reduces the restoring force.
  • a restoring device ensures that the volume compensation body moves back into the melting position. It is also possible to set the restoring force by selecting the restoring device accordingly.
  • the restoring device can be a mechanical spring (eg made of metal), an elastomer or a gas pressure spring have, which is coupled in a force-transmitting manner to the volume compensation body.
  • the restoring device has a flexible rod which is coupled to the volume compensation body in such a way that it bends elastically when the volume compensation body moves into the freezing position, amplifying the restoring force.
  • the container has a cavity on a boundary wall, the volume compensating body being displaceably arranged in the cavity, and the restoring device being disposed on the side of the volume compensating body facing away from the collection volume.
  • the antifreeze device has a sensor for detecting a value in the collection volume.
  • the opening in the boundary wall of the container can also be used as access for a sensor to the collection volume.
  • a separate access can be saved.
  • a fuel cell device comprises:
  • a fuel cell which has an anode device and a cathode device, the anode device having an anode outlet for discharging water-containing gas mixture from the anode device and wherein the cathode device has a cathode outlet for discharging water-containing gas mixture from the cathode device, - at least one water separation device according to one of Claims 1 to 6, which is coupled to the anode outlet and/or the cathode outlet.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device for a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the fuel cell and the associated water separation devices
  • a motor vehicle 1 with an exemplary embodiment of a fuel cell device 2 is shown schematically in FIG.
  • the core of the fuel cell device 2 is the actual fuel cell 3, which acts as a galvanic cell.
  • the fuel cell 3 has an anode device 4 and a cathode device 5, which are separated from one another by an electrolyte device 6 (ion conductor).
  • the electrolyte device 6 can be formed, for example, as a polymer electrolyte membrane, which only for protons but not permeable to electrons. Alternatively, certain ceramics or other solid electrolytes can also be used.
  • the anode device 4 and the cathode device 5 have electrode plates or bipolar plates (not shown), which are preferably made of metal or carbon and are coated with a catalyst such as platinum or palladium.
  • the fuel cell device 2 also includes a fuel supply device 7 which is coupled to an input 8 of the anode device 4 in order to supply it with fuel.
  • the fuel supply device 7 has a fuel tank 9 in which the fuel is stored.
  • the fuel used is hydrogen, which is stored in the fuel tank 9 in liquid or gaseous form under very high pressure (e.g. 350 bar to 700 bar).
  • the fuel tank 9 is connected to the input 8 of the anode device 4 via a supply line 10 .
  • a shut-off valve 11 and a pressure reducer 12 are arranged one behind the other in the supply line 10 downstream (arrow) of the fuel tank 9 .
  • the pressure reducer 12 reduces the gas pressure to about 10 bar to 30 bar. Further downstream in the supply line 10 is an electrically operated metering valve
  • the metering valve 13 is provided, by means of which a targeted metering of the hydrogen into the anode device 4 is possible.
  • the metering valve 13 is controlled by a control device 14 which is assigned to the fuel cell device 2 and is electrically connected to the metering valve 13 . Between the dosing valve
  • the pressure within the anode device 4 ranges between 0.8 bar and 4 bar.
  • the fuel cell device 2 also includes an oxidizing agent supply device 16 which is coupled to the cathode device 5 in order to supply it with oxidizing agent.
  • an oxidizing agent supply device 16 which is coupled to the cathode device 5 in order to supply it with oxidizing agent.
  • atmospheric oxygen is used as the oxidizing agent, which is passed through the cathode device 5 the oxidizing agent supply device 16 is supplied.
  • the oxidizing agent supply device 16 has a further pressure sensor 17 which supplies the control device 14 with the oxygen pressure or the air pressure at the inlet 18 of the cathode device 5 .
  • the hydrogen on the side of the anode device 4 reacts with the atmospheric oxygen on the side of the cathode device 5 to form water, with a direct current flow occurring between the anode device 4 and the cathode device 5 .
  • the direct current can be used to operate an electric drive motor (not shown) of motor vehicle 1 .
  • the respective reaction products from the anode device 4 and the cathode device 5 are discharged.
  • the anode device 4 has an anode outlet 41, via which the reaction products can be evacuated from the anode device 4, i.e. can be discharged.
  • the reaction products on the part of the anode device 4 are essentially a gas mixture of steam, nitrogen and hydrogen as the main components.
  • the cathode device 5 has a cathode output 51 via soft
  • the reaction products on the part of the cathode device 5 are involved it is usually a gas mixture of water vapour, nitrogen and oxygen as the main components.
  • the first water separation device 400 has a first gas inlet 401 which is fluidically coupled to the anode outlet 41 .
  • the first water separation device 400 is designed to separate water from the water-containing gas mixture which escapes from the anode outlet 41 . While the separated, liquid water remains at least temporarily in the first water separation device 400, the separated gas components leave the first water separation device 400 immediately after the separation process via a first gas outlet 402.
  • the separated gas components are then optionally fed via a recirculation path 20 with a fan 21 arranged therein to Returned to the input of the anode device 4 or released into the environment via a controllable first gas valve 410 .
  • the liquid water separated in the first water separation device 400 can be drained from time to time via a first water outlet 403 and a controllable first water valve 420 .
  • the fuel cell device 2 has a second water separation device 500 which is assigned to the cathode device 5 .
  • the second water separation device 500 has a second gas inlet 501 which is fluidically coupled to the cathode outlet 51 .
  • the second water separation device 500 is designed to separate water from the water-containing gas mixture which escapes from the cathode outlet 51 . While the separated, liquid water remains at least temporarily in the second water separation device 500, the separated gas components leave the second water separation device 500 immediately after the separation process via a second gas outlet 502 into the environment.
