WO2023062013A1 - Wasserabscheidevorrichtung für eine brennstoffzelle mit beweglicher ventileinrichtung - Google Patents

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valve
valve device
fuel cell
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Matthias Bleeck
Henry Meißgeier
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Vitesco Technologies GmbH
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a water separator for a fuel cell, which has an antifreeze device with a movable valve device.
  • 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) that 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 separation device also includes an antifreeze device with a movable or displaceable valve device for draining water from the collection volume, the valve device being coupled to the collection volume in a pressure-transmitting manner, the antifreeze device being designed in such a way that when the water in the collection volume freezes, the valve device moves increasing the collection volume moves towards a freezing position, and that when the frozen water in the collection volume melts, the valve means moves back towards a melting position, 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 valve device has two opposite surface sides.
  • the valve device On one side of the surface it is connected to the collection volume and, depending on the filling level, to the water or ice that has collected in it, in a pressure-transmitting connection.
  • the valve device On the other side of the surface, the valve device is in force-transmitting connection with the environment (atmospheric pressure, ambient air).
  • the valve device 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 valve device is movably or displaceably mounted along a displacement path. Along this displacement distance, it assumes a position in which the forces acting on it on opposite surface sides are in equilibrium. If there is water in the collection volume, the valve assembly is in a melt position.
  • the valve device then moves along the displacement path in the direction of the freezing position, in which equilibrium of forces then again prevails. If the ice in the collection volume melts, this results in a one-sided reduction in the pressure force on the valve device on the side of the collection volume due to the shrinkage of the ice volume (e.g. due to the evacuation effect in the space between the valve device and the melting ice). The valve device 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 valve device as part of the antifreeze device, it has a double function, which keeps the costs, the number of components and the construction effort low.
  • the water separating device has a drain channel for draining the liquid water separated in the water separating device by means of the valve device.
  • the discharge channel is formed in a boundary wall of the container and is fluidically coupled to the valve device.
  • the antifreeze device has a restoring device, coupled in a force-transmitting manner to the valve device, for exerting a restoring force on the valve device directed in the direction of the melting position, with the restoring force increasing when the valve device moves in the direction of the freezing position, and wherein the restoring force is reduced when the valve device moves in the direction of the melting position.
  • a reset device ensures the return movement of the valve device to the melting position. It is also possible to set the restoring force by selecting the restoring device accordingly.
  • the restoring device can have a mechanical spring (e.g. made of metal or plastic), an elastomer (e.g. rubber) or a gas pressure spring, which is coupled to the valve device in a force-transmitting manner.
  • a mechanical spring e.g. made of metal or plastic
  • an elastomer e.g. rubber
  • a gas pressure spring which is coupled to the valve device in a force-transmitting manner.
  • the container has a cavity on a boundary wall, the valve device being displaceably arranged in the cavity, and the restoring device being arranged on the side of the valve device facing away from the collection volume.
  • a fuel cell device is provided. This shows:
  • a fuel cell which has an anode device and a cathode device, wherein the anode device has 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 4, which is coupled to the anode output and / or the cathode output.
  • 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 designed, for example, as a polymer electrolyte membrane, which is permeable only to protons but not 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.
  • An electrically actuated metering valve 13 is provided further downstream in the supply line 10, 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 .
  • a pressure sensor 15 is arranged between the metering valve 14 and the anode device 4 , which is connected to the control device 14 and provides the hydrogen pressure value at the input 8 of the anode device 4 .
  • 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.
  • atmospheric oxygen serves as the oxidizing agent, which is supplied to the cathode device 5 by the oxidizing agent supply device 16 .
  • the oxidizing agent supply device 16 has a further pressure sensor 17 which the control device 14 supplies 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 outlet 51 via which reaction products can be evacuated from the cathode device 5, ie can be discharged.
  • the reaction products on the part of the cathode device 5 are usually a gas mixture of steam, 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 separating device 400 can be drained from time to time via a controllable first valve device 4510 assigned to the first water separating device 400 and a first drain channel 4600 .
  • 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 liquid water separated in the second water separating device 500 can be discharged from time to time via a controllable second valve device 5510 assigned to the second water separating device 500 and a second discharge channel 5600 .
  • 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.
  • FIGS. 3 and 4 exemplary embodiments of the 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 illustrated in FIGS. 3 and 4 described. Based on the Figs. 5 to 7, concrete, constructive exemplary embodiments are then described, with the basic mode of operation and the basic structure also applying to these exemplary embodiments. Reference is first made to FIGS.
  • 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, which is closed off from the first antifreeze device 4500 to the environment in a liquid-tight or gas-tight manner.
  • 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 includes the first valve device 4510, which is shown in Figs. 3 and 4 is shown purely schematically.
  • the first valve device 4510 is arranged in the cavity 443 or in the opening 445 and is mounted there in a displaceable or movable or sliding manner along a displacement path (double arrow).
  • the first valve device 4510 is coupled to the water in the collection volume 441 in a pressure-transmitting manner on one surface side. In the exemplary embodiment, this surface side is in direct contact with the water 600 .
  • the first valve device 4510 is coupled to a restoring device 4520 of the first antifreeze device 4500 in a compressive force-transmitting manner.
  • the coupling takes place by means of one or more coupling elements 4521, which are assigned to the resetting device 4520.
  • the first valve device 4510 water 600 can be drained from the collection volume 441 via the first drain channel 4600, which is formed in the boundary wall 442 of the first container 440 and is fluidically coupled to the valve device 4510.
  • the water 600 in the collection volume 441 is in liquid form.
  • the first valve device 4510 is in a melting position along the displacement path. In the melting position, the first valve device 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 first valve device 4510 is in the freezing position along the displacement path (double arrow). In the freezing position, the first valve device 4510 is again in a stable equilibrium of forces in the direction of the displacement path. 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 coupled to the valve device 4510 in a compressive force-transmitting manner via the coupling elements 4521 and is designed to exert a restoring force on the valve device 4510 directed in the direction of the melting position.
  • the restoring device 4520 may be configured such that the restoring force undergoes a progression the further the valve device 4510 moves from the melting position to the freezing position. The movement of the valve device 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.
  • the resulting water 600 takes up a smaller volume than the ice 700.
  • the pressure force on the surface side of the valve device 4510 facing the collection volume 441 decreases and is now less than that of the reset device 4520 on the valve device 4510 applied restoring force. Due to this imbalance of forces, the valve device 4510 moves in the direction of the melting position (FIG. 3) until the forces are again in balance. The movement of the valve device 4510 from the freezing position in the direction of the melting position thus 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 anti-freeze 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 arising, 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 by approximately 9% to 16% in the event of the water icing up. So if the valve assembly 4510 in For example, when the valve assembly 4510 is in the freezing position, the collection volume is about 9% to 16% greater than when the valve assembly 4510 is in the melting position.
  • valve device 4510 protrudes with a valve section 4511 into the opening 445 formed in the boundary wall 444 and with a control section 4512 to the outside beyond the boundary wall 444 .
  • a plurality of seals 4513 are provided on the outer diameter of the valve section 4511, which seal the cavity 443 from the outside in a liquid-tight manner, with the ability of the valve device 4510 to be moved still being ensured.
  • the valve device 4510 has a limiting plate 4514 which extends radially (transversely to the displacement direction of the valve device 4510) outwards.
  • the valve device 4510 remains with its control section 4512 and the limiter plate 4514 outside of the container 440 and in the melting position with the limiter plate 4514 abuts the boundary wall 444 .
  • a valve plate 4515 with a flow channel S is arranged in the valve section 4511, a valve seat being formed on a side of the valve plate 4515 facing away from the collecting volume 441, at the edge of the flow channel S.
  • a movable valve body 4516 is also arranged in the valve section 4511 . In the closed state of the valve device 4510, this rests against the valve seat 4515 in a liquid-tight manner. When the valve device 4510 is open, the valve body 4516 lifts off the valve seat 4515 and releases the flow channel S, so that water can flow through the flow channel S from the collection volume 441 . In the open state, the flow channel S is fluidically connected to the drain channel 4600, which in Figs. 5-7 runs in sections on the radial outer edge of the valve device 4510 and in sections in the boundary wall 444 of the container 440, so that water flows via the flow channel S and the drain channel 4600 can be discharged from the container 440.
  • the valve device 4510 is designed as an electromagnetic valve.
  • An electromagnetic actuator is provided in the control section 4512, which has an armature 4517 connected to the valve body 4516, a coil winding 4519a surrounding the armature 4517, and a pole piece 4518. Current/voltage can be applied to the coil winding 4519a by means of the power supply 4519b in order to open and close the valve device 4510 in this way.
  • the valve device 4510 is slidably mounted at its plate-shaped section 4510a on two screw bolts 4523 which are fastened to the container wall 444.
  • the restoring device 4520 has the two or more screw bolts 4523, which are fastened to the container wall 444, 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 valve device 4510 is slidably mounted with its limiting plate 4514 on two or more bolts 4523 .
  • the limiting plate 4514 is provided with several through-holes, through which the shanks of the screw bolts 4523 pass.
  • the mechanical springs 4521 are supported at one of their ends on the heads of the bolts 4523 and at their opposite ends on the limit plate 4514 of the valve body 4510.
  • Valve device 4510 is thus coupled elastically and in a force-transmitting manner to restoring device 4520, with the restoring force increasing when valve device 4510 moves in the direction of the freezing position (mechanical springs are compressed and thus tensioned) and reduced in the opposite direction of movement (mechanical springs are relaxed).
  • the heads of the bolts 4523 act as mechanical
  • the water in the collection volume 441 is in liquid form.
  • the valve assembly 4510 is in the melt position.
  • the mechanical springs 4521 are relaxed or only slightly compressed. If the water 600 freezes in the collection volume, the volumetric expansion causes the valve device 4510 to be displaced in the direction of the freezing position, increasing the collection volume 441.
  • the valve device 4510 slides under compression of the mechanical springs 4521 in the direction of the heads of the screw bolts 4523 6, the water 600 in the collection volume 441 is completely frozen.
  • Valve assembly 4510 is in the freeze position.
  • the mechanical springs 4521 are highly compressed and generate a restoring force urging the valve assembly 4510 to the melt position. As soon as the water in the collection volume 441 melts again with a reduction in volume, the mechanical springs 4521 force the valve device 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. Otherwise, the mode of operation is analogous to the exemplary embodiment in FIGS. 5 and 6!

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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 einer beweglichen Ventileinrichtung (4510), welche mit dem Sammelvolumen (441) gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich die Ventileinrichtung (4510) unter Vergrößerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich die Ventileinrichtung (4510) unter Verkleinerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Schmelzposition bewegt.

Description

Beschreibung
Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle mit beweglicher Ventileinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche über eine Gefrierschutzeinrichtung mit einer beweglichen Ventileinrichtung 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 einer beweglichen bzw. verschiebbaren Ventileinrichtung zum Ablassen von Wasser aus dem Sammelvolumen, wobei die Ventileinrichtung mit dem Sammelvolumen druckkraftübertragend gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers im Sammelvolumen sich die Ventileinrichtung unter Vergrößerung des Sammelvolumens in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers im Sammelvolumen sich die Ventileinrichtung 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. Die Ventileinrichtung hat zwei gegenüberliegende Oberflächenseiten. Auf einer Oberflächenseite steht er mit dem Sammelvolumen und, je nach Füllstand, mit dem darin angesammelten Wasser bzw. Eis in druckkraftübertragender Verbindung. Auf der anderen Oberflächenseite steht die Ventileinrichtung mit der Umgebung (Atmosphärendruck, Umgebungsluft) in kraftübertragender Verbindung. Alternativ kann die Ventileinrichtung auf der anderen Oberflächenseite auch mit einer Rückstelleinrichtung gekoppelt sein, welche eine Kraft auf sie ausübt, die der Kraft auf Seiten des Sammelvolumens entgegengerichtet ist (siehe Anspruch 2). Die Ventileinrichtung ist entlang einer Verschiebestrecke beweglich bzw. verschieblich gelagert. Sie nimmt entlang dieser Verschiebestrecke eine Position ein, in der die Kräfte, die auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten auf sie einwirken, im Gleichgewicht sind. Falls sich Wasser im Sammelvolumen befindet, so befindet sich die Ventileinrichtung in einer Schmelzposition. Gefriert nun das Wasser im Sammelvolumen, so hat dies eine einseitige Erhöhung der Druckkraft auf die Ventileinrichtung zur Folge. Die Ventileinrichtung 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 die Ventileinrichtung auf Seiten des Sammelvolumens zur Folge (z.B. aufgrund des Evakuierungseffekts im Raum zwischen Ventileinrichtung und dem schmelzenden Eis). Die Ventileinrichtung 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. Durch Verwendung der Ventileinrichtung als Teil der Gefrierschutzeinrichtung kommt diesem eine doppelte Funktion zu, was die Kosten, die Anzahl der Bauteile und den Konstruktionsaufwand gering hält.
In einer Ausgestaltung weist die Wasserabscheidevorrichtung einen Ablasskanal zum Ablassen des in der Wasserabscheidevorrichtung abgeschiedenen, flüssigen Wassers mittels der Ventileinrichtung auf. Beispielsweise ist bei einer Ausführungsform der Ablasskanal in einer Begrenzungswand des Behälters ausgebildet und mit der Ventileinrichtung fluidisch gekoppelt ist. So kann das Ablassen des Wassers besonders einfach und/oder die Wasserabscheidevorrichtung besonders robust und/oder kostengünstig sein.
In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung weist die Gefrierschutzeinrichtung eine mit der Ventileinrichtung kraftübertragend gekoppelte Rückstelleinrichtung zum Ausüben einer in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auf die Ventileinrichtung auf, wobei bei einer Bewegung der Ventileinrichtung in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt, und wobei bei einer Bewegung der Ventileinrichtung in Richtung der Schmelzposition sich die Rückstellkraft verringert.
Eine Rückstelleinrichtung stellt die Rückbewegung der Ventileinrichtung in die Schmelzposition sicher. Außerdem ist es möglich, die Rückstellkraft durch entsprechende Auswahl der Rückstelleinrichtung einzustellen.
Dabei kann die Rückstelleinrichtung gemäß einer Ausgestaltung eine mechanische Feder (z.B. aus Metall oder Kunststoff), ein Elastomer (z.B. Gummi) oder eine Gasdruckfeder aufweisen, welche mit der Ventileinrichtung kraftübertragend gekoppelt ist.
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 weist der Behälter an einer Begrenzungswand einen Hohlraum auf, wobei die Ventileinrichtung in dem Hohlraum verschiebbar angeordnet ist, und wobei die Rückstelleinrichtung auf der dem Sammelvolumen abgewandten Seite der Ventileinrichtung angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Brennstoffzellenvorrichtung angegeben. Diese 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 4, welche mit dem Anodenausgang und/oder dem Kathodenausgang gekoppelt ist. Bezüglich der Vorteile dieser Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführung zur Wasserabscheidevorrichtung 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 - 7 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 welchen 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 welchen 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 eine der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 zugeordnete, steuerbare erste Ventileinrichtung 4510 und einen ersten Ablasskanal 4600 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 eine der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 zugeordnete, steuerbare zweite Ventileinrichtung 5510 und einen zweiten Ablasskanal 5600 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 7 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 7 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 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 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.
Zur ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 gehört die erste Ventileinrichtung 4510, welche in den Figs. 3 und 4 rein schematisch dargestellt ist. Die ersten Ventileinrichtung 4510 ist in dem Hohlraum 443 bzw. in dem Durchbruch 445 angeordnet und dort entlang einer Verschiebestrecke (Doppelpfeil) verschieblich bzw. beweglich bzw. gleitend gelagert. Die erste Ventileinrichtung 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 die erste Ventileinrichtung 4510 mit einer Rückstelleinrichtung 4520 der ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 druckkraftübertragend gekoppelt. Die Kopplung erfolgt mittels eines oder mehrerer Kopplungselemente 4521, welche der Rückstelleinrichtung 4520 zugeordnet sind. Mittels der ersten Ventileinrichtung 4510 kann Wasser 600 aus dem Sammelvolumen 441 über den ersten Ablasskanal 4600, welcher in der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ausgebildet ist und mit der Ventileinrichtung 4510 fluidisch gekoppelt ist, abgelassen werden. In Fig. 3 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die erste Ventileinrichtung 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke in einer Schmelzposition. In der Schmelzposition steht die erste Ventileinrichtung 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 der erste Ventileinrichtung 4510. Dieses temporäre Druckkraftungleichgewicht führt zu einer Verschiebung bzw. Bewegung der erste Ventileinrichtung 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. Die erste Ventileinrichtung 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke (Doppelpfeil) in der Gefrierposition. In der Gefrierposition steht die erste Ventileinrichtung 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 über die Kopplungselemente 4521 mit der Ventileinrichtung 4510 druckkraftübertragend gekoppelt und dazu ausgebildet, auf die Ventileinrichtung 4510 eine in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auszuüben. Die Rückstelleinrichtung 4520 kann so ausgebildet sein, dass die Rückstellkraft einer Progression unterliegt, je weiter sich die Ventileinrichtung 4510 von der Schmelzposition in die Gefrierposition bewegt. Die Bewegung der Ventileinrichtung 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 der Ventileinrichtung 4510 nimmt ab und ist nun geringer als die von der Rückstelleinrichtung 4520 auf die Ventileinrichtung 4510 ausgeübte Rückstellkraft. Durch dieses Kräfteungleichgewicht bewegt sich die Ventileinrichtung 4510 in Richtung der Schmelzposition (Fig. 3) bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die Bewegung der Ventileinrichtung 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 die Ventileinrichtung 4510 in der Gefrierposition befindet, so ist das Sammelvolumen beispielsweise um ca. 9% bis 16% größer, als wenn sich die Ventileinrichtung 4510 in der Schmelzposition befindet.
Anhand der Fig. 5 bis 7 werden nun vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Gefrierschutzeinrichtung 4500 und die Ventileinrichtung 4510 näher 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 Figs. 5 bis 7 ist eine mögliche Ausführungsform der Ventileinrichtung 4510 detaillierter dargestellt. Die Ventileinrichtung 4510 ragt mit einem Ventilabschnitt 4511 in den in der Begrenzungswand 444 ausgebildeten Durchbruch 445 hinein und mit einem Steuerabschnitt 4512 nach Außen über die Begrenzungswand 444 hinaus. Am Außendurchmesser des Ventilabschnitts 4511 sind mehrere Dichtungen 4513 vorgesehen, welche den Hohlraum 443 flüssigkeitsdicht nach außen abdichten, wobei die Verschiebbarkeit der Ventileinrichtung 4510 weiterhin gewährleistet bleibt. Am Übergang zwischen dem Ventilabschnitt 4511 und dem Steuerabschnitt 4512 weist die Ventileinrichtung 4510 eine Begrenzungsplatte 4514, welche sich radial (quer zur Verschieberichtung der Ventileinrichtung 4510) nach Außen erstreckt. Die Ventileinrichtung 4510 bleibt mit ihrem Steuerabschnitt 4512 und der Begrenzungsplatte 4514 außerhalb des Behälters 440 und steht in der Schmelzposition mit der Begrenzungsplatte 4514 an der Begrenzungswand 444 an.
Im Ventilabschnitt 4511 ist eine Ventilplatte 4515 mit einem Strömungskanal S angeordnet, wobei auf einer dem Sammelvolumen 441 abgewandten Seite der Ventilplatte 4515, am Rande des Strömungskanals S, ein Ventilsitz ausgebildet ist. Im Ventilabschnitt 4511 ist ferner ein beweglicher Ventilkörper 4516 angeordnet. Dieser liegt im geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung 4510 in flüssigkeitsdichtender Weise am Ventilsitz 4515 an. Im geöffneten Zustand der Ventileinrichtung 4510 hebt der Ventilkörper 4516 vom Ventilsitz 4515 ab und gibt den Strömungskanal S frei, sodass Wasser aus dem Sammelvolumen 441 durch den Strömungskanal S fließen kann. Im geöffneten Zustand steht der Strömungskanal S in fluidischer Verbindung mit dem Ablasskanal 4600, welcher in den Fig. 5-7 abschnittweise am radialen Außenrand der Ventileinrichtung 4510 und abschnittweise in der Begrenzungswand 444 des Behälters 440 verläuft, sodass Wasser über den Strömungskanal S und den Ablasskanal 4600 aus dem Behälter 440 abgeführt werden kann.
Die Ventileinrichtung 4510 ist als elektromagnetisches Ventil ausgebildet. Im Steuerabschnitt 4512 ist ein elektromagnetischer Aktor vorgesehen, welcher einen mit dem Ventilkörper 4516 verbundenen Anker 4517, eine den Anker 4517 umgebende Spulenwicklung 4519a und ein Polstück 4518 aufweist. Die Spulenwicklung 4519a kann mittels der Stromzuführung 4519b mit Strom/Spannung beaufschlagt werden, um so die Ventileinrichtung 4510 zu öffnen und zu schließen. Die Ventileinrichtung 4510 ist an ihrem plattenförmigen Abschnitt 4510a an zwei Schraubbolzen 4523, welche an der Behälterwand 444 befestigt sind, gleitend gelagert.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 bis 7 weist die Rückstelleinrichtung 4520 die zwei oder mehrere Schraubbolzen 4523, welche an der Behälterwand 444 befestigt sind, und zwei mechanische Federn als Kopplungselemente 4521 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 Ventileinrichtung 4510 ist mit ihrer Begrenzungsplatte 4514 an zwei oder mehreren Schraubbolzen 4523 gleitend gelagert. Dazu ist Begrenzungsplatte 4514 mit mehreren Durchgangbohrungen versehen, welche von den Schäften der Schraubbolzen 4523 durchdrungen sind. Die mechanischen Federn 4521 stützen sich an einem Ihrer Enden an den Köpfen der Schraubbolzen 4523 und an ihren gegenüberliegenden Enden an der Begrenzungsplatte 4514 des Ventilkörpers 4510 ab. Damit ist die Ventileinrichtung 4510 elastisch und kraftübertragend mit der Rückstelleinrichtung 4520 gekoppelt, wobei bei einer Bewegung der Ventileinrichtung 4510 in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt (mechanische Federn werden komprimiert und dadurch gespannt) und in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung reduziert (mechanische Federn werden entspannt). Die Köpfe der Schraubbolzen 4523 wirken als mechanische
Anschläge und begrenzen den Bewegungshub der Ventileinrichtung 4510.
In Fig. 5 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser in flüssiger Form vor. Die Ventileinrichtung 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 der Ventileinrichtung 4510 in Richtung der Gefrierposition unter Vergrößerung des Sammelvolumens 441. Die Ventileinrichtung 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. Die Ventileinrichtung 4510 befindet sich der Gefrierposition. Die mechanischen Federn 4521 sind stark komprimiert und erzeugen eine Rückstellkraft, die die Ventileinrichtung 4510 in die Schmelzposition drängt. Sobald das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser unter Volumenverkleinerung wieder schmilzt, drängen die mechanischen Federn 4521 die Ventileinrichtung 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. Ansonsten ist die Funktionsweise analog zum Ausführungsbeispiel der Figs. 5 und 6!

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 einer verschiebbaren Ventileinrichtung (4510), welche mit dem Sammelvolumen (441) gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich die Ventileinrichtung (4510) unter Vergrößerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers (600) im Sammelvolumen (441) sich die Ventileinrichtung (4510) unter Verkleinerung des Sammelvolumens (441) in Richtung einer Schmelzposition bewegt.
2. Wasserabscheidevorrichtung (400) nach Anspruch 1, die einen Ablasskanal (4600) zum Ablassen des in der Wasserabscheidevorrichtung (400) abgeschiedenen, flüssigen Wassers mittels der Ventileinrichtung (4510) aufweist.
3. Wasserabscheidevorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ablasskanal (4600) in einer Begrenzungswand (442) des Behälters (440) ausgebildet und mit der Ventileinrichtung (4510) fluidisch gekoppelt ist.
4. Wasserabscheidevorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (4500) eine Rückstelleinrichtung (4520) zum Ausüben einer in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auf die Ventileinrichtung (4510) aufweist, wobei bei einer Bewegung der Ventileinrichtung (4510) in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt, und wobei bei einer Bewegung der Ventileinrichtung (4510) in Richtung der Schmelzposition sich die Rückstellkraft verringert. Wasserabscheidevorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Rückstelleinrichtung (4520) zumindest eine mechanische Feder, ein Elastomer oder eine Gasdruckfeder aufweist, welche mit der Ventileinrichtung (4510) kraftübertragend gekoppelt ist. Wasserabscheidevorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter (400) in einer Begrenzungswand (440) einen Durchbruch (445) aufweist, und wobei die Ventileinrichtung (4510) in dem Durchbruch (445) verschiebbar angeordnet ist, und wobei die Rückstelleinrichtung (4520) auf der dem Sammelvolumen (441) abgewandten Seite der Ventileinrichtung (4510) angeordnet ist. 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 vorhergehenden Ansprüche, welche mit dem Anodenausgang (41) und/oder dem Kathodenausgang (51) gekoppelt ist.
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