DE102016120202A1 - Water separator for a fuel cell system, method for measuring a level in such - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider (41) für ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Füllstandsmessung in einem solchen.Es ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider (41) zur Füllstandsmessung einen Hitzdraht (50) im Innern seines Gehäuses (45) aufweist.The invention relates to a water separator (41) for a fuel cell system and a method for level measurement in such a. It is provided that the water separator (41) for level measurement has a hot wire (50) inside its housing (45).
Description
Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, sowie ein Verfahren zum Messen eines Füllstands in einem solchen.The invention relates to a water separator for a fuel cell system, and a method for measuring a level in such.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via a flow field of the bipolar plate and electrochemically oxidized to protons with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). About the electrolyte or the membrane, which gas-tight and electrically isolated from each other, the reaction chambers, a transport of protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).The cathode is supplied during operation of the fuel cell, oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½ O 2 + 2 e - → O 2-). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).
Um einen Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus den Anodenräumen heraus auf. Zudem ist eine Rezirkulationsleitung in der Anodenversorgung angeordnet, um nicht verbrauchten und aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragenen Wasserstoff erneut in den Stapel einzuspeisen. Die Kathodenversorgung weist einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen heraus auf.In order to supply a fuel cell stack with the operating media, this has an anode supply and a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode chambers of the fuel cell and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas out of the anode chambers. In addition, a recirculation line is arranged in the anode supply in order to feed unused and discharged from the fuel cell stack hydrogen in the stack again. The cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode compartments.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gelangen Produktwasser und Stickstoff auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammeln sich schließlich in der Anodenversorgung an, insbesondere in dem Anodenabgaspfad. Das Produktwasser kann zur Schädigung einer in der Rezirkulationsleitung angeordneten Fördereinrichtung sowie zum Blockieren von Strömungswegen führen. Daher ist in der Regel ein Wasserabscheider stromabwärts des Stapels und stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung in dem Anodenabgaspfad angeordnet. Das in dem Wasserabscheider von dem gasförmigen Anodenabgas getrennte Flüssigwasser wird über eine Abgasanlage abgeführt. Mit steigendem Stickstoffanteil des rezirkulierten Anodenbetriebsmediums sinkt die Menge von für die Brennstoffzellenreaktionen zur Verfügung stehendem Wasserstoff. Das rezirkulierte Anodenbetriebsmedium wird daher in der Regel in regelmäßigen Abständen aus der Anodenversorgung ausgeblasen oder „gepurgt“.During operation of the fuel cell system, product water and nitrogen reach the anode sides of the fuel cells and eventually accumulate in the anode supply, particularly in the anode exhaust path. The product water may cause damage to a conveyor arranged in the recirculation line and block flow paths. Therefore, a water separator is usually disposed downstream of the stack and upstream of the recirculation conveyor in the anode exhaust path. The separated in the water from the gaseous anode exhaust gas liquid water is discharged through an exhaust system. As the nitrogen content of the recirculated anode operating medium increases, the amount of hydrogen available for the fuel cell reactions decreases. The recirculated anode operating medium is therefore usually blown out of the anode supply or "purged" at regular intervals.
Mit anderen Worten wird in einem Brennstoffzellensystem im Anodenkreislauf ein Wasserabscheider benötigt. In diesem Abscheider wird flüssiges Wasser, das aus dem Brennstoffzellenstapelaustritt abgeschieden wurde, in einem Reservoir kurzzeitig zwischengespeichert. Das abgeschiedene Wasser kann über ein Abscheiderventil aus dem Abscheider abgelassen werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass über dem Ventil immer eine Wasservorlage vorhanden ist, um einen Austritt von Wasserstoff zu vermeiden. Aus diesem Grund wird ein Füllstandssensor verwendet, mit dem festgestellt wird, wann ein kritischer Wasserstand erreicht ist und das Ventil geöffnet werden kann. Mittels dieses Füllstandssensors wird dann das Ventil angesteuert.In other words, a water separator is needed in a fuel cell system in the anode circuit. In this separator, liquid water that has been separated from the fuel cell stack outlet is temporarily stored in a reservoir. The separated water can be drained from the separator via a separator valve. It must be ensured that a water seal is always present above the valve to prevent the escape of hydrogen. For this reason, a level sensor is used to determine when a critical level of water is reached and the valve can be opened. By means of this level sensor, the valve is then activated.
