DE102021211690A1

DE102021211690A1 - Water separation device for a fuel cell with a membrane-based antifreeze device

Info

Publication number: DE102021211690A1
Application number: DE102021211690.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bleeck; Florian Braun; Henry Meißgeier
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Wasserabscheidevorrichtung (400, 500) für eine Brennstoffzelle (3) mit einer Abscheideeinrichtung (430, 530) zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle (3) abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einem Behälter (440, 540) mit einem Sammelvolumen (441) zum Sammeln des durch die Abscheideeinrichtung (430, 530) abgeschiedenen Wassers (600), einer Gefrierschutzeinrichtung (450, 550) mit einem abgeschlossenen Gasvolumen (451) und mit zumindest einer elastischen Membran (452), welche das Gasvolumen (451) von dem Sammelvolumen (441) gasdicht trennt, wobei die Gefrierschutzeinrichtung (450, 550) derart ausgebildet ist, dass sich die zumindest eine elastische Membran (452) bei Gefrieren des Wassers (600) unter Vergrößerung des Sammelvolumens (441) und unter Kompression des Gases im Gasvolumen (451) elastisch verformt und dass sich die zumindest eine elastische Membran (452) bei Schmelzen des gefrorenen Wassers (600) unter Verkleinerung des Sammelvolumens (441) und unter Expansion des Gases im Gasvolumen (451) elastisch verformt.

A water separating device (400, 500) for a fuel cell (3) is proposed, having a separating device (430, 530) for separating water from an aqueous gas mixture discharged from the fuel cell (3), a container (440, 540) with a collection volume (441) for collecting the water (600) separated by the separating device (430, 530), an antifreeze device (450, 550) with a closed gas volume (451) and with at least one elastic membrane (452) which separates the gas volume (451) from the collection volume (441) in a gas-tight manner, the antifreeze device (450, 550) being designed in such a way that the at least one elastic membrane (452) expands when the water (600) freezes, thereby increasing the collection volume (441) and compressing the gas in the gas volume (451) and that the at least one elastic membrane (452) deforms elastically when the frozen water (600) melts, reducing the collection volume (441) and expanding the gas in the gas volume (451).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche über eine Gefrierschutzeinrichtung mit einer elastischen Membran verfügt. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche über eine solche Wasserabscheidevorrichtung verfügt.The invention relates to a water separator for a fuel cell, which has an antifreeze device with an elastic membrane. The invention also relates to a fuel cell device for a motor vehicle, which has such a water separation device.

Im Rahmen der Elektrifizierung von Personen- und Nutzfahrzeugen kommen auch Brennstoffzellen als elektrische Energiequellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der basierend auf einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle umfasst zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die Membran ist dabei nur für eine der bei der Reaktion freigesetzten lonensorten, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über die Membran auch zur Anode. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Vermeidung einer Aufkonzentrierung von Wasser in Anode und Kathode muss dieses aus den Elektroden evakuiert werden. Dies geschieht häufig durch Ausblasen. Das wasserhaltige Gasgemisch (Aerosol), welches die Elektroden verlässt, wird ausgangsseitig einem Wasserabscheider zugeführt, in dem das Wasser vom restlichen Gas abgetrennt wird. Das abgetrennte Wasser wird dabei einem Sammelbehälter ausgefangen und von Zeit zu Zeit über ein Ventil abgelassen. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann es im Bereich des Sammelbehälters und des Ventils zu Eisbildung kommen. Aufgrund der dadurch auftretenden, sehr hohen Druckkräfte können Wasserabscheider, Sammelbehälter und Ventile beschädigt oder zerstört werden. Das Risiko einer Eisbildung ist bei abgeschalteter Brennstoffzelle besonders groß. Zur Vermeidung von Eisbildung können die betroffenen Komponenten elektrisch oder mittels eines Wärmeträgerfluids geheizt werden. Jedoch ist die dafür notwendige, technische Infrastruktur aufwändig, kostspielig und anfällig für Defekte.In the context of the electrification of passenger and commercial vehicles, fuel cells are also used as electrical energy sources. The fuel cell is a galvanic cell in which electrical energy is generated based on a chemical reaction between a fuel and an oxidizing agent. Hydrogen is the preferred fuel used in motor vehicles. Atmospheric oxygen is used as the oxidizing agent. The fuel cell consists of two electrodes (anode and cathode), which are separated from each other by a semi-permeable membrane. The two reactants, fuel and oxidant, are fed continuously to the electrodes. The membrane is only for one of the types of ions released during the reaction, e.g. B. protons, permeable. The reaction between the oxidizing agent and the fuel releases electrical energy, which is used to operate the motor vehicle's electric motors. In the case of hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidizing agent, water is produced as a reaction product on the cathode side. During the operation of the fuel cell, nitrogen (as the main component of air) and water gradually diffuse from the cathode via the membrane to the anode. This is undesirable because nitrogen and water block the hydrogen supply channels and reduce the even distribution of the hydrogen within the anode, which adversely affects the efficiency of the fuel cell. To avoid a concentration of water in the anode and cathode, it must be evacuated from the electrodes. This is often done by blowing out. The water-containing gas mixture (aerosol) that leaves the electrodes is fed to a water separator on the outlet side, in which the water is separated from the remaining gas. The separated water is collected in a collection container and released from time to time through a valve. If the fuel cell is operated below the freezing point of water, ice can form in the area of the collection container and the valve. Due to the very high pressure forces that occur as a result, water separators, collection tanks and valves can be damaged or destroyed. The risk of ice formation is particularly high when the fuel cell is switched off. To avoid ice formation, the affected components can be heated electrically or by means of a heat transfer fluid. However, the necessary technical infrastructure is complex, expensive and prone to defects.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellevorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bei gleichzeitig geringen Kosten und geringem technischen Aufwand auszeichnet.It is the object of the present invention to provide a water separation device for a fuel cell and a fuel cell device which is characterized by improved operational reliability even at temperatures below the freezing point of water, while at the same time having low costs and low technical complexity.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims.

Eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 weist eine Abscheideeinrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch auf. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört ferner ein Behälter mit einem Sammelvolumen zum Sammeln bzw. Auffangen des durch die Abscheideeinrichtung abgeschiedenen Wassers. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört ferner eine Gefrierschutzeinrichtung mit einem abgeschlossenen Gasvolumen und mit zumindest einer elastischen Membran, welche das Gasvolumen von dem Sammelvolumen gasdicht trennt. Dabei ist die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet, dass sich die zumindest eine elastische Membran bei Gefrieren des Wassers unter Vergrößerung des Sammelvolumens und unter Kompression des Gases im Gasvolumen elastisch verformt, und dass sich die zumindest eine elastische Membran bei Schmelzen des gefrorenen Wassers unter Verkleinerung des Sammelvolumens und unter Expansion des Gases im Gasvolumen elastisch verformt.A water separating device for a fuel cell according to claim 1 has a separating device for separating water from a water-containing gas mixture discharged from the fuel cell. The water separation device also includes a container with a collection volume for collecting or catching the water separated by the separation device. The water separation device also includes an antifreeze device with a closed gas volume and with at least one elastic membrane, which separates the gas volume from the collection volume in a gas-tight manner. The antifreeze device is designed in such a way that the at least one elastic membrane deforms elastically when the water freezes, increasing the collection volume and compressing the gas in the gas volume, and that the at least one elastic membrane deforms when the frozen water melts, reducing the collection volume and elastically deformed under expansion of the gas in the gas volume.

Eis weist ein um ca. 8-10% größeres spezifisches Volumen als Wasser auf. Gefriert das im Behälter angesammelte Wasser zu Eis, so entstehen sehr hohe Druckkräfte, falls eine Expansion des Eises bzw. ein ausreichender Volumenausgleich nicht gewährleistet ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, eine elastische Gefrierschutzeinrichtung vorzusehen, die einen flexiblen Volumenausgleich im Sammelvolumen ermöglicht. Mit anderen Worten ermöglicht die Gefrierschutzeinrichtung bedarfsweise eine Vergrößerung des Sammelvolumens im Falle einer Vereisung des Wassers im Sammelvolumen, und eine entsprechende Verkleinerung des Sammelvolumens im Falle der Verflüssigung des Eises im Sammelvolumen. Das Gasvolumen ist ein mit einem Gas gefülltes, abgeschlossenes Volumen. Die Membran begrenzt das Gasvolumen zumindest abschnittweise und trennt das Gasvolumen gasdicht vom Sammelvolumen ab. Die Membran hat zwei gegenüberliegende Oberflächenseiten. Mit einer ihrer Oberflächenseiten steht die Membran mit dem Sammelvolumen und, je nach Füllstand, mit dem darin angesammelten Wasser in unmittelbarem Kontakt. Mit ihrer gegenüberliegenden Oberflächenseite steht die Membran mit dem Gas im Gasvolumen in unmittelbaren Kontakt. Das abgeschlossene Gasvolumen wirkt dabei als pneumatische Feder. Eine Eisbildung im Sammelvolumen führt zu einer Verformung der Membran und zu einer Kompression des abgeschlossenen Gasvolumens und damit zu einer Erhöhung des inneren Gasdrucks im Gasvolumen. Die dadurch zunehmende, innere Druckkraft wirkt der äußeren Kompressionskraft entgegen. Bei einem Schmelzen des Eises und der damit einhergehenden Reduzierung der äußeren Kompressionskraft auf das Gasvolumen bewirkt diese innere Druckkraft bzw. Expansionskraft des Gases eine Expansion des Gasvolumens, eine Rückverformung der Membran und damit eine Rückstellung der Gefrierschutzeinrichtung in Richtung des ursprünglichen Zustands. Die Gefrierschutzeinrichtung ist derart dimensioniert, dass die Vergrößerung des Sammelvolumens ausreichend groß ist, um eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung aufgrund der Eisbildung zu vermeiden. Beispielsweise kann die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet bzw. dimensioniert, dass sich das Sammelvolumen bei Eisbildung um mindestens 8% erweitern bzw. vergrößern kann. Dadurch kann eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung bei Eisbildung innerhalb des Sammelvolumens sicher vermieden werden. Die Betriebssicherheit der Wasserabscheidevorrichtung ist dadurch auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sichergestellt. Die Kosten und die Störanfälligkeit sind gering. Auf eine elektrische oder fluidbasierte Beheizung kann verzichtet werden, was die Kosten, den technischen Aufwand und die Störanfälligkeit der Wasserabscheidevorrichtung erheblich reduziert.Ice has a specific volume that is approx. 8-10% larger than water. If the water that has accumulated in the container freezes to form ice, very high pressure forces arise if expansion of the ice or adequate volume equalization is not guaranteed. The idea on which the invention is based is to be seen in providing an elastic antifreeze device that enables flexible volume equalization in the collection volume. In other words, the anti-freeze device allows, if necessary, an increase in the collection volume in the event that the water in the collection volume freezes, and a corresponding reduction in the collection volume in the event the ice in the collection volume liquefies. The gas volume is a closed volume filled with a gas. the membrane limits the gas volume at least in sections and separates the gas volume from the collection volume in a gas-tight manner. The membrane has two opposite surface sides. With one of its surface sides, the membrane is in direct contact with the collection volume and, depending on the fill level, with the water that has collected in it. With its opposite surface side, the membrane is in direct contact with the gas in the gas volume. The closed volume of gas acts as a pneumatic spring. Ice formation in the collection volume leads to deformation of the membrane and compression of the closed gas volume and thus to an increase in the internal gas pressure in the gas volume. The internal compressive force that increases as a result counteracts the external compressive force. When the ice melts and the associated reduction in the external compression force on the gas volume, this internal pressure force or expansion force of the gas causes the gas volume to expand, the membrane to deform back and the antifreeze device to return to its original state. The antifreeze device is dimensioned in such a way that the increase in the collection volume is large enough to prevent damage to the water separation device due to the formation of ice. For example, the antifreeze device can be designed or dimensioned in such a way that the collection volume can expand or increase by at least 8% when ice forms. As a result, damage to the water separation device in the event of ice formation within the collection volume can be reliably avoided. The operational reliability of the water separation device is thus ensured even at temperatures below freezing. The costs and the susceptibility to failure are low. Electrical or fluid-based heating can be dispensed with, which considerably reduces the costs, the technical complexity and the susceptibility of the water separation device to failure.

