WO2022128351A1 - Gasfördereinheit, system aus einer gasfördereinheit und einer wasserabscheidevorrichtung und brennstoffzellensystem - Google Patents

Gasfördereinheit, system aus einer gasfördereinheit und einer wasserabscheidevorrichtung und brennstoffzellensystem Download PDF

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gas
anode
flow
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Tobias FALKENAU
Timo Bosch
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Gas delivery unit system consisting of a gas delivery unit and a water separator and fuel cell system
  • Fuel cells represent electrochemical energy converters in which process gases, often hydrogen and oxygen, for example from the compressed ambient air, are converted into water, electrical energy and heat.
  • the process gases and coolant are fed into the fuel cell via a media supply.
  • the fuel cell typically comprises two electrodes, an anode and a cathode, which are separated from one another by means of an electrolyte, for example a membrane.
  • the electrolyte provides the ion transport between the anode and the cathode.
  • Such fuel cells are known, for example, as polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a cathode-side monopolar plate of a fuel cell comes to rest with an anode-side monopolar plate of a fuel cell that comes next to it.
  • Two monopolar plates between two nearest fuel cells together form a bipolar plate.
  • the bipolar plates typically have channels for a coolant and for the process gases.
  • the individual fuel cells are typically arranged next to one another in the manner of a sandwich.
  • the fuel cell stack is delimited on both sides by two end plates.
  • the electrical voltage generated can be increased by means of a fuel cell stack.
  • the media supply has an anode supply and a cathode supply.
  • the anode supply includes an anode supply line for supplying anode gas to the fuel cell, an anode off-gas line for discharging anode off-gas from the fuel cell, and a recirculation line for recirculating anode off-gas.
  • anode supply line for supplying anode gas to the fuel cell
  • anode off-gas line for discharging anode off-gas from the fuel cell
  • a recirculation line for recirculating anode off-gas.
  • hydrogen that has not been consumed and that has been discharged from the fuel cell system can be fed back into the fuel cell system as anode gas.
  • gas conveying units are preferably used in order to supply the anode exhaust gas, which is still rich in hydrogen, to the anode again with fresh anode gas, in particular hydrogen.
  • the cathode supply has in particular a cathode supply line for supplying cathode gas to the fuel cell and a cathode exhaust line for discharging cathode
  • product liquid water that is produced reaches the anode sides of the fuel cells and ultimately accumulates in the anode supply, in particular in the anode exhaust gas line and in particular in the gas delivery unit.
  • the liquid product water can lead to damage to the gas delivery unit arranged in the recirculation line and to blocking of flow paths.
  • a supply of anode waste gas without liquid water components is therefore to be regarded as optimal.
  • the water separation device is coupled to the gas delivery unit.
  • liquid water which has been separated from the anode waste gas is briefly temporarily stored in a collection container of the water separating device.
  • the collected liquid water can be drained from the collection tank via a controllable valve for flow control.
  • Anode waste gas can thus be provided for the gas delivery unit by means of the water separation device which is ideally completely separated from the amount of liquid water.
  • DE 10 2017 222 390 A1 discloses a delivery device for a fuel cell system for delivering and/or recirculating a gaseous medium, in particular hydrogen, with a recirculation fan, with a water separator, with a pump driven by a drive jet of a pressurized gaseous medium Jet pump and with a metering valve.
  • liquid components or a quantity of liquid water can nevertheless leave the system.
  • Liquid water can also be discharged from the water separation device if it overflows. In other words, it can happen that the collected, separated liquid water can enter the downstream components, such as the gas conveying unit, directly. Furthermore, the waste heat losses of the anode waste gas can lead to water condensing out and thus to the further production of liquid water.
  • filling level sensors within the water separating device, with which it is determined when a critical filling level of the collection container has been reached and the valve for draining the liquid water can be opened.
  • the measurement of the filling level sensors can be falsified by water condensing out through waste heat losses of the anode exhaust gas, for example in the form of drops on the inner wall of the collecting container.
  • the present invention relates to a gas delivery unit for a fuel cell system according to the features of claim 1 and a system made up of a gas delivery unit and a water separator according to the features of claim 8 and a fuel cell system according to the features of claim 10.
  • the present invention shows a gas delivery unit for delivery of anode exhaust gas from a fuel cell system, wherein the gas delivery unit has a first flow inlet for the inlet of anode exhaust gas into the gas delivery unit and a flow outlet for the outlet of anode exhaust gas from the gas delivery unit, the first flow inlet having a first flow outlet a water separation device can be connected in fluid communication, with a sensor device for determining a characteristic variable of the gas conveyor unit being provided, with the sensor device being assigned to the gas conveyor unit, with the gas conveyor unit comprising a control device which is configured to use sensor signals from the sensor device to determine the characteristic variable of the gas conveyor unit evaluate a target-actual value comparison and based on the determined characteristic variable of the gas delivery unit a level height of the water separator to determine the device.
  • the gas delivery unit can be fluidly connected to the water separating device such that anode exhaust gas from the water separating device is routed from the first flow outlet of the water separating device into the gas delivery unit via the first flow inlet of the gas delivery unit.
  • the water separation device By means of the water separation device, the amount of liquid water in the Anode exhaust gas are reduced, so that the efficiency of the gas delivery unit is not affected by liquid water in the anode exhaust gas.
  • the sensor device is preferably assigned to the gas delivery unit, or is connected to the gas delivery unit for data communication.
  • the sensor device can preferably be arranged in the gas delivery unit or externally.
  • the sensor device can measure data relating to the characteristic variable of the gas delivery unit and forward this data to the control device as sensor signals.
  • the control device is connected to the sensor device in particular for data communication.
  • the control device is configured to receive and evaluate the sensor signals from the sensor device.
  • the sensor signals are preferably evaluated by means of a setpoint/actual value comparison.
  • the sensor signals represent the actual value of the characteristic variable of the gas delivery unit.