In derzeitigen Systemen wird ein kapazitiver Füllstandssensor verwendet, der einen Wasserspiegel auf einer bestimmten Höhe feststellt, sogenannte dis- oder nicht-kontinuierliche Messung. Dieser Sensor hat den Nachteil, dass er häufig Fehlauslösungen hat, die ihre Ursache in Kondensat haben, welches sich in Form von Tropfen an der Innenwand des Abscheiders aus oder in der Gasströmung niederschlägt. Alternativ wird ein Schwimmerschalter eingesetzt. Diese Füllstandssensoren sind jedoch sehr frostanfällig, da der Schwimmerschalter festfrieren kann. Auch Schwimmerschalter sind nicht für kontinuierliche Füllstandsmessungen geeignet.In current systems, a capacitive level sensor is used which detects a water level at a certain level, so-called dis- or non-continuous measurement. This sensor has the disadvantage that it often has false alarms, which have their cause in condensate, which is in the form of drops on the inner wall of the Precipitator from or in the gas flow precipitates. Alternatively, a float switch is used. However, these level sensors are very frost-resistant, since the float switch can freeze. Float switches are also not suitable for continuous level measurements.
Die bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzten Füllstandssensoren im Kühlmitteltank sind für Brennstoffzellensysteme ungeeignet, da diese die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit ausnutzen. Diese sind in Brennstoffzellensystemen jedoch ungeeignet, da im Wasserabscheider und auch im Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems jedoch destilliert Wasser gesammelt wird, welches nicht elektrisch leitend ist.The level sensors used in conventional internal combustion engines in the coolant tank are unsuitable for fuel cell systems, since they exploit the electrical conductivity of the liquid. However, these are unsuitable in fuel cell systems, since distilled water is collected in the water and in the coolant circuit of a fuel cell system, which is not electrically conductive.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Füllstandssensor bereitzustellen, der in einem Wasserabscheider zuverlässig den Füllstand misst. Insbesondere soll ein Wasserabscheider mit Füllstandssensor bereitgestellt werden, der eine kontinuierliche Füllstandsmessung ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a level sensor that reliably measures the level in a water separator. In particular, a water separator is to be provided with level sensor, which allows a continuous level measurement.
Diese Aufgabe wird durch einen Wasserabscheider mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem umfassend ein Gehäuse mit einer Wand, einem Bodenbereich und einem Deckelbereich, sowie einer Zuleitung für Anodenbetriebsgas, einer Ableitung für Anodenbetriebsgas und einem im Bodenbereich des Gehäuses angeordneten Ablauf für Abwasser. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem Inneren des Gehäuses ein Hitzdraht zur Füllstandsmessung angeordnet ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Wasserabscheiders liegt insbesondere darin, dass Fehlauslösungen durch Kondensat deutlich reduziert werden und zudem eine kontinuierliche Messung ermöglicht ist. Ferner kann der erfindungsgemäße Wasserabscheider nicht durch Vereisung deaktiviert werden, da er im Falle einer Vereisung in einem deaktivierten Modus durch Inbetriebnahme des Hitzdrahtes enteist werden würde. Der erfindungsgemäß im Wasserabscheider angeordnete Hitzdraht zur Füllstandsmessung wird analog zu einem Hitzdraht zur Geschwindigkeitsmessung (Hitzdrahtanometrie) verwendet. Mit anderen Worten der Hitzdraht wird in den Wasserabscheider integriert. Dabei steht der Hitzdraht vorzugsweise in direktem Kontakt zum Medium innerhalb des Wasserabscheiders. Bei dem Medium handelt es sich je nach Füllstand um Gas, insbesondere Wasserstoffgas, und oder Wasser. Im Betrieb wird der Hitzdraht bestromt, also über eine externe elektrische Verbindung mit Strom beaufschlagt. Je nach Messmethode wird dabei beispielsweise eine kontinuierliche Temperatur eingestellt, deren Höhe in Abhängigkeit vom Widerstand des Hitzdrahtes und des zugeführten Stromes steht. Hierzu muss dem Draht eine bestimmte Leistung zugeführt werden, da Wärme an das Medium im Abscheider abgegeben wird. Der abgegebene Wärmestrom ist stark davon abhängig, welches Medium in Kontakt mit dem Hitzdraht steht. Der Wärmeverlust von dem Hitzdraht an das Medium ist bei flüssigem Wasser deutlich höher als bei Gas. Somit kann über die zum Halten der Temperatur benötigte Leistung bestimmt werden welches Medium in Kontakt mit dem Hitzdraht steht, beziehungsweise wie das Verhältnis zwischen Gas und Wasser an der Oberfläche des Hitzdrahtes ist.This object is achieved by a water separator having the features of the first independent claim. Thus, a first aspect of the invention relates to a water separator for a fuel cell system comprising a housing having a wall, a bottom portion and a lid portion, and an anode operating gas supply line, an anode operating gas discharge line, and a sewage drain located in the bottom portion of the housing. According to the invention, a hot wire for level measurement is arranged in an interior of the housing. The advantage of the inventive design of a water separator is in particular that false triggering by condensate are significantly reduced and also a continuous measurement is possible. Furthermore, the water separator according to the invention can not be deactivated by icing, as it would be deiced in the case of icing in a deactivated mode by commissioning the hot wire. The hot wire for level measurement arranged according to the invention in the water separator is used analogously to a hot wire for speed measurement (hot wire geometry). In other words, the hot wire is integrated into the water separator. The hot wire is preferably in direct contact with the medium within the water separator. The medium is depending on the level of gas, in particular hydrogen gas, and or water. In operation, the hot wire is energized, so acted upon by an external electrical connection with power. Depending on the method of measurement, a continuous temperature is set, for example, whose height is dependent on the resistance of the hot wire and the supplied current. For this purpose, a certain power must be supplied to the wire, since heat is released to the medium in the separator. The emitted heat flow is highly dependent on which medium is in contact with the hot wire. The heat loss from the hot wire to the medium is significantly higher with liquid water than with gas. Thus, the power needed to hold the temperature can be used to determine which medium is in contact with the hot wire or what the ratio of gas to water is on the surface of the hot wire.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Hitzdraht entlang einer Innenseite der Wand des Gehäuses. Dies hat den Vorteil, dass der Hitzdraht in direktem Kontakt mit dem Medium steht. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Ergebnis, welches nicht durch den Widerstand beziehungsweise die Wärmeleitung eines anderen Materials, welches zwischen Hitzdraht und Medium angeordnet ist, beeinflusst wird.In a preferred embodiment, the hot wire extends along an inner side of the wall of the housing. This has the advantage that the hot wire is in direct contact with the medium. This allows a reliable result, which is not influenced by the resistance or the heat conduction of another material, which is arranged between hot wire and medium.
Mit besonderem Vorteil ist der Hitzdraht derart im Gehäuse angeordnet, dass eine kontinuierliche Füllstandsmessung erfolgt. Der besondere Vorteil besteht darin, dass die im Abscheider abgeschiedene Menge Wasser bilanziert werden kann. Derartige Daten können dann im Rahmen von Modellen zur Beschreibung des Brennstoffzellenstapels verwendet werden.With particular advantage, the hot wire is arranged in the housing such that a continuous level measurement takes place. The particular advantage is that the deposited in the separator amount of water can be accounted for. Such data can then be used in models for describing the fuel cell stack.
Eine kontinuierliche Füllstandsmessung ist insbesondere dann ermöglicht, wenn sich der Hitzdraht zwischen Bodenbereich und Deckelbereich erstreckt. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Messung, da der Hitzdraht über einen breiten Füllstandsbereich mit dem abgeschiedenen Wasser in Kontakt steht. Dabei ändert sich das Verhältnis zwischen einem Anteil der Oberfläche des Hitzdrahtes, der mit Wasser beziehungsweise mit Gas in Kontakt steht. Mit zunehmendem Füllstand wird demnach eine größere Oberfläche des Hitzdrahtes mit Wasser gekühlt und infolgedessen eine höhere Leistungszufuhr zum Hitzdraht erforderlich, um eine konstante Temperatur des Hitzdrahtes zu gewährleisten. Vorzugsweise steht hierzu ein Teil des Hitzdrahtes mit dem Bodenbereich in Kontakt, da somit bereits ein minimaler Füllstand detektiert wird.A continuous level measurement is made possible in particular when the hot wire extends between the bottom area and the lid area. This allows continuous measurement because the hot wire is in contact with the separated water over a wide fill level range. In this case, the ratio between a proportion of the surface of the hot wire, which is in contact with water or with gas changes. Accordingly, as the level increases, a larger surface area of the hot wire is cooled with water and as a result, a higher power supply to the hot wire is required to ensure a constant hot wire temperature. For this purpose, a part of the hot wire is preferably in contact with the bottom area, since thus a minimum fill level is already detected.
In weiter bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hitzdraht derart im Gehäuse angeordnet ist, dass ein Erreichen eines vordefinierten Füllstands mittels des Hitzdrahtes detektiert wird. Mit anderen Worten findet eine diskontinuierliche Füllstandsmessung statt, die im Gegensatz zur kontinuierlichen Füllstandsmessung angibt, wenn ein bestimmter Füllstand erreicht ist, jedoch keine Aussagen über Zwischenfüllstände zulässt. Der Vorteil dieser Ausführung besteht insbesondere in einem vereinfachten Messaufbau. Die Ansteuerung des Hitzdrahtes, sowie die Auswertung der gelieferten Messergebnisse sind im Vergleich zur kontinuierlichen Messung deutlich weniger anspruchsvoll.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the hot wire is arranged in the housing such that reaching of a predefined filling level is detected by means of the hot wire. In other words, a discontinuous level measurement takes place, which indicates in contrast to the continuous level measurement when a certain level is reached, but does not allow statements about intermediate levels. The advantage of this design is, in particular, a simplified measurement setup. The control of the hot wire, as well as the evaluation of the delivered measurement results are much less demanding compared to the continuous measurement.
Mit Vorteil erfolgt die diskontinuierliche Füllstandsmessung in dem der Hitzdraht in einem definierten Abstand parallel zum Bodenbereich angeordnet ist, der dem definierten Füllstand entspricht, wobei sich der Hitzdraht im Wesentlichen quer zur Höhe des Gehäuses erstreckt. Eine derartige Anordnung hat vorteilhafter Weise zur Folge, dass mit Erreichen des definierten Füllstandes 54 schlagartig die gesamte Oberfläche des Hitzdrahtes mit Wasser in Kontakt steht und somit der gesamte Hitzdraht durch das Medium Wasser gekühlt wird. Dies hat wiederum eine plötzliche und somit stufenweise Änderung, insbesondere Erhöhung, der Leistung zur Folge, die dem Hitzdraht zugeführt werden muss, um eine konstante Temperatur beizubehalten. Somit ist die Messung des Füllstands in dieser Ausgestaltung der Erfindung besonders zuverlässig und weniger fehleranfällig.Advantageously, the discontinuous level measurement takes place in which the hot wire is arranged at a defined distance parallel to the bottom region, which corresponds to the defined fill level, wherein the hot wire extends substantially transversely to the height of the housing. Such an arrangement has the advantageous consequence that upon reaching the defined
In weiter bevorzugter Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hitzdraht in einem Einsatzelement integriert ist und das Einsatzelement variabel oder fixiert im Gehäuse angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Hitzdraht nicht fest im Gehäuse verbaut und insbesondere nachrüstbar ist. Zudem ist der Hitzdraht in dieser Ausgestaltung leichter zu warten und der definierte Füllstand kann beispielsweise über eine Montagehöhe des Einsatzelementes 53 im Gehäuse variiert werden. Bei dem Einsatzelement handelt es sich vorzugsweise um ein möglichst dünnes stabförmiges Element, welches beispielsweise aus einer Keramik gefertigt ist. Der Hitzdraht ist dabei mit Vorteil außen, insbesondere umlaufend um das Element angeordnet. Die Versorgungsleitungen des Hitzdrahtes sind vorzugsweise im Innern des Elements geführt und treten in einem Bereich aus dem Element aus, der sich im montierten Zustand außerhalb des Gehäuses des Wasserabscheiders befindet.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the hot wire is integrated in an insert element and the insert element is arranged variably or fixed in the housing. This has the advantage that the hot wire is not permanently installed in the housing and in particular can be retrofitted. In addition, the hot wire in this embodiment is easier to maintain and the defined level can be varied for example via a mounting height of the
Mit besonderem Vorteil ist der Hitzdraht über mehrere Kehren beziehungsweise Schleifen oder aber spiralförmig entlang eines Kreisumfangs geführt. Dies führt bei möglichst wenig Platzbedarf zu einer deutlich vergrößerten Oberfläche des Hitzdrahtes und somit zu zuverlässigeren Messergebnissen und weniger Anfälligkeit gegenüber Tropfenbildung. Als Kreisumfang kann beispielsweise die äußere Wandung eines zylinderförmigen Einsatzelements oder aber die Innenwandung einer umlaufenden Wand des Gehäuses verstanden werden.With particular advantage, the hot wire is guided over several turns or loops or spirally along a circumference. This leads to a significantly increased surface area of the hot wire with as little space as possible and thus to more reliable measurement results and less susceptibility to droplet formation. As a circle circumference, for example, the outer wall of a cylindrical insert element or the inner wall of a circumferential wall of the housing can be understood.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands von Wasser in einem erfindungsgemäßen Wasserabscheider eines Brennstoffzellensystems. Dabei ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit eines elektrisch bestimmbaren Kühleffektes von Wasser auf den Hitzdraht ein Füllstand des Wassers bestimmt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Wasserabscheider nicht festfriert und insbesondere nicht von elektrisch leitenden Eigenschaften des ihn umgebenden Mediums abhängig ist.Another aspect of the invention relates to a method for determining a level of water in a water separator according to the invention of a fuel cell system. It is provided that depending on an electrically determinable cooling effect of water on the hot wire, a level of the water is determined. This has the advantage that the water does not freeze and in particular is not dependent on electrically conductive properties of the surrounding medium.
Mit besonderem Vorteil ist vorgesehen, dass der Hitzdraht kontinuierlich und gleichbleibend bestimmt wird und eine Abnahme einer gemessenen Spannung des Hitzdrahtes proportional zu einem Füllstand des Wassers im Wasserabscheider ist. Alternativ erfolgt statt einer kontinuierlich und gleichbleibenden Bestromung des Hitzdrahtes eine Bestromung in Intervallen. Mit dieser Messmethode ist sowohl eine kontinuierliche als auch eine diskontinuierliche Füllstandsmessung möglich, wobei bei einer kontinuierlichen Füllstandsmessung ein kontinuierliches Messsignal ausgegeben und ausgewertet wird und bei einer diskontinuierlichen Messung ein Signal erst ausgegeben wird, wenn eine kritische Spannung erreicht wird.With particular advantage, it is provided that the hot wire is determined continuously and consistently and a decrease in a measured voltage of the hot wire is proportional to a level of the water in the water. Alternatively, instead of a continuous and constant energization of the hot wire, current is applied at intervals. With this measuring method both a continuous and a discontinuous level measurement is possible, in a continuous level measurement, a continuous measurement signal is output and evaluated and in a discontinuous measurement, a signal is issued only when a critical voltage is reached.
Für die erwähnte kontinuierliche elektrothermische Füllstandsmessung wird eine Messanordnung zugrunde gelegt, bei der ein Hitzdraht senkrecht oder unter einem gewissen Winkel innerhalb des Wasserabscheiders angeordnet ist. Die Länge des Hitzdrahtes ist dabei so gewählt, dass sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Füllstand der Messbereich des Drahtes nicht über- oder unterschritten wird. Der Widerstand des Hitzdrahtes ist proportional zur Temperatur des Drahts, besitzt demnach PTC-Charakteristik. Der Hitzdraht wird zur Füllstandsmessung mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsmessung verwendet. Bei einem hohen Füllstand wird die dem Draht zugeführte elektrische Heizleistung zum großen Teil an das umgebende Wasser abgegeben. Der Draht heizt sich demnach nur unwesentlich auf, sodass auch nur eine geringe Widerstandserhöhung messbar ist. Bei niedrigem Füllstand hingegen befindet sich der Draht größtenteils im Gas, welches ein schlechterer Wärmeleiter ist. Somit wird nur wenig elektrische Heizleistung abgegeben und der Heizdraht im geringeren Maße gekühlt. Somit heizt sich der Draht vergleichsweise stark auf. Die größere Erwärmung hat wiederum eine größere Spannungsdifferenz zur Folge. Die Spannungsdifferenz ist demnach umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe. In einer alternativen Messmethode wird zu der Messspannung ein Messstrom vorgelegt und nach einer durch einen Heizstrom bewirkten Erwärmung des Heizdrahtes zur Berechnung eines elektrischen Widerstands des Heizdrahtes gemessen. In dieser Ausgestaltung wird zwischen einem Heizstrom und einem Sensor beziehungsweise Messstrom unterschieden. Insbesondere ist der Heizstrom ein ungeregelter, vergleichsweise hoher Strom, während der Messstrom ein geregelter und sehr geringer Strom ist, der nur eine Widerstandsmessung außerhalb eines Aufheizens des Hitzdraht es dient.For the mentioned continuous electrothermal level measurement is based on a measuring arrangement, in which a hot wire is arranged perpendicular or at a certain angle within the water separator. The length of the hot wire is chosen so that both at maximum and at minimum level of the measuring range of the wire is not exceeded or fallen below. The resistance of the hot wire is proportional to the temperature of the wire, thus has PTC characteristic. The hot wire is heated for level measurement with a time-limited current pulse with a constant current. The falling at the beginning of the current pulse and at the end of the current pulse on the hot wire voltages are measured and used for level measurement. At a high level, the electric heating power supplied to the wire is largely released to the surrounding water. The wire heats up accordingly only insignificantly, so that only a small increase in resistance is measurable. At low level, however, the wire is mostly in the gas, which is a poorer heat conductor. Thus, only a little electric heating power is delivered and the heating wire cooled to a lesser extent. Thus, the wire heats up comparatively strong. The greater warming in turn results in a larger voltage difference. The voltage difference is therefore inversely proportional to the level height. In an alternative measuring method, a measuring current is presented to the measuring voltage and measured after heating of the heating wire caused by a heating current for calculating an electrical resistance of the heating wire. In this embodiment, a distinction is made between a heating current and a sensor or measuring current. In particular, the Heating current an unregulated, comparatively high current, while the measuring current is a regulated and very low current, which serves only a resistance measurement outside a heating of the hot-wire it.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders nach dem Stand der Technik mit zwei unterschiedlichen Methoden zur Füllstandsmessung, -
3 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, -
4 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, -
5 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer dritten Ausgestaltung der Erfindung, -
6 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, -
7 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer fünften Ausgestaltung der Erfindung, -
8 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung, -
9 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer zehnten Ausgestaltung der Erfindung, -
10 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer elften Ausgestaltung der Erfindung, -
11 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer zwölften Ausgestaltung der Erfindung, und -
12 eine schematische Schnittzeichnung eines Wasserabscheiders in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
-
1 a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art; -
2 a schematic sectional view of a water separator according to the prior art with two different methods for level measurement, -
3 a schematic sectional view of a water separator in a first embodiment of the invention, -
4 a schematic sectional view of a water separator in a second embodiment of the invention, -
5 a schematic sectional view of a water separator in a third embodiment of the invention, -
6 a schematic sectional view of a water separator in a fourth embodiment of the invention, -
7 a schematic sectional view of a water separator in a fifth embodiment of the invention, -
8th a schematic sectional view of a water separator in a sixth embodiment of the invention, -
9 a schematic sectional view of a water separator in a tenth embodiment of the invention, -
10 a schematic sectional view of a water separator in an eleventh embodiment of the invention, -
11 a schematic sectional view of a water separator in a twelfth embodiment of the invention, and -
12 a schematic sectional view of a water separator in a further embodiment of the invention,
Das Brennstoffzellensystem
Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels
Ferner ist in dem Anodenabgaspfad
In der Anodenabgasleitung
Die Kathodenversorgung
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter
Das in
Die Kathodenversorgung
Die folgenden Figuren zeigen jeweils einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wasserabscheiders
In
Eine weitere Ausgestaltung zur kontinuierlichen Messung ist in
Eine weitere Ausgestaltung einer nicht kontinuierlichen Füllstandsmessung ist in
Die
Die Funktionsweise der Füllstandsmessung in den gezeigten Ausgestaltungen folgt jeweils dem gleichen Prinzip. Der Hitzdraht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Brennstoffzellensystem The fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1111
- Einzelzelle single cell
- 2020
- Anodenversorgunganode supply
- 2121
- AnodenversorgungsleitungAnode supply line
- 2222
- AnodenabgasleitungAnode exhaust gas line
- 2323
- Brennstofftankfuel tank
- 2424
- erstes Stellmittelfirst actuating means
- 2525
- Rezirkulationsleitungrecirculation
- 2626
- Rezirkulationsfördereinrichtung recirculation conveyor
- 3030
- Kathodenversorgungcathode supply
- 3131
- KathodenversorgungsleitungCathode supply line
- 3232
- KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
- 3333
- Verdichtercompressor
- 3434
- Elektromotorelectric motor
- 3535
- Leistungselektronikpower electronics
- 3636
- Turbineturbine
- 3737
- erstes Absperrmittelfirst shut-off device
- 3838
- zweites Absperrmittelsecond shut-off device
- 3939
- Befeuchtermodul humidifier
- 4040
- Ablaufprocedure
- 4141
- Wasserabscheiderwater
- 4242
- AbscheideventilAbscheideventil
- 4343
- Bodenbereichfloor area
- 4444
- Deckelbereichcover region
- 4545
- Gehäusecasing
- 4646
- Wandwall
- 4848
- Zuleitung vom AnodenabgaspfadSupply line from the anode exhaust gas path
- 4949
- Zuleitung zum Anodenabgaspfad Supply line to the anode exhaust gas path
- 5050
- Hitzdrahthot wire
- 5151
- kapazitiver FüllstandssensorCapacitive level sensor
- 5252
- Schwimmerschalterfloat switch
- 5353
- Einsatzelementinsert element
- 5454
- definierter Füllstanddefined level
- 5555
- Kehren / Schleifen Sweeping / grinding
- 6060
- zweite Ableitungsecond derivative
- 6161
- Purgeventilpurge valve
Claims (10)
Priority Applications (1)
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DE102016120202.9A DE102016120202A1 (en) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | Water separator for a fuel cell system, method for measuring a level in such |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016120202.9A DE102016120202A1 (en) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | Water separator for a fuel cell system, method for measuring a level in such |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016120202A1 true DE102016120202A1 (en) | 2018-04-26 |
Family
ID=61865785
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102016120202.9A Withdrawn DE102016120202A1 (en) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | Water separator for a fuel cell system, method for measuring a level in such |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102016120202A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019126307A1 (en) * | 2019-09-30 | 2021-04-01 | Audi Ag | Containers and methods and for temperature-based level measurement, fuel cell systems and motor vehicles |
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2016
- 2016-10-24 DE DE102016120202.9A patent/DE102016120202A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019126307A1 (en) * | 2019-09-30 | 2021-04-01 | Audi Ag | Containers and methods and for temperature-based level measurement, fuel cell systems and motor vehicles |
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Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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