In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 2 handelt es sich bei der Gefrierschutzeinrichtung um einen Gasballon, welcher innerhalb des Sammelvolumens angeordnet ist.In one embodiment of the water separation device according to claim 2, the antifreeze device is a gas balloon which is arranged within the collection volume.

Die Hülle des Gasballons wird dabei von der Membran selbst gebildet. Das Gasvolumen wird also vollständig von der Membran begrenzt und gasdicht abgeschlossen. Das eingeschlossene Gasvolumen ist vorzugsweise mit Luft oder alternativ mit anderen Gasen gefüllt. Die stellt eine sehr kostengünstige, leicht wartbare und erneuerbare Variante der Gefrierschutzeinrichtung dar.The shell of the gas balloon is formed by the membrane itself. The gas volume is therefore completely delimited by the membrane and sealed gas-tight. The enclosed gas volume is preferably filled with air or alternatively with other gases. This represents a very cost-effective, easily serviceable and renewable variant of the antifreeze device.

Gemäß einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 3 ist innerhalb des Gasballons ein Gewicht angeordnet ist, welches den Gasballon zumindest zeitweise am Boden des Behälters hält, selbst wenn dieser mit Wasser gefüllt ist.According to one embodiment of the water separating device according to claim 3, a weight is arranged inside the gas balloon, which at least temporarily holds the gas balloon on the bottom of the container, even when it is filled with water.

Das Gewicht bewirkt, dass der Gasballon unter der Wasseroberfläche bleibt, falls sich Wasser im Sammelvolumen befindet. Ein Aufschwimmen des Gasballons wird durch das Gewicht verhindert.The weight causes the gas balloon to stay below the water surface if there is water in the collection volume. The weight prevents the gas balloon from floating up.

In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 4 ist in einer Begrenzungswand des Behälters ein Hohlraum ausgebildet, wobei sich das Gasvolumen in diesem Hohlraum befindet.In one embodiment of the water separating device according to claim 4, a cavity is formed in a boundary wall of the container, with the gas volume being located in this cavity.

In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 5 sind im Hohlraum zwei elastische Membranen angeordnet, die an Ihren Randbereichen miteinander gasdicht verbunden sind, wobei das Gasvolumen zwischen den Membranen ausgebildet ist.In one embodiment of the water separating device according to claim 5, two elastic membranes are arranged in the cavity, which are connected to one another in a gas-tight manner at their edge regions, with the gas volume being formed between the membranes.

In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 6 ist in einer Seitenwand des Behälters ein Durchbruch ausgebildet ist, welcher von einer Verschlusseinrichtung verschlossen ist, wobei die beiden Membranen an ihren Randbereiche zwischen der Seitenwand des Behälters und dem Verschlusselement gasdicht verklemmt sind.In one embodiment of the water separating device according to claim 6, an opening is formed in a side wall of the container, which is closed by a closure device, the two membranes being clamped gas-tight at their edge regions between the side wall of the container and the closure element.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7 weist auf:

- eine Brennstoffzelle mit einer Anodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung,
- zumindest eine Wasserabscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche mit dem Anodenausgang und/oder dem Kathodenausgang gekoppelt ist.

A fuel cell device according to claim 7 comprises:

- a fuel cell with an anode device and a cathode device,
- At least one water separation device according to any one of claims 1 to 6, which is coupled to the anode output and / or the cathode output.

Bezüglich der Vorteile dieser Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführung zu den Ansprüchen 1 bis 6 verwiesen, welche in analoger Weise auch für die Brennstoffzellenvorrichtung gelten.With regard to the advantages of this fuel cell device, reference is made to the description of claims 1 to 6, which also apply in an analogous manner to the fuel cell device.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:

1 Eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle und der zugehörigen Wasserabscheidevorrichtungen;
3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Gefrierschutzeinrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Gefrierschutzeinrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Gefrierschutzeinrichtung;

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the attached figures. In the figures are:

1 A schematic representation of a fuel cell device for a motor vehicle;
2 a schematic representation of the fuel cell and the associated water separation devices;
3 a schematic representation of a first exemplary embodiment of the antifreeze device;
4 a schematic representation of a second embodiment of the antifreeze device;
5 a schematic representation of a third embodiment of the antifreeze device;

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche als galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (lonenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 kann beispielsweise als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.In 1 a motor vehicle 1 with an exemplary embodiment of a fuel cell device 2 is shown schematically. The core of the fuel cell device 2 is the actual fuel cell 3, which acts as a galvanic cell. The fuel cell 3 has an anode device 4 and a cathode device 5, which are separated from one another by an electrolyte device 6 (ion conductor). The electrolyte device 6 can be designed, for example, as a polymer electrolyte membrane, which is permeable only to protons but not to electrons. Alternatively, certain ceramics or other solid electrolytes can also be used. The anode device 4 and the cathode device 5 have electrode plates or bipolar plates (not shown), which are preferably made of metal or carbon and are coated with a catalyst such as platinum or palladium.

Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 9 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) im Brennstofftank 9 gelagert ist. Der Brennstofftank 9 ist über eine Versorgungsleitung 10 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 9 sind in der Versorgungsleitung 10 hintereinander ein Absperrventil 11 und ein Druckminderer 12 angeordnet. Der Druckminderer 12 reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 10 ist ein elektrisch betätigtes Dosierventil 13 vorgesehen, mittels dem eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 möglich ist. Die Steuerung des Dosierventils 13 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 14, welche mit dem Dosierventil 13 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil 14 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 15 angeordnet, der mit der Steuervorrichtung 14 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.The fuel cell device 2 also includes a fuel supply device 7 which is coupled to an input 8 of the anode device 4 in order to supply it with fuel. The fuel supply device 7 has a fuel tank 9 in which the fuel is stored. In the exemplary embodiment, the fuel used is hydrogen, which is stored in the fuel tank 9 in liquid or gaseous form under very high pressure (e.g. 350 bar to 700 bar). The fuel tank 9 is connected to the input 8 of the anode device 4 via a supply line 10 . A shut-off valve 11 and a pressure reducer 12 are arranged one behind the other in the supply line 10 downstream (arrow) of the fuel tank 9 . The pressure reducer 12 reduces the gas pressure to about 10 bar to 30 bar. An electrically actuated metering valve 13 is provided further downstream in the supply line 10, by means of which a targeted metering of the hydrogen into the anode device 4 is possible. The metering valve 13 is controlled by a control device 14 which is assigned to the fuel cell device 2 and is electrically connected to the metering valve 13 . Furthermore, a pressure sensor 15 is arranged between the metering valve 14 and the anode device 4 , which is connected to the control device 14 and provides the hydrogen pressure value at the input 8 of the anode device 4 . When the fuel cell 3 is in operation, the pressure within the anode device 4 ranges between 0.8 bar and 4 bar.

Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung 5 durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 einen weiteren Drucksensor 17 auf, welcher der Steuervorrichtung 14 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang 18 der Kathodeneinrichtung 5 liefert.The fuel cell device 2 also includes an oxidizing agent supply device 16 which is coupled to the cathode device 5 in order to supply it with oxidizing agent. In the exemplary embodiment, atmospheric oxygen serves as the oxidizing agent, which is supplied to the cathode device 5 by the oxidizing agent supply device 16 . In order to ensure that the oxygen pressure in the cathode device 5 is sufficiently high, the oxidizing agent supply device 16 has a further pressure sensor 17 which supplies the control device 14 with the oxygen pressure or the air pressure at the inlet 18 of the cathode device 5 .

Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden.The hydrogen on the side of the anode device 4 reacts with the atmospheric oxygen on the side of the cathode device 5 to form water, with a direct current flow occurring between the anode device 4 and the cathode device 5 . The direct current can be used to operate an electric drive motor (not shown) of motor vehicle 1 .

Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern.Over time, parts of the nitrogen and water diffuse from the cathode device 5 through the polymer electrolyte membrane 6 to the anode device 4. However, the diffusion of these two substances is undesirable because these substances block the supply channels for the hydrogen and also an even distribution of the hydrogen over the entire membrane area impede.

Um die Wirksamkeit und die Effizienz der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, werden die jeweiligen Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 abgeführt.In order to maintain the effectiveness and efficiency of the fuel cell, the respective reaction products from the anode device 4 and the cathode device 5 are discharged.

Dazu weist die Anodeneinrichtung 4 einen Anodenausgang 41 auf, über welchen die Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 handelt es sich im Wesentlichen um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Wasserstoff als Hauptkomponenten.For this purpose, the anode device 4 has an anode outlet 41, via which the reaction products can be evacuated from the anode device 4, i.e. can be discharged. The reaction products on the part of the anode device 4 are essentially a gas mixture of steam, nitrogen and hydrogen as the main components.

Die Kathodeneinrichtung 5 weist einen Kathodenausgang 51 auf, über welchen Reaktionsprodukte aus der Kathodeneinrichtung 5 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 handelt es sich üblicherweise um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff als Hauptkomponenten.The cathode device 5 has a cathode outlet 51 via which reaction products can be evacuated from the cathode device 5, i.e. can be discharged. The reaction products on the part of the cathode device 5 are usually a gas mixture of steam, nitrogen and oxygen as the main components.

Wie in 1 in Verbindung mit 2 erkennbar ist, weist das Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine erste Wasserabscheidevorrichtung 400 auf, welche der Anodeneinrichtung 4 zugeordnet ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 weist einen ersten Gaseingang 401 auf, welcher mit dem Anodenausgang 41 fluidisch gekoppelt ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Anodenausgang 41 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen ersten Gasausgang 402. Die abgetrennten Gaskomponenten werden dann wahlweise über einen Rezirkulationspfad 20 mit einem darin angeordneten Gebläse 21 zum Eingang der Anodeneinrichtung 4 zurückgeführt oder über ein steuerbares erstes Gasventil 410 in die Umgebung abgelassen. Das in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 403 und ein steuerbares erstes Wasserventil 420 abgelassen werden.As in 1 combined with 2 As can be seen, the exemplary embodiment of the fuel cell device 2 has a first water separation device 400 which is assigned to the anode device 4 . The first water separation device 400 has a first gas inlet 401 which is fluidically coupled to the anode outlet 41 . The first water separation device 400 is designed to separate water from the water-containing gas mixture which escapes from the anode outlet 41 . While the separated, liquid water remains at least temporarily in the first water separation device 400, the separated gas components leave the first water separation device 400 immediately after the separation process via a first gas outlet 402. The separated gas components are then optionally fed via a recirculation path 20 with a fan 21 arranged therein to Returned to the input of the anode device 4 or released into the environment via a controllable first gas valve 410 . The liquid water separated in the first water separation device 400 can be drained from time to time via a first water outlet 403 and a controllable first water valve 420 .

Im Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 auf, welche der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 weist einen zweiten Gaseingang 501 auf, welcher mit dem Kathodenausgang 51 fluidisch gekoppelt ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Kathodenausgang 51 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen zweiten Gasausgang 502 in die Umgebung. Das in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 503 und ein steuerbares zweites Wasserventil 520 abgelassen werden.In the exemplary embodiment, the fuel cell device 2 has a second water separation device 500 which is assigned to the cathode device 5 . The second water separation device 500 has a second gas inlet 501 which is fluidically coupled to the cathode outlet 51 . The second water separation device 500 is designed to separate water from the water-containing gas mixture which escapes from the cathode outlet 51 . While the separated, liquid water remains at least temporarily in the second water separation device 500, the separated gas components leave the second water separation device 500 immediately after the separation process via a second gas outlet 502 into the environment. The liquid water separated in the second water separation device 500 can be drained from time to time via a first water outlet 503 and a controllable second water valve 520 .

Alternativ ist kann auch nur eine Wasserabscheidevorrichtung vorgesehen sein, welche entweder mit der Anodeneinrichtung 4 oder der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist.Alternatively, only one water separation device can be provided, which is assigned either to the anode device 4 or to the cathode device 5 .

Wie in 2 schematisch gezeigt ist, weisen die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 eine erste Abscheideeinrichtung 430 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Anodeneinrichtung 4 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen ersten Behälter 440 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine erste Gefrierschutzeinrichtung 450 auf.As in 2 is shown schematically, the first water separation device 400 has a first separation device 430 for separating water from the water-containing gas mixture discharged from the anode device 4, a first container 440 for collecting the separated water, and a first antifreeze device 450.

Wie in 2 schematisch weiterhin gezeigt ist, weisen die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 gleichermaßen eine zweite Abscheideeinrichtung 530 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Kathodeneinrichtung 5 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen zweiten Behälter 540 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine zweite Gefrierschutzeinrichtung 550 auf.As in 2 is also shown schematically, the second water separation device 500 likewise has a second separation device 530 for separating water from the water-containing gas mixture discharged from the cathode device 5, a second container 540 for collecting the separated water, and a second antifreeze device 550.

Die erste Abscheideeinrichtung 430 und die zweite Abscheideeinrichtung 530 können beispielweise als Zyklonabscheider ausgebildet sein. Der erste Behälter 440 bzw. der zweite Behälter 540 können einstückig mit der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. der zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ausgebildet sein, oder als separate Komponenten.The first separating device 430 and the second separating device 530 can be embodied as cyclone separators, for example. The first container 440 and the second container 540 can be designed in one piece with the first water separation device 400 and the second water separation device 500, respectively, or as separate components.

In den 3 bis 5 sind Ausführungsbeispiele der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 und Teile der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 schematisch dargestellt. Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise nur der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 beschrieben. Alle Beschreibungsinhalte können jedoch in analoger Weise auf die baugleiche, zweite Gefrierschutzeinrichtung 550 übertragen werden.In the 3 until 5 exemplary embodiments of the first antifreeze device 450 and parts of the first water separation device 400 are shown schematically. The structure and mode of operation of only the first antifreeze device 450 is described below. However, all the contents of the description can be transferred in an analogous manner to the second antifreeze device 550 of the same construction.

Der erste Behälter 440 der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 weist ein erstes Sammelvolumen 441 auf, welches von einer Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 begrenzt ist. In den 3 bis 5 ist die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 in einem Zustand abgebildet, in dem sich bereits Wasser 600 im ersten Sammelvolumen 441 angesammelt hat.The first container 440 of the first water separating device 400 has a first collection volume 441 which is delimited by a boundary wall 442 of the first container 440 . In the 3 until 5 the first water separating device 400 is shown in a state in which water 600 has already collected in the first collection volume 441 .

Die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 weist ein mit einem Gas (z.B. Luft) gefülltes, nach Außen gasdicht abgeschlossenes Gasvolumen 451 und zumindest eine elastische Membran 452 auf, welche das Gasvolumen 451 von dem ersten Sammelvolumen 441 gasdicht trennt. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 ist derart ausgebildet, dass sich die zumindest eine elastische Membran 452 bei Gefrieren des Wassers 600 unter Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441 und unter Kompression des Gases im ersten Gasvolumen 451 (und unter Verkleinerung des Gasvolumens 451) elastisch verformt, und dass sich die zumindest eine elastische Membran 452 bei Schmelzen des gefrorenen Wassers 600 unter Verkleinerung des ersten Sammelvolumens und unter Expansion des Gases im ersten Gasvolumen 451 (und unter Vergrößerung des Gasvolumens 451) elastisch verformt.The first antifreeze device 450 has a gas volume 451 that is filled with a gas (e.g. air) and is sealed off in a gas-tight manner from the outside, and at least one elastic membrane 452 that separates the gas volume 451 from the first collection volume 441 in a gas-tight manner. The first antifreeze device 450 is designed such that the at least one elastic membrane 452 elastically deforms when the water 600 freezes, increasing the first collection volume 441 and compressing the gas in the first gas volume 451 (and reducing the gas volume 451), and that the at least one elastic membrane 452 elastically deforms when the frozen water 600 melts, reducing the first collection volume and expanding the gas in the first gas volume 451 (and increasing the gas volume 451).

Das im abgeschlossenen Gasvolumen 451 enthaltende Gas ist über die elastische Membran 452 mit dem im ersten Sammelvolumen 441 enthaltenen Wasser 600 druckkraftübertragend gekoppelt. Bei einer Änderung der Druckkraft auf einer Seite der Membran 452 verformt sich die Membran 452 solange bis auf beiden Seiten der Membran wieder ein Druckkraftgleichgewicht herrscht.The gas contained in the closed gas volume 451 is coupled via the elastic membrane 452 with the water 600 contained in the first collection volume 441 in a compressive force-transmitting manner. If the pressure force on one side of the membrane 452 changes, the membrane 452 deforms until there is pressure force equilibrium again on both sides of the membrane.

Eis hat ein um ca. 9% größeres, spezifisches Volumen als flüssiges Wasser. Bei Gefrieren des Wassers 600 im ersten Sammelvolumen 441 kommt es zu einer Druckkrafterhöhung auf der dem ersten Sammelvolumen 441 zugewandten Seite der Membran 452. Dieses temporäre Druckkraftungleichgewicht führt zu einer Verformung der Membran 452 in das erste Gasvolumen 451 hinein, wodurch sich das erste Sammelvolumen 441 vergrößert und sich das Gasvolumen 451 verkleinert. Die Verringerung des Gasvolumens 451 führt jedoch zu einer Kompression des darin enthaltenen Gases, zu einer Erhöhung des Gasdrucks und der Druckkraft auf der dem Gasvolumen 451 zugewandten Seite der Membran. Der elastische Verformungsprozess hält solange an, bis auf beiden Seiten der Membran 452 wieder ein Druckkraftgleichgewicht hergestellt ist.Ice has a specific volume about 9% larger than liquid water. When the water 600 freezes in the first collection volume 441, the pressure force increases on the side of the membrane 452 facing the first collection volume 441. This temporary pressure force imbalance leads to a deformation of the membrane 452 into the first gas volume 451, as a result of which the first collection volume 441 increases and the gas volume 451 decreases. However, the reduction in the gas volume 451 leads to a compression of the gas contained therein, to an increase in the gas pressure and the compressive force on the side of the membrane facing the gas volume 451 . The elastic deformation process continues until pressure force equilibrium is restored on both sides of the membrane 452 .

Aufgrund der Elastizität der Membran 452 ist dieser Prozess reversibel. Bei einem Schmelzen des Eises im ersten Sammelvolumen 441 kommt es zu einer Druckkraftverkleinerung auf der dem ersten Sammelvolumens 441 zugewandten Seite der Membran 452. Dieses temporäre Druckkraftungleichgewicht führt zu einer Verformung der Membran in das erste Sammelvolumen 441 hinein, wodurch sich das erste Sammelvolumen 441 verkleinert und sich das Gasvolumen 451 vergrößert. Die Vergrößerung des Gasvolumens 451 führt jedoch zu einer Expansion des darin enthaltenen Gases, zu einer Verringerung des Gasdrucks und der Druckkraft auf der dem Gasvolumen 451 zugewandten Seite der Membran 452. Der elastische Verformungsprozess hält solange an, bis auf beiden Seiten der Membran 452 wieder ein Druckkraftgleichgewicht hergestellt ist.Due to the elasticity of the membrane 452, this process is reversible. When the ice in the first collection volume 441 melts, the pressure force on the side of the membrane 452 facing the first collection volume 441 decreases. This temporary pressure force imbalance leads to a deformation of the membrane into the first collection volume 441, as a result of which the first collection volume 441 becomes smaller and the gas volume 451 increases. However, the increase in the gas volume 451 leads to an expansion of the gas contained therein, to a reduction in the gas pressure and the compressive force on the side of the membrane 452 facing the gas volume 451. The elastic deformation process lasts until both sides of the membrane 452 stop again Pressure force balance is established.

Die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 ermöglicht die flexible Anpassung des ersten Sammelvolumens 441 in Abhängigkeit vom Aggregatzustand des darin enthaltenen Wassers. Im Falle der Vereisung des im ersten Sammelvolumen 451 enthaltenen Wassers bewirkt die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 eine Vergrö-ßerung des ersten Sammelvolumens 441, wodurch sich das entstehenden Eis entsprechend seines größeren spezifischen Volumens ausreichend ausdehnen kann, ohne dass zu große Druckkräfte entstehen, welche zu einer Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. des ersten Behälters 440 führen können. Die elastische Membran 452 und das im Gasvolumen 451 enthaltene Gas wirken dabei wie eine pneumatische Feder oder Gasfeder. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 ist derart ausgebildet, dass die bei einer Vereisung des Wassers im ersten Sammelvolumen 441 stattfindende, natürliche volumetrische Ausdehnung durch die Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441 soweit kompensiert wird, dass zu hohe Druckkräfte und eine Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 vermieden werden. Zu diesem Zweck ist das erste Gasvolumen 451 im Verhältnis zum ersten Sammelvolumen 451 ausreichend groß bemessen, mit einem Gasvolumen das ca. 9% bis 16% des Sammelvolumens entspricht.The first antifreeze device 450 enables the flexible adjustment of the first collection volume 441 depending on the aggregate state of the water contained therein. If the water contained in the first collection volume 451 freezes, the first antifreeze device 450 causes an enlargement of the first collection volume 441, as a result of which the resulting ice can expand sufficiently in accordance with its larger specific volume without excessive pressure forces arising, which could lead to damage the first water separation device 400 or the first container 440 can lead. The elastic membrane 452 and the gas contained in the gas volume 451 act like a pneumatic spring or gas spring. The first antifreeze device 450 is designed in such a way that the natural volumetric expansion that occurs when the water in the first collection volume 441 ices over is compensated for by the enlargement of the first collection volume 441 to such an extent that excessive pressure forces and damage to the first water separation device 400 are avoided. For this purpose, the first gas volume 451 is dimensioned sufficiently large in relation to the first collection volume 451, with a gas volume that corresponds to approximately 9% to 16% of the collection volume.

Bei den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ist in der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ein Hohlraum 443 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist in einer Seitenwand 444 (ein dem Behälter zugeordneter Teil oder Abschnitt der Begrenzungswand) des ersten Behälters 440 ein Durchbruch 445 ausgebildet, welcher von einer kappenförmigen Verschlusseinrichtung 446 verschlossen ist. Die Seitenwand 444 und Verschlusseinrichtung 446 bilden separate Teile der Begrenzungswand 442. Die Verschlusseinrichtung 446 kann beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 447 an der Seitenwand 444 des ersten Behälters 440 lösbar befestigt sein. Das Gasvolumen 451 der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 befindet sich in diesem Hohlraum 443.In the embodiments of 3 and 4 a cavity 443 is formed in the boundary wall 442 of the first container 440 . For this purpose, an opening 445 is formed in a side wall 444 (a part or section of the boundary wall assigned to the container) of the first container 440 which is closed by a cap-shaped closure device 446 . The side wall 444 and closure device 446 form separate parts of the boundary wall 442. The closure device 446 can be releasably attached to the side wall 444 of the first container 440, for example by means of a screw connection 447. The gas volume 451 of the first antifreeze device 450 is located in this cavity 443.

Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die elastische Membran 452 der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 an ihren Außenrändern zwischen der Verschlusseinrichtung 446 und der Seitenwand 444 des ersten Behälters 440 fest eingeklemmt. Die Membran 452 trennt das erste Sammelvolumen 441 vom ersten Gasvolumen 451 gasdicht ab. Das erste Gasvolumen 451 wird dabei von der Verschlusseinrichtung 446 und der Membran 452 begrenzt. Das erste Sammelvolumen 451 erstreckt sich in den Hohlraum 443 hinein bis zur Membran 452.In the embodiment of 3 the elastic membrane 452 of the first antifreeze device 450 is firmly clamped at its outer edges between the closure device 446 and the side wall 444 of the first container 440 . The membrane 452 separates the first collection volume 441 from the first gas volume 451 in a gas-tight manner. In this case, the first gas volume 451 is delimited by the closure device 446 and the membrane 452 . The first collection volume 451 extends into the cavity 443 up to the membrane 452.

Im Ausführungsbeispiel der 3 sind im Hohlraum 443 zwei elastische Membranen 452a und 452b angeordnet sind, die an Ihren Randbereichen zwischen der Verschlusseinrichtung 446 und der Seitenwand 444 des ersten Behälters 440 fest eingeklemmt und auf diese Weise gasdicht verbunden sind. Das erste Gasvolumen 451 ist zwischen den Membranen (452a, 452b) ausgebildet ist.In the embodiment of 3 two elastic membranes 452a and 452b are arranged in the cavity 443, which are firmly clamped at their edge regions between the closure device 446 and the side wall 444 of the first container 440 and are connected in a gas-tight manner in this way. The first gas volume 451 is formed between the membranes (452a, 452b).

Im Ausführungsbeispiel der 5 ist die erste Gefrierschutzeinrichtung 450 als ein mit Gas gefüllter Ballon ausgebildet, wobei die gasdichte Hülle des Ballons von der Membran 451 gebildet wird. Der Ballon ist innerhalb des ersten Sammelvolumens 441 angeordnet. Innerhalb des Ballons kann ein Gewicht 750, z.B. eine Metallkugel, angeordnet ist, um ein Aufschwimmen des Ballons 700 im Wasser 600 zu vermeiden und diesen zumindest zeitweise, besser dauerhaft, unter Wasser 600 zu halten!In the embodiment of 5 the first antifreeze device 450 is designed as a balloon filled with gas, the gas-tight envelope of the balloon being formed by the membrane 451. The balloon is placed within the first collection volume 441 . A weight 750, eg a metal ball, can be placed inside the balloon is to prevent the balloon 700 from floating in the water 600 and to keep it under the water 600 at least temporarily, better permanently!

Claims

Water separation device (400) for a fuel cell (3). - a separating device (430) for separating water from a water-containing gas mixture discharged from the fuel cell (3), - a container (440) with a collection volume (441) for collecting the water (600) separated by the separating device (430), - an antifreeze device (450) with a closed gas volume (451) and with at least one elastic membrane (452) which separates the gas volume (451) from the collection volume (441) in a gas-tight manner, the antifreeze device (450) being designed in such a way that the at least one elastic membrane (452) deforms elastically when the water (600) freezes, increasing the collection volume (441) and compressing the gas in the gas volume (451), and that the at least one elastic membrane (452) deforms when the frozen water melts (600) is elastically deformed with a reduction in the collection volume (441) and with expansion of the gas in the gas volume (451).

Water separation device (400) after claim 1 wherein the antifreeze device (450) is a gas-filled balloon disposed within the collection volume (441).

Water separation device (400) after claim 2 , wherein a weight (750) is arranged inside the balloon, which at least temporarily holds the balloon at the bottom of the container (440).

Water separation device (400) after claim 1 , wherein a cavity (443) is formed in a boundary wall (442) of the container (440), and wherein the gas volume (452) is located in this cavity (443).

Water separation device (400) after claim 4 , wherein two elastic membranes (452a, 452b) are arranged in the cavity (443) and are connected to one another in a gas-tight manner at their edge regions, and the gas volume (451) is formed between the membranes (452a, 452b).

Water separation device (400) after claim 5 , wherein an opening (445) is formed in the side wall (444) of the container (440) and is closed to the outside by a closure device (446), the two membranes (452a, 452b) being held at their edge regions between the side wall (444 ) of the container (440) and the closure element (446) are clamped gas-tight.

Fuel cell device (2) with - a fuel cell (3) which has an anode device (4) and a cathode device (5), the anode device (4) having an anode outlet (41) for discharging water-containing gas mixture from the anode device (4), and wherein the cathode device (5) has a cathode outlet (51) for discharging water-containing gas mixture from the cathode device (5), - at least one water separation device (400, 500) according to one of Claims 1 until 6 , which is coupled to the anode output (41) and/or the cathode output (51).