DE102017215495A1 - Water separator for a fuel cell system, fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

Water separator for a fuel cell system, fuel cell system and method for operating a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider (41) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Gehäuse (43), das eine Zuleitung (48) von einem Anodenabgaspfad (22) und eine Ableitung (49) zu dem Anodenabgaspfad (22) aufweist. Der Wasserabscheider (41) weist ferner ein zum Abführen von Wasser aus dem Gehäuse (43) ausgebildetes Steigrohr (44) auf, das ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes U-förmiges Endstück (45) aufweist. Mittels einer ersten Öffnung (46) und einer stromabwärts und unterhalb der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung (47), die beide in dem U-förmigen Endstück (45) angeordnet sind, kann der Wasserabscheider(41) zuverlässig entleert werden. Der Wasserabscheider (41), der ferner ein Ablassventil (42) in dem Steigrohr (44) aufweist, kann somit auch unter Frostbedingungen zuverlässig betrieben werden.The invention relates to a water separator (41) for a fuel cell system (100) having a housing (43) which has a feed line (48) from an anode exhaust gas path (22) and a discharge line (49) to the anode exhaust gas path (22). The water separator (41) further has a riser pipe (44) formed for discharging water from the housing (43), which has a U-shaped end piece (45) arranged inside the housing. By means of a first opening (46) and a second opening (47) arranged downstream and below the first opening, both of which are arranged in the U-shaped end piece (45), the water separator (41) can be emptied reliably. The water separator (41), which further comprises a drain valve (42) in the riser pipe (44), can thus be reliably operated even under frost conditions.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserabscheider gemäß der Erfindung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.The invention relates to a water separator for a fuel cell system, a fuel cell system with a water separator according to the invention and a method for operating a fuel cell system according to the invention.

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, 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, is supplied to the anode via a flux 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 gelangt Wasser auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammelt 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.During operation of the fuel cell system, water reaches the anode sides of the fuel cells and eventually accumulates 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.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik mit einem Wasserabscheider 28 und einem Abscheiderventil zum Ablassen des flüssigen Wassers aus der Anodenversorgung. Gemäß Stand der Technik bildet der Wasserabscheider 28 häufig den tiefsten Punkt des Anodenkreislaufs, um sicherzustellen, dass flüssiges Wasser aus dem Anodenabgaspfad in den Wasserabscheider läuft. Damit das Flüssigwasser nicht gegen die Schwerkraft gefördert werden muss, ist ein Wasserauslass zudem am tiefsten Punkt des Abscheiders angeordnet, von wo das Wasser mittels eines Ventils abgelassen wird. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art with a water separator 28 and a separator valve for draining the liquid water from the anode supply. According to the prior art, the water separator forms 28 often the lowest point of the anode loop to ensure that liquid water from the anode exhaust path runs into the water trap. To prevent the liquid water from having to be conveyed against gravity, a water outlet is also located at the lowest point of the separator, from where the water is discharged by means of a valve.

Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems sollte der Wasserabscheider möglichst vollständig geleert sein, um einen erneuten Start auch im Frostfall gewährleisten zu können. Insbesondere sollte das Vereisen von Ventilen vermieden werden. Dies kann mit bekannten Wasserabscheidern nicht immer gewährleistet werden.After switching off the fuel cell system, the water separator should be emptied as completely as possible in order to ensure a restart even in the event of frost. In particular, the freezing of valves should be avoided. This can not always be guaranteed with known water separators.

Aufgrund des geringen verfügbaren Bauraums für Brennstoffzellensysteme, beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, sowie der Anforderung den Abscheider am tiefsten Punkt des Anodenkreislaufs zu positionieren, kann der Abscheider unterhalb einer Zuführung für das abgeschiedene Wasser in eine Abgasanlage angeordnet sein. In diesem Fall ist es erforderlich, das Flüssigwasser aktiv zu fördern.Due to the small available space for fuel cell systems, such as in electric or hybrid vehicles, as well as the requirement to position the separator at the lowest point of the anode circuit, the separator below a feed for the deposited Water can be arranged in an exhaust system. In this case, it is necessary to actively promote the liquid water.

Die DE 10 2011 116 856 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem im Anodenkreislauf angeordneten Verdichter. Ein Reservoir des Wasserabscheiders ist dabei mittels eines Steigrohrs mit der Saugseite eines Ejektors in der Anodenversorgung des Brennstoffzellenstapels verbunden. Im Betrieb des Ejektors wird daher Wasser aus dem Reservoir angesaugt, um das Anodenbetriebsmittel zu befeuchten.The DE 10 2011 116 856 A1 discloses a fuel cell system having a compressor disposed in the anode circuit. A reservoir of the water separator is connected by means of a riser to the suction side of an ejector in the anode supply of the fuel cell stack. Thus, during operation of the ejector, water is drawn from the reservoir to humidify the anode resource.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, in dem das sichere Ablassen von abgeschiedenem Flüssigwasser mit einfachen Mitteln sichergestellt wird, um das Einfrieren von Komponenten des Systems auch im Frostfall zu vermeiden.The invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a fuel cell system in which the safe discharge of separated liquid water is ensured by simple means to prevent the freezing of components of the system even in the event of frost.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a water separator for a fuel cell system, a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system according to the respective independent patent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Gehäuse mit einer Zuleitung von einer Anodenabgasleitung und mit einer Ableitung zu einer Anodenabgasleitung und ein zum Abführen von Wasser aus dem Gehäuse ausgebildetes Steigrohr. Erfindungsgemäß weist das Steigrohr ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes U-förmiges Endstück mit einer ersten Öffnung und einer stromabwärts und unterhalb der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung auf. Stromabwärts bezieht sich in diesem Zusammenhang auf ein durch das Steigrohr aus dem Wasserabscheider herausströmendes Fluid. Unterhalb bedeutet dabei, dass die zweite Öffnung in lotrechter Richtung einen Abstand zu der ersten Öffnung aufweist. Lediglich klarstellend sei darauf hingewiesen, dass lotrecht dabei die Richtung der lokalen Schwerebeschleunigung bezeichnet. Erfindungsgemäß ist zudem ein Abscheiderventil im Steigrohr angeordnet.A first aspect of the invention relates to a water separator for a fuel cell system, comprising a housing having a lead from an anode exhaust gas line and a lead to an anode exhaust gas line and a riser pipe formed for discharging water from the housing. According to the invention, the riser pipe has a U-shaped end piece arranged inside the housing, with a first opening and a second opening arranged downstream and below the first opening. Downstream in this context refers to a flowing out through the riser from the water separator fluid. Below this means that the second opening in the vertical direction has a distance from the first opening. Merely clarifying it should be noted that perpendicular to the direction of the local gravitational acceleration designates. According to the invention, a separator valve is also arranged in the riser.