  • the separated in the second water separation device 500 liquid water can be drained from time to time via a first water outlet 503 and a controllable second water valve 520.
  • only one water separation device can be provided, which is assigned either to the anode device 4 or to the cathode device 5 .
  • the first water separation device 400 has a first separation device 430 for separating water from the water-containing gas mixture discharged from the anode device 4, a first container 440 for collecting the separated water, and a first antifreeze device 4500.
  • the second water separation device 500 likewise has a second separation device 530 for separating water from the water-containing gas mixture discharged from the cathode device 5, a second container 540 for collecting the separated water, and a second antifreeze device 5500.
  • the first separating device 430 and the second separating device 530 can be embodied as cyclone separators, for example.
  • the first container 440 and the second container 540 can be designed in one piece with the first water separation device 400 and the second water separation device 500, respectively, or as separate components.
  • first antifreeze device 450 and parts of the first water separation device 400 are shown schematically.
  • the structure and mode of operation of only the first antifreeze device 450 is described below. However, all the contents of the description can be transferred in an analogous manner to the second antifreeze device 550 of the same construction.
  • the basic mode of operation and the basic structure of the first antifreeze device 450 is based on Figs. 3 and 4 described. Based on the Figs. 5 to 13 concrete, constructive exemplary embodiments are then described, with the basic mode of operation and the basic structure also applying to these exemplary embodiments.
  • FIG. 3 shows the first water separating device 400 in a state in which water 600 has already collected in the first collection volume 441 .
  • a cavity 443 is formed in the boundary wall 442 of the first container 440 .
  • an opening 445 is formed in the boundary wall 442 of the first container 440, which is closed off in a liquid-tight or gas-tight manner from the first antifreeze device 4500 to the environment.
  • the first antifreeze device 4500 can be attached to the boundary wall 442 of the first container 440 by a screw, adhesive or welded connection.
  • the first antifreeze device 4500 has a volume compensation body 4510 which is arranged in the cavity 443 .
  • the volume compensating body 4510 is mounted displaceably or movably or slidably in the cavity 443 along a displacement path (double arrow).
  • the volume compensation body 4510 is coupled on one surface side to the water in the collection volume 441 in a pressure-transmitting manner. In the exemplary embodiment, this surface side is in direct contact with the water 600 .
  • the volume compensation body 4510 is coupled to a restoring device 4520 of the first antifreeze device 4500 in a compressive force-transmitting manner.
  • the water 600 in the collection volume 441 is in liquid form.
  • the volume compensating body 4510 is located along the Shift distance in a melting position. In the melting position, the volume compensation body 4510 is in a stable equilibrium of forces in the direction of the displacement path. The forces acting on opposite sides of the surface cancel each other out.
  • the water 600 in the collection volume 441 can ice up, particularly when the fuel cell 3 is not operated for a long period of time. Ice has a specific volume about 9% larger than liquid water.
  • Ice has a specific volume about 9% larger than liquid water.
  • FIG. 4 the water in the collection volume 441 is completely frozen into ice 700 .
  • the volume compensation body 4510 is in the freezing position along the displacement path (double arrow). In the freezing position, the volume compensation body 4510 is again in a stable equilibrium of forces in the direction of the displacement distance. The compressive forces on opposite surface sides cancel each other out. The volume expansion due to icing of the water is complete.
  • the collection volume 441 in Fig. 4 is correspondingly larger than the collection volume in Fig. 3.
  • the restoring device 4520 is designed to exert a restoring force directed in the direction of the melting position on the volume compensation body 4510 .
  • the restoring device 4520 has a coupling device or a coupling element 4521, by means of which it is coupled to the volume compensation body 4510 in a compressive force-transmitting manner.
  • the restoring device 4520 can be designed in such a way that the restoring force is subject to a progression the further the volume compensation body 4510 moves from the melting position into the freezing position. The movement of the volume compensation body 4510 from the melting position in the direction of the freezing position thus takes place with an increase in the collection volume 441 and with an increase in the restoring force.
  • Volume compensating body 4510 decreases and is now lower than the restoring force exerted by the restoring device 4520 on the volume compensating body 4510. Due to this imbalance of forces, the volume compensation body 4510 moves in the direction of the melting position (FIG. 3) until the forces are in balance again. The movement of the volume compensating body 4510 from the freezing position in the direction of the melting position therefore takes place with a reduction in the collection volume 441 and with a weakening of the restoring force.
  • the first antifreeze device 4500 enables the first collection volume 441 to be adjusted as required, depending on the aggregate state of the water contained therein. If the water contained in the first collection volume 451 freezes, the first antifreeze device 4500 causes the first collection volume 441 to increase, which means that the resulting ice can expand sufficiently in accordance with its larger specific volume, without excessive pressure forces occurring, which could damage the first Water separation device 400 or the first container 440 can lead.
  • the first antifreeze device 4500 is designed in such a way that the natural volumetric expansion that occurs when the water ices over is compensated by the enlargement of the first collection volume 441 to such an extent that excessive pressure forces and damage to the first water separation device 400 are avoided.
  • the antifreeze device 4500 enables the collection volume 441 to be increased Fall of icing of the water by about 9% to 16%.
  • the collection volume is, for example, approximately 9% to 16% greater than when the volume compensating body 4510 is in the melting position.
  • the volume compensation body 4510 has a plate-shaped section 4510a and a cylindrical section 4510b with a thinner cross section.