  • the control device is preferably assigned to the gas delivery unit, or is connected to the gas delivery unit for data communication. In this case, the control device can be arranged externally or integrated into the gas delivery unit.
  • the gas delivery unit according to the invention can preferably be used in any type of fuel cell system, with the number and design of the individual components of the fuel cell system being variably adaptable.
  • the gas delivery unit according to the invention can preferably be used for hydrogen-operated fuel cell systems.
  • the gas delivery unit according to the invention can also be used for cathode exhaust gas or generally for process exhaust gas.
  • the gas delivery unit according to the invention can also generally be used for the delivery of process gas, such as anode gas or cathode gas.
  • the invention has the advantage that a reliable and precise detection of the fill level of the water separation device can be achieved by means of the characteristic size of the gas delivery unit.
  • the fill level of the water separation device can preferably be inferred from the amount of liquid water in the anode waste gas. In this case, an erroneous determination of the fill level of the water separation device by means of fill level sensors be avoided within the water separation device due to water condensing out. Likewise, the costs can be reduced since the use of an additional filling level sensor within the water separating device is no longer necessary. Furthermore, the gas delivery unit can be efficiently protected against a harmful amount of liquid water, since the liquid water that has collected in the water separation device can be drained off in a targeted manner by precisely determining the filling level of the water separation device.
  • Draining of collected liquid water in the water separation device can therefore advantageously take place at specific points in time and does not have to take place unnecessarily often or continuously. This increases the efficiency of a fuel cell system in which the gas delivery unit according to the invention is used, since when liquid water is drained from the water separating device it can otherwise happen that hydrogen is also drained and can no longer be available as anode gas.
  • a further advantage of the gas delivery unit according to the invention is the reduction in the number of mechanical system interfaces, since no further system intervention has to take place, for example via an additional level sensor.
  • the characteristic variable of the gas delivery unit is a temperature difference
  • the sensor device comprising a first and a second temperature sensor, the first temperature sensor being arranged at the first flow inlet of the gas delivery unit and the second temperature sensor being arranged at the flow outlet of the gas delivery unit
  • the control device is configured to determine the filling level of the water separation device based on the temperature difference between the first and second temperature sensors.
  • the first temperature sensor is provided at the first flow inlet of the gas delivery unit and determines a first temperature of the anode waste gas which enters the gas delivery unit at the first flow inlet.
  • the second temperature sensor is provided at the flow outlet of the gas delivery unit in order to determine a second temperature of the anode waste gas which emerges from the gas delivery unit at the flow outlet.
  • the temperature difference denotes the difference between the first and the second temperature.
  • the gas delivery unit transfers heat into the delivered anode exhaust gas, since the preferably electrically operated gas delivery unit generates waste heat during pumping. Part of this waste heat is transferred into the extracted anode waste gas by dissipation.
  • the water separation device has, in particular, a maximum degree of separation, so that the anode waste gas can have a relative humidity of 100% at the first flow inlet into the gas delivery unit.
  • the anode gas has a maximum amount of water vapor and it already carries with it the energy that was required to evaporate water.
  • the anode waste gas enters the gas conveying unit in the first flow inlet, the anode waste gas in particular receives additional heat from the waste heat produced in the gas conveying unit, which is why the temperature of the anode waste gas rises.
  • this temperature increase in the anode exhaust gas can be determined as a temperature difference between the first and second temperature sensors.
  • the waste heat from the gas delivery unit is used to evaporate the liquid water in the anode exhaust gas within the gas delivery unit and the temperature of the anode exhaust gas cannot rise any further.
  • the temperature difference between the first and second temperature sensors is equal to zero.
  • a characterizing filling level of the water separation device can be determined depending on the design of the sensor device.
  • the characteristic variable of the gas delivery unit is a speed of the gas delivery unit, wherein the sensor device is designed as a speed sensor integrated in the gas delivery unit, and wherein the control device is configured, based on a difference from a target speed of the gas delivery unit, the fill level of the Determine water separation device.
  • the power of the gas delivery unit is proportional to the speed of the gas delivery unit. For structural reasons, however, the gas delivery unit can more easily achieve a desired set speed the less liquid water is present in the anode waste gas at the first flow inlet.
  • the speed of the gas delivery unit drops while the power remains the same, the more liquid water is present in the anode exhaust gas.
  • the speed of the gas conveying unit is inversely proportional to the amount of liquid water in the anode waste gas while the power remains the same.
  • An actual speed of the gas delivery unit can be determined by means of the speed sensor and the control device can determine the filling level of the water separation device by means of the setpoint/actual value comparison between the actual speed and the setpoint speed via the difference to the setpoint speed. This can be determined here in particular via the amount of liquid water carried along in the anode exhaust gas, which can reduce the speed while the power remains the same.
  • the characteristic variable of the gas delivery unit is a performance difference of the gas delivery unit, the sensor device being designed as a performance sensor integrated in the gas delivery unit, and the control device being configured based on a difference to a target performance of the gas delivery unit, the fill level of the water separation device. For example, a recurring power difference can also be monitored over time.
  • the performance sensor of the gas delivery unit can determine or measure an actual performance of the gas delivery unit.
  • a power without liquid water can be stored in the control device as a target power.
  • the electrical power or power consumption of the gas delivery unit scales with the liquid water volume at a defined constant speed. Based on an increase in power consumption, i.e.
  • the first flow inlet of the gas delivery unit can be connected directly to the first flow outlet of the water separation device in order to form a first flow path for anode waste gas from the water separation device into the gas delivery unit, with the first flow inlet of the gas delivery unit being arranged at the top of the gas delivery unit counter to the direction of gravity .
  • the gas delivery unit and the water separation device are connected to one another in fluid communication at the highest possible point of the gas delivery unit and the water separation device.
  • the second flow path is arranged below the first flow path.
  • the second flow inlet of the gas delivery unit is arranged below the first flow inlet of the gas delivery unit.
