WO2013110310A1 - Vorrichtung zum ablassen von flüssigkeit - Google Patents

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Armin MÜTSCHELE
Sven Schmalzriedt
Simon Steinhübl
Harald Teves
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Definitions

  • the invention relates to a device for discharging liquid from a
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. The functionality is essentially that of hydrogen and oxygen electrical energy and product water is produced. The resulting product water is discharged together with exhaust gases from the area of the fuel cell. In order to separate the liquid water from these exhaust gases, typically water separators are provided in the fuel cell system. In this way, on the one hand the leakage of liquid water from the fuel cell system can be prevented and on the other hand a possible freezing of line elements by this liquid water when the fuel cell system is operated at temperatures below freezing and in particular turned off.
  • water separators are also typically present in the recirculation, to deposit incurred product water and not returned to the fuel cell.
  • liquid water could wet parts of the fuel cell, which would adversely affect the functionality of the fuel cell.
  • Fuel cell system it is now crucial that, although the Water is drained from the water from time to time that the present in products and educts of the anode side (residual) hydrogen but not or only in a minimal amount of the environment.
  • valve device Flow direction of the water to be drained before the valve device. If the valve device is then closed as soon as liquid is no longer present in the region of the capacitive sensor, then, with a suitable distance between the sensor and the valve device following in the flow direction on the sensor, the escape of gas can be completely prevented or with a correspondingly smaller distance to one tolerable minimum can be reduced.
  • the object of the present invention is now to provide a device for discharging liquid water from a water separator in a
  • a method for draining liquid with such a device specified provides that the device comparable to the prior art, a liquid sensor, a valve device and the
  • Valve device in response to a measured value of the liquid sensor controlling control unit comprises. Unlike the prior art, the structure is chosen so that the sensor is arranged downstream of the valve device in the flow direction. This allows the sensor to come into contact with liquid only when it is drained accordingly. Since the sensor thus only temporarily with the
  • a particular advantage of the device according to the invention lies in the fact that, according to a preferred development, it can use a liquid sensor which has two temperature sensors and a tempering element in
  • Liquid gas mixture or the flowing liquid in the region of the sensor safe, simple and reliable detection of the liquid portion of the fluid can be realized.
  • an ultrasonic sensor to be used.
  • an ultrasonic sensor which is also very well suited for the detection of liquid in flowing media, can by the inventive arrangement in
  • Embodiment of the device according to the invention can be used.
  • the device according to the invention may further provide, according to an advantageous embodiment, that the water separator in an anode circuit of the
  • Fuel cell system is arranged.
  • Containing residual hydrogen it is crucial that when draining the liquid no gas or only a minimum predetermined amount of gas with the environment comes. This can reduce hydrogen emissions while minimizing the loss of hydrogen which is lost to the atmosphere and can not be effectively converted into electrical energy in the fuel cell.
  • the amount of condensate accumulating in the water separator is roughly estimated. This can be done, for example, based on the performance of the fuel cell. In principle, it would also be conceivable to estimate this on the basis of the quantity of added hydrogen and / or the metered air. Furthermore, it would be conceivable, instead of an actual estimate, which can be done for example via a simulation of the operation of the fuel cell, to set an empirical value and the amount of accrued
  • the valve device of the device is opened. After that, three main cases are distinguished.
  • the sensor detects liquid water, wherein the valve device remains open at a volume flow of liquid water above a predetermined limit. In this case, water should be drained as desired. If the volume flow of liquid water which is detected by the liquid sensor is smaller than this predetermined limit value over the course of time, then the valve device is closed again, since in this case only a comparatively small amount of residual water from the water separator remains flows.
  • Temperature sensors and a Temper michselement in the manner described above can thus be implemented a safe and reliable method, which operates in normal operation with minimal hydrogen emissions and ensures a safe and reliable discharge of liquid from the water.
  • the fuel cell system can be safely operated without liquid water penetrating into undesired areas where it, for example, wets active areas and / or in undesired areas when the facility is switched off
  • Figure 1 is a principle indicated fuel cell system in a vehicle.
  • Fig. 2 shows a device according to the invention
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment of the liquid sensor according to the invention.
  • a fuel cell system 1 in a vehicle 2 indicated in principle can be seen in a highly schematic manner.
  • the fuel cell system 1 is intended to provide electrical power for the vehicle 2, in particular drive power for the vehicle 2. It consists essentially of a fuel cell 3, which has a cathode space 4 and an anode space 5.
  • the cathode compartment 4 is air in a conventional manner via an air conveyor 6 as
  • Exhaust line such as a turbine for the recovery of residual energy in the exhaust air.
  • Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 8 via a pressure regulating and metering device 9 to the anode compartment 5 of the fuel cell 3. Not consumed
  • Hydrogen passes in a conventional manner to the anode compartment 5 via a recirculation line 10 with a recirculation conveyor 11 back to the input of the anode compartment 5 and is the anode compartment 5 mixed with fresh hydrogen supplied again.
  • water and inert gas accumulate over time.
  • the water is the product water from the fuel cell 3, wherein here a small part of the product water in the region of the anode compartment and the larger part in the region of the cathode compartment 4 is formed.
  • the inert gas is typically nitrogen, which passes through the
  • Membranes of the fuel cell 3 constructed as a PEM fuel cell
  • a water separator 12 is provided in the fuel cell system 1 shown here. Via a device 13 for discharging water, the liquid water is discharged to the environment of the vehicle 2. Likewise, it could be discharged, for example, in the exhaust air stream 7 and evaporated in this and / or atomized. It is also possible to store and / or use the value of the water in the vehicle 2.
  • the invention lies in the device 13 for discharging the liquid water. This is indicated in the illustration of Figure 1 only as a box. In the illustration of Figure 2, a concrete structure of the device 13 according to the invention is shown. Again, the water separator 12 and a part of the recirculation line 10 can be seen. In the direction of gravity down leads from the water separator 12, a line member 14, in the region of the device 13, which is surrounded by a dash-dot line here, is arranged. It consists in the direction of flow of the liquid water from a valve device 15 and a liquid sensor 16.
  • the liquid sensor 16 detects the presence of liquid. This will be reported to the controller 17.
  • the liquid sensor 16 is able to distinguish between no liquid and at least two different amounts of liquid in the discharged fluid. The amount of liquid above one
  • predetermined limit value is hereinafter referred to as a large amount of liquid below a predetermined limit as a small amount of liquid.
  • a predetermined limit value is hereinafter referred to as a large amount of liquid below a predetermined limit as a small amount of liquid.
  • the controller 17 estimates the amount of accumulated
  • Product water or condensate from. This can in particular be based on the electrical power P of the fuel cell 3 added up or integrated over time. This is indicated in the representation of FIG. 2 by the arrow 18 labeled P, which supplies corresponding data to the control unit 17.
  • the first state which typically occurs rarely in regular operation, since it presupposes a misjudgment of the accumulated amount of condensate, would be that none Liquid in the region of the liquid sensor 16 is present.
  • the controller 17, the valve device 15 close immediately. Only by the line length between the valve device 15 and the liquid sensor 16 and a possible time delay for detecting the measured value of the liquid sensor 16 will then lead to the discharge of a small amount of gas. However, this amount is typically very low and, even if they are hydrogen or
  • the second possible case is that a large volume flow of liquid water is detected according to the above definition.
  • the valve device 15 remains open.
  • a small volume flow of liquid water is detected directly or the volume flow of liquid water drops during the discharge of the detected large volume flow to a now detected small volume flow, then by the controller 17, the
  • Valve device 15 is closed.
  • valve device 15 Whenever the valve device 15 is closed, for whatever reason, the condensate amount estimate previously set to "zero" restarts and the process starts again, except for the rarely occurring first case, the escape of hydrogen to the Prevents environment and at the same time achieves a safe and reliable discharge of the liquid, so that flooding of the fuel cell 3 and / or the recirculation line 10 can be safely and reliably avoided by a "spill" water separator.
  • a particularly suitable liquid sensor 16 is short in the following
  • the liquid sensor 16 consists of a first temperature sensor 19 and a temperature control element 20 following in the direction of flow on this temperature sensor 19, which is in heat-conducting connection with a second temperature sensor 21.
  • the tempering 20 includes a
  • Base body 22 This can be formed in particular of a good heat-conducting material, for example of aluminum. Depending on the materials used are also ceramic materials or corresponding feeds conceivable to the
  • Base body 22 of the tempering 20 chemically resistant to the ingredients of the liquid resistant.
  • the base body 22, as shown here, have a plurality of openings 23 through which the fluid flows.
  • the tempering element 20 can be heated or cooled, for example, to a predetermined temperature value.
  • the temperature of which is known from the temperature sensor 19 heating or cooling of the base body 22 then occurs.
  • the resulting temperature change can be detected reliably and reliably via the second temperature sensor 21.
  • the measurement is based on the knowledge that the fluid has a greater heat capacity when there is a liquid phase in the fluid.
  • the fluid causes a greater change in the liquid phase by means of the
  • Temperiansselements 20 set temperature of the flow around the base body 23, as would be the case by a fluid without the presence of a liquid phase or with a smaller proportion of liquid phase. By comparing the measured in the region of the first temperature sensor 19 temperature of the fluid and in the tempered by means of the Temper michselements 20 main body 22 as a result of supplying or flowing through the fluid-adjusting temperature on
  • Temperature sensor 21 can thus easily and efficiently detect the presence of liquid. In particular, the amount of liquid present in the fluid can be confined safely and reliably. Since this works ideally in particular with flowing fluids, such a fluid sensor 16 is outstandingly suitable for the arrangement after the valve device 15, as embodied in the device 13 described here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (13) zum Ablassen von flüssigem Wasser aus einem Wasserabscheider (12) in einem Brennstoffzellensystem (1), mit einer Ventileinrichtung (15), mit einem Flüssigkeitssensor (16) und mit einem Steuergerät (17), welches die Ventileinrichtung (15) in Abhängigkeit von Messwerten des Flüssigkeitssensors (16) steuert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitssensor (16) in Strömungsrichtung nach der Ventileinrichtung (15) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zum Ablassen von Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablassen von Flüssigkeit aus einem
Wasserabscheider in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Ablassen von Flüssigkeit aus einem Wasserabscheider in einem Brennstoffzellensystem mittels einer derartigen Vorrichtung.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Funktionalität ist im Wesentlichen die, dass aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie und Produktwasser entsteht. Dabei wird das entstehende Produktwasser zusammen mit Abgasen aus dem Bereich der Brennstoffzelle abgeführt. Um das flüssige Wasser aus diesen Abgasen abzuscheiden, sind typischerweise Wasserabscheider in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hierdurch kann einerseits der Austritt von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden und andererseits ein eventuelles Einfrieren von Leitungselementen durch dieses flüssige Wasser, wenn das Brennstoffzellensystem bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts betrieben und insbesondere abgestellt wird. Sofern Abgase des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise zu der Brennstoffzelle zurückgeführt werden, das Brennstoffzellensystem also über eine sogenannte Kathoden- und/oder Anodenrezirkulation verfügt, dann sind in den Rezirkulationsleitungen typischerweise ebenfalls Wasserabscheider vorhanden, um entstandenes Produktwasser abzuscheiden und nicht wieder in die Brennstoffzelle zurückzuführen. Hier könnte flüssiges Wasser Teile der Brennstoffzelle benetzen, was die Funktionalität der Brennstoffzelle nachteilig beeinflussen würde.
Insbesondere bei Wasserabscheidern im Bereich der Anodenseite des
Brennstoffzellensystems ist es nun von entscheidender Bedeutung, dass zwar das Wasser von Zeit zu Zeit aus dem Wasserabscheider abgelassen wird, dass der außerdem in Produkten und Edukten der Anodenseite vorliegende (Rest-)Wasserstoff aber nicht oder nur in minimaler Menge an die Umgebung gelangt.
Aus der US 2006/0088756 A1 sind Vorrichtungen zum Ablassen von flüssigem Wasser bekannt, welche einen kapazitiven Sensor, ein Steuergerät sowie eine hiervon angesteuerte Ventileinrichtung umfassen. Der kapazitive Sensor befindet sich in
Strömungsrichtung des abzulassenden Wassers vor der Ventileinrichtung. Wird die Ventileinrichtung dann geschlossen, sobald im Bereich des kapazitiven Sensors keine Flüssigkeit mehr vorliegt, dann kann, bei geeignetem Abstand zwischen dem Sensor und der in Strömungsrichtung auf den Sensor folgenden Ventileinrichtung, der Austritt von Gas gänzlich unterbunden werden oder bei entsprechend geringerem Abstand auf ein tolerierbares Minimum reduziert werden.