  • the volume compensation body 4510 penetrates the opening 445 of the first container 440 from the outside with the cylindrical section 4510b. With the plate-shaped section 4510a, the volume-compensating body 4510 remains outside of the container 440 and rests against the boundary wall 444 in the melting position.
  • the volume compensating body 4510 is slidably mounted at its plate-shaped section 4510a on two bolts 4523, which are fastened to the container wall 444. In the exemplary embodiment of FIGS.
  • the restoring device 4520 has the two screw bolts 4523 and two mechanical springs as coupling elements 4521, which are slipped over the shanks of the screw bolts 4523.
  • the mechanical springs 4521 can be in the form of helical springs or plate springs made of metal or plastic.
  • the mechanical springs are supported at one of their ends on the heads of the screw bolts and at their other ends on the plate-shaped section 4510a of the volume compensating body 4510. This means that the volume compensation body 4510 is elastically and force-transmittingly coupled to the restoring device 4520, with a movement of the volume compensation body 4510 in the direction of the freezing position increasing the restoring force (mechanical springs are compressed) and decreasing in the opposite direction of movement.
  • the heads of the screw bolts 4523 act as mechanical stops and limit the travel of the volume compensation body 4510.
  • FIG. 5 the water in the collection volume 441 is in liquid form.
  • the volume compensating body 4510 is in the melting position.
  • the mechanical springs 4521 are relaxed or only slightly compressed. If the water 600 in the collection volume now freezes, the volumetric expansion causes the volume compensation body 4510 to be displaced in the direction of the freezing position, with the collection volume increasing.
  • the volume compensation body 4510 slides under the compression of the mechanical springs 4521 in the direction of the heads of the screw bolts 4523.
  • FIG. 6 the water 600 in the collection volume 441 is completely frozen.
  • the volume compensating body 4510 is in the freezing position.
  • the mechanical springs 4521 are highly compressed and generate a restoring force that urges the volume compensating body 4510 into the melting position. As soon as the water in the collection volume 441 melts again with a reduction in volume, the mechanical springs 4521 push the volume-compensating body 4510 back into the melting position.
  • FIG. 7 differs from the embodiment of FIGS. 5 and 6 only in that two sleeve-shaped elastomers are provided as coupling elements 4521, which also function as springs.
  • the return device 4520 has a rigid, double-bent rod 4525 which is fastened to the first container 440 by means of a screw bolt 4523 .
  • the restoring device 4520 also has a mechanical spring (helical spring, plate spring, elastomer spring, etc.) as a coupling element 4521, which is supported at opposite ends on the volume compensation body 4510 and on the bent rod.
  • the water 600 in the collection volume 441 is in liquid form. The mode of operation of this embodiment works analogously to the embodiment of FIGS. 5 to 7. A detailed description is therefore omitted.
  • FIG. 8 the return device 4520 has a rigid, double-bent rod 4525 which is fastened to the first container 440 by means of a screw bolt 4523 .
  • the restoring device 4520 also has a mechanical spring (helical spring, plate spring, elastomer spring, etc.) as a coupling element 4521, which is supported at opposite ends on the volume compensation body 4510 and on the bent rod.
  • the restoring device 4520 has a rigid cover plate 4522, which is fastened to the container 440 by means of two screw bolts 4523 and closes the opening 445 to the outside.
  • the restoring device 4520 also has a mechanical spring 4524 (coil spring, cup spring, elastomer spring, etc.) as a coupling element 4521, which is supported at opposite ends on the volume compensation body 4510 and on the cover plate 4522.
  • the water 600 located in the collection volume 441 is in liquid form. The mode of operation of this embodiment works analogously to the embodiment of FIGS. 5 to 8. A detailed description is therefore omitted.
  • the exemplary embodiment in FIG. 10 differs from the exemplary embodiment in FIG. 9 only in that the coupling element 4521 is designed as a gas pressure spring. Otherwise, the embodiment of FIG. 7 corresponds structurally and functionally to the embodiment of FIG.
  • the restoring device 4520 has a rigid cover hood 4522, which is fastened to the container 440 by means of two screw bolts 4523 and closes the opening 445 to the outside.
  • the restoring device 4520 has a mechanical spring (coil spring, plate spring, mechanical spring, etc.) as a coupling element 4521, which is supported at opposite ends on the volume compensation body 4510 and on the cover hood 4522.
  • the water 600 in the collection volume 441 is in liquid form. The mode of operation of this embodiment works analogously to the embodiment of FIGS. 5 to 10. A detailed description is therefore omitted.
  • the restoring device 4520 has a flexible rod as a coupling element 4521 , which is screwed to the container 440 by means of a screw bolt 4523 .
  • the other end is freely rotatable around the screwing point as the center of rotation and with the Volume compensation body 4510 coupled in a force-transmitting manner.
  • the rod 4521 In the freezing position of the volume compensating body 4510, the rod 4521 is bent to a considerably greater extent and thereby exerts a significantly stronger restoring force on the volume compensating body 4510 than in the melting position.
  • the antifreeze device 4500 includes a sensor device 4530 for detecting a value in the collection volume 441, e.g. the temperature of the water.
  • the sensor penetrates the volume compensation body 4510.
  • a sensor 4531 for detecting the value in the collection volume 441 is formed on its end facing the collection volume 441.

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Wasserabscheidevorrichtung (400) für eine Brennstoffzelle (3), mit einer Abscheideeinrichtung (430, 530) zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle (3) abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, mit einem Behälter (440, 540) mit einem Sammelvolumen (441) zum Sammeln des durch die Abscheideeinrichtung (430, 530) abgeschiedenen Wassers (600), mit einer Gefrierschutzeinrichtung (4500) mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper (4510), welcher mit dem Sammelvolumen (441) gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich der Volumenausgleichskörper (4510) unter Vergrößerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich der Volumenausgleichskörper (4510) unter Verkleinerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Schmelzposition bewegt.