  • the second flow outlet of the water separation device is arranged below the first flow outlet of the water separation device.
  • the second flow path illustratively represents a level bore.
  • the gas delivery unit can suck in anode exhaust gas, in particular including liquid water within the anode exhaust gas, via the second flow path.
  • liquid water can enter the gas delivery unit via the second flow path when the fill level of the water separation device is above the second flow path.
  • this can be recognized by determining the characteristic variable of the gas delivery unit and the liquid water of the water separator can be drained off via the valve as required.
  • a third temperature sensor can be provided at the second flow inlet of the gas delivery unit, with which an additional temperature of the anode exhaust gas that enters the gas delivery unit at the second flow inlet can be determined. The above-described determination of the characteristic variable of the gas delivery unit using the temperature difference can thus be further improved.
  • the first flow path and the second flow path can form an acute angle, preferably between 10° and 80°.
  • the second flow path is preferably designed in such a way that a minimum amount of liquid water can be sucked out of the water separation device. This has the particular advantage that the liquid water in the water separation device or the fill level of the water separation device can be reliably detected.
  • the second flow path can also be designed in such a way that the flow of liquid water from the water separation device into the gas delivery unit is limited to a specified minimum value. Overall, the advantage can be achieved that by means of the second Flow path, the gas delivery unit can be efficiently protected from a critical amount of liquid water from the water separator. It should also be noted that any number of flow paths can be provided, for example a third flow path.
  • the present invention shows a system comprising a gas delivery unit according to one of the preceding embodiments and a water separation device, wherein the water separation device has a collection container for collecting separated liquid water from an anode exhaust gas and a controllable valve for flow control of collected liquid water from the collection container, wherein the water separation device is coupled to the gas delivery unit in such a way that the first flow outlet of the water separation device is connected to the first flow inlet of the gas delivery unit.
  • the system according to the invention comprising the gas delivery unit and the water separation device, therefore has the same features and advantages as the gas delivery unit according to the invention.
  • valve for flow control can be controlled by means of the control device of the gas delivery unit as a function of the specific characteristic variable of the gas delivery unit.
  • the water separating device can thus be emptied both when the maximum fill level is reached and depending on the operating point, as a result of which the gas delivery unit can be efficiently protected from liquid water.
  • the present invention shows a fuel cell system comprising at least one fuel cell with an anode and a cathode, an electrolyte being arranged between the anode and the cathode, the fuel cell system also having a Anode supply having an anode supply line for supplying anode gas to the fuel cell, an anode off-gas line for discharging anode off-gas from the fuel cell and a recirculation line for recirculating anode off-gas, the anode supply having at least one system according to one of the preceding embodiments.
  • the fuel cell system according to the invention thus includes the gas delivery unit according to the invention and the water separation device and therefore includes the same features and advantages as the gas delivery unit according to the invention.
  • the fuel cell system can be used in a motor vehicle, such as a passenger car or a truck, to generate electrical energy for driving the motor vehicle, in particular for driving an electric drive motor of the motor vehicle.
  • a motor vehicle such as a passenger car or a truck
  • further system modules are required, such as, for example, a media supply module for supplying the fuel cell system in or on the vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a system according to the invention made up of a gas delivery unit and a water separation device for a fuel cell system. Description of the embodiment
  • Figure 1 shows a schematic view of an embodiment of a system 40 according to the invention from a gas delivery unit 10 for delivery of anode waste gas A and a water separator 20 for a fuel cell system, not shown.
  • the system 40 can be arranged in a recirculation line (not shown) of an anode supply of the fuel cell system.
  • the water separation device 20 has a collecting tank 23 for collecting separated liquid water FW from an anode waste gas A and a controllable valve (not shown) for flow control of collected liquid water FW from the collecting tank 23 .
  • a flow inlet 21 for anode waste gas A of the fuel cell system is arranged on a ceiling area 26 of the collecting tank 23 of the water separation device 20 .
  • Anode waste gas A can enter the collection container 23 or the water separation device 20 in the direction of the arrow via the flow inlet 21 .
  • product liquid water that is formed reaches the anode sides of the fuel cells and eventually accumulates in the anode supply.
  • the anode waste gas A which enters the water separation device 20 at the flow inlet 21, can carry liquid water components with it.
  • the anode waste gas A flows in the direction of a side wall 24 of the collecting container 23 of the water separating device 20, on which a first flow outlet 22a is arranged.
  • water W can be separated in the direction of a bottom region 25 of the collecting container 23 of the water separation device in the direction of gravity.
  • liquid water FW collects in the bottom area 25 of the collection container 23 of the water separation device 25 . This can be discharged in particular through the controllable valve, not shown.
  • Water separating device 20 has, for example, a second flow outlet 22b on side wall 24 of collecting container 23 .
  • the second flow exit 22b is below the first flow exit 22a arranged.
  • Anode waste gas A can emerge from the water separation device 20 from the first flow outlet 22a and the second flow outlet 22b.
  • the first flow outlet 22a is arranged counter to the direction of gravity at the top of the side wall 24 in the top area 26 of the collecting container 23 of the water separation device 20 .
  • the water separation device 20 is connected to the gas delivery unit 10 .
  • the gas conveying unit 10 has, for example, a top area 15 , a bottom area 14 and a side wall 13 , with the side wall 13 facing the side wall 24 of the water separation device 20 .
  • a first flow inlet 11a and a second flow inlet 11b are arranged on the side wall 13 of the gas delivery unit 10 .
  • the second flow inlet 11b is arranged below the first flow inlet 11a.
  • the first flow inlet 11a is arranged at the top of the side wall 13 counter to the direction of gravity.
  • the water separating device 20 is coupled to the gas delivery unit 10 in such a way that the first flow outlet 22a of the water separating device 20 is directly fluid-communicatingly connected to the first flow inlet 11a of the gas delivery unit 10 .
