Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise zur Anwen dung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.

Stand der Technik

Im Fahrzeugbereich spielen Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb eine immer größere Rolle. Dabei weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle auf, welcher Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt wird. Dies reagiert dann in der Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. So wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung bereitgestellt, welche als Antriebsenergie des Fahrzeugs verwendet wird. Das Reaktionsprodukt Wasser bzw. Wasser dampf wird typischerweise über einen Flüssigkeitsabscheider beispielsweise an die Umgebung abgegeben.

Aus der DE 10 2017 221 302 Al ist ein Gas- Flüssigkeitsabscheider bekannt, welcher einen Behälter aufweist, dem über einen Einlass zumindest ein flüssiger Bestandteil eines Mediums, insbesondere Wasser, zugeführt wird, welches über ein Abführventil aus dem Behälter abgelassen werden kann. Der verbleibende gasförmige Bestandteil des Mediums, insbesondere Wasserstoff, kann über ei nen ersten Auslass in eine Abströmleitung zurückgeführt werden. Weiterhin ist in dem gasförmigen Bestandteil des Mediums zusätzlich auch Stickstoff erhalten, welches ebenfalls vom Gas- Flüssigkeitsabscheider abgeschieden wird. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, die Wasserabscheidung in einem Brennstoff zellensystem zu verbessern, so dass der Druckverlust und der Bauraum mini miert und trotzdem hohe Abscheideraten erzielt werden.

Dazu umfasst die Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbe sondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem, eine Leitung, welche Leitung eine Anformung aufweist, in welcher Anformung ein Sammelbehälter für Wasser ausgebildet ist, wobei in dem Sammelbehälter eine Trennvorrichtung angeordnet ist, welche Trennvorrichtung dazu ausgebildet ist, flüssiges Medium, insbeson dere Wasser, aufzunehmen.

So kann in einfacher Weise das Wasser in der Vorrichtung zum Abscheiden ei nes flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, separiert werden, so dass es nicht durch die gasförmige Strömung innerhalb der Leitung wieder mitgerissen wird. Insgesamt wird dadurch die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensys tems erhöht.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Trennvorrichtung als gestrickte, offenporige Matten aus Edelstahl ausgebildet ist. So können sich in nerhalb der in den Matten ausgebildeten Maschen beispielsweise Wassertropfen sammeln und auf Grund der hohen Oberflächenkräfte dort verharren und nicht wieder von der Strömung mitgerissen werden. Vorteilhafterweise weist das Ge webe der Matten eine gewisse Elastizität auf, so dass bei Eisbildung die Struktur nicht zerstört wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Trennvorrichtung mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser, benetzt ist. Ak tive Benetzung führt dazu, dass sich dampfförmiges Wasser an der Struktur und den Tropfen besser anlagert. In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Anformung V-förmig ausgebildet ist und einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufweist. Vorteil hafterweise sind der erste Zweig schräg zu einer Längsachse der Leitung und der zweite Zweig senkrecht zu der Längsachse der Leitung ausgebildet. So kann in konstruktiv einfacher Weise bauraumoptimiert der Sammelbehälter für das Re aktionsprodukt Wasser in die Leitung integriert und weiterhin eine optimale Funk tionsweise in Kombination mit der Trennvorrichtung erzielt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Anformung U-förmig ausgebildet ist und einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufweist. Vorteilhafterweise sind der erste Zweig schräg zu einer Längs achse der Leitung und der zweite Zweig senkrecht zu der Längsachse der Lei tung ausgebildet. So kann in konstruktiv einfacher Weise bauraumoptimiert der Sammelbehälter für das Reaktionsprodukt Wasser in die Leitung integriert und weiterhin eine optimale Funktionsweise in Kombination mit der Trennvorrichtung erzielt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Anformung stufenför mig ausgebildet ist und einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufweist. Vorteilhafterweise sind der erste Zweig parallel zu einer Längsachse der Leitung und der zweite Zweig senkrecht zu der Längsachse der Leitung ausgebildet. So kann in konstruktiv einfacher Weise bauraumoptimiert der Sammelbehälter für das Reaktionsprodukt Wasser in die Leitung integriert und weiterhin eine opti male Funktionsweise in Kombination mit der Trennvorrichtung erzielt werden.

Die beschriebene Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbe sondere Wasser, eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung.

Die beschriebene Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbe sondere Wasser, eignet sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit Brennstoffzel lenantrieb. Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ab scheiden eines flüssigen Mediums in einem Anodenbereich eines Brennstoffzel lensystems in vereinfachter Ansicht,

Fig. 2a die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums für eine Brennstoffzelle aus der Fig. 1 mit einer Trennvorrichtung und einer V-förmigen Anformung der Leitung im Längsschnitt,

Fig. 2b die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Mediums für eine Brennstoffzelle aus der Fig. 1 mit einer Trennvorrichtung und einer U-förmigen Anformung der Leitung im Längsschnitt,

Fig. 2c die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden eines flüssigen Me diums für eine Brennstoffzelle aus der Fig. 1 mit einer Trennvorrichtung und stu fenförmigen Anformung der Leitung im Längsschnitt,

Fig. 3 die Trennvorrichtung aus der Fig. 1 in schematischer Ansicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt beispielhaft einen Anodenbereich 24 eines Brennstoffzellensystems mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Ab scheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, beispielsweise zur An wendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb, in vereinfachter Ansicht. In dem Anodenbereich 24 sind weiterhin ein Tank 14, ein Wasserstoffdosierventil 16, eine Strahlpumpe 18 und eine Rezirkulationspumpe 22 angeordnet.