Description

Beschreibung
Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle mit beweglichem Volumenausgleichskörper als Gefrierschutzeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche über eine Gefrierschutzeinrichtung mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper verfügt. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche über eine solche Wasserabscheidevorrichtung verfügt.
Im Rahmen der Elektrifizierung von Personen- und Nutzfahrzeugen kommen auch Brennstoffzellen als elektrische Energiequellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der basierend auf einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle umfasst zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die Membran ist dabei nur für eine der bei der Reaktion freigesetzten lonensorten, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über die Membran auch zur Anode. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Vermeidung einer Aufkonzentrierung von Wasser in Anode und Kathode muss dieses aus den Elektroden evakuiert werden. Dies geschieht häufig durch Ausblasen. Das wasserhaltige Gasgemisch (Aerosol), welches die Elektroden verlässt, wird ausgangsseitig einem Wasserabscheider zugeführt, in dem das Wasser vom restlichen Gas abgetrennt wird. Das abgetrennte Wasser wird dabei einem Sammelbehälter ausgefangen und von Zeit zu Zeit über ein Ventil abgelassen. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann es im Bereich des Sammelbehälters und des Ventils zu Eisbildung kommen. Aufgrund der dadurch auftretenden, sehr hohen Druckkräfte können Wasserabscheider, Sammelbehälter und Ventile beschädigt oder zerstört werden. Das Risiko einer Eisbildung ist bei abgeschalteter Brennstoffzelle besonders groß. Zur Vermeidung von Eisbildung können die betroffenen Komponenten elektrisch oder mittels eines Wärmeträgerfluids geheizt werden. Jedoch ist die dafür notwendige, technische Infrastruktur aufwändig, kostspielig und anfällig für Defekte.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellevorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bei gleichzeitig geringen Kosten und geringem technischen Aufwand auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 weist eine Abscheideeinrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch auf. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört ferner ein Behälter mit einem Sammelvolumen zum Sammeln bzw. Auffangen des durch die Abscheideeinrichtung abgeschiedenen Wassers. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört -ferner eine Gefrierschutzeinrichtung mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper, welcher mit dem Sammelvolumen druckkraftübertragend gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers im Sammelvolumen sich der Volumenausgleichskörper unter Vergrößerung des Sammelvolumens in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers im Sammelvolumen sich der Volumenausgleichskörper unter Verkleinerung des Sammelvolumens in Richtung einer Schmelzposition zurückbewegt.
Eis weist ein um ca. 8-10% größeres spezifisches Volumen als Wasser auf. Gefriert das im Behälter angesammelte Wasser zu Eis, so entstehen sehr hohe Druckkräfte, falls eine Expansion des Eises bzw. ein ausreichender Volumenausgleich nicht möglich ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, eine Gefrierschutzeinrichtung vorzusehen, die einen variablen Volumenausgleich im Sammelvolumen ermöglicht. Mit anderen Worten ermöglicht die Gefrierschutzeinrichtung eine bedarfsweise Vergrößerung des Sammelvolumens im Falle einer Vereisung des Wassers im Sammelvolumen, und eine entsprechende Verkleinerung des Sammelvolumens im Falle der Verflüssigung des Eises im Sammelvolumen. Der Volumenausgleichskörper hat zwei gegenüberliegende Oberflächenseiten. Auf einer Oberflächenseite steht er mit dem Sammelvolumen und, je nach Füllstand, mit dem darin angesammelten Wasser bzw. Eis in druckkraftübertragendem Kontakt. Auf der anderen Oberflächenseite steht der Volumenausgleichskörper mit der Umgebung (Atmosphärendruck, Umgebungsluft) in kraftübertragendem Kontakt. Alternativ kann Volumenausgleichskörper auf der anderen Oberflächenseite auch mit einer Rückstelleinrichtung gekoppelt sein, welche eine Kraft auf ihn ausübt, welcher der Kraft auf Seiten des Sammelvolumens entgegengerichtet ist (siehe Anspruch 2). Der Volumenausgleichskörper ist entlang einer Verschiebestrecke beweglich bzw. verschieblich gelagert. Er nimmt entlang dieser Verschiebestrecke eine Position ein, in der die Kräfte, die auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten auf ihn einwirken, im Gleichgewicht sind. Falls sich Wasser im Sammelvolumen befindet, so befindet sich der Volumenausgleichskörper in einer Schmelzposition. Gefriert nun das Wasser im Sammelvolumen, so hat dies eine einseitige Erhöhung der Druckkraft auf den Volumenausgleichskörper zur Folge. Der Volumenausgleichskörper bewegt sich dann entlang der Verschiebestrecke in Richtung der Gefrierposition, in der dann wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Schmilzt das Eis im Sammelvolumen, so hat dies aufgrund des Schrumpfens des Eisvolumens eine einseitige Erniedrigung der Druckkraft auf den Volumenausgleichskörper auf Seiten des Sammelvolumens zur Folge (z.B. aufgrund des Evakuierungseffekts im Raum zwischen Volumenausgleichskörper und dem schmelzenden Eis). Der Volumenausgleichskörper bewegt sich dann entlang der Verschiebestrecke in Richtung der Schmelzposition bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die Gefrierschutzeinrichtung ist derart dimensioniert, dass die Vergrößerung des Sammelvolumens ausreichend groß ist, um eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung aufgrund der Eisbildung zu vermeiden. Beispielsweise kann die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet bzw. dimensioniert, dass sich das Sammelvolumen bei Eisbildung um mindestens 8% erweitern bzw. vergrößern kann. Dadurch kann eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung bei Eisbildung innerhalb des Sammelvolumens sicher vermieden werden. Die Betriebssicherheit der Wasserabscheidevorrichtung ist dadurch auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sichergestellt. Die Kosten und die Störanfälligkeit sind gering. Auf eine elektrische oder fluidbasierte Beheizung kann verzichtet werden, was die Kosten, den technischen Aufwand und die Störanfälligkeit der Wasserabscheidevorrichtung erheblich reduziert.