Die Problematik bei diesem Aufbau liegt nun darin, dass kapazitive Sensoren zur Erfassung von Flüssigkeit sich in Brennstoffzellensystemen leider nicht bewährt haben. Es hat sich in Entwicklungs- und Forschungssystemen über die Jahre gezeigt, dass kapazitive Sensoren beispielsweise als Füllstandssensoren in einem Wasserabscheider oder auch, wie in der genannten US-Veröffentlichung eingesetzt, außerordentlich störanfällig sind. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei Brennstoffzellensystemen auf, da die kapazitiven Sensoren offensichtlich mit den hier anfallenden Stoffen und Inhalten des flüssigen Wassers außerordentlich schwer einsetzbar sind und sehr schnell verschmutzen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Ablassen von flüssigem Wasser aus einem Wasserabscheider in einem
Brennstoffzellensystem anzugeben, welche die oben genannte Problematik vermeidet und welche ein sicheres und zuverlässiges Ablassen der Flüssigkeit ohne hohe
Wasserstoffemissionen an die Umgebung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem ist im Anspruch 8 ein
Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit mit einer solchen Vorrichtung angegeben. Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die Vorrichtung vergleichbar wie beim Stand der Technik einen Flüssigkeitssensors, eine Ventileinrichtung und ein die
Ventileinrichtung in Abhängigkeit eines Messwerts des Flüssigkeitssensors steuerndes Steuergerät umfasst. Anders als beim Stand der Technik ist der Aufbau dabei so gewählt, dass der Sensor in Strömungsrichtung nach der Ventileinrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht es, dass der Sensor lediglich dann mit Flüssigkeit in Berührung kommt, wenn diese entsprechend abgelassen wird. Da der Sensor somit nur zeitweise mit der
Flüssigkeit in Berührung kommt, ist dieser viel weniger belastet, sodass bei dem hier dargestellten Aufbau sogar der Einsatz von kapazitiven Sensoren prinzipiell denkbar wäre, ohne dass hierdurch die oben genannten Nachteile vollumfänglich in Kauf genommen werden müssten.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt jedoch darin, dass diese gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einen Flüssigkeitssensors verwenden kann, welcher über zwei Temperatursensoren und ein Temperierungselement in
Strömungsrichtung nach dem ersten und in wärmeleitendem Kontakt zu dem zweiten Temperatursensor verfügt. Ein solcher Sensor ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Er ist in allen Details in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 004 812 A1 beschrieben. Er funktioniert sicher, zuverlässig und ist hinsichtlich der Verschmutzung sehr unanfällig. Allerdings benötigt er zur sicheren und zuverlässigen Funktionalität ein strömendes Medium, in welchem dann der Anteil bzw. der Volumenstrom an Flüssigkeit leicht, effizient und zuverlässig erfasst werden kann. Bei den herkömmlichen Aufbauten ist dies so nicht möglich. Durch die erfindungsgemäße Anordnung, bei welcher der Flüssigkeitssensor in Strömungsrichtung nach der Ventileinrichtung angeordnet wird, ist ein solcher Aufbau jedoch möglich, sodass aufgrund des strömenden
Flüssigkeitsgasgemischs bzw. der strömenden Flüssigkeit im Bereich des Sensors eine sichere, einfache und zuverlässige Detektion des flüssigen Anteils des Fluids realisiert werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dagegen vorgesehen sein, dass ein Ultraschallsensor eingesetzt wird. Ein solcher Ultraschallsensor, welcher ebenfalls für die Erfassung von Flüssigkeit in strömenden Medien sehr gut geeignet ist, kann durch die erfindungsgemäße Anordnung in
Strömungsrichtung nach der Ventileinrichtung ebenfalls sehr vorteilhaft für eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ferner vorsehen, dass der Wasserabscheider in einem Anodenkreislauf des
Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Insbesondere im Anodenkreislauf, bei welchem im Bereich des Wasserabscheiders Abgas des Anodenraums vorliegt, welches
Restwasserstoff enthält, ist es von entscheidender Bedeutung, dass beim Ablassen der Flüssigkeit kein Gas oder nur eine minimale vorgegebene Menge an Gas mit an die Umgebung gelangt. Hierdurch lassen sich Wasserstoffemissionen reduzieren und gleichzeitig der Verlust an Wasserstoff, welcher an die Atmosphäre verloren geht und in der Brennstoffzelle nicht wirksam in elektrische Energie umgesetzt werden kann, minimieren.
Mit der Vorrichtung lässt sich nun ein besonders günstiges und effizientes Verfahren zum Ablassen von flüssigem Wasser und/oder Gas aus dem Wasserabscheider eines
Brennstoffzellensystems realisieren. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die im Wasserabscheider anfallende Kondensatmenge grob abgeschätzt. Dies kann beispielsweise anhand der Leistung der Brennstoffzelle erfolgen. Es wäre im Prinzip auch denkbar, dies anhand der Menge des zudosierten Wasserstoffs und/oder der zudosierten Luft abzuschätzen. Ferner wäre es denkbar, anstelle einer tatsächlichen Abschätzung, welche beispielsweise auch über eine Simulation des Betriebs der Brennstoffzelle erfolgen kann, einen Erfahrungswert anzusetzen und die Menge an angefallenem
Kondensat aufgrund der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems abzuschätzen.
Entsprechende Gewichtungen der Zeit mit der Leistung und so weiter sind zur
Verfeinerung des Schätzwerts ebenfalls denkbar und möglich. Die einzelnen Aspekte können beliebig miteinander kombiniert werden.
Sobald die abgeschätzte Kondensatmenge einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat, wird die Ventileinrichtung der Vorrichtung geöffnet. Danach werden im Wesentlichen drei Fälle unterschieden.
Falls kein Flüssigwasser am Sensor detektiert wird, war die Abschätzung offensichtlich falsch. Die Ventileinrichtung wird sofort wieder geschlossen. Hierbei geht typischerweise eine kleine Menge an Gas und damit auch an Wasserstoff verloren, da zur Erfassung des Messwerts des Sensors und zum anschließenden Schließen der Ventileinrichtung eine gewisse Zeit vergeht, bei welcher Gas durch die Ventileinrichtung abströmt. Die Menge ist jedoch sehr überschaubar. Außerdem tritt diese Situation nur auf, wenn eine
vergleichsweise grobe Fehleinschätzung der erzeugten Kondensatmenge erfolgt ist. Eine solche Situation wird im regulären Betrieb daher außerordentlich selten auftreten.
Im zweiten Fall detektiert der Sensor flüssiges Wasser, wobei bei einem Volumenstrom an flüssigem Wasser oberhalb eines vorgegeben Grenzwerts die Ventileinrichtung geöffnet bleibt. In diesem Fall soll wie gewünscht Wasser abgelassen werden. Ist bereits bei der ersten Detektion oder wird im Laufe der Zeit der Volumenstrom an Flüssigwasser, welcher durch den Flüssigkeitssensor detektiert wird, kleiner als dieser vorgegebene Grenzwert, dann wird die Ventileinrichtung wieder geschlossen, da in diesem Fall nur noch eine vergleichsweise geringe Restwassermenge aus dem Wasserabscheider abströmt.
Ab dem Zeitpunkt, an dem die Ventileinrichtung wieder geschlossen wird, startet die Abschätzung der anfallenden Kondensatmenge neu und das Verfahren beginnt von vorne. Mit diesem Verfahren, insbesondere beim Einsatz eines Sensors mit zwei
Temperatursensoren und einem Temperierungselement in der oben beschriebenen Art und Weise, lässt sich so ein sicheres und zuverlässiges Verfahren realisieren, welches im regulären Betrieb mit minimalen Wasserstoffemissionen arbeitet und ein sicheres und zuverlässiges Ablassen von Flüssigkeit aus dem Wasserabscheider gewährleistet.
Hierdurch lässt sich das Brennstoffzellensystem sicher betreiben, ohne dass flüssiges Wasser in unerwünschte Bereiche eindringt und dort beispielsweise aktive Flächen benetzt und/oder in unerwünschten Bereichen bei einem Abstellen des
Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einfriert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den jeweils abhängigen
Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 eine beispielhafte Ausführungsform des Flüssigkeitssensors gemäß der Erfindung. In der Darstellung der Figur 1 ist stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 soll elektrische Leistung für das Fahrzeug 2, insbesondere Antriebsleistung für das Fahrzeug 2, bereitstellen. Es besteht im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle 3, welche einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 aufweist. Dem Kathodenraum 4 wird in an sich bekannter Art und Weise über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als
Sauerstofflieferant zugeführt. Über eine Abluftleitung 7 gelangt diese Abluft wieder aus dem System. Auf weitere Komponenten, welche im Bereich der Luftversorgung allgemein bekannt und üblich sind, beispielsweise Luftfilter, Befeuchter oder dergleichen, wurde zur Vereinfachung der Darstellung verzichtet. Ebenso auf Bauteile im Bereich der
Abluftleitung, beispielsweise eine Turbine zur Rückgewinnung von Restenergie in der Abluft.
Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 9 zugeführt. Nicht verbrauchter
Wasserstoff gelangt in an sich bekannter Art und Weise nach dem Anodenraum 5 über eine Rezirkulationsleitung 10 mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung 11 wieder zurück zum Eingang des Anodenraums 5 und wird dem Anodenraum 5 vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Im Bereich dieser sogenannten Anodenrezirkulation reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas an. Das Wasser ist das Produktwasser aus der Brennstoffzelle 3, wobei hier ein geringer Teil des Produktwassers im Bereich des Anodenraums und der größere Teil im Bereich des Kathodenraums 4 entsteht. Bei dem inerten Gas handelt es sich typischerweise um Stickstoff, welcher durch die
Membranen der als PEM-Brennstoffzelle aufgebauten Brennstoffzelle 3
hindurchdiffundiert und sich im Bereich des Anodenkreislaufs anreichert. Wasser und Gas müssen von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Hierfür können kombinierte Leitungen oder getrennte Leitungen für das Ablassen von Gas und für das Ablassen von Wasser vorgesehen sein. Für die hier vorliegende Erfindung ist lediglich das Ablassen von Wasser interessant, sodass nachfolgend nur hierauf weiter eingegangen wird. Zum Abscheiden des flüssigen Wassers aus dem Gas in der Rezirkulationsleitung 10 ist bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 ein Wasserabscheider 12 vorgesehen. Über eine Einrichtung 13 zum Ablassen von Wasser wird das flüssige Wasser an die Umgebung des Fahrzeugs 2 abgelassen. Ebenso könnte es beispielsweise in den Abluftstrom 7 abgelassen und in diesem verdampft und/oder zerstäubt werden. Auch das Speichern und/oder eine Wertverwendung des Wassers in dem Fahrzeug 2 sind möglich. Die Erfindung liegt dabei in der Vorrichtung 13 zum Ablassen des flüssigen Wassers. Diese ist in der Darstellung der Figur 1 lediglich als Kasten angedeutet. In der Darstellung der Figur 2 ist ein konkreter Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 13 dargestellt. Es ist wiederum der Wasserabscheider 12 sowie ein Teil der Rezirkulationsleitung 10 zu erkennen. In Richtung der Schwerkraft unten führt aus dem Wasserabscheider 12 ein Leitungselement 14, in dessen Bereich die Vorrichtung 13, welche hier mit einer strichpunktierten Linie umrandet ist, angeordnet ist. Sie besteht in Strömungsrichtung des flüssigen Wassers aus einer Ventileinrichtung 15 und einem Flüssigkeitssensor 16.
Außerdem umfasst sie ein Steuergerät 17. Die Funktionalität ist nun die, dass über den Flüssigkeitssensor 16 das Vorhandensein von Flüssigkeit erfasst wird. Dies wird an das Steuergerät 17 weitergemeldet. Der Flüssigkeitssensor 16 ist dabei in der Lage, zwischen keiner Flüssigkeit und wenigstens zwei unterschiedlichen Mengen an Flüssigkeit in dem abgelassenen Fluid zu unterscheiden. Die Flüssigkeitsmenge oberhalb eines
vorgegebenen Grenzwerts wird nachfolgend als große Flüssigkeitsmenge bezeichnet, die unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts als kleine Flüssigkeitsmenge. Dabei kann im Bereich der Ablassleitung 14 immer sowohl Flüssigkeit als auch Gas oder auch nur Flüssigkeit oder nur Gas vorliegen.
Um auf störanfällige Füllstandssensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12 verzichten zu können, schätzt das Steuergerät 17 die Menge an angefallenem
Produktwasser bzw. Kondensat ab. Dies kann insbesondere anhand der elektrischen Leistung P der Brennstoffzelle 3 aufsummiert oder aufintegriert über der Zeit erfolgen. Dies ist in der Darstellung der Figur 2 durch den mit P beschrifteten Pfeil 18, welcher entsprechende Daten an das Steuergerät 17 liefert, angedeutet. Sobald diese
Abschätzung eine abgeschätzte Flüssigkeitsmenge bzw. Kondensatmenge in dem Wasserabscheider 12 feststellt, welche oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt und damit ein Entleeren des Flüssigkeitsabscheiders 12 erforderlich macht, wird durch das Steuergerät 17 die Ventileinrichtung 15 geöffnet. Die Abschätzung der
Kondensatmenge wird gleichzeitig wieder auf„Null" gesetzt. Am Flüssigkeitsabscheider 16 lassen sich nach dem Öffnen der Ventileinrichtung 15 nun im Wesentlichen drei unterschiedliche Zustände feststellen.
Der erste Zustand, welcher im regulären Betrieb typischerweise selten auftritt, da er eine Fehlabschätzung der angefallenen Kondensatmenge voraussetzt, wäre der, dass keine Flüssigkeit im Bereich des Flüssigkeitssensors 16 vorliegt. In diesem Fall wird das Steuergerät 17 die Ventileinrichtung 15 unmittelbar wieder schließen. Lediglich durch die Leitungslänge zwischen der Ventileinrichtung 15 und dem Flüssigkeitssensor 16 und eine eventuelle Zeitverzögerung zur Erfassung des Messwerts des Flüssigkeitssensors 16 wird es dann zum Ablassen einer geringen Gasmenge kommen. Diese Menge ist typischerweise jedoch sehr gering und kann, auch wenn sie Wasserstoff bzw.
Restwasserstoff enthält, toleriert werden. Außerdem kommt diese Situation, wie oben erwähnt, im regulären Betrieb nur dann vor, wenn eine Fehlabschätzung der
Wassermenge aufgetreten ist, was typischerweise nicht sehr häufig sein wird.
Der zweite mögliche Fall besteht darin, dass ein großer Volumenstrom an flüssigem Wasser gemäß der oben genannten Definition erfasst wird. In diesem Fall bleibt die Ventileinrichtung 15 geöffnet. Im dritten Fall wird unmittelbar ein kleiner Volumenstrom an flüssigem Wasser erfasst oder der Volumenstrom an flüssigem Wasser sinkt dieser während des Ablassens vom erfassten großen Volumenstrom auf einen nunmehr erfassten kleinen Volumenstrom ab, dann wird durch das Steuergerät 17 die
Ventileinrichtung 15 geschlossen.
Immer wenn die Ventileinrichtung 15 geschlossen wird, egal aus welchem Grund, startet die zuvor auf„Null" gesetzte Abschätzung der Kondensatmenge neu und das Verfahren beginnt von vorne. Mit Ausnahme des selten auftretenden ersten Falls wird so sicher und zuverlässig das Entweichen von Wasserstoff an die Umgebung verhindert und gleichzeitig ein sicheres und zuverlässiges Ablassen der Flüssigkeit erreicht, sodass ein Fluten der Brennstoffzelle 3 und/oder der Rezirkulationsleitung 10 durch einen „überlaufenden" Wasserabscheider sicher und zuverlässig vermieden werden kann.
Ein besonders geeigneter Flüssigkeitssensor 16 wird dabei nachfolgend kurz
beschrieben. Hierfür wird auf die Figur 3 verwiesen. Der genaue Aufbau und die genaue Funktionalität sind außerdem in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 004 812 A1 beschrieben. Im Wesentlichen besteht der Flüssigkeitssensor 16 aus einem ersten Temperatursensor 19 und einem in Strömungsrichtung auf diesen Temperatursensor 19 folgendes Temperierelement 20, welches in wärmeleitender Verbindung mit einem zweiten Temperatursensor 21 steht. Das Temperierelement 20 umfasst einen
Grundkörper 22. Dieser kann insbesondere aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein. Je nach eingesetzten Stoffen sind auch keramische Werkstoffe oder entsprechende Beschickungen denkbar, um den
Grundkörper 22 des Temperierelements 20 chemisch gegen die Inhaltsstoffe der Flüssigkeit beständig zu machen. Insbesondere kann der Grundkörper 22, wie hier dargestellt, mehrere Öffnungen 23 aufweisen, durch welche das Fluid strömt. Das Temperierelement 20 kann beispielsweise auf einen vorgegebenen Temperaturwert aufgeheizt oder abgekühlt werden. Beim Kontakt des Grundkörpers 22 mit dem Fluid, dessen Temperatur vom Temperatursensor 19 her bekannt ist, kommt es dann zu einer Erwärmung oder zu einem Abkühlen des Grundkörpers 22. Die daraus resultierende Temperaturänderung lässt sich über den zweiten Temperatursensor 21 sicher und zuverlässig erfassen. Der Messung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das Fluid eine größere Wärmekapazität aufweist, wenn in dem Fluid eine Flüssigphase vorliegt. So bewirkt das Fluid in der Flüssigphase eine stärkere Änderung der mittels des
Temperierungselements 20 eingestellten Temperatur des von dem Fluid umströmten Grundkörpers 23, als dies durch ein Fluid ohne Vorliegen einer Flüssigphase oder mit einem geringeren Anteil an Flüssigphase der Fall wäre. Durch den Vergleich der im Bereich des ersten Temperatursensors 19 gemessenen Temperatur des Fluids und der sich in dem mittels des Temperierungselements 20 temperierten Grundkörper 22 infolge des Zuführens bzw. Durchströmens mit dem Fluid einstellenden Temperatur am
Temperatursensor 21 lässt sich so einfach und effizient das Vorliegen von Flüssigkeit erfassen. Insbesondere kann die Menge der vorliegenden Flüssigkeit in dem Fluid sicher und zuverlässig eingrenzt werden. Da dies insbesondere bei strömenden Fluiden ideal funktioniert, ist ein solcher Flüssigkeitssensor 16 hervorragend für die Anordnung nach der Ventileinrichtung 15, wie bei der hier beschriebenen Vorrichtung 13 ausgeführt, geeignet.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (13) zum Ablassen von flüssigem Wasser aus einem
Wasserabscheider (12) in einem Brennstoffzellensystem (1), mit einer
Ventileinrichtung (15), mit einem Flüssigkeitssensor (16) und mit einem Steuergerät (17), welches die Ventileinrichtung (15) in Abhängigkeit von Messwerten des Flüssigkeitssensors (16) steuert,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitssensor (16) in Strömungsrichtung nach der Ventileinrichtung (15) angeordnet ist.
Vorrichtung (13) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitssensor (16) zwei Temperatursensoren (19, 21) und ein
Temperierungselement (20) in Strömungsrichtung nach dem ersten
Temperatursensor (19) und in wärmeleitendem Kontakt zu dem zweiten
Temperatursensor (21) aufweist.
Vorrichtung (13) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Temperierungselement (20) einen von der Flüssigkeit durchströmten
Grundkörper (22) aufweist.
Vorrichtung (13) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Temperatursensor (21) nicht in Berührung mit der Flüssigkeit ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (13) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (22) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht.
6. Vorrichtung (13) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitssensor (16) als Ultraschallsensor ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserabscheider (12) in einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
8. Verfahren zum Ablassen von flüssigem Wasser und/oder Gas aus einem
Wasserabscheider eines Brennstoffzellensystems mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
8.1 die im Wasserabscheider (12) anfallende Kondensatmenge grob abgeschätzt wird,
8.2 sobald die abgeschätzte Kondensatmenge einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat, wir die Ventileinrichtung (15) geöffnet, wonach
8.3 falls kein flüssiges Wasser am Flüssigkeitssensor (16) detektiert wird, die
Ventileinrichtung (15) sofort wieder geschlossen wird,
8.4 falls flüssiges Wasser am Flüssigkeitssensor (16) detektiert wird,
8.4.1 bei einem Volumenstrom an flüssigem Wasser oberhalb eines vorgegebenen
Grenzwerts die Ventileinrichtung (15) geöffnet gehalten wird,
8.4.2 bei einem Volumenstrom an flüssigem Wasser unter dem vorgegeben Grenzwert oder einem sich unter den vorgegebenen Grenzwert verringernden Volumenstrom an flüssigem Wasser die Ventileinrichtung (15) geschlossen wird,
8.5 mit dem Schließen der Ventileinrichtung die grobe Abschätzung der anfallenden Kondensatmenge erneut startet.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Abschätzung der Kondensatmenge anhand der Brennstoffzellenleistung vorgenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die Abschätzung der Kondensatmenge die dosierte Wasserstoffmenge und/oder die Zeit einbezogen wird.
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