Der in dem Tank 14 gespeicherte Wasserstoff wird über eine Zuführleitung 26 dem Wasserstoffdosierventil 16 zugeführt, welches den Wasserstoff je nach Be darf entsprechend dosiert und in Kombination mit der Strahlpumpe 18 der Brenn stoffzelle 20 zuführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff sowie Reaktionsprodukte wie Wasser bzw. Was serdampf oder Teilreaktionsprodukte wie beispielsweise Stickstoff werden über eine Leitung 2 aus der Brennstoffzelle 20 geleitet. In der Leitung 2 ist die erfin dungsgemäße Vorrichtung 1 zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbe sondere Wasser, ausgebildet. Die Vorrichtung 1 weist zudem ein Ablassventil 6 auf, so dass das flüssige Medium, hier Wasser, aus dem Anodenbereich 24 des Brennstoffzellensystems abgelassen werden kann, beispielsweise in einen Um gebungsbereich. Vorteilhafterweise ist ein weiteres Ablassventil 28 vorhanden, um die Teilreaktionsprodukte wie beispielsweise Stickstoff ebenfalls aus dem Brennstoffzellensystem zu leiten. Der nicht verwendete Wasserstoff wird mittels der Rezirkulationspumpe 22 zur Wiederverwendung in die Strahlpumpe 18 gelei tet und der Brennstoffzelle 20 erneut zugeführt.

Fig.2a zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Abscheiden eines flüssi gen Mediums, insbesondere Wasser, in vergrößerter Ansicht im Querschnitt. Die Leitung 2 ist hier zylinderförmig ausgebildet und weist eine V-förmige Anformung 4 auf. In dieser V-förmigen Anformung 4 ist ein Sammelbehälter 10 für das Reak tionsprodukt Wasser ausgebildet, wobei ein erster Zweig 30 der V-förmigen An formung 4 schräg zu einer Längsachse 34 der Leitung 2 und ein zweiter Zweig 32 der V-förmigen Anformung 4 senkrecht zu der Längsachse 34 der Leitung 2 angeordnet ist.

Die Anformung 4 der Leitung 2 kann dabei beispielsweise auch andere geometri sche Formen wie in Fig.2b gezeigt, annehmen. Hier ist die Anformung 4 U-för- mig ausgebildet und weist ebenfalls einen ersten Zweig 30‘ und einen zweiten Zweig 32‘ auf, wobei der erste Zweig 30‘ der U-förmigen Anformung 4 schräg zu der Längsachse 34 der Leitung 2 und der zweite Zweig 32‘ der U-förmigen Anfor mung 4 senkrecht zu der Längsachse 34 der Leitung 2 angeordnet ist.

Weiterhin kann die Anformung 4 der Leitung 2, wie in Fig.2c gezeigt, stufenför mig ausgebildet sein. Die Leitung 2 weist hier einen ersten Zweig 30“ und einen zweiten Zweig 32“ auf, wobei der zweite Zweig 32“ senkrecht zu der Längsachse 34 angeordnet ist und der erste Zweig 30“ parallel zu der Längsachse 34 ange ordnet und ein Abschnitt 36 des ersten Zweigs 30“ in Richtung des Sammelbe hälters 10 konisch erweitert ist.

Darüber hinaus kann in einer alternativen Ausführung die Anformung 4 der Lei tung 2 auch senkrecht zur Gewichtskraft, also aus der Zeichenebene hinaus an geordnet sein, denn das Wasser bewegt sich nicht in Strömungsrichtung, son dern senkrecht dazu, wenn es auf ein Ende der Leitung 2 trifft.

In dem ersten Zweig 30, 30‘, 30“ ist eine Trennvorrichtung 8 in Form von aus Edelstahl hergestellten gestrickten, offenporigen Matten 80 angeordnet. Diese Matten 80 weisen wie in Fig.3 gezeigt, Maschen 81 auf, in denen sich Wasser tropfen sammeln können und aufgrund der hohen Oberflächenkräfte dort verblei ben und nicht durch die Strömung wieder losgerissen werden.

Die Maschen 81 weisen eine Maschenweite auf, wodurch das Wasser innerhalb einer Maschenstruktur der Maschen 81 zu dem Sammelbehälter 10 geführt wer den, wobei hierzu die Erdbeschleunigung ausreicht. Das heißt, mit der Zeit wird auch die Trennvorrichtung 8 durch die Strömung in den Sammelbehälter 10 ge führt.

Weiterhin weist das Gewebe der Matten 80 eine gewisse Elastizität aus, so dass es bei einer möglichen Eisbildung zu keiner Zerstörung der Struktur kommt. Beim Gefrieren dehnt sich das Eis etwa um 1/11 aus, das Gewebe der Matten 80 muss daher mindestens so elastisch sein, dass es diese Dehnung aushält (> 10 %).

Ist das Gewebe kühler als die Strömung in der Leitung 2 können sich Tropfen durch Kondensation bilden, die ebenfalls abgeführt werden.

Weiterhin kann eine aktive Benetzung die Funktionsweise der Trennvorrichtung 8 verbessern, da sich so dampfförmiges Wasser an der Struktur und den Tropfen bevorzugt anlagert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, welches in dem Anodenbereich 24 eines Brennstoffzellen systems angeordnet ist, findet beispielsweise Anwendung bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.