  • the first flow inlet 11a and the first flow outlet 22a are arranged at the same height on the associated side wall 13, 24 in each case.
  • the second flow outlet 22b of the water separation device 20 is connected to the second flow inlet 11b of the gas delivery unit 10 in a fluid-communicating manner.
  • a first flow path 30 is formed by connecting the first flow inlet 11a of the gas delivery unit 10 to the first flow outlet 22a of the water separation device 20 .
  • anode waste gas A flows from the water separation device 20 into the gas delivery unit 10.
  • a second flow path 31 is formed.
  • anode waste gas A flows from the water separation device 20 into the gas conveying unit 10.
  • the anode gas A is directed in the direction of a flow outlet 12 of the gas delivery unit 10, for example in the bottom region 14 of the gas delivery unit 10.
  • the anode waste gas A emerges from the flow outlet 12 from the gas delivery unit 10 .
  • the second flow path 31 illustratively represents a level bore.
  • the gas delivery unit 10 can draw in anode waste gas A, in particular including liquid water FW within the anode waste gas A, via the second flow path 31 .
  • liquid water FW can enter the gas delivery unit 10 via the second flow path 31 when the fill level of the water separation device 20 is above the second flow path 31 .
  • the second flow path 31 is inclined in relation to the first flow path 30 in such a way that a flow of liquid water FW from the water separation device 20 into the gas delivery unit 10 is limited.
  • the first flow path 30 and the second flow path 31 form an acute angle.
  • a distance between the first flow outlet 22a and the second flow outlet 22b on the side wall 24 of the collecting container 23 of the water separation device 20 is greater than a distance between the first flow inlet 11a and the second flow inlet 11b on the side wall 13 of the gas delivery unit 10.
  • a sensor device for determining a characteristic variable of the gas delivery unit 10 is assigned to the gas delivery unit 10 or is connected to the gas delivery unit 10 for data communication.
  • the gas delivery unit 10 also includes a control device, not shown, which is configured to evaluate sensor signals from the sensor device to determine the characteristic variable of the gas delivery unit 10 by means of a target/actual value comparison and, based on the determined characteristic variable of the gas conveyor unit 10, a fill level of the water separation device 20 to determine.
  • the sensor device can measure data relating to the characteristic variable of the gas delivery unit 10 and forward this data to the control device as sensor signals.
  • the control device is connected to the sensor device in particular for data communication.
  • the control device is configured to receive and evaluate the sensor signals from the sensor device.
  • the sensor signals are preferably evaluated by means of a setpoint/actual value comparison.
  • the control device is preferably assigned to the gas delivery unit 10 or connected to the gas delivery unit 10 for data communication.
  • the characteristic variable of the gas delivery unit 10 is formed as a temperature difference, with the sensor device comprising a first and a second temperature sensor, with the first temperature sensor being arranged at the first flow inlet 11a of the gas delivery unit 10 and with the second temperature sensor being arranged at the flow outlet 12 of the gas delivery unit 10 is arranged, and wherein the control device is configured to determine the filling level of the water separating device 20 based on the temperature difference between the first and second temperature sensors.
  • the first temperature sensor is provided at the first flow inlet 11a of the gas delivery unit 10 and determines a first temperature of the anode exhaust gas A, which enters the gas delivery unit 10 at the first flow inlet 11a.
  • the second temperature sensor is provided at the flow outlet 12 of the gas delivery unit 10 in order to determine a second temperature of the anode waste gas A, which exits from the gas delivery unit 10 at the flow outlet 12 .
  • the temperature difference denotes the difference between the first and the second temperature.
  • a third temperature sensor can be provided at the second flow inlet of the gas delivery unit, with which an additional temperature of the anode exhaust gas that enters the gas delivery unit at the second flow inlet can be determined.
  • the above-described determination of the characteristic variable of the gas delivery unit using the temperature difference can thus be further improved.
  • the waste heat from the gas delivery unit 10 is used to evaporate the liquid water FW of the anode waste gas A within the gas delivery unit 10 and the temperature of the anode waste gas A cannot rise any further.
  • the temperature difference between the first and second temperature sensors is equal to zero.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasfördereinheit (10) zur Förderung von Anodenabgas (A) eines Brennstoffzellensystems, wobei die Gasfördereinheit (10) einen ersten Strömungseingang (11a) zum Einlass von Anodenabgas (A) in die Gasfördereinheit (10) und einen Strömungsausgang (12) zum Auslass von Anodenabgas (A) aus der Gasfördereinheit (10) aufweist, wobei der erste Strömungseingang (11a) mit einem ersten Strömungsausgang (22a) einer Wasserabscheidevorrichtung (20) fluidkommunizierend verbindbar ist, wobei eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) vorgesehen ist, wobei die Sensorvorrichtung der Gasfördereinheit (10) zugeordnet ist, wobei die Gasfördereinheit (10) eine Steuervorrichtung umfasst, welche dazu konfiguriert ist, Sensorsignale der Sensorvorrichtung zur Bestimmung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) mittels eines Soll- Ist- Wert- Abgleichs auszuwerten und basierend auf der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) eine Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung (20) zu bestimmen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System (40) aus einer Gasfördereinheit (10) und einer Wasserabscheidevorrichtung (20) sowie ein Brennstoffzellensystem.

Description

Beschreibung
Titel
Gasfördereinheit, System aus einer Gasfördereinheit und einer Wasserabscheidevorrichtung und Brennstoffzellensystem
Stand der Technik
Brennstoffzellen stellen elektrochemische Energiewandler dar, bei denen Prozessgase, oft Wasserstoff und Sauerstoff, bspw. aus der verdichteten Umgebungsluft, in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die Prozessgase sowie Kühlmittel werden über eine Medienversorgung in die Brennstoffzelle geleitet. Die Brennstoffzelle umfasst typischerweise zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, welche mittels eines Elektrolyts, bspw. einer Membran, voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt stellt dabei den lonen-Transport zwischen Anode und Kathode bereit. Derartige Brennstoffzellen sind bspw. als Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellen bekannt.
Oft werden Wiederholeinheiten von mehreren Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellensystem in Form von einem Stapel oder sog. Stack gestapelt. Eine kathodenseitige Monopolarplatte einer Brennstoffzelle kommt dabei mit einer anodenseitigen Monopolarplatte einer darauf kommenden Brennstoffzelle zur Auflage. Zwei Monopolarplatten zwischen zwei nächstliegenden Brennstoffzellen bilden zusammen eine Bipolarplatte. Die Bipolarplatten weisen typischerweise Kanäle für ein Kühlmittel und für die Prozessgase auf. Dabei werden die einzelnen Brennstoffzellen typischerweise sandwichartig aneinander angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel ist beidseitig von zwei Endplatten begrenzt. Mittels eines Brennstoffzellenstapels kann insbesondere die erzeugte elektrische Spannung erhöht werden. Um ein Brennstoffzellensystem mit den Prozessgasen zu versorgen, weist die Medienversorgung eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist eine Anodenversorgungsleitung zum Zuführen von Anodengas an die Brennstoffzelle, eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas von der Brennstoffzelle und eine Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas auf. Mittels der Rezirkulationsleitung kann nicht verbrauchter und aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragener Wasserstoff als Anodengas erneut in das Brennstoffzellensystem eingespeist werden. Hierzu werden bevorzugt Gasfördereinheiten eingesetzt, um das noch wasserstoffreiche Anodenabgas mit frischen Anodengas, insbesondere Wasserstoff, erneut der Anode zuzuführen. Die Kathodenversorgung weist insbesondere eine Kathodenversorgungsleitung zum Zuführen von Kathodengas an die Brennstoffzelle und eine Kathodenabgasleitung zum Abführen von Kathodenabgas von der Brennstoffzelle auf.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gelangt entstehendes Produkt- Flüssigwasser auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammelt sich schließlich in der Anodenversorgung an, insbesondere in der Anodenabgasleitung und insbesondere in der Gasfördereinheit. Das Produkt- Flüssigwasser kann dabei zur Schädigung der in der Rezirkulationsleitung angeordneten Gasfördereinheit sowie zum Blockieren von Strömungspfaden führen. Anodenseitig ist daher eine Versorgung mit Anodenabgas ohne flüssige Wasserbestandteile als optimal anzusehen.
Es ist daher bekannt, eine Wasserabscheidevorrichtung bzw. einen Wasserabscheider in der Anodenversorgung vorzusehen, um das Anodenabgas größtenteils von der Flüssigwassermenge zu separieren. Insbesondere ist die Wasserabscheidevorrichtung mit der Gasfördereinheit gekoppelt. In der Wasserabscheidevorrichtung wird dabei Flüssigwasser, welches aus dem Anodenabgas abgeschieden wurde, in einem Sammelbehälter der Wasserabscheidevorrichtung kurzzeitig zwischengespeichert. Das gesammelte Flüssigwasser kann über ein ansteuerbares Ventil zur Durchflusssteuerung aus dem Sammelbehälter abgelassen werden. Somit kann mittels der Wasserabscheidevorrichtung Anodenabgas für die Gasfördereinheit bereitgestellt werden, welches optimalerweise vollständig von der Flüssigwassermenge separiert ist.
Aus der DE 10 2017 222 390 Al ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, insbesondere Wasserstoff, mit einem Rezirkulationsgebläse, mit einem Wasserabscheider, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und mit einem Dosierventil.
Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass je nach Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems und der Abscheideleistung der Wasserabscheidevorrichtung flüssige Bestandteile bzw. eine Flüssigwassermenge diese dennoch verlassen können. Ebenfalls kann es zum Ausleiten von Flüssigwasser aus der Wasserabscheidevorrichtung kommen, wenn diese überläuft. Mit anderen Worten kann es vorkommen, dass das gesammelte abgeschiedene Flüssigwasser direkt in die nachfolgenden Komponenten, wie bspw. der Gasfördereinheit eintreten kann. Weiterhin kann es durch Abwärmeverluste des Anodenabgases zur Auskondensation von Wasser und somit zur weiteren Erzeugung von Flüssigwasser kommen.
Es ist daher bekannt, Füllstandssensoren innerhalb der Wasserabscheidevorrichtung zu verwenden, mit denen festgestellt wird, wann eine kritische Füllstandshöhe des Sammelbehälters erreicht ist und das Ventil zum Ablassen des Flüssigwassers geöffnet werden kann. Die Messung der Füllstandssensoren kann jedoch von auskondensierendem Wasser durch Abwärmeverluste des Anodenabgases, bspw. in Form von Tropfen an der Innenwand des Sammelbehälters, verfälscht werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasfördereinheit für ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein System aus einer Gasfördereinheit und einer Wasserabscheidevorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasfördereinheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und dem Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Gasfördereinheit zur Förderung von Anodenabgas eines Brennstoffzellensystems, wobei die Gasfördereinheit einen ersten Strömungseingang zum Einlass von Anodenabgas in die Gasfördereinheit und einen Strömungsausgang zum Auslass von Anodenabgas aus der Gasfördereinheit aufweist, wobei der erste Strömungseingang mit einem ersten Strömungsausgang einer Wasserabscheidevorrichtung fluidkommunizierend verbindbar ist, wobei eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit vorgesehen ist, wobei die Sensorvorrichtung der Gasfördereinheit zugeordnet ist, wobei die Gasfördereinheit eine Steuervorrichtung umfasst, welche dazu konfiguriert ist, Sensorsignale der Sensorvorrichtung zur Bestimmung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit mittels eines Soll-Ist-Wert-Abgleichs auszuwerten und basierend auf der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit eine Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung zu bestimmen.
Insbesondere kann die Gasfördereinheit mit der Wasserabscheidevorrichtung fluidkommunizierend verbunden werden, derart, dass Anodenabgas aus der Wasserabscheidevorrichtung aus dem ersten Strömungsausgang der Wasserabscheidevorrichtung in die Gasfördereinheit über den ersten Strömungseingang der Gasfördereinheit geleitet wird. Mittels der Wasserabscheidevorrichtung kann dabei die Flüssigwassermenge des Anodenabgases reduziert werden, sodass die Effizienz der Gasfördereinheit durch Flüssigwasser im Anodenabgas nicht beeinträchtigt wird.
Die Sensorvorrichtung ist vorzugsweise der Gasfördereinheit zugeordnet, bzw. datenkommunizierend mit der Gasfördereinheit verbunden. Dabei kann die Sensorvorrichtung bevorzugt in der Gasfördereinheit oder extern angeordnet sein. Die Sensorvorrichtung kann Daten hinsichtlich der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit messen und diese Daten als Sensorsignale an die Steuervorrichtung weiterleiten. Die Steuervorrichtung ist hierzu insbesondere datenkommunizierend mit der Sensorvorrichtung verbunden. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, die Sensorsignale der Sensorvorrichtung zu empfangen und auszuwerten. Dabei erfolgt die Auswertung der Sensorsignale bevorzugt mittels eines Soll-Ist-Wert-Abgleichs. Insbesondere stellen die Sensorsignale den Ist-Wert der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit dar. Die Steuervorrichtung ist bevorzugt der Gasfördereinheit zugeordnet, bzw. datenkommunizierend mit der Gasfördereinheit verbunden. Dabei kann die Steuervorrichtung extern angeordnet sein, oder in die Gasfördereinheit integriert sein.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Gasfördereinheit bei jeglicher Art von Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, wobei die Anzahl und die Ausbildung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems variabel anpassbar sind. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Gasfördereinheit für Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Gasfördereinheit auch für Kathodenabgas bzw. generell für Prozessabgas verwendet werden. Auch kann die erfindungsgemäße Gasfördereinheit generell für die Förderung von Prozessgas, wie Anodengas oder Kathodengas, verwendet werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass mittels der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit eine zuverlässige und präzise Detektion der Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung erreicht werden kann. Auf die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung kann bevorzugt über die Flüssigwassermenge im Anodenabgas geschlossen werden. Hierbei kann eine fehlerhafte Bestimmung der Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung mittels Füllstandssensoren innerhalb der Wasserabscheidevorrichtung aufgrund von auskondensierendem Wasser vermieden werden. Ebenso können die Kosten reduziert werden, da die Verwendung eines zusätzlichen Füllstandssensors innerhalb der Wasserabscheidevorrichtung entfällt. Weiterhin kann die Gasfördereinheit vor einer schädlichen Flüssigwassermenge effizient geschützt werden, da durch die präzise Bestimmung der Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung das angesammelte Flüssigwasser in der Wasserabscheidevorrichtung gezielt abgelassen werden kann. Ein Ablassen von gesammeltem Flüssigwasser in der Wasserabscheidevorrichtung kann daher vorteilhafterweise zu gezielten Zeitpunkten erfolgen und muss nicht unnötig oft oder kontinuierlich erfolgen. Dies erhöht die Effizienz eines Brennstoffzellensystems, in dem die erfindungsgemäße Gasfördereinheit verwendet wird, da es beim Ablassen von Flüssigwasser aus der Wasserabscheidevorrichtung sonst vorkommen kann, dass Wasserstoff ebenso mit abgelassen wird und nicht mehr als Anodengas zur weiteren Verfügung stehen kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gasfördereinheit besteht in der Reduktion der mechanischen Systemschnittstellen, da kein weiterer Systemeingriff bspw. über einen zusätzlichen Füllstandssensor erfolgen muss.
Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit eine Temperaturdifferenz ist, wobei die Sensorvorrichtung einen ersten und einen zweiten Temperatursensor umfasst, wobei der erste Temperatursensor an dem ersten Strömungseingang der Gasfördereinheit angeordnet ist und wobei der zweite Temperatursensor an dem Strömungsausgang der Gasfördereinheit angeordnet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung zu bestimmen. Mit anderen Worten ist am ersten Strömungseingang der Gasfördereinheit der erste Temperatursensor vorgesehen, der eine erste Temperatur des Anodenabgases ermittelt, welches am ersten Strömungseingang in die Gasfördereinheit eintritt. Der zweite Temperatursensor ist am Strömungsausgang der Gasfördereinheit vorgesehen, um eine zweite Temperatur des Anodenabgases zu ermitteln, welches am Strömungsausgang aus der Gasfördereinheit austritt. Die Temperaturdifferenz bezeichnet die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur. Insbesondere überträgt die Gasfördereinheit aufgrund ihres Betriebes Wärme in das geförderte Anodenabgas, da die vorzugsweise elektrisch betriebene Gasfördereinheit beim Pumpen Abwärme erzeugt. Ein Teil dieser Abwärme wird in das geförderte Anodenabgas durch Dissipation übertragen.
In einem Idealfall weist die Wasserabscheidevorrichtung insbesondere einen maximalen Abscheidegrad auf, sodass das Anodenabgas am ersten Strömungseingang in die Gasfördereinheit eine relative Feuchte von 100% aufweisen kann. Mit anderen Worten weist das Anodengas dabei eine Höchstmenge an Wasserdampf auf und es führt bereits jene Energie mit, welche zur Verdampfung von Wasser benötigt wurde. Wenn dieses Anodenabgas in die Gasfördereinheit im ersten Strömungseingang eintritt, bekommt das Anodenabgas insbesondere zusätzliche Wärme durch die entstehende Abwärme in der Gasfördereinheit zugeführt, weshalb die Temperatur des Anodenabgases ansteigt. Mit anderen Worten kann dieser Temperaturanstieg des Anodenabgases als Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor ermittelt werden.
Insbesondere wenn kein Temperaturanstieg des Anodenabgases über die Gasfördereinheit, also zwischen dem ersten Strömungseingang und dem Strömungsausgang, vorliegt, kann aufgrund des isothermen Vorgangs der Verdampfung auf zu viel Flüssigwasser am ersten Strömungseingang der Gasfördereinheit geschlossen werden. Dabei wird insbesondere die Abwärme der Gasfördereinheit zur Verdampfung des Flüssigwassers des Anodenabgases innerhalb der Gasfördereinheit verwendet und die Temperatur des Anodenabgases kann nicht weiter ansteigen. In diesem Fall ist die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor gleich null. Durch die Messung der Temperatur bzw. einer Temperaturdifferenz mittels der Sensorvorrichtung kann somit die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung, insbesondere basierend auf der Flüssigwassermenge des Anodenabgases, bestimmt werden. Mit anderen Worten abhängig von der Ausbildung der Sensorvorrichtung ein charakterisierender Füllstand der Wasserabscheidevorrichtung bestimmt werden. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit eine Drehzahl der Gasfördereinheit ist, wobei die Sensorvorrichtung als in der Gasfördereinheit integrierter Drehzahlsensor ausgebildet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf einer Differenz zu einer Soll-Drehzahl der Gasfördereinheit die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung zu bestimmen. Bekanntermaßen ist die Leistung der Gasfördereinheit proportional zur Drehzahl der Gasfördereinheit. Baulich bedingt kann die Gasfördereinheit jedoch leichter eine gewünschte Soll- Drehzahl realisieren, je weniger Flüssigwasser im Anodenabgas am ersten Strömungseingang vorhanden ist. Mit anderen Worten sinkt die Drehzahl der Gasfördereinheit bei gleichbleibender Leistung, je mehr Flüssigwasser im Anodenabgas vorhanden ist. Anders ausgedrückt ist die Drehzahl der Gasfördereinheit bei gleichbleibender Leistung umgekehrt proportional zu der Flüssigwassermenge des Anodenabgases. Mittels des Drehzahlsensors kann eine Ist-Drehzahl der Gasfördereinheit ermittelt werden und die Steuervorrichtung kann mittels des Soll-Ist-Wert-Abgleichs zwischen der Ist- Drehzahl und der Soll-Drehzahl über die Differenz zu der Soll-Drehzahl die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung bestimmen. Diese lässt sich hierbei insbesondere über die mitgeführte Flüssigwassermenge des Anodenabgases bestimmen, welche die Drehzahl bei gleichbleibender Leistung reduzieren kann.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit eine Leistungsdifferenz der Gasfördereinheit ist, wobei die Sensorvorrichtung als in der Gasfördereinheit integrierter Leistungssensor ausgebildet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf einer Differenz zu einer Soll-Leistung der Gasfördereinheit die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung zu bestimmen. Beispielhaft kann somit auch eine wiederauftretende Leistungsdifferenz über die Zeit überwacht werden. Der Leistungssensor der Gasfördereinheit kann eine Ist-Leistung der Gasfördereinheit ermitteln bzw. messen. Insbesondere kann eine Leistung ohne Flüssigwasser in der Steuervorrichtung als Soll-Leistung gespeichert sein. Die elektrische Leistung bzw. Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit skaliert bei einer definierten gleichbleibenden Drehzahl mit der Flüssigwassermenge. Anhand eines Anstieges der Leistungsaufnahme, also einer vorhandenen Differenz zwischen der Soll-Leistung und der Ist-Leistung, kann somit auf einen Anstieg der Flüssigwassermenge geschlossen werden und basierend darauf eine Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung bestimmt werden. Dies hat den Vorteil, dass es vermieden werden kann, dass die Gasfördereinheit durch eine zu hohe Flüssigwassermenge an ihre Grenzen stößt.
Weiter kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der erste Strömungseingang der Gasfördereinheit zur Ausbildung eines ersten Strömungspfades von Anodenabgas aus der Wasserabscheidevorrichtung in die Gasfördereinheit direkt mit dem ersten Strömungsausgang der Wasserabscheidevorrichtung verbindbar ist, wobei der erste Strömungseingang der Gasfördereinheit entgegen der Schwerkraftrichtung oben an der Gasfördereinheit angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Gasfördereinheit und die Wasserabscheidevorrichtung an einem höchstmöglichen Punkt der Gasfördereinheit und der Wasserabscheidevorrichtung fluidkommunizierend miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass das gesammelte Flüssigwasser der Wasserabscheidevorrichtung nicht in die Gasfördereinheit überlaufen kann. Bspw. kann bei einer Verwendung der Gasfördereinheit und der Wasserabscheidevorrichtung in einem Brennstoffzellensystem bei einem Kraftfahrzeug weiterhin sichergestellt sein, dass bei realer Fahrt des Kraftfahrzeuges kein Flüssigwasser durch Schwappen in die Gasfördereinheit gelangen kann.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in Schwerkraftrichtung unterhalb des ersten Strömungseingangs der Gasfördereinheit, die Gasfördereinheit einen zweiten Strömungseingang aufweist, welcher mit einem zweiten Strömungsausgang der Wasserabscheidevorrichtung zur Ausbildung eines zweiten Strömungspfades von Anodenabgas aus der Wasserabscheidevorrichtung in die Gasfördereinheit verbindbar ist. Mit anderen Worten ist der zweite Strömungspfad unterhalb des ersten Strömungspfades angeordnet. Dies bedeutet, dass der zweite Strömungseingang der Gasfördereinheit unterhalb des ersten Strömungseingangs der Gasfördereinheit angeordnet ist. Entsprechend ist der zweite Strömungsausgang der Wasserabscheidevorrichtung unterhalb des ersten Strömungsausgangs der Wasserabscheidevorrichtung angeordnet. Der zweite Strömungspfad repräsentiert illustrativ eine Füllstandsbohrung. Im Betrieb der Gasfördereinheit kann die Gasfördereinheit über den zweiten Strömungspfad Anodenabgas, insbesondere einschließlich Flüssigwasser innerhalb des Anodenabgases, ansaugen. Insbesondere kann Flüssigwasser in die Gasfördereinheit über den zweiten Strömungspfad eintreten, wenn die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung oberhalb des zweiten Strömungspfades liegt. Die Verwendung eines zweiten Strömungspfades hat den Vorteil, dass die Ermittlung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit wie oben dargelegt, insbesondere hinsichtlich der Temperatur, der Drehzahl oder der Leistung der Gasfördereinheit, mit der baulichen Ergänzung des zweiten Strömungspfades kombiniert und damit optimiert werden kann. Dabei kann insbesondere bereits bei einer niedrigen Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung, diese über die Ermittlung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit erkannt und je nach Bedarf das Flüssigwasser der Wasserabscheidevorrichtung über das Ventil abgeleitet werden. Beispielhaft kann am zweiten Strömungseingang der Gasfördereinheit ein dritter Temperatursensor vorgesehen sein, womit eine zusätzliche Temperatur des Anodenabgases ermittelt werden kann, welches am zweiten Strömungseingang in die Gasfördereinheit eintritt. Somit kann die oben beschriebene Ermittlung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit mittels der Temperaturdifferenz weiter verbessert werden.
Es kann weiterhin vorzugsweise vorgesehen sein, dass der zweite Strömungspfad in Bezug auf den ersten Strömungspfad abgeschrägt ist, derart, dass eine Strömung von Flüssigwasser aus der Wasserabscheidevorrichtung in die Gasfördereinheit begrenzbar ist. Insbesondere können der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad einen spitzen Winkel bilden, vorzugsweise zwischen 10° und 80°. Bevorzugt ist der zweite Strömungspfad derart ausgebildet, dass ein Mindestmaß an Flüssigwasser aus der Wasserabscheidevorrichtung angesaugt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass somit das Flüssigwasser in der Wasserabscheidevorrichtung bzw. die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung sicher detektiert werden kann. Weiterhin kann der zweite Strömungspfad auch derart ausgebildet sein, dass die Strömung von Flüssigwasser aus der Wasserabscheidevorrichtung in die Gasfördereinheit auf einen festgelegten minimalen Wert begrenzt ist. Insgesamt lässt sich der Vorteil erzielen, dass mittels des zweiten Strömungspfades die Gasfördereinheit effizient vor einer kritischen Flüssigwassermenge aus der Wasserabscheidevorrichtung geschützt werden kann. Es ist weiterhin festzuhalten, dass eine beliebige Anzahl an Strömungspfaden vorgesehen werden kann, also bspw. auch ein dritter Strömungspfad.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein System umfassend eine Gasfördereinheit nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen und eine Wasserabscheidevorrichtung, wobei die Wasserabscheidevorrichtung einen Sammelbehälter zum Sammeln von abgeschiedenem Flüssigwasser aus einem Anodenabgas und ein ansteuerbares Ventil zur Durchflusssteuerung von gesammelten Flüssigwasser aus dem Sammelbehälter aufweist, wobei die Wasserabscheidevorrichtung mit der Gasfördereinheit gekoppelt ist, derart, dass der erste Strömungsausgang der Wasserabscheidevorrichtung mit dem ersten Strömungseingang der Gasfördereinheit verbunden ist. Das erfindungsgemäße System, umfassend die Gasfördereinheit und die Wasserabscheidevorrichtung, umfasst daher die gleichen Merkmale und Vorteile wie die erfindungsgemäße Gasfördereinheit.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Wasserabscheidevorrichtung einen zweiten Strömungsausgang aufweist, welcher mit einem zweiten Strömungseingang der Gasfördereinheit verbunden ist.
Weiterhin kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Ventil zur Durchflusssteuerung mittels der Steuervorrichtung der Gasfördereinheit in Abhängigkeit von der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit steuerbar ist. Somit kann die Wasserabscheidevorrichtung sowohl bei einem Erreichen der maximalen Füllstandshöhe als auch betriebspunktabhängig entleert werden, wodurch die Gasfördereinheit vor Flüssigwasser effizient geschützt werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Anodenversorgung mit einer Anodenversorgungsleitung zum Zuführen von Anodengas an die Brennstoffzelle, einer Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas von der Brennstoffzelle und einer Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas aufweist, wobei die Anodenversorgung wenigstens ein System nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst somit die erfindungsgemäße Gasfördereinheit und die Wasserabscheidevorrichtung und umfasst daher die gleichen Merkmale und Vorteile wie die erfindungsgemäße Gasfördereinheit.
Das Brennstoffzellensystem kann in einem Kraftfahrzeug, wie bspw. einem Personenkraftwagen oder einem Lastkraftwagen, zur Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges, insbesondere für den Antrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges, dienen. Zur Erzeugung der elektrischen Energie in dem Brennstoffzellensystem sind weitere Systemmodule, wie bspw. unter anderen ein Medienversorgungsmodul zum Versorgen des Brennstoffzellensystems im bzw. am Fahrzeug notwendig.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in der Figur schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Figur hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figur nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigt schematisch:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems aus einer Gasfördereinheit und einer Wasserabscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems 40 aus einer Gasfördereinheit 10 zur Förderung von Anodenabgas A und einer Wasserabscheidevorrichtung 20 für ein nicht dargestelltes Brennstoffzellensystem. Bspw. kann das System 40 in einer nicht dargestellten Rezirkulationsleitung einer Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Die Wasserabscheidevorrichtung 20 weist einen Sammelbehälter 23 zum Sammeln von abgeschiedenem Flüssigwasser FW aus einem Anodenabgas A und ein nicht dargestelltes, ansteuerbares Ventil zur Durchflusssteuerung von gesammelten Flüssigwasