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Die
Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider, insbesondere
einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem,
sowie ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem derartigen
Flüssigkeitsabscheider.
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Unter
einer Brennstoffzelle wird sowohl eine einzelne Brennstoffzelle
(kurz: Einzelzelle) als auch eine Hintereinanderschaltung von zwei
oder mehr Einzelzellen zu einem Brennstoffzellenstapel (kurz: Stack)
verstanden.
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Üblicherweise
wird in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie
anodeneingangsseitig Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas
als Brennstoff und kathodenseitig Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches
Gas wie zum Beispiel Umgebungsluft als Oxidationsmittel zugeführt.
Die Elektroden der Brennstoffzelle sind durch eine Ionenaustauschmembran
(z. B. Polymer-Elektrolyt-Membran) voneinander getrennt.
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Die
anodeneingangsseitig zugeführten Wasserstoffmoleküle
reagieren an einem im Anodenbereich vorhandenen Anodenkatalysator
nach der Gleichung H2 → 2·H+ + 2·e– und geben dabei
unter Bildung von positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen)
Elektronen an die Elektrode ab. Die so im Anodenbereich gebildeten
Protonen diffundieren anschließend durch die Ionenaustauschmembran
zum Kathodenbereich. Dort reagieren sie an einem Kathodenkatalysator
mit dem kathodenseitig zugeführten Sauerstoff sowie den über
einen äußeren Stromkreis zugeleiteten Elektronen nach
der Gleichung O2 +
4·H+ + 4·e– → 2·H2O zu
Wasser.
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In
dem Brennstoffzellensystem wird somit als Reaktionsprodukt der elektrochemischen
Prozesse in der Brennstoffzelle Wasser gebildet. Darüber
hinaus wird häufig gemeinsam mit den dem Anodenbereich
bzw. dem Kathodenbereich zugeführten Reaktanden zusätzliches
Wasser in das Brennstoffzellensystem eingetragen. Beispielsweise
kann in den Anodengasen oder in der Umgebungsluft Feuchtigkeit enthalten
sein.
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Flüssiges
Wasser kann jedoch in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere im
Bereich der Brennstoffzelle vorgesehene Strömungskanäle blockieren
und so eine gleichmäßige Verteilung der gasförmigen
Reaktanden in dem System bzw. in der Brennstoffzelle beeinträchtigen.
Dies kann sich negativ auf den Umsetzungsgrad der Reaktanden in
der Brennstoffzelle und damit auf den Wirkungsgrad des Systems auswirken.
Weiter kann in dem Brennstoffzellensystem vorhandenes flüssiges
Wasser bei tiefen Temperaturen gefrieren, was zu Beschädigungen der
Systemkomponenten und Blockaden von Strömungskanälen
führen kann. Bei einer mobilen Anwendung der Brennstoffzelle,
zum Beispiel für einen Antrieb eines Fahrzeugs, ist es
außerdem notwendig, eine Emission von flüssigem
Wasser zu vermeiden, da dieses bei tiefen Außentemperaturen
zu einer Eisbildung auf einer Fahrbahn und somit zu einer Verkehrsgefährdung
führen könnte.
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Deshalb
enthalten Brennstoffzellensysteme üblicherweise mehrere
Flüssigkeitsabscheider, die an verschiedenen Stellen in
dem System angeordnet sind, um flüssiges Wasser aus den
Gasströmen bzw. dem System zu entfernen.
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Der
Aufbau eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems, wie
es beispielsweise in der
DE 10 2004 056 952 A1 beschrieben ist, ist
in
3 veranschaulicht.
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Das
in 3 beispielhaft dargestellte Brennstoffzellensystem
enthält eine Brennstoffzelle 10 mit einem Anodenbereich 12 und
einem Kathodenbereich 14, die durch eine Ionenaustauschmembran 16 voneinander
getrennt sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst üblicherweise
eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 10, die zur Bildung
eines Stacks hintereinander angeordnet bzw. übereinander
gestapelt sind.
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Dem
Kathodenbereich 14 der Brennstoffzelle 10 wird
durch einen Kompressor 18 über eine Kathodengaszufuhrleitung 20 Luft
bzw. ein sauerstoffreiches Gas zugeführt. Zur Ableitung
der in der Brennstoffzelle 10 entstehenden Kathodenabgase
ist der Kathodenbereich der Brennstoffzelle 10 mit einer Kathodenabgasabfuhrleitung 22 verbunden.
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Um
für die Wasserstoffionen leitfähig zu sein, muss
die Ionenaustauschmembran 16 der Brennstoffzelle 10 ständig
befeuchtet werden. Zu diesem Zweck ist in der Kathodengaszufuhrleitung 20 ein
Befeuchtungssystem 24 angeordnet, das die kathodenseitig
zugeführte Luft mit Wasser befeuchtet. Das Befeuchtungssystem 24 steht
vorzugsweise auch mit der Kathodenabgasabfuhrleitung 22 in
Verbindung und ist als Gas-Gas-Membranbefeuchter ausgebildet.
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Der
Anodenbereich 12 der Brennstoffzelle 10 steht
mit einer Anodengaszufuhrleitung 26 in Verbindung, durch
welche dem Anodenbereich 12 Wasserstoff zugeführt
wird. Zur Dosierung der Wasserstoffzufuhr in den Anodenbereich 12 ist
in dieser Anodengaszufuhrleitung 26 ein erstes Ventil 28 angeordnet. Eine
Anodenabgasabfuhrleitung 30 ist als Rezirkulationsleitung
ausgebildet, in der ein Rezirkulationsgebläse 32 angeordnet
ist, um aus dem Anodenbereich 12 der Brennstoffzelle 10 austretende
Anodenabgase im Kreislauf zu führen. In der Anodenabgasabfuhrleitung 30 sind
vorzugsweise Sensoren 34, 36 vorgesehen, um den
Druck, die Temperatur und die relative Feuchte der Anodenabgase
sowie die Wasserstoffkonzentration in den Anodenabgasen zu messen.
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Ferner
steht die Anodenabgasabfuhrleitung 30 vorzugsweise auch über
ein zweites Ventil 38 mit einer Spülleitung 40 in
Verbindung. Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems kann
das zweite Ventil 38 geöffnet werden, um den Anodenbereich 12 der
Brennstoffzelle 10 mit einem durch die Spülleitung 40 zugeführten
Spülgas wie beispielsweise Luft zu spülen.
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Aus
den oben dargelegten Gründen sind vorzugsweise in der Kathodengaszufuhrleitung 20 ein erster
Flüssigkeitsabscheider 42, in der Anodengaszufuhrleitung 26 ein
zweiter Flüssigkeitsabscheider 44 und in der Anodenabgasabfuhrleitung 30 ein
weiterer Flüssigkeitsabscheider 46 angeordnet.
Jeder dieser Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 enthält
im Allgemeinen einen Sammelbehälter 48 und einen Pegelsensor 50 zum
Erfassen des Flüssigkeitspegels in dem Sammelbehälter 48.
Ein Flüssigkeitsauslass jedes Sammelbehälters 48 ist
mit einer Wasserablaufleitung 52 verbunden, in der jeweils
ein Ablassventil 54 angeordnet ist. Wenn ein Pegelsensor 50 anzeigt,
dass der Wasserpegel im Sammelbehälter 48 des
zugehörigen Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 einen
vorgegebenen Wert erreicht hat, wird das entsprechende Ablassventil 54 geöffnet,
sodass das im Sammelbehälter 48 gesammelte Wasser
durch den Flüssigkeitsauslass und die jeweilige Wasserablaufleitung 52 aus
dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden kann.
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In
Zusammenhang mit den beschriebenen Flüssigkeitsabscheidern 42, 44, 46 besteht
insbesondere nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems das
Problem, dass das in den Sammelbehältern 48 sowie
in den Wasserablaufleitungen 52 bis zu den Ablassventilen 54 gesammelte
flüssige Wasser bei niedrigen Außentemperaturen
gefrieren kann, sodass sich in den Sammelbehältern 48,
den Wasserablaufleitungen 52 und den Ablassventilen 54 Eisblöcke
bilden können, die einen Wasserablauf verhindern. Wird
das Brennstoffzellensystem bei sehr niedrigen Temperaturen gestartet
(so genannter Gefrierstart), so müssen die Sammelbehälter 48,
die Wasserablaufleitungen 52 und die Ablassventile 54 der vorhandenen
Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 des Systems
erwärmt werden, um die dort existierenden Eisblöcke
zu schmelzen und die Funktionsfähigkeit der Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 nach
dem Betriebsstart möglichst schnell herzustellen. Im Stand der
Technik werden hierzu entsprechende Heizelemente eingesetzt.
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Zum
Beispiel ist aus der
DE
10 2007 051 811 A1 ein über einen geteilten Solenoiden
beheizbares Ablassventil zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem
bekannt.
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Weiter
offenbart die
DE 100
13 687 B4 ein Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest
teilweise beheizbare Medienleitungen vorgesehen sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider
für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, der bei einem
so genannten Gefrierstart schnell funktionsfähig ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Flüssigkeitsabscheider
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Ein
Flüssigkeitsabscheider gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen Sammelbehälter, der einen Gaseinlass,
einen Gasauslass und einen Wasserauslass aufweist, eine Wasserablaufleitung, die
mit dem Wasserauslass verbunden ist, und ein Ablassventil, das in
der Wasserablaufleitung angeordnet ist, auf. Zusätzlich
ist in dem Sammelbehälter wenigstens ein beheizbares Strukturelement
derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es beim Beheizen in
einem Eisblock in dem Sammelbehälter wenigstens einen mit
dem Wasserauslass verbundenen Kanal erzeugt.
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Mit
dem beheizbaren Strukturelement im Sammelbehälter werden
gezielt für die Funktion des Sammelbehälters benötigte
Bereiche, nämlich jene zur Bildung von Kanälen
für einen Ablauf flüssigen Wassers zum Wasserauslass
in die Wasserablaufleitung erwärmt. Dies führt
zur schnellen Herstellung der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders, ohne
den gesamten Eisblock schmelzen zu müssen, wie dies bei
herkömmlichen Flüssigkeitsabscheidern der Fall
ist. Durch die Eingrenzung der zu erwärmenden Bereiche
im Sammelbehälter kann die Funktionsfähigkeit
des Flüssigkeitsabscheiders bei einem so genannten Gefrierstart
nicht nur sehr schnell, sondern auch mit einem nur geringen Energieaufwand gewährleistet
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens
eine beheizbare Strukturelement aus einem Material gebildet ist,
das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt
als ein Material des Sammelbehälters. Hierdurch wird die
Wärme noch gezielter in den Sammelbehälter eingeleitet,
indem der Wärmeeintragbereich noch weiter beschränkt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das wenigstens eine
beheizbare Strukturelement unter Verwendung der Wärmeenergie
einer Brennstoffzelle, eines Startheizers oder eines Betriebsmediums,
vorzugsweise eines Kühlmediums, des Brennstoffzellensystems
erwärmt werden. Da zum Auftauen des Flüssigkeitsabscheiders
ohnehin vorhandene Wärmequellen des Brennstoffzellensystems
genutzt werden, ist der Energieaufwand für den Wärmeeintrag
in den Sammelbehälter des Flüssigkeitsabscheiders
sehr gering.
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Alternativ
oder zusätzlich kann das wenigstens eine beheizbare Strukturelement
auch unter Verwendung eines elektrischen Heizelements oder einer
Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider selbst
erwärmt werden.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens
eine beheizbare Strukturelement ein in den Sammelbehälter
ragendes Rippenelement auf.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens
eine beheizbare Strukturelement ein mit dem Wasserauslass verbundenes Rohrelement
mit Durchbrechungen in der Rohrwand auf.
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In
einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auch das Ablassventil
und/oder die Wasserablaufleitung zumindest teilweise beheizbar.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem
eine Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich,
eine Kathodengaszufuhrleitung, eine Kathodenabgasabfuhrleitung,
eine Anodengaszufuhrleitung, eine Anodenabgasabfuhrleitung und wenigstens
einen oben beschriebenen Flüssigkeitsabscheider.
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Bei
dem Flüssigkeitsabscheider des Brennstoffzellensystems,
der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist, handelt es sich zum Beispiel um einen Flüssigkeitsabscheider
in der Kathodengaszufuhrleitung, einen Flüssigkeitsabscheider
in der Anodengaszufuhrleitung und/oder einen Flüssigkeitsabscheider
in der Anodenabgasabfuhrleitung des Brennstoffzellensystems.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Flüssigkeitsabscheiders
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Teilperspektivansicht, teilweise im Schnitt, eines Flüssigkeitsabscheiders
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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3 ein
schematisches Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems, bei
dem der Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung
in vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann.
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Der
Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung kann
in vorteilhafter Weise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt
werden, wie es in 3 beispielhaft veranschaulicht
ist und bereits oben erläutert worden ist. Die Erfindung
ist aber selbstverständlich nicht nur auf diese Anwendung,
insbesondere nicht nur auf ein derart aufgebautes Brennstoffzellensystem
beschränkt. Außerdem ist die vorliegende Erfindung
sowohl bei mobilen als auch bei stationären Anwendungen
vorteilhaft einsetzbar.
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In
dem in 3 dargestellten Brennstoffzellensystem, dessen
Beschreibung hier nicht nochmals wiederholt werden soll, können
der Flüssigkeitsabscheider 42 in der Kathodengaszufuhrleitung 20,
der Flüssigkeitsabscheider 44 in der Anodengaszufuhrleitung 26 und/oder
der Flüssigkeitsabscheider 46 in der Anodenabgasabfuhrleitung 30 als
ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsabscheider
ausgestaltet sein.
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Das
Grundprinzip und die Funktionsweise eines Flüssigkeitsabscheiders
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf 1 näher
erläutert.
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Der
Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 hat
ein Gehäuse 60, in dem der Sammelbehälter 48 angeordnet
ist, der häufig trichterförmig ausgebildet ist, wie
in 1 angedeutet. Im oberen Bereich des Sammelbehälters 48 sind
ein Gaseinlass 62 und ein Gasauslass 64 vorgesehen.
Durch den Gaseinlass 62 strömt ein Gas zusammen
mit darin enthaltenem flüssigem Wasser in den Sammelbehälter,
das flüssige Wasser wird im Bodenbereich des Sammelbehälters 48 gesammelt,
und das entfeuchtete Gas verlässt den Sammelbehälter 64 durch
den Gasauslass.
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Im
Bodenbereich des Sammelbehälters 48 befindet sich
ein Wasserauslass 66, der mit einer Wasserablaufleitung 52 verbunden
ist. In dieser Wasserablaufleitung 52 ist ein Ablassventil 54 angeordnet,
um den Strömungsweg durch die Wasserablaufleitung 52 zu öffnen
und zu sperren. Ein Sensor (nicht dargestellt in 1)
erfasst den Pegel des flüssigen Wassers in dem Sammelbehälter.
Bei einem vorbestimmten Pegelwert wird dann das Ablassventil 54 geöffnet,
um das flüssige Wasser aus dem Sammelbehälter 48 zum
Beispiel an die Umgebung, an einen weiteren Wasserabscheider, an
eine Medienleitung des Brennstoffzellensystems oder an die Kathodengaszufuhrleitung
in die Brennstoffzelle sein.
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Wie
in 1 veranschaulicht, kann es bei sehr niedrigen
Außentemperaturen dazu kommen, dass das flüssige
Wasser im Sammelbehälter 48 gefriert und sich
im unteren Bereich des Sammelbehälters 48 ein
Eisblock 68 bildet, der dann den Wasserauslass 66 blockiert.
Ebenso können bei niedrigen Außentemperaturen
das Ablassventil 54 und die Wasserablaufleitung 52 stromauf
des Ablassventils 54 durch gefrorenes Wasser blockiert
werden. Die Gefahr dieser Eisbildung besteht natürlich
insbesondere bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem, da dann
die Strömungswege durch den Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 nicht
mehr durchströmt werden, insbesondere nicht mehr mit einem
Medium durchströmt werden, dessen Temperatur ausreichend hoch
ist, um ein Gefrieren des Wassers zu verhindern.
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Bei
einem Start des Brennstoffzellensystems aus dem in 1 gezeigten
Zustand heraus, d. h. bei einem so genannten Gefrierstart, bei dem
im Sammelbehälter 48 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 üblicherweise
ein Eisblock 68 vorhanden ist, der den Wasserauslass 66 blockiert,
muss nun möglichst rasch die Funktionsfähigkeit
des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 gewährleistet
werden. Mit anderen Worten muss möglichst schnell erreicht
werden, dass flüssiges Wasser aus dem Sammelbehälter 48 in
die Wasserablaufleitung 52 abfließen kann.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen Systemen wird zu diesem Zweck
nicht der komplette Eisblock 68 geschmolzen, wozu ein relativ
hoher Energieaufwand benötigt wird. Statt dessen ist in
dem Sammelbehälter 48, insbesondere in seinem
unteren Bereich, wo sich üblicherweise der Eisblock 68 bildet, wenigstens
ein Strukturelement 70 angeordnet bzw. ausgebildet, welches
beheizbar ist und welches durch seine erwärmte Struktur
in dem Eisblock wenigstens einen Kanal bildet, durch den flüssiges
Wasser aus dem Sammelbehälter 48 über
den Wasserauslass 66 in die Wasserablaufleitung 52 fließen kann.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann es vorteilhaft
sein, mehrere, voneinander unabhängige Kanäle
durch das wenigstens eine Strukturelement 70 zu erzeugen.
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D.
h. zum Erzielen der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 muss
nicht der gesamte Eisblock 68 geschmolzen werden, sondern
es genügt ein kleiner Teilbereich davon. Aus diesem Grund
ist auch nur ein geringerer Energieaufwand notwendig, um das Ablaufen
flüssigen Wassers zu ermöglichen.
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Eine
weitere Begrenzung des Wärmeeintragbereichs und damit des
benötigten Energieaufwandes kann erreicht werden, indem
das wenigstens eine Strukturelement 70 aus einem Material
mit einer guten Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminium,
Kupfer) ausgeführt ist, während die übrigen
(Wand-)Bereiche des Sammelbehälters 48 aus einem
Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
(z. B. Kunststoff) bestehen. Dieser Effekt kann durch spezielle
Beschichtungen ein Wärmeübergang an den Eisblock 68 oder
den Sammelbehälter 48 verringert werden.
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Das
Strukturelement 70 im Sammelbehälter 48 sowie
die Wasserablaufleitung 54 einschließlich des
Ablassventils 52 innerhalb des Gehäuses können
auf verschiedene Weisen beheizt werden. Zum Beispiel kann die gewünschte
Erwärmung unter Ver wendung der Wärmeenergie der
Brennstoffzelle, eines Startheizers oder eines Betriebsmediums,
vorzugsweise eines Kühlmediums, des Brennstoffzellensystems
erzielt werden. Da hierbei zum Auftauen des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 ohnehin
vorhandene Wärmequellen des Brennstoffzellensystems genutzt
werden, ist der Energieaufwand für den Wärmeeintrag
in den Sammelbehälter des Flüssigkeitsabscheiders
sehr gering. Alternativ oder zusätzlich können
das wenigstens eine beheizbare Strukturelement 70, das
Ablassventil 54 und die Wasserablaufleitung 52 innerhalb
des Gehäuses 60 auch unter Verwendung eines elektrischen
Heizelements oder einer Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider
selbst erwärmt werden.
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Der
Bereich der Wasserablaufleitung 52 außerhalb des
Gehäuses 60 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 ist
vorzugsweise ebenfalls beheizbar, zum Beispiel durch ein elektrisches
Heizelement 72.
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Das
beheizbare Strukturelement 70 kann beispielsweise durch
Rippenstrukturen an der Innenwand des Sammelbehälters 48 in
seinem Bodenbereich gebildet sein. Werden die Rippenstrukturen beheizt,
so bilden sich sehr schnell Kanäle in den Vertiefungen
zwischen den Rippen der Rippenstrukturen.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform des wenigstens einen
Strukturelements 70 wird nachfolgend Bezug nehmend auf 2 genauer
beschrieben.
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In
dem Ausführungsbeispiel von 2 ist das
beheizbare Strukturelement 70 im Sammelbehälter 48 aus
einem Rohrelement gebildet, das mit dem Wasserauslass 66 und
der Wasserablaufleitung 52 verbunden ist und in das Innere
des Sammelbehälters 48 ragt. Die Höhe
des Rohrelements 70 in den Sammelbehälter 48 ist
dabei so bemessen, dass sie größer als die Höhe
eines zu erwartenden Eisblocks 68 ist. Beispielsweise entspricht
sie dem Wasserpegel, bei welchem der Sensor 50 im Betrieb
des Brennstoffzellensystems das Ablassventil 54 betätigt,
um das flüssige Wasser aus dem Sammelbehälter 48 ablaufen
zu lassen.
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Das
Rohrelement 70 ist in 2 mit einem im
Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Es
sind aber ebenso andere Querschnittsformen für das Rohrelement
denkbar, zum Beispiel elliptisch, quadratisch, rechteckig, polygonal.
Wie weiter in 2 erkennbar, ist das Rohrelement 70 mit
einer Vielzahl von Durchbrechungen 76 in Form von Bohrungen,
Langlöchern, Schlitzen oder dergleichen versehen.
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Unterhalb
des Sammelbehälters 48 ist ein Heizkörper 78 angeordnet.
Dieser Heizkörper 78 steht mit dem Rohrelement 70 im
Sammelbehälter 48 in sehr gutem Wärmekontakt,
er ist zum Beispiel einstückig mit diesem aus einem Material
mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Wie
in 2 dargestellt, sind in dem Heizkörper 78 Kanäle 80 für
ein Heizmedium ausgebildet. Dieses Heizmedium ist in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung das Kühlmedium des
Brennstoffzellensystems, welches sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 10 erwärmt.
Wie oben erläutert, kann der Heizkörper 78 aber
auch auf andere Weise geheizt werden, um das Rohrelement 70 zu
erwärmen.
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Hat
sich in dem Sammelbehälter 48 nach dem Abschalten
des Brennstoffzellensystems ein Eisblock 68 gebildet und
soll das System aus diesem Zustand heraus wieder gestartet werden
(Gefrierstart), so werden der Heizkörper 78 unterhalb
des Sammelbehälters 48 und damit auch das Rohrelement 70 im
Innenraum des Sammelbehälters 48 erwärmt
(zum Beispiel mit Hilfe des Kühlmediums des Brennstoffzellensystems).
Durch die Erwärmung des Rohrelements 70 schmilzt
der Eisblock 68 zunächst in unmittelbarer Nähe
des Rohrelements 70 sowie im Innern des Rohrelements 70.
So bilden sich zunächst mehrere Kanäle in dem
Eisblock 68, durch welche flüssiges Wasser, das
im Sammelbehälter 48 oberhalb des Eisblocks 68 neu
gesammelt wird, zum Wasserauslass 66 des Sammelbehälters 48 und
weiter durch die Wasserablaufleitung 52 abfließen
können. Im Laufe der Zeit wird natürlich auch
hier der gesamte Eisblock 68 geschmolzen.
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Da
der Eisblock 68 sehr gezielt nur in einem kleinen Teilvolumen
direkt innerhalb des Rohrelements 70 und um dieses herum
geschmolzen wird, genügt ein relativ geringer Energieaufwand.
Außerdem kann der kleine Volumenanteil des Eisblockes 68 sehr
schnell geschmolzen werden, sodass die Funktionsfähigkeit
des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 bei
einem Gefrierstart sehr rasch hergestellt werden kann.
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Während
in dem Ausführungsbeispiel von 2 nur ein
Rohrelement 70 in dem Sammelbehälter vorhanden
ist, ist es auch möglich, mehrere Rohrelemente oder ein
verzweigtes Rohrelementsystem vorzusehen oder ein oder mehrere Rohrelemente
mit den oben erwähnten Rippenstrukturen zu kombinieren.
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In
dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die Wasserablaufleitung 52 im
Anschluss an den Wasserauslass 66 des Sammelbehälters 48,
d. h. stromauf des Ablassventils 54, mit einem elektrischen
Heizelement 74 ausgebildet, welches die Wasserablaufleitung 52 bei
einem Gefrierstart und auch beim Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen
erwärmt und so Eis in der Leitung auftaut bzw. eine Eisbildung verhindert.
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In
einer Variante dieses Ausführungsbeispiels kann die Wasserablaufleitung 52 im
Gehäuse 60 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 aber
wie das Strukturelement 70 bzw. dessen Heizkörper 78 ebenfalls
durch das Kühlmedium des Brennstoffzellensystems beheizt
werden.
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Die
Beheizung des Strukturelements 70, der Wasserablaufleitung 52 und
des Ablassventils 54 wird vorzugsweise nur bei niedrigen
Umgebungstemperaturen durchgeführt, bei denen davon ausgegangen
werden muss, dass eine Eisbildung in diesen Komponenten stattgefunden
hat. Zu diesem Zweck sind ein oder mehrere Temperatursensoren (nicht dargestellt)
vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004056952
A1 [0008]
- - DE 102007051811 A1 [0016]
- - DE 10013687 B4 [0017]