Der Wasserabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht vorteilhaft das Abführen des abgeschiedenen Wassers aus dem Abscheider in einen Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems oder in eine Abgasanlage eines Brennstoffzellenfahrzeugs gegen die Schwerkraft aufgrund eines Druckunterschieds über das Abscheiderventil. Das U-förmige Endstück mit der erfindungsgemäßen Anordnung der ersten und zweiten Öffnung verbessert dabei das Froststartverhalten des Wasserabscheiders, wie mit Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläutert wird. Der Wasserabscheider ist bevorzugt so ausgelegt, dass die erste und zweite Öffnung im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels unter Wasser liegen. Wird der Brennstoffzellenstapel abgestellt, wird der Wasserabscheider entleert. Dabei wird Wasser mittels des Steigrohrs abgelassen, bis der Pegel auf die Höhe der ersten Öffnung sinkt. Ab diesem Punkt wird Gas durch die erste Öffnung angesaugt, wodurch jedoch im U-förmigen Endstück ein Unterdruck erzeugt und Wasser über die zweite Öffnung angesaugt wird. Folglich fällt der Pegel unter die Höhe der ersten Öffnung.The water separator according to the present invention advantageously enables the discharge of the separated water from the separator into a cathode exhaust path of the fuel cell system or into an exhaust system of a fuel cell vehicle against gravity due to a pressure difference across the separator valve. The U-shaped end piece with the inventive arrangement of the first and second opening thereby improves the frost start behavior of the water separator, as will be explained in detail with respect to the inventive method. The water separator is preferably designed so that the first and second openings are under water during normal operation of the fuel cell stack. If the fuel cell stack is turned off, the water separator is emptied. In this case, water is discharged by means of the riser until the level drops to the height of the first opening. From this point, gas is sucked through the first opening, whereby, however, creates a negative pressure in the U-shaped end piece and water is sucked through the second opening. As a result, the level drops below the height of the first opening.

Das Steigrohr kann, abgesehen vom U-förmigen Endstück, innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Das Steigrohr stellt einen Strömungspfad aus dem Abscheider zur Verfügung, durch die ein Fluid zumindest anfänglich gegen die Schwerkraft gefördert werden muss. Bevorzugt ist das U-förmige Endstück monolithisch mit dem restlichen Steigrohr ausgebildet oder alternativ fluiddicht mit dem restlichen Steigrohr verbunden. Das U-förmige Endstück weist ein mit dem Steigrohr verbundenes beziehungsweise in dieses übergehendes Ende sowie ein freies Ende auf. Besonders bevorzugt ist die erste Öffnung an oder zumindest nahe dem freien Ende angeordnet. Zwischen dem freien Ende und dem an das Steigrohr anschließenden Ende ist das U-förmige Endstück zumindest annähernd U-förmig mit einem nach oben geöffneten, bevorzugt U-, bogen- oder V-förmigen, Verlauf ausgebildet. Im Rahmen dieser Erfindung bezeichnet U-förmig somit auch ein V-förmig, Parabel-förmig, und/oder Trog-förmig ausgebildetes Endstück. Das U-förmige Endstück kann mit stetiger Krümmung ausgebildet sein oder Knicke aufweisen.The riser may, apart from the U-shaped end piece, be arranged inside and / or outside of the housing. The riser provides a flow path from the separator through which a fluid must at least initially be conveyed against gravity. Preferably, the U-shaped end piece is monolithically formed with the remaining riser or alternatively fluid-tightly connected to the remaining riser. The U-shaped end piece has a connected to the riser or in this transition end and a free end. Particularly preferably, the first opening is arranged on or at least near the free end. Between the free end and the adjoining the riser end of the U-shaped end piece is at least approximately U-shaped with an upwardly open, preferably U, curved or V-shaped course formed. In the context of this invention, U-shaped thus also denotes a V-shaped, parabolic-shaped, and / or trough-shaped tail. The U-shaped end piece may be formed with continuous curvature or have kinks.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist die zweite Öffnung des U-förmigen Endstücks an einem tiefsten Punkt des U-förmigen Endstücks angeordnet. Auch hierbei bezieht sich tiefster Punkt auf die Richtung der lokalen Schwerebeschleunigung. Ebenfalls bevorzugt ist die zweite Öffnung zumindest nahe des tiefsten Punkts des U-förmigen Endstücks angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass beim Entleeren des Wasserabscheiders der Wasserspiegel mit hoher Sicherheit unter die erste Öffnung fällt, welche somit nicht einfrieren kann und auch bei einem Froststart sofort zur Verfügung steht.In a particularly preferred embodiment of the water separator according to the invention, the second opening of the U-shaped end piece is arranged at a lowest point of the U-shaped end piece. Here, too, the lowest point refers to the direction of the local gravitational acceleration. Also preferably, the second opening is arranged at least near the lowest point of the U-shaped end piece. This arrangement has the advantage that when emptying the water separator, the water level falls with high security under the first opening, which thus can not freeze and is immediately available even with a frost start.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist ein abwärts weisendes Rohrstück an dem U-förmigen Endstück angebracht, insbesondere fluiddicht und fluidführend angebracht, und ist die zweite Öffnung in dem abwärts weisenden Rohrstück angeordnet. Besonders bevorzugt ist das abwärts weisende Rohrstück an oder zumindest nahe dem tiefsten Punkt des U-förmigen Endstücks angebracht. Ebenfalls besonders bevorzugt ist die zweite Öffnung an einem freien Ende beziehungsweise am tiefsten Punkt des abwärts weisenden Rohrstücks angeordnet. Das freie Ende bezeichnet dabei das nicht mit dem U-förmigen Endstück verbundene Ende des abwärts weisenden Rohrstücks. Diese Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft ein besonders tiefes Absenken des Wasserspiegels im Wasserabscheider unter die erste Öffnung und sogar komplett unter das U-förmige Endstück. Folglich liegen die erste Öffnung sowie das U-förmige Endstück selbst im Falle eines Froststarts frei.In a further preferred embodiment of the water separator according to the invention, a downwardly pointing pipe piece is attached to the U-shaped end piece, in particular fluid-tightly and fluidly mounted, and the second opening is arranged in the downwardly pointing pipe piece. Particularly preferably, the downwardly facing pipe section is at or at least near the lowest point of the U-shaped tail attached. Also particularly preferably, the second opening is arranged at a free end or at the lowest point of the downwardly pointing pipe section. The free end refers to the not connected to the U-shaped end of the end of the downwardly facing pipe section. This embodiment advantageously allows a particularly deep lowering of the water level in the water below the first opening and even completely below the U-shaped tail. Consequently, the first opening and the U-shaped tail are free even in the case of a frost start.

Ebenfalls bevorzugt weist das U-förmige Endstück im Bereich der Abzweigung des abwärts weisenden Rohrstücks eine Verengung auf. Durch die Verengung wird im Bereich der Abzweigung die Strömungsgeschwindigkeit eines durch die erste Öffnung angesaugten Fluides erhöht und somit lokal der Druck verringert. Durch diesen Strahlpumpeneffekt wird verstärkt Wasser durch die zweite Öffnung angesaugt und somit der Wasseraustrag aus dem Wasserabscheider insgesamt verbessert.Also preferably, the U-shaped end piece in the region of the branch of the downwardly facing pipe section on a constriction. As a result of the constriction, the flow velocity of a fluid drawn in through the first opening is increased in the region of the branch and thus the pressure is reduced locally. Through this jet pump effect, water is increasingly sucked in through the second opening, thus improving the overall water discharge from the water separator.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders weist dieser ein Heizelement auf, das im thermischen Kontakt mit dem Steigrohr beziehungsweise dem U-förmigen Endstück angeordnet ist. Mittels dieses Heizelements können das Steigrohr erwärmt und somit dessen Froststarteigenschaften weiter verbessert werden. Im Fall eines thermisch leitfähigen Steigrohrs kann auch ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes Heizelement in gutem thermischen Kontakt mit dem U-förmigen Endstück stehen. Ebenfalls bevorzugt ist das Abscheiderventil selbst als beheizbares Ventil ausgebildet. Durch das bevorzugt thermisch leitfähige Steigrohr, beispielsweise ein metallisches Steigrohr, breitet sich die Wärme von dem beheizbaren Ventil über das Steigrohr zu dem U-förmigen Endstück aus, das somit enteist werden kann. Ein beheizbares Ventil ist bevorzugt nahe des U-förmigen Endstücks angeordnet, da dort eine Vereisung am ehesten zu erwarten ist.In a further preferred embodiment of the water separator according to the invention, this has a heating element, which is arranged in thermal contact with the riser pipe or the U-shaped end piece. By means of this heating element, the riser can be heated and thus its frost start properties can be further improved. In the case of a thermally conductive riser, a heating element disposed outside the housing may also be in good thermal contact with the U-shaped end piece. Also preferably, the separator valve itself is designed as a heatable valve. Due to the preferably thermally conductive riser, such as a metallic riser, the heat from the heated valve via the riser to the U-shaped tail, which can thus be deextended. A heatable valve is preferably arranged close to the U-shaped end piece, since icing is to be expected there most likely.

Ebenfalls bevorzugt sind die Zuleitung von der Anodenabgasleitung und die Ableitung zu der Anodenabgasleitung in einem oberen Bereich des Gehäuses des Wasserabscheiders angeordnet. Ebenfalls bevorzugt sind zwischen den Zuleitungen und dem Bodenbereich Mittel zum Abscheiden von Flüssigwasser angeordnet. Ebenfalls bevorzugt weist der Wasserabscheider einen Füllstandsensor zum Ermitteln oder Erfassen eines Wasserstands in dem Wasserabscheider auf.Also preferably, the supply line from the anode exhaust gas line and the discharge line to the anode exhaust gas line are arranged in an upper region of the housing of the water separator. Also preferably, means for separating liquid water are arranged between the supply lines and the bottom area. Also preferably, the water separator on a level sensor for detecting or detecting a water level in the water separator.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad, eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad, einem Anodenabgaspfad und einer den Anodenabgaspfad mit dem Anodenversorgungspfad verbindenden Rezirkulationsleitung. Stromaufwärts der Rezirkulationsleitung, bevorzugt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels, ist ein Wasserabscheider gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, in dem Anodenabgaspfad angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Steigrohr des Wasserabscheiders über eine Ableitung mit der Kathodenabgasleitung oder einer Auspuffanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden. Alternativ mündet das Steigrohr selbst in den Kathodenabgaspfad beziehungsweise die Abgasanlage.Another aspect of the present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, a cathode supply having a cathode supply path and a cathode exhaust path, an anode supply having an anode supply path, an anode exhaust path, and a recirculation line connecting the anode exhaust path to the anode supply path. Upstream of the recirculation line, preferably downstream of the fuel cell stack, a water separator according to the invention, as described above, is disposed in the anode exhaust path. According to the invention, the riser of the water separator is connected via a drain to the cathode exhaust line or an exhaust system of an electric or hybrid vehicle. Alternatively, the riser itself opens into the cathode exhaust path or the exhaust system.

Im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ermöglicht der erfindungsgemäße Wasserabscheider vorteilhaft den Austrag von Wasser aus der Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems allein aufgrund eines Druckunterschieds über dem Abscheiderventil. Dieser Druckunterschied besteht dabei zwischen dem Inneren des Gehäuses des Wasserabscheiders und dem freien Ende des Steigrohrs beziehungsweise der sich daran anschließenden Ableitung. Bevorzugt wird der Druckunterschied zwischen dem Inneren des Wasserabscheiders und dem Kathodenabgaspfad eines Brennstoffzellensystems zum Austrag von Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider genutzt.In the fuel cell system according to the invention, the water separator according to the invention advantageously permits the discharge of water from the anode supply of the fuel cell system solely on the basis of a pressure difference across the separator valve. This pressure difference exists between the interior of the housing of the water separator and the free end of the riser or the subsequent derivation. Preferably, the pressure difference between the interior of the water separator and the cathode exhaust path of a fuel cell system for discharging liquid water from the water separator is used.

Der Druckunterschied über dem Abscheiderventil resultiert während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels, das heißt während der Erzeugung elektrischer Energie mit dem Stapel, bevorzugt aus der Menge des in die Anodenversorgung eingespeisten Anodenbetriebsmediums, der Menge des in der Anodenversorgung rezirkulierten Anodenbetriebsmediums und/oder der Menge des in der Anodenversorgung rezirkulierten Anodenabgases (insbesondere Stickstoff) im Verhältnis zum Druck im Kathodenabgaspfad beziehungsweise der Abgasanlage. Ebenfalls bevorzugt beeinflusst der Öffnungsgrad des in dem Steigrohr angeordneten Abscheiderventils diesen Druckunterschied. Auch im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellenstapels wird der Druckunterschied über das Abscheiderventil maßgeblich über die Menge des in den Anodenversorgungspfad zugeführten Anodenbetriebsmediums bestimmt. Insbesondere wird der Druckunterschied stets über ein dem Anodenversorgungspfad aus einem Brennstoffspeicher zugeführtes Anodenbetriebsmedium eingestellt. Alternativ oder zusätzlich wird der Druckunterschied über das Abscheiderventil durch die Förderleistung der in der Rezirkulationsleitung angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung bestimmt. Somit erlaubt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium in den Anodenversorgungspfad, sowie gegebenenfalls der fortgesetzte Betrieb der Rezirkulationsfördereinrichtung, bei abgeschaltetem Stapel das Entleeren des Wasserabscheiders.The pressure differential across the separator valve results during normal operation of the fuel cell stack, that is, during generation of electrical energy with the stack, preferably from the amount of anode operating medium fed to the anode supply, the amount of anode operating medium recirculated in the anode supply, and / or the amount of the anode in the anode supply Anodenversorgung recirculated anode exhaust gas (in particular nitrogen) in relation to the pressure in the cathode exhaust path or the exhaust system. Also preferably, the degree of opening of the separator valve arranged in the riser influences this pressure difference. Even when the fuel cell stack is switched off, the pressure difference across the separator valve is largely determined by the amount of anode operating medium fed into the anode supply path. In particular, the pressure difference is always set via an anode operating medium supplied to the anode supply path from a fuel storage. Alternatively or additionally, the pressure difference across the separator valve is determined by the delivery rate of the recirculation conveyor arranged in the recirculation line. Thus, the supply of anode operating medium into the anode supply path, and optionally continued operation, allows the recirculation conveyor, with the stack off the emptying of the water separator.

Vorteilhaft ist mit dem erfindungsgemäßen Wasserabscheider im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Abführen von Wasser aus dem Gehäuse des Abscheiders gegen die Schwerkraft möglich. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels wird stetig Flüssigwasser aus diesem ausgetragen und im Wasserabscheider abgeschieden. Bevorzugt ist der Wasserabscheider so eingerichtet, beispielsweise durch die Dimensionierung des Gehäuses und die Anordnung des Steigrohrs und des U-förmigen Endstücks, dass sich die erste und zweite Öffnung im Normalbetrieb des Stapels unter Wasser befinden. Somit wird im Betrieb des Brennstoffzellenstapels ein Austrag von eventuell entzündlichem Gas aus dem Wasserabscheider vermieden.Advantageously, with the water separator according to the invention during operation of the fuel cell system, a discharge of water from the housing of the separator against gravity is possible. During normal operation of the fuel cell stack, liquid water is continuously discharged therefrom and separated in the water separator. Preferably, the water separator is arranged, for example by the dimensioning of the housing and the arrangement of the riser and the U-shaped end piece, that the first and second openings are under water during normal operation of the stack. Thus, in the operation of the fuel cell stack, a discharge of any flammable gas from the water is avoided.

Wird der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet, versiegt der Wassereintrag in den Abscheider. Der Druckunterschied über das Abscheiderventil kann jedoch auch bei abgeschaltetem Stapel durch fortgesetzte Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad aufrechterhalten werden. Bevorzugt erfolgt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium durch Einspeisen von frischem Anodenbetriebsmedium aus einem Brennstoffspeicher in den Anodenversorgungspfad. Besonders bevorzugt erfolgt die fortgesetzte Zufuhr des Anodenbetriebsmittels als Nachdosieren mittels eines stromabwärts des Brennstoffspeichers angeordneten Stellmittels, wie beispielsweise einem Dosierventil. Bevorzugt wird eine Rezirkulationsleitung dabei durchströmt beziehungsweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung umströmt, beispielsweise über eine Bypassleitung, oder überströmt. Alternativ oder zusätzlich kann der Druckunterschied über das Abscheiderventil durch fortlaufenden Betrieb einer Rezirkulationsfördereinrichtung aufrechterhalten oder zumindest verstärkt werden. Folglich wird der Abscheider nach Abschalten des Stapels aufgrund des Druckunterschieds entleert, insbesondere da das aus dem Abscheider ausgetragene Wasser nicht durch neu abgeschiedenes Wasser ersetzt wird. Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem das einfache Entleeren des Wasserabscheiders durch fortgesetzte Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad, wie vorstehend beschrieben.If the fuel cell stack is switched off, the water entry into the separator dries up. However, the pressure difference across the separator valve can be maintained even with the stack off by continued supply of anode resources, particularly hydrogen, into an anode supply path. Preferably, the supply of anode operating medium is carried out by feeding fresh anode operating medium from a fuel storage into the anode supply path. Particularly preferably, the continued supply of the anode operating means is carried out as a subsequent metering by means of a downstream of the fuel reservoir arranged adjusting means, such as a metering valve. Preferably, a recirculation line is flowed through or a recirculation conveyor flows around it, for example via a bypass line, or overflowed. Alternatively or additionally, the pressure difference across the separator valve may be maintained or at least enhanced by continued operation of a recirculation conveyor. Consequently, the separator is emptied after switching off the stack due to the pressure difference, in particular because the water discharged from the separator is not replaced by newly separated water. Thus, the fuel cell system of the present invention allows for easy emptying of the water separator by continued supply of anode resources, particularly hydrogen, into an anode supply path as described above.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei in einer ersten Durchführungsform den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels, das heißt den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zur Stromerzeugung im zulässigen Bereich von dessen Kennfeld, sowie das Abscheiden von Flüssigwasser im Wasserabscheider auf. Ferner wird während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels durch sequentielles oder kontinuierlichem Öffnen des Abscheiderventils Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider abgelassen. In einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels beendet, beispielsweise durch ein entsprechendes Steuersignal eines Steuergeräts als Reaktion auf eine nachlassende Lastanfrage oder das Abschalten eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, und das Trocknen des Wasserabscheiders eingeleitet. Das Trocknen erfolgt dabei insbesondere durch Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad bei geöffnetem Abscheiderventil. Bevorzugt erfolgt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium durch Einspeisen von frischem Anodenbetriebsmedium aus einem Brennstoffspeicher in den Anodenversorgungspfad. Besonders bevorzugt erfolgt die fortgesetzte Zufuhr des Anodenbetriebsmittels als Nachdosieren mittels eines stromabwärts des Brennstoffspeichers angeordneten Stellmittels, wie beispielsweise einem Dosierventil. Besonders bevorzugt dient das Nachdosieren des Anodenbetriebsmediums gleichzeitig dem Herstellen einer Schutzgasatmosphäre auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems und ist ferner bevorzugt Teil einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems. Erfindungsgemäß erfolgt der Austrag von Wasser aus dem Abscheider somit, wie vorstehend beschrieben, ohne Eintrag neuen Produktwassers.Another aspect of the invention relates to a method of operating a fuel cell system according to the invention as described above. The inventive method has in a first embodiment, the normal operation of the fuel cell stack, that is, the operation of the fuel cell stack for generating electricity in the allowable range of the map, as well as the separation of liquid water in the water. Further, during normal operation of the fuel cell stack by sequential or continuous opening of the separator valve, liquid water is drained from the water separator. In a next step of the method according to the invention, the normal operation of the fuel cell stack is first terminated, for example initiated by a corresponding control signal of a controller in response to a decreasing load request or the shutdown of an electric or hybrid vehicle, and the drying of the water separator. The drying takes place in particular by supplying anode operating means, in particular hydrogen, into an anode supply path when the separator valve is open. Preferably, the supply of anode operating medium is carried out by feeding fresh anode operating medium from a fuel storage into the anode supply path. Particularly preferably, the continued supply of the anode operating means is carried out as a subsequent metering by means of a downstream of the fuel reservoir arranged adjusting means, such as a metering valve. Particularly preferably, the replenishment of the anode operating medium simultaneously serves to produce a protective gas atmosphere on the anode side of the fuel cell system and is also preferably part of a shutdown procedure of the fuel cell system. According to the invention, the discharge of water from the separator thus takes place, as described above, without entry of new product water.

In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses ferner den Schritt des Erfassens eines Wasserpegels im Gehäuse des Wasserabscheiders auf. Dies ermöglicht vorteilhaft den Trocknungsbetrieb zu stoppen, sobald der Pegel ausreichend gefallen ist. Dies erfolgt insbesondere durch Einstellen der zufuhr von Anodenbetriebsmittel in den Anodenversorgungspfad und Schließen des Abscheiderventils beim Unterschreiten eines vorbestimmten Wasserpegels im Gehäuse des Wasserabscheiders.In a preferred embodiment of the method according to the invention, this further comprises the step of detecting a water level in the housing of the water separator. This advantageously makes it possible to stop the drying operation as soon as the level has fallen sufficiently. This is done in particular by adjusting the supply of anode resources in the anode supply path and closing the Abscheiderventils when falling below a predetermined level of water in the housing of the water separator.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. 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. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 5 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
  • 6 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und
  • 7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem darin angeordneten Wasserabscheider gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Showing:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art;
  • 2 a schematic representation of a water separator according to a first embodiment;
  • 3 a schematic representation of a water separator according to a second embodiment;
  • 4 a schematic representation of a water separator according to a third embodiment;
  • 5 a schematic representation of a water separator according to a fourth embodiment;
  • 6 a schematic representation of a water separator according to a fifth embodiment; and
  • 7 a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment with a water separator arranged therein according to the first embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines insgesamt mit 100a bezeichneten Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik. Dieses ist Teil eines nicht weiter dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100a mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a schematic representation of a generally designated 100a fuel cell system according to the prior art. This is part of an electric or hybrid vehicle, not shown, having an electric traction motor driven by the fuel cell system 100a is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100a umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können.The fuel cell system 100a comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 , which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane, not shown here, as well as on both sides arranged thereon catalytic electrodes, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and in particular can be formed as coatings on the membrane.

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 11 her. Optional sind Gasdiffusionslagen zwischen den MEA 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet.The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between a bipolar plate 15 and the anode thus becomes an anode compartment 12 formed and between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 , The bipolar plates 15 serve to supply the operating media in the anode and cathode rooms 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers are between the MEAs 14 and the bipolar plates 15 arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100a einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To the fuel cell stack 10 to supply with the operating media, the fuel cell system 100a on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100a umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt.The anode supply 20 of in 1 shown fuel cell system 100a includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, connect the anode supply paths 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates.

Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein mit dem Brennstoffspeicher 23 verbundenes Stellmittel 27 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Alternativ oder zusätzlich ist eine Strahlpumpe 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 angeordnet. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100a wie dargestellt eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Die Rezirkulationsleitung 25 ist mit der Saugseite der Strahlpumpe 24 verbunden.The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about one with the fuel storage 23 connected actuating means 27 in the anode supply path 21 adjustable. Alternatively or additionally, a jet pump 24 in the anode supply path 21 arranged. In addition, the anode supply points 20 of in 1 shown fuel cell system 100a as shown, a recirculation line 25 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common to the most over-stoichiometric fuel used in the stack 10 to be returned and used. In the recirculation line 25 is a recirculation conveyor 26 , preferably a recirculation blower, arranged. The recirculation line 25 is with the suction side of the jet pump 24 connected.

Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 und stromaufwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein Wasserabscheider 28 verbaut, um mit dem Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser abzuleiten. Das Flüssigwasser wird aus dem Wasserabscheider 28 über eine Ableitung 40 einer Abgasanlage als stromabwärtigsten Abschnitt der Kathodenabgasleitung 32 zugeführt. Die Ableitung 40 ist mit dem Wasserabscheider 28 über ein steuer- oder regelbares Abscheiderventil 42 verbunden. Dabei ist das Abscheiderventil 42 am tiefsten Punkt des Wasserabscheiders 28 angeordnet und somit stets mit Wasser gefüllt. Insbesondere wenn die Abgasanlage höher gelegen ist, kann es zu nur schwer austragbaren Wasseransammlungen am Abscheiderventil 42 kommen, das somit unter Frostbedingungen vereisen kann.Further, in the anode exhaust path 22 downstream of the fuel cell stack 10 and upstream of the recirculation line 25 a water separator 28 installed to with the anode exhaust gas from the fuel cell stack 10 discharge discharged liquid water. The liquid water is removed from the water separator 28 about a derivative 40 an exhaust system as the most downstream portion of the cathode exhaust gas line 32 fed. The derivative 40 is with the water separator 28 via a controllable separator valve 42 connected. Here is the separator valve 42 at the lowest point of the water separator 28 arranged and thus always filled with water. Especially if the exhaust system is higher, it can be difficult to be discharged water accumulation on the separator valve 42 come, which can thus freeze under freezing conditions.

Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100a umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieser der Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet.The cathode supply 30 of in 1 shown fuel cell system 100a includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and this the exhaust system supplies. For conveying and compressing the cathode operating medium is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.In the illustrated embodiments, the compressor 33 as a mainly electric motor driven compressor 33 designed, the drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. The compressor 33 may also be through a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) are supported by a common shaft (not shown) driven.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100a weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Hierfür weist das Befeuchtermodul 39 einen Gaseinlass und einen Gasauslass auf. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist.This in 1 shown fuel cell system 100a also has a humidifier module 39 on. The humidifier module 39 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. This is indicated by the humidifier module 39 a gas inlet and a gas outlet. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas.

Die Kathodenversorgung 30 weist ferner ein erstes Absperrmittel 37 und ein zweites Absperrmittel 38 auf, mit dem der abgeschaltete Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isoliert werden kann. Sämtliche Stellmittel 24, 37, 38, 42, 61 des Brennstoffzellensystems 100a können als regelbare oder steuerbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein.The cathode supply 30 also has a first shut-off means 37 and a second shut-off means 38 on, with the shut off the fuel cell stack 10 can be isolated from the environment. All adjusting means 24 . 37 . 38 . 42 . 61 of the fuel cell system 100a can be designed as controllable or controllable valves or flaps.

2 zeigt einen Abscheider 41 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 2(A) den Abscheider 41 während des Normalbetriebs eines Brennstoffzellenstapels 10 und 2(B) während eines Trocknungsbetriebs zeigt. 2 shows a separator 41 according to a first embodiment of the invention, wherein 2 (A) the separator 41 during normal operation of a fuel cell stack 10 and 2 B) during a drying operation.

Der Wasserabscheider 41 weist ein Gehäuse 43, insbesondere ein Metall- oder Kunststoffgehäuse 43, auf. Das Gehäuse 43 hat einen wesentlichen kreisförmigen Querschnitt in einem Horizontalschnitt durch den Abscheider 41. Ein unterer Abschnitt beziehungsweise ein Bodenbereich des Gehäuses 43 verjüngt sich. Das Gehäuse 43 weist ferner eine Zuleitung 48 von einem Anodenabgaspfad 22 und eine Ableitung 49 für einen Anodenabgaspfad 22 auf.The water separator 41 has a housing 43 , in particular a metal or plastic housing 43 , on. The housing 43 has a substantial circular cross section in a horizontal section through the separator 41 , A lower portion or a bottom portion of the housing 43 rejuvenates. The housing 43 also has a supply line 48 from an anode exhaust path 22 and a derivative 49 for an anode exhaust path 22 on.

Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellensystems 100 wird feuchtigkeitsbeladenes Anodenabgas über den Anodenabgaspfad 22 und die Zuleitung 48 in den Wasserabscheider 41 eingeleitet. Dort wird flüssiges Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden und sammelt sich als Flüssigwasser im Gehäuse 43. Das trockene Anodenabgas wird über die Ableitung 49 stromaufwärts der Rezirkulationsleitung 25 zurück in den Anodenabgaspfad 22 eingeleitet.During operation of the fuel cell stack 10 a fuel cell system 100 becomes moisture-laden anode exhaust via the anode exhaust path 22 and the supply line 48 in the water separator 41 initiated. There, liquid water is separated from the anode exhaust gas and collects as liquid water in the housing 43 , The dry anode exhaust gas is discharged via the drain 49 upstream of the recirculation line 25 back to the anode exhaust path 22 initiated.

Der Abscheider 41 weist ferner ein Steigrohr 44 auf, dass sich von oben durch eine Abdeckung des Abscheiders 41 in das Gehäuse 43 hinein erstreckt. Mit anderen Worten verlässt das Steigrohr 44 den Abscheider 41 durch dessen Oberseite. An dem im Gehäuse 43 angeordneten Ende des Steigrohrs 44 ist ein U-förmiges Endstück 45 angeordnet. Das andere, in 2 nicht dargestellte, Ende des Steigrohrs 44 geht in die in 7 dargestellte Ableitung 40 über oder mündet direkt in den Kathodenabgaspfad 32. In dem Steigrohr 44 ist außerhalb des Gehäuses 43 ein Abscheiderventil 42 angeordnet. Das Steigrohr 44 sowie das U-förmige Endstück 45 sind als hohle Rohrleitungen ausgebildet und weisen auf ihren Mantelflächen keine Öffnungen auf, außer den hier spezifisch benannten.The separator 41 also has a riser 44 on top of that through a cover of the separator 41 in the case 43 extends into it. In other words, the riser leaves 44 the separator 41 through its top. At the inside of the case 43 arranged end of the riser 44 is a U-shaped tail 45 arranged. The other, in 2 not shown, end of the riser 44 go to the in 7 shown derivative 40 over or flows directly into the cathode exhaust path 32 , In the riser 44 is outside the case 43 a separator valve 42 arranged. The riser 44 as well as the U-shaped tail 45 are designed as hollow pipes and have no openings on their lateral surfaces, except those specifically mentioned here.

Ein erstes Ende 45a des U-förmigen Endstücks 45 geht in das Steigrohr 44 über beziehungsweise ist mit dem Steigrohr 44 verbunden. An dem anderen, freien Ende 45b des U-förmigen Endstücks 45 ist eine erste Öffnung 46 angeordnet. Die erste Öffnung 46 weist nach oben (bezogen auf die Orientierung der 2, wie durch die Bezugszeichen angedeutet). An einem tiefsten Punkt 45c des U-förmigen Endstücks 45 ist eine zweite Öffnung 47 in dem U-förmigen Endstück angeordnet. Die zweite Öffnung 47 weist nach unten (bezogen auf die Orientierung der 2, wie durch die Bezugszeichen angedeutet).A first end 45a of the U-shaped tail 45 go into the riser 44 above or is with the riser 44 connected. At the other, free end 45b of the U-shaped tail 45 is a first opening 46 arranged. The first opening 46 points upwards (relative to the orientation of the 2 as indicated by the reference numerals). At a lowest point 45c of the U-shaped tail 45 is a second opening 47 arranged in the U-shaped end piece. The second opening 47 points downwards (relative to the orientation of the 2 as indicated by the reference numerals).

Wie in 2(A) dargestellt, ist der Abscheider 41 so ausgelegt, dass im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10, während dem ständig mehr oder weniger flüssiges Wasser über den Anodenabgaspfad 22 und die Zuleitung 48 in den Wasserabscheider 41 eingebracht und dort abgeschieden wird, sowohl die erste Öffnung 46 als auch die zweite Öffnung 47 unter dem Wasserpegel 50 des im Gehäuse 43 gesammelten Flüssigwassers angeordnet. Während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels wird in Abhängigkeit des Öffnungsgrads des Abscheiderventils 42 sequentiell oder kontinuierlich Flüssigwasser aus dem Gehäuse 43 über das Steigrohr 44 in den Kathodenabgaspfad 32 des Brennstoffzellensystems 100 ausgetragen.As in 2 (A) shown, is the separator 41 designed so that during normal operation of the fuel cell stack 10 , while constantly more or less liquid water through the anode exhaust path 22 and the supply line 48 in the water separator 41 introduced and deposited there, both the first opening 46 as well as the second opening 47 below the water level 50 in the case 43 collected liquid water arranged. During normal operation of the fuel cell stack, depending on the degree of opening of the separator valve 42 sequential or continuous liquid water from the housing 43 about the riser 44 in the cathode exhaust path 32 of the fuel cell system 100 discharged.

Wie in 2(B) dargestellt, kann in einem Trocknungsverfahren, welches nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 durch Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, aus dem Brennstoffspeicher 23 mittels Dosierventil 27 in den Anodenversorgungspfad 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 26 bei geöffnetem Abscheiderventil 42 durchgeführt werden kann, der Wasserpegel 50 in dem Abscheider 41 deutlich abgesenkt werden. Während dieses Trocknungsverfahrens ist die Rezirkulationsleitung 25 oder eine darin um die Rezirkulationsfördereinrichtung angeordnete Bypassleitung 26 durchströmbar. Zunächst wird, Flüssigwasser über die erste Öffnung 46, das U-förmige Endstück 45, das Steigrohr 44 und das Abscheiderventil 42 aus dem Gehäuse ausgebracht. In dem Moment ab dem der Pegel 50 auf die Höhe der ersten Öffnung 46 gefallen ist, wird über die erste Öffnung 46 nunmehr Gas angesaugt. Bei dem Gas kann es sich um Stickstoff, Wasserstoff oder ein anderes in der Anodenversorgung nach dem Abschalten des Stapels 10 vorliegendes Schutzgas handeln. Durch die unterhalb und stromabwärts der ersten Öffnung 46 im U-förmigen Endstück 45 angeordnete zweite Öffnung 47 wird, aufgrund des durch die erste Öffnung 46 angesaugten Gasstroms, Wasser mitgerissen. Somit kann der Wasserstand in dem Abscheider 41 bis auf die Höhe der zweiten Öffnung 47 gesenkt werden. Da die zweite Öffnung an dem tiefsten Punkt des U-förmigen Endstücks 45 angeordnet ist, befindet sich dann kein Wasser mehr in dem U-förmigen Endstück 45. Somit kann ein Froststart ohne die Gefahr der Vereisung des Abscheiderventils 42 oder des zum Austragen von Wasser benötigten U-förmigen Endstücks 45 erfolgen.As in 2 B) shown in a drying process, which after switching off the fuel cell stack 10 by supplying anode operating means, in particular hydrogen, from the fuel storage 23 by means of metering valve 27 in the anode supply path 21 the recirculation conveyor 26 with the separator valve open 42 can be performed, the water level 50 in the separator 41 be lowered significantly. During this drying process, the recirculation line is 25 or a bypass line disposed therein around the recirculation conveyor 26 flow through. First, liquid water over the first opening 46 , the U-shaped tail 45 , the riser 44 and the separator valve 42 discharged from the housing. The moment the level starts 50 to the height of the first opening 46 has fallen over the first opening 46 now sucked gas. The gas may be nitrogen, hydrogen, or another in the anode supply after the stack is turned off 10 This protective gas act. Through the below and downstream of the first opening 46 in the U-shaped tail 45 arranged second opening 47 is due to the through the first opening 46 sucked gas stream, water entrained. Thus, the water level in the separator 41 to the height of the second opening 47 be lowered. Because the second opening at the lowest point of the U-shaped tail 45 is arranged, then there is no more water in the U-shaped tail 45 , Thus, a frost start without the risk of icing of the separator valve 42 or the required for discharging water U-shaped end piece 45 respectively.

3 zeigt einen Abscheider 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 3(A) den Abscheider 41 während des Normalbetriebs eines Brennstoffzellenstapels 10 und 3(B) während eines Trocknungsbetriebs zeigt. Insofern der Wasserabscheider 41 gemäß zweitem Ausführungsbeispiel dem Wasserabscheider 41 gemäß erstem Ausführungsbeispiel entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der entsprechenden Merkmale des Wasserabscheiders 41 verzichtet. 3 shows a separator 41 according to a second embodiment of the invention, wherein 3 (A) the separator 41 during normal operation of a fuel cell stack 10 and 3 (B) during a drying operation. In this respect, the water separator 41 according to the second embodiment of the water separator 41 according to the first embodiment, is based on a re-description of the corresponding features of the water separator 41 waived.

Der Wasserabscheider 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ein abwärts weisendes Rohrstück 51 auf, das an dem U-förmigen Endstück 45 und insbesondere an dessen tiefstem Punkt 45c angebracht ist. Das abwärts weisende Rohrstück 51 ist insbesondere fluidführend mit dem U-förmigen Endstück 45 verbunden. Da die zweite Öffnung 47 in dem abwärts weisenden Rohrstück 51 angeordnet ist, fällt der Pegel 50 nach dem Durchführen des Trocknungsprozesses des Abscheiders 41 bis zur Unterkante des abwärts weisenden Rohrstücks 51. Vorteilhaft kann somit der Abstand zwischen dem U-förmigen Endstück 45 und dem Pegel 50 weiter erhöht werden, was die Gefahr einer Eisblockade im U-förmigen Endstück 45 verringert.The water separator 41 according to the second embodiment has a downwardly facing pipe section 51 on, the at the U-shaped tail 45 and especially at its lowest point 45c is appropriate. The down-facing piece of pipe 51 is in particular fluid-carrying with the U-shaped end piece 45 connected. Because the second opening 47 in the down-facing piece of pipe 51 is arranged, the level drops 50 after performing the drying process of the separator 41 to the lower edge of the downwardly facing pipe section 51 , Advantageously, thus, the distance between the U-shaped tail 45 and the level 50 be further increased, causing the risk of an ice blockade in the U-shaped tail 45 reduced.

4 zeigt einen Abscheider 41 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 4(A) den Abscheider 41 während des Normalbetriebs eines Brennstoffzellenstapels 10 und 4(B) während eines Trocknungsbetriebs zeigt. Insofern der Wasserabscheider 41 gemäß drittem Ausführungsbeispiel dem Wasserabscheider 41 gemäß erstem oder zweitem Ausführungsbeispiel entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der entsprechenden Merkmale verzichtet. 4 shows a separator 41 according to a third embodiment of the invention, wherein 4 (A) the separator 41 during normal operation of a fuel cell stack 10 and 4 (B) during a drying operation. In this respect, the water separator 41 according to the third embodiment of the water separator 41 According to the first or second embodiment, a further description of the corresponding features will be omitted.

Der Wasserabscheider 41 gemäß drittem Ausführungsbeispiel weist zusätzlich eine Verengung 52 auf, welche im Bereich der Abzweigung des abwärts weisenden Rohrstücks 51 in dem U-förmigen Endstück 45 angeordnet ist. Die Verengung 52 führt lokal zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des in dem U-förmigen Endstück 45 strömenden Fluides, insbesondere des im Trocknungsmodus durch die erste Öffnung 46 angesaugten Gases. Der Unterdruck verbessert das Ansaugen von Wasser durch die zweite Öffnung 47. Somit erfolgt das Trocknen beziehungsweise Entleeren des Gehäuses 43 nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 mit erhöhter Zuverlässigkeit sowie gegebenenfalls schneller.The water separator 41 according to the third embodiment additionally has a constriction 52 on, which in the region of the branch of the downwardly facing pipe section 51 in the U-shaped tail 45 is arranged. The narrowing 52 leads locally to an increase in the flow velocity of the in the U-shaped tail 45 flowing fluid, in particular in the drying mode through the first opening 46 sucked gas. The negative pressure improves the suction of water through the second opening 47 , Thus, the drying or emptying of the housing takes place 43 after switching off the fuel cell stack 10 with increased reliability and possibly faster.

5 zeigt einen Abscheider 41 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 5(A) den Abscheider 41 während des Normalbetriebs eines Brennstoffzellenstapels 10 und 5(B) während eines Trocknungsbetriebs zeigt. Insofern der Wasserabscheider 41 gemäß viertem Ausführungsbeispiel den zuvor beschriebenen Wasserabscheidern 41 entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der entsprechenden Merkmale des Wasserabscheiders 41 verzichtet. 5 shows a separator 41 according to a fourth embodiment of the invention, wherein 5 (A) the separator 41 during normal operation of a fuel cell stack 10 and 5 (B) during a drying operation. In this respect, the water separator 41 according to the fourth embodiment of the water separators described above 41 corresponds to a re-description of the corresponding features of the water separator 41 waived.

Der in der 5(A) gezeigte Abscheider 41 weist ein Heizelement 53, insbesondere ein elektrisches Heizelement 53, auf, das mantelförmig um einen im Inneren des Gehäuses 43 befindlichen Abschnitt des Steigrohrs 44 angeordnet ist. Mit dem Wasserabscheider gemäß dieser Ausführungsform kann ein Vereisen des Steigrohrs 44 vermieden werden. Ist das Steigrohr 44 aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet, können auch das Ventil 42 und das U-förmige Endstück 45 mittels des Heizelements 53 geheizt werden. In dem in 5(B) gezeigten Abscheider 51 ist das Heizelement 53 in dem nach oben geöffneten bogenförmigen Abschnitt des U-förmigen Endstücks 45 angeordnet. Dabei dient das Heizelement 53 primär dem Enteisen des U-förmigen Endstücks 45.The Indian 5 (A) shown separator 41 has a heating element 53 , in particular an electric heating element 53 , on, the jacket-shaped around one inside the housing 43 located portion of the riser 44 is arranged. With the water separator according to this embodiment, icing of the riser 44 be avoided. Is the riser 44 formed from a thermally conductive material, can also be the valve 42 and the U-shaped tail 45 by means of the heating element 53 be heated. In the in 5 (B) shown separator 51 is the heating element 53 in the upwardly open arcuate portion of the U-shaped end piece 45 arranged. The heating element is used 53 primarily the defrosting of the U-shaped tail 45 ,

6 zeigt einen Abscheider 41 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 6(A) den Abscheider 41 während des Normalbetriebs eines Brennstoffzellenstapels 10 und 6(B) während eines Trocknungsbetriebs zeigt. Insofern der Wasserabscheider 41 gemäß fünftem Ausführungsbeispiel den zuvor beschriebenen Wasserabscheidern 41 entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der entsprechenden Merkmale des Wasserabscheiders 41 verzichtet. 6 shows a separator 41 according to a fifth embodiment of the invention, wherein 6 (A) the separator 41 during normal operation of a fuel cell stack 10 and 6 (B) during a drying operation. In this respect, the water separator 41 according to the fifth embodiment of the water separators described above 41 corresponds to a re-description of the corresponding features of the water separator 41 waived.

Der in 6 gezeigte Wasserabscheider 41 weist kein zusätzliches Heizelement 53 auf. Stattdessen ist das Abscheiderventil 42 selbst als beheizbares Ventil 54 ausgebildet. Somit kann ein Vereisen des Abscheiderventils 54 mit hoher Zuverlässigkeit vermieden werden. Indem ein Steigrohr 44 aus thermisch besonders leitfähigem Material verwendet wird, kann ein Vereisen des Steigrohrs 44 und auch des U-förmigen Endstücks 45 selbst mit einem, wie in 6(A) dargestellten, außerhalb des Gehäuses 43 angeordneten Abscheiderventils 54 vermieden werden. Um die Sicherheit des Enteisens zusätzlich zu erhöhen, kann das elektrisch beheizbare Abscheiderventil 54, wie in 6(B) dargestellt, jedoch auch in dem Gehäuse 43 angeordnet sein.The in 6 shown water separator 41 has no additional heating element 53 on. Instead, the separator valve 42 even as a heated valve 54 educated. Thus, icing of the separator valve 54 be avoided with high reliability. By a riser 44 made of thermally highly conductive material is used, icing of the riser 44 and also the U-shaped tail 45 even with one, as in 6 (A) shown outside the case 43 arranged Abscheiderventils 54 be avoided. To further increase the safety of the deicing, the electrically heatable separator valve 54 , as in 6 (B) shown, but also in the housing 43 be arranged.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses ist Teil eines nicht weiter dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. Insofern das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel dem Brennstoffzellensystem 100a gemäß 1 entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der entsprechenden Merkmale desselben verzichtet. 7 shows a schematic representation of a total designated 100 fuel cell system according to an embodiment. This is part of an electric or hybrid vehicle, not shown, having an electric traction motor driven by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy. In this respect, the fuel cell system 100 according to the embodiment of the fuel cell system 100a according to 1 corresponds to a further description of the corresponding features is omitted.

Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich vom dem Stand der Technik, indem ein Wasserabscheider 41 gemäß der Erfindung in dem Anodenabgaspfad 22 des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist. Der Wasserabscheider 41 ist dabei ausgebildet, wie obenstehend mit Bezug zu den 2 bis 6 erläutert. Das Steigrohr 44 des Wasserabscheiders 41 ist oben aus diesem herausgeführt und geht mit dem Abscheiderventil 42 in die Ableitung 40 über. Die Ableitung 40 mündet in eine Abgasanlage als stromabwärtigsten Teil des Kathodenabgaspfads 32. Bevorzugt erfolgt nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 ein Trocknen beziehungsweise Entleeren des Wasserabscheiders 41 durch Zufuhr beziehungsweise fortgesetzte Zufuhr von Anodenbetriebsmedium in den Anodenversorgungspfad 21, bevorzugt aus einem Brennstoffspeicher 23 mittels eines Dosierventils 27. Dabei ist die Rezirkulationsleitung 25 offen. Zusätzlich kann das Entleeren des Wasserabscheiders 41 durch den Betrieb beziehungsweise Weiterbetrieb der Rezirkulationsfördereinrichtung 26 unterstützt werden. Der Trocknungsprozess wird bevorzugt solange durchgeführt, bis mit einem in dem Abscheider 41 angeordneten Füllstandsensor das Unterschreiten eines vorbestimmten Flüssigwasserpegels im Abscheider 41 detektiert wird. Ebenfalls bevorzugt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium neben dem Einstellen des Druckunterschieds über das Abscheiderventil 42 gleichzeitig dem Herstellen einer Schutzgasatmosphäre in der Anodenversorgung 20 des Brennstoffzellensystems 100.The fuel cell system 100 according to one embodiment of the invention differs from the prior art by a water separator 41 according to the invention in the anode exhaust path 22 of the fuel cell system 100 is arranged. The water separator 41 is formed, as above with reference to the 2 to 6 explained. The riser 44 of the water separator 41 is led out of this and goes with the Abscheiderventil 42 into the derivative 40 above. The derivative 40 opens into an exhaust system as the most downstream part of the cathode exhaust path 32 , Preferably takes place after switching off the fuel cell stack 10 of the fuel cell system 100 drying or emptying the water separator 41 by feeding anode fluid to the anode supply path 21 , preferably from a fuel storage 23 by means of a metering valve 27 , Here is the recirculation line 25 open. In addition, the emptying of the water separator 41 by the operation or further operation of the recirculation conveyor 26 get supported. The drying process is preferably carried out until one in the separator 41 arranged level sensor falls below a predetermined level of liquid water in the separator 41 is detected. Also, the supply of anode operating medium preferably adjusts the pressure difference across the separator valve 42 simultaneously producing a protective gas atmosphere in the anode supply 20 of the fuel cell system 100 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011116856 A1 [0011]DE 102011116856 A1 [0011]

Claims (10)

Wasserabscheider (41) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: ein Gehäuse (43) mit einer Zuleitung (48) von einem Anodenabgaspfad (22) und einer Ableitung (49) zu dem Anodenabgaspfad (22); und ein zum Abführen von Wasser aus dem Gehäuse (43) ausgebildetes Steigrohr (44), wobei das Steigrohr ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes U-förmiges Endstück (45) mit einer ersten Öffnung (46) und einer stromabwärts und unterhalb der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung (47) aufweist, und wobei ein Ablassventil (42) in dem Steigrohr (44) angeordnet ist.A water separator (41) for a fuel cell system (100), comprising: a housing (43) having a lead (48) from an anode exhaust path (22) and a lead (49) to the anode exhaust path (22); and a riser pipe (44) formed for discharging water from the housing (43), the riser pipe having a U-shaped end portion (45) disposed within the housing and having a first opening (46) and a second opening (47) disposed downstream and below the first opening, and wherein a drain valve (42) is disposed in the riser pipe (44). Wasserabscheider (41) nach Anspruch 1, wobei die zweite Öffnung (47) in lotrechter Richtung einen Abstand zu der ersten Öffnung (46) aufweist.Water separator (41) after Claim 1 , wherein the second opening (47) in the vertical direction at a distance from the first opening (46). Wasserabscheider (41) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Öffnung (46) an einem freien Ende (45b) des U-förmigen Endstücks (45) angeordnet ist und/oder die zweite Öffnung (46) an einem tiefsten Punkt (45c) des U-förmigen Endstücks (45) angeordnet ist.Water separator (41) after Claim 1 or 2 wherein the first opening (46) is disposed at a free end (45b) of the U-shaped end piece (45) and / or the second opening (46) is located at a lowest point (45c) of the U-shaped end piece (45) is. Wasserabscheider (41) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein abwärts weisendes Rohrstück (51) an dem U-förmigen Endstück (45) angebracht ist und die zweite Öffnung (47) in dem abwärts weisenden Rohrstück (51) angeordnet ist.A water separator (41) according to any one of the preceding claims, wherein a downwardly facing tube (51) is attached to the U-shaped end (45) and the second aperture (47) is disposed in the downwardly facing tube (51). Wasserabscheider (41) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das U-förmige Endstück (45) im Bereich der Abzweigung des abwärts weisenden Rohrstücks (51) eine Verengung (52) aufweist.Water separator (41) according to one of the preceding claims, wherein the U-shaped end piece (45) in the region of the branch of the downwardly pointing pipe section (51) has a constriction (52). Wasserabscheider (41) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Heizelement (53) in thermischem Kontakt mit dem Steigrohr (44) und/oder dem U-förmigen Endstück (45) angeordnet ist und/oder wobei das Abscheiderventil (42) als beheizbares Ventil (54) ausgebildet ist.Water separator (41) according to one of the preceding claims, wherein a heating element (53) in thermal contact with the riser (44) and / or the U-shaped end piece (45) is arranged and / or wherein the separator valve (42) as a heatable valve (54) is formed. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (11); eine Kathodenversorgung (30) mit einem Kathodenversorgungspfad (31) und einem Kathodenabgaspfad (32); eine Anodenversorgung (20) mit einem Anodenversorgungspfad (21), einem Anodenabgaspfad (22) und einer den Anodenabgaspfad (22) mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindenden Rezirkulationsleitung (25); und einem stromaufwärts der Rezirkulationsleitung (25) in dem Anodenabgaspfad (22) angeordneten Wasserabscheider (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Steigrohr (44) mit der Kathodenabgasleitung (32) verbunden ist.A fuel cell system (100) comprising a fuel cell stack (10) having a plurality of fuel cells (11); a cathode supply (30) having a cathode supply path (31) and a cathode exhaust path (32); an anode supply (20) having an anode supply path (21), an anode exhaust path (22), and a recirculation line (25) connecting the anode exhaust path (22) to the anode supply path (21); and a water separator (41) disposed in the anode exhaust gas path (22) upstream of the recirculation line (25) according to any one of Claims 1 to 6 wherein the riser (44) is connected to the cathode exhaust line (32). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, wobei die erste Öffnung (46) und die zweite Öffnung (47) des Wasserabscheiders (41) während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels (10) unterhalb eines Flüssigwasserpegels im Gehäuse (43) des Wasserabscheiders (41) angeordnet sind.Fuel cell system (100) after Claim 7 wherein the first opening (46) and the second opening (47) of the water separator (41) during normal operation of the fuel cell stack (10) below a liquid water level in the housing (43) of the water separator (41) are arranged. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 7, das Verfahren mit den Schritten: Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels (10) mit Abscheiden von Flüssigwasser im Wasserabscheider (41); Sequentielles oder kontinuierlichem Öffnen des Abscheiderventils (40) zum Ablassen von Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider (41); Beenden des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels (10); und Trocknen des Wasserabscheiders (41) durch Zufuhr von Anodenbetriebsmedium in den Anodenversorgungspfad (21) bei geöffnetem Abscheiderventil (40).A method for switching off a fuel cell system (100) according to Claim 7 , the method comprising the steps of: normal operation of the fuel cell stack (10) with separation of liquid water in the water separator (41); Sequentially or continuously opening the separator valve (40) to drain liquid water from the water separator (41); Terminating the normal operation of the fuel cell stack (10); and drying the water separator (41) by supplying anode operating medium into the anode supply path (21) with the separator valve (40) open. Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend die Schritte: Erfassen eines Wasserpegels im Gehäuse (43) des Wasserabscheiders (41); Einstellen der Zufuhr von Anodenbetriebsmittel in den Anodenversorgungspfad (21) und Schließen des Abscheiderventils (42) beim Unterschreiten eines vorbestimmten Wasserpegels im Gehäuse (43) des Wasserabscheiders (41).Method according to Claim 9 , further comprising the steps of: detecting a water level in the housing (43) of the water separator (41); Adjusting the supply of anode operating fluid into the anode supply path (21) and closing the separator valve (42) while falling below a predetermined water level in the housing (43) of the water separator (41).
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