WO2021069311A2 - Vorrichtung zum abscheiden eines flüssigen mediums, insbesondere wasser, für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Vorrichtung zum abscheiden eines flüssigen mediums, insbesondere wasser, für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device for separating a liquid medium, in particular water, for a fuel cell system, for example for use in vehicles with fuel cell drives.
  • the fuel cell system has a fuel cell to which oxygen and hydrogen are supplied. This then reacts in the fuel cell to form water or water vapor. Electrochemical conversion thus provides electrical power that is used as drive energy for the vehicle.
  • the reaction product water or water vapor is typically released into the environment, for example via a liquid separator.
  • a gas-liquid separator is known from DE 10 2017 221 302 A1 which has a container to which at least one liquid component of a medium, in particular water, is fed via an inlet and which can be drained from the container via a discharge valve.
  • the remaining gaseous constituent of the medium, in particular hydrogen, can be returned to an outflow line via a first outlet.
  • nitrogen is also contained in the gaseous component of the medium, which is also separated by the gas-liquid separator.
  • the device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage of improving the water separation in a fuel cell system so that the pressure loss and the installation space are minimized and high separation rates are still achieved.
  • the device for separating a liquid medium, in particular special water, for a fuel cell system comprises a line, which line has a molding, in which molding a collecting container for water is formed, a separating device being arranged in the collecting container, which separating device is designed for this purpose is to absorb liquid medium, especially water.
  • the water in the device for separating a liquid medium in particular water, can be separated in a simple manner so that it is not entrained again by the gaseous flow within the line. Overall, this increases the efficiency of the entire fuel cell system.
  • the separating device is designed as a knitted, open-pore mats made of stainless steel.
  • water droplets can collect within the meshes formed in the mats and, due to the high surface forces, remain there and are not swept away again by the current.
  • the fabric of the mats advantageously has a certain elasticity so that the structure is not destroyed when ice forms.
  • the separating device is wetted with a liquid medium, in particular water. Active wetting leads to the fact that vaporous water adheres better to the structure and the droplets.
  • the formation is V-shaped and has a first branch and a second branch.
  • the first branch is formed obliquely to a longitudinal axis of the line and the second branch perpendicular to the longitudinal axis of the line.
  • the molding is U-shaped and has a first branch and a second branch.
  • the first branch is advantageously formed obliquely to a longitudinal axis of the line and the second branch perpendicular to the longitudinal axis of the Lei device.
  • the formation is stepped and has a first branch and a second branch.
  • the first branch is advantageously formed parallel to a longitudinal axis of the line and the second branch is formed perpendicular to the longitudinal axis of the line.
  • the device described for separating a liquid medium, in particular special water, is preferably suitable in a fuel cell arrangement.
  • the device described for separating a liquid medium in particular special water, is preferably suitable in a vehicle with fuel cell drive.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for separating a liquid medium in an anode area of a fuel cell system in a simplified view
  • FIG. 2a shows the device according to the invention for separating a liquid medium for a fuel cell from FIG. 1 with a separating device and a V-shaped molding of the line in a longitudinal section
  • FIG. 2b shows the device according to the invention for separating a liquid medium for a fuel cell from FIG. 1 with a separating device and a U-shaped molding of the line in a longitudinal section
  • FIG. 2c the device according to the invention for separating a liquid Me medium for a fuel cell from FIG. 1 with a separating device and stepped molding of the line in longitudinal section,
  • FIG. 3 shows the separating device from FIG. 1 in a schematic view.
  • Fig.l shows an example of an anode area 24 of a fuel cell system with an embodiment of a device 1 according to the invention for separating a liquid medium, in particular water, for example for use in vehicles with fuel cell drives, in a simplified view.
  • a tank 14, a hydrogen metering valve 16, a jet pump 18 and a recirculation pump 22 are also arranged in the anode region 24.
  • the hydrogen stored in the tank 14 is fed via a feed line 26 to the hydrogen metering valve 16, which doses the hydrogen as required and feeds it to the fuel cell 20 in combination with the jet pump 18.
  • Unused hydrogen and reaction products such as water or what steam or partial reaction products such as nitrogen are passed from the fuel cell 20 via a line 2.
  • the device 1 according to the invention for separating a liquid medium, in particular special water is formed.
  • the device 1 also has a drain valve 6 so that the liquid medium, here water, can be drained from the anode area 24 of the fuel cell system, for example into an ambient area.
  • a further discharge valve 28 is advantageously provided in order to also direct the partial reaction products, such as nitrogen, out of the fuel cell system.
  • the unused hydrogen is fed into the jet pump 18 by means of the recirculation pump 22 for reuse and fed to the fuel cell 20 again.
  • the line 2a shows the device 1 according to the invention for separating a liquid medium, in particular water, in an enlarged view in cross section.
  • the line 2 is cylindrical here and has a V-shaped projection 4.
  • a collecting container 10 for the reac tion product water is formed, with a first branch 30 of the V-shaped formation 4 obliquely to a longitudinal axis 34 of the line 2 and a second branch 32 of the V-shaped projection 4 perpendicular is arranged to the longitudinal axis 34 of the line 2.
  • the molding 4 of the line 2 can, for example, also assume other geometrical shapes as shown in FIG. 2b.
  • the molding 4 is U-shaped and also has a first branch 30 'and a second branch 32', the first branch 30 'of the U-shaped molding 4 being inclined to the longitudinal axis 34 of the line 2 and the second branch Branch 32 'of the U-shaped requirement 4 is arranged perpendicular to the longitudinal axis 34 of the line 2.
  • the line 2 here has a first branch 30 ′′ and a second branch 32 ′′, the second branch 32 ′′ being perpendicular to the longitudinal axis 34 is arranged and the first branch 30 ′′ is arranged parallel to the longitudinal axis 34 and a section 36 of the first branch 30 ′′ is widened conically in the direction of the collector 10.
  • the projection 4 of the conduit 2 can also be arranged perpendicular to the weight force, i.e. out of the plane of the drawing, because the water does not move in the direction of flow, but perpendicular to it when it hits one end of the conduit 2 meets.
  • a separating device 8 in the form of knitted, open-pored mats 80 made of stainless steel is arranged in the first branch 30, 30 ‘, 30 ′′. As shown in FIG. 3, these mats 80 have meshes 81 in which water droplets can collect and, due to the high surface forces, remain there and are not torn away again by the flow.
  • the mesh 81 has a mesh size, whereby the water is guided within a mesh structure of the mesh 81 to the collecting container 10, whereby the acceleration due to gravity is sufficient for this. That is, over time, the separating device 8 will lead ge through the flow in the collecting container 10.
  • the fabric of the mats 80 has a certain elasticity, so that the structure will not be destroyed in the event of ice formation.
  • the fabric of the mats 80 must therefore be at least as elastic that it can withstand this expansion (> 10%).
  • the device 1 according to the invention for separating a liquid medium, in particular water, which is arranged in the anode region 24 of a fuel cell system, is used, for example, in vehicles with fuel cell drives.

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Abstract

Vorrichtung (1) zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Leitung (2), welche Leitung (2) eine Anformung (4) aufweist, in welcher Anformung (4) ein Sammelbehälter (10) für Wasser ausgebildet ist, wobei in dem Sammelbehälter (10) eine Trennvorrichtung (8) angeordnet ist, welche Trennvorrichtung (8) dazu ausgebildet ist, flüssiges Medium, insbesondere Wasser, aufzunehmen.

Description

Beschreibung
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.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, für ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Leitung (2), welche Lei tung (2) eine Anformung (4) aufweist, in welcher Anformung (4) ein Sammelbe hälter (10) für Wasser ausgebildet ist, wobei in dem Sammelbehälter (10) eine Trennvorrichtung (8) angeordnet ist, welche Trennvorrichtung (8) dazu ausgebil det ist, flüssiges Medium, insbesondere Wasser, aufzunehmen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (8) als gestrickte, offenporige Matten (80) aus Edelstahl ausge bildet ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (8) mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser, benetzt ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (4) V-förmig ausgebildet ist und einen ers ten Zweig (30) und einen zweiten Zweig (32) aufweist.
5. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Zweig (30) schräg zu einer Längsachse (34) der Leitung (2) und der zweite Zweig (32) senkrecht zu der Längsachse (34) der Leitung (2) ausgebildet sind.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anformung (4) U-förmig ausgebildet ist und einen ersten Zweig (30‘) und einen zweiten Zweig (32‘) aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Zweig (30‘) schräg zu einer Längsachse (34) der Leitung (2) und der zweite Zweig (32‘) senkrecht zu der Längsachse (34) der Leitung (2) ausgebildet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anformung (4) stufenförmig ausgebildet ist und einen ersten Zweig (30“) und einen zweiten Zweig (32“) aufweist.
9. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Zweig (30“) parallel zu einer Längsachse (34) der Lei tung (2) und der zweite Zweig (32“) senkrecht zu der Längsachse (34) der Lei tung (2) ausgebildet sind.
10. Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorrichtung (1) zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, nach einem der vorhergehen den Ansprüche.
11. Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb und mit einer Vorrichtung (1) zum Abscheiden eines flüssigen Mediums, insbesondere Wasser, nach einem der An sprüche 1 bis 9.
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