In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 2 weist die Gefrierschutzeinrichtung eine mit dem Volumenausgleichskörper kraftübertragend gekoppelte Rückstelleinrichtung zum Ausüben einer in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auf den Volumenausgleichskörper auf, wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt, und wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers in Richtung der Schmelzposition sich die Rückstellkraft verringert.
Eine Rückstelleinrichtung stellt die Rückbewegung des Volumenausgleichskörpers in die Schmelzposition sicher. Außerdem ist es möglich, die Rückstellkraft durch entsprechende Auswahl der Rückstelleinrichtung einzustellen.
Dabei kann die Rückstelleinrichtung gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 eine mechanische Feder (z.B. aus Metall), ein Elastomer oder eine Gasdruckfeder aufweisen, welche mit dem Volumenausgleichskörper kraftübertragend gekoppelt ist.
In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 4 weist die Rückstelleinrichtung einen biegeelastischen Stab auf, welcher mit dem Volumenausgleichskörper derart gekoppelt ist, dass er sich bei Bewegung des Volumenausgleichskörpers in die Gefrierposition elastisch unter Verstärkung der Rückstellkraft biegt.
Dies sind sehr effiziente, zuverlässige und kostengünstige Bauformen der Rückstelleinrichtung, welche durch entsprechende Auswahl der Geometrie und der verwendeten Werkstoffe eine Anpassung der Rückstellkraft durch entsprechende Materialauswahl und Dimensionierung ermöglichen.
In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 5 weist der Behälter an einer Begrenzungswand einen Hohlraum auf, wobei der Volumenausgleichskörper in dem Hohlraum verschiebbar angeordnet ist, und wobei die Rückstelleinrichtung auf der dem Sammelvolumen abgewandten Seite des Volumenausgleichskörpers angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 6 weist die Gefrierschutzeinrichtung einen Sensor zur Erfassung eines Werts im Sammelvolumen auf.
Dadurch kann der Durchbruch in der Begrenzungswand des Behälters zugleich als Zugang für einen Sensor zum Sammelvolumen genutzt werden. Somit kann ein separater Zugang eingespart werden.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7 weist auf:
- eine Brennstoffzelle, welche eine Anodeneinrichtung und eine Kathodeneinrichtung aufweist, wobei die Anodeneinrichtung einen Anodenausgang zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Anodeneinrichtung aufweist, und wobei die Kathodeneinrichtung einen Kathodenausgang zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Kathodeneinrichtung aufweist, - zumindest eine Wasserabscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche mit dem Anodenausgang und/oder dem Kathodenausgang gekoppelt ist.
Bezüglich der Vorteile dieser Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführung zu den Ansprüchen 1 bis 6 verwiesen, welche in analoger Weise auch für die Brennstoffzellenvorrichtung gelten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle und der zugehörigen Wasserabscheidevorrichtungen;
Figs.
3 - 4 schematische Darstellungen des grundsätzlichen Aufbaus und der grundsätzlichen Funktionsweise der Gefrierschutzeinrichtung;
Figs.
5 - 13 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele der Gefrierschutzeinrichtung;
In Figur 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche als galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (lonenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 kann beispielsweise als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.
Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 9 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) im Brennstofftank 9 gelagert ist. Der Brennstofftank 9 ist über eine Versorgungsleitung 10 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 9 sind in der Versorgungsleitung 10 hintereinander ein Absperrventil 11 und ein Druckminderer 12 angeordnet. Der Druckminderer 12 reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 10 ist ein elektrisch betätigtes Dosierventil
13 vorgesehen, mittels dem eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 möglich ist. Die Steuerung des Dosierventils 13 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 14, welche mit dem Dosierventil 13 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil
14 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 15 angeordnet, der mit der Steuervorrichtung 14 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.
Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung 5 durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 einen weiteren Drucksensor 17 auf, welcher der Steuervorrichtung 14 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang 18 der Kathodeneinrichtung 5 liefert.
Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden.
Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern.
Um die Wirksamkeit und die Effizienz der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, werden die jeweiligen Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 abgeführt.
Dazu weist die Anodeneinrichtung 4 einen Anodenausgang 41 auf, über weichen die Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 handelt es sich im Wesentlichen um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Wasserstoff als Hauptkomponenten.
Die Kathodeneinrichtung 5 weist einen Kathodenausgang 51 auf, über weichen
Reaktionsprodukte aus der Kathodeneinrichtung 5 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 handelt es sich üblicherweise um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff als Hauptkomponenten.
Wie in Figur 1 in Verbindung mit Figur 2 erkennbar ist, weist das Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine erste Wasserabscheidevorrichtung 400 auf, welche der Anodeneinrichtung 4 zugeordnet ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 weist einen ersten Gaseingang 401 auf, welcher mit dem Anodenausgang 41 fluidisch gekoppelt ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Anodenausgang 41 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen ersten Gasausgang 402. Die abgetrennten Gaskomponenten werden dann wahlweise über einen Rezirkulationspfad 20 mit einem darin angeordneten Gebläse 21 zum Eingang der Anodeneinrichtung 4 zurückgeführt oder über ein steuerbares erstes Gasventil 410 in die Umgebung abgelassen. Das in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 403 und ein steuerbares erstes Wasserventil 420 abgelassen werden.
Im Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 auf, welche der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 weist einen zweiten Gaseingang 501 auf, welcher mit dem Kathodenausgang 51 fluidisch gekoppelt ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Kathodenausgang 51 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen zweiten Gasausgang 502 in die Umgebung. Das in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 503 und ein steuerbares zweites Wasserventil 520 abgelassen werden.
Alternativ ist kann auch nur eine Wasserabscheidevorrichtung vorgesehen sein, welche entweder mit der Anodeneinrichtung 4 oder der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist.
Wie in Figur 2 schematisch gezeigt ist, weisen die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 eine erste Abscheideeinrichtung 430 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Anodeneinrichtung 4 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen ersten Behälter 440 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 auf.
Wie in Figur 2 schematisch weiterhin gezeigt ist, weisen die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 gleichermaßen eine zweite Abscheideeinrichtung 530 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Kathodeneinrichtung 5 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen zweiten Behälter 540 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine zweite Gefrierschutzeinrichtung 5500 auf.
Die erste Abscheideeinrichtung 430 und die zweite Abscheideeinrichtung 530 können beispielweise als Zyklonabscheider ausgebildet sein. Der erste Behälter 440 bzw. der zweite Behälter 540 können einstückig mit der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. der zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ausgebildet sein, oder als separate Komponenten.
In den Figuren 3 bis 13 sind Ausführungsbeispiele der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 und Teile der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 schematisch dargestellt. Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise nur der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 beschrieben. Alle Beschreibungsinhalte können jedoch in analoger Weise auf die baugleiche, zweite Gefrierschutzeinrichtung 550 übertragen werden. Die grundsätzliche Wirkungsweise und der grundsätzliche Aufbau der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 wird anhand der Figs. 3 und 4 beschrieben. Anhand der Figs. 5 bis 13 werden dann konkrete, konstruktive Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die grundsätzliche Wirkungsweise und der grundsätzliche Aufbau auch für diese Ausführungsbeispiele zutrifft.
Zunächst wird auf die Figuren 3 und 4 Bezug genommen: Der erste Behälter 440 der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 weist ein erstes Sammelvolumen 441 auf, welches von einer Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 begrenzt ist. In der Figur 3 ist die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 in einem Zustand abgebildet, in dem sich bereits Wasser 600 im ersten Sammelvolumen 441 angesammelt hat.
In der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ist ein Hohlraum 443 ausgebildet. Dazu ist in der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ein Durchbruch 445 ausgebildet, welcher von der ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 zur Umgebung hin flüssigkeitsdicht oder gasdicht abgeschlossen ist. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 kann an der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 durch eine Schraub-, Klebe-, oder Schweißverbindung angebracht sein.
Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 weist einen Volumenausgleichskörper 4510 auf, welcher in dem Hohlraum 443 angeordnet. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist im Hohlraum 443 entlang einer Verschiebestrecke (Doppelpfeil) verschieblich bzw. beweglich bzw. gleitend gelagert. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist auf einer Oberflächenseite mit dem im Sammelvolumen 441 befindlichen Wasser druckkraftübertragend gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel steht diese Oberflächenseite mit dem Wasser 600 unmittelbar in Kontakt. Auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite ist der Volumenausgleichskörper 4510 mit einer Rückstelleinrichtung 4520 der ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 druckkraftübertragend gekoppelt.
In Fig. 3 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke in einer Schmelzposition. In der Schmelzposition steht der Volumenausgleichskörper 4510 in Richtung der Verschiebestrecke in einem stabilen Kräftegleichgewicht. Die auf gegenüberliegende Oberflächenseiten wirkenden Kräfte heben sich.
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann es zu einer Vereisung des Wassers 600 im Sammelvolumen 441 kommen, insbesondere dann, wenn die Brennstoffzelle 3 längere Zeit nicht betrieben wird. Eis hat ein um ca. 9% größeres, spezifisches Volumen als flüssiges Wasser. Bei Gefrieren des Wassers 600 im ersten Sammelvolumen 441 kommt es zu einer Druckkrafterhöhung auf der dem ersten Sammelvolumen 441 zugewandten Oberflächenseite des Volumenausgleichskörpers 4510. Dieses temporäre Druckkraftungleichgewicht führt zu einer Verschiebung bzw. Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Schmelzposition (Fig. 3) entlang der Verschiebestrecke in eine Gefrierposition (Fig. 4) unter Vergrößerung des Sammelvolumens 441 .
In Fig. 4 ist das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser vollständig zu Eis 700 gefroren. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke (Doppelpfeil) in der Gefrierposition. In der Gefrierposition steht der Volumenausgleichskörper 4510 in Richtung der Verschiebestrecke wieder in einem stabilen Kräftegleichgewicht. Die Druckkräfte auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten heben sich auf. Die Volumenexpansion durch Vereisung des Wassers ist abgeschlossen. Das Sammelvolumen 441 in Fig. 4 ist entsprechend größer als das Sammelvolumen in Fig. 3.
Die Rückstelleinrichtung 4520 ist dazu ausgebildet, auf den Volumenausgleichskörper 4510 eine in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auszuüben. Zu diesem Zweck weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine Kopplungseinrichtung bzw. ein Kopplungselement 4521 auf, mittels dem sie mit dem Volumenausgleichskörper 4510 druckkraftübertragend gekoppelt ist. Die Rückstelleinrichtung 4520 kann so ausgebildet sein, dass die Rückstellkraft einer Progression unterliegt, je weiter sich der Volumenausgleichskörper 4510 von der Schmelzposition in die Gefrierposition bewegt. Die Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Schmelzposition in Richtung der Gefrierposition erfolgt also unter Vergrößerung des Sammelvolumens 441 und unter Verstärkung der Rückstellkraft.
Schmilzt nun das Eis 700 im Sammelvolumen 441 so nimmt das entstehende Wasser 600 ein kleineres Volumen ein als das Eis 700. Die Druckkraft auf der dem Sammelvolumen 441 zugewandten Oberflächenseite des
Volumenausgleichskörpers 4510 nimmt ab und ist nun geringer als die von der Rückstelleinrichtung 4520 auf den Volumenausgleichskörper 4510 ausgeübte Rückstellkraft. Durch dieses Kräfteungleichgewicht bewegt sich der Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Schmelzposition (Fig. 3) bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Gefrierposition in Richtung der Schmelzposition erfolgt also unter Verringerung des Sammelvolumens 441 und unter Abschwächung der Rückstellkraft.
Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 ermöglicht die bedarfsweise Anpassung des ersten Sammelvolumens 441 in Abhängigkeit vom Aggregatzustand des darin enthaltenen Wassers. Im Falle der Vereisung des im ersten Sammelvolumen 451 enthaltenen Wassers bewirkt die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441 , wodurch sich das entstehenden Eis entsprechend seines größeren spezifischen Volumens ausreichend ausdehnen kann, ohne dass zu große Druckkräfte entstehen, welche zu einer Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. des ersten Behälters 440 führen können. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 ist derart ausgebildet, dass die bei einer Vereisung des Wassers stattfindende, natürliche volumetrische Ausdehnung durch die Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441 soweit kompensiert wird, dass zu hohe Druckkräfte und eine Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 vermieden werden. So ermöglicht die Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Vergrößerung des Sammelvolumens 441 im Falle der Vereisung des Wassers um ca. 9% bis 16%. Wenn sich also der Volumenausgleichskörper 4510 in der Gefrierposition befindet, so ist das Sammelvolumen beispielsweise um ca. 9% bis 16% größer, als wenn sich der Volumenausgleichskörper 4510 in der Schmelzposition befindet.
Anhand der Fig. 5 bis 14 werden nun vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Gefrierschutzeinrichtung 4500 beschrieben. Dabei werden nur die konstruktiven Aspekte und Wirkungsweisen beschrieben, die über die Beschreibungsinhalte zu den Figuren 3 und 4 hinausgehen, wobei diese weiterhin Gültigkeit haben.
In den Figuren 5 und 6 weist der Volumenausgleichskörper 4510 einen plattenförmigen Abschnitt 4510a und einen im Querschnitt dünneren, zylinderförmigen Abschnitt 4510b auf. Mit dem zylinderförmigen Abschnitt 4510b dringt der Volumenausgleichskörper 4510 von außen in den Durchbruch 445 des ersten Behälters 440 ein. Mit dem plattenförmigen Abschnitt 4510a verbleibt der Volumenausgleichskörper 4510 außerhalb des Behälters 440 und steht in der Schmelzposition an der Begrenzungswand 444 an. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist an seinem plattenförmigen Abschnitt 4510a an zwei Schraubbolzen 4523, welche an der Behälterwand 444 befestigt sind, gleitend gelagert. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 weist die Rückstelleinrichtung 4520 die beiden Schraubbolzen 4523 und als Kopplungselemente 4521 zwei mechanische Federn auf, welche über die Schäfte der Schraubbolzen 4523 gestülpt sind. Die mechanischen Federn 4521 können als Schraubenfedern oder Tellerfedern aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein. Die mechanischen Federn stützen sich an einem Ihrer Enden an den Köpfen der Schraubbolzen und an ihren anderen Enden am plattenförmigen Abschnitt 4510a des Volumenausgleichskörpers 4510 ab. Damit ist zwischen der Volumenausgleichskörper 4510 elastisch und kraftübertragend mit der Rückstelleinrichtung 4520 gekoppelt, wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Gefrierposition die Rückstellkraft zunimmt (mechanische Federn werden komprimiert) und in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung abnimmt . Die Köpfe der Schraubbolzen 4523 wirken als mechanische Anschläge und begrenzen den Bewegungshub des Volumenausgleichskörpers 4510. In Fig. 5 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser in flüssiger Form vor. Der Volumenausgleichskörpers 4510 befindet sich der Schmelzposition. Die mechanischen Federn 4521 sind entspannt oder nur geringfügig komprimiert. Gefriert nun das Wasser 600 im Sammelvolumen, so kommt es aufgrund der volumetrischen Expansion zu einer Verschiebung des Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Gefrierposition unter Vergrößerung des Sammelvolumens. Der Volumenausgleichskörper 4510 gleitet unter Kompression der mechanischen Federn 4521 in Richtung der Köpfe der Schraubbolzen 4523. In Fig. 6 ist das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 vollständig gefroren. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich der Gefrierposition. Die mechanischen Federn 4521 sind stark komprimiert und erzeugen eine Rückstellkraft, die den Volumenausgleichskörper 4510 in die Schmelzposition drängt. Sobald das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser unter Volumenverkleinerung wieder schmilzt, drängen die mechanischen Federn 4521 den Volumenausgleichskörper 4510 zurück in die Schmelzposition.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figs. 5 und 6 lediglich dadurch, dass zwei hülsenförmige Elastomere als Kopplungselemente 4521 vorgesehen sind, welche ebenfalls als Federn fungieren.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 weist die Rückstelleinrichtung 4520 einen starren, doppelt gebogenen Stab 4525 auf, welcher mittels eines Schraubbolzens 4523 am ersten Behälter 440 befestigt ist. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist ferner als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder (Schraubfeder, Tellerfeder, Elastomerfeder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und am gebogenen Stab abstützt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der Figs. 5 bis 7. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine starre Abdeckplatte 4522 auf, welche mittels zweier Schraubbolzens 4523 am Behälter 440 befestigt ist und den Durchbruch 445 nach außen verschließt. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist ferner als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder 4524 (Schraubenfeder, Tellerfeder, Elastomerfeder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und an der Abdeckplatte 4522 abstützt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der Figs. 5 bis 8. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
Das Ausführungsbeispiel im Fig. 10 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 9 lediglich dadurch, dass das Kopplungselement 4521 als eine Gasdruckfeder ausgebildet ist. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 konstruktiv und funktional dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 11 weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine starre Abdeckhaube 4522 auf, welche mittels zweier Schraubbolzens 4523 am Behälter 440 befestigt ist und Durchbruch 445 nach außen verschließt. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder (Schraubfeder, Tellerfeder, mechanischen Feder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und an der Abdeckhaube 4522 abstützt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 11 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der Figs. 5 bis 10. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 weist die Rückstelleinrichtung 4520 als Kopplungselement 4521 einen biegeelastischen Stab auf, welche mittels eines Schraubbolzens 4523 an dem Behälter 440 angeschraubt ist. Das andere Ende ist frei drehbar um die Anschraubstelle als Drehmittelpunkt und mit dem Volumenausgleichskörper 4510 kraftübertragend gekoppelt. In der Gefrierposition des Volumenausgleichkörpers 4510 ist der Stab 4521 erheblich stärker gebogen und übt dadurch eine erheblich stärkere Rückstellkraft auf den Volumenausgleichkörpers 4510 aus als in der Schmelzposition.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 umfasst die Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Sensoreinrichtung 4530 zur Erfassung eines Werts im Sammelvolumen 441 auf, z.B. Temperatur des Wassers. Der Sensor durchdringt den Volumenausgleichkörpers 4510. Auf seinem dem Sammelvolumen 441 zugewandten Ende ist ein Fühler 4531 zur Erfassung des Werts im Sammelvolumen 441 ausgebildet. Auf der Außenseite ist führt eine Datenleitung 4532 ab, z.B. zur Steuervorrichtung 1 !

Claims

Patentansprüche
1 . Wasserabscheidevorrichtung (400) für eine Brennstoffzelle (3) mit
- einer Abscheideeinrichtung (430) zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle (3) abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch,
- einem Behälter (440) mit einem Sammelvolumen (441 ) zum Sammeln des durch die Abscheideeinrichtung (430) abgeschiedenen Wassers,
- einer Gefrierschutzeinrichtung (4500) mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper (4510), welcher mit dem Sammelvolumen (441 ) gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers (600) im Sammelvolumen (441 ) sich der Volumenausgleichskörper (4510) unter Vergrößerung des Sammelvolumens (441 ) in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers (600) im Sammelvolumen (441 ) sich der Volumenausgleichskörper (4510) unter Verkleinerung des Sammelvolumens (441 ) in Richtung einer Schmelzposition bewegt.
2. Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) nach Anspruch 2, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) eine Rückstelleinrichtung (4520) zum Ausüben einer in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auf den Volumenausgleichskörper (4510) aufweist, wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers (4510) in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt, und wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers (4510) in Richtung der Schmelzposition sich die Rückstellkraft verringert.
3. Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) nach Anspruch 2, wobei die Rückstelleinrichtung (4520) zumindest eine mechanische Feder (4524), ein Elastomer (4526) oder eine Gasdruckfeder (4526) aufweist, welche mit dem Volumenausgleichskörper (4510) kraftübertragend gekoppelt ist. Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) nach Anspruch 2, wobei die Rückstelleinrichtung (4520) einen biegeelastischen Stab (4527) aufweist, welcher mit dem Volumenausgleichskörper (4510) derart gekoppelt ist, dass er sich bei Bewegung des Volumenausgleichskörpers (4510) in die Gefrierposition elastisch verbiegt. Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Behälter (400) in einer Begrenzungswand einen Hohlraum (443) aufweist, und wobei der Volumenausgleichskörper (4510) in dem Hohlraum (443) verschiebbar angeordnet ist, und wobei die Rückstelleinrichtung (4520) auf der dem Sammelvolumen (441 ) abgewandten Seite des Volumenausgleichskörpers (4510) angeordnet ist. Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) einen Sensor (4530) zur Erfassung eines Werts im Sammelvolumen (441 ) aufweist. Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit
- einer Brennstoffzelle (3), welche eine Anodeneinrichtung (4) und eine Kathodeneinrichtung (5) aufweist, wobei die Anodeneinrichtung (4) einen Anodenausgang (41 ) zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Anodeneinrichtung (4) aufweist, und wobei die Kathodeneinrichtung (5) einen Kathodenausgang (51 ) zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Kathodeneinrichtung (5) aufweist,
- zumindest einer Wasserabscheidevorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche mit dem Anodenausgang (41 ) und/oder dem Kathodenausgang (51 ) gekoppelt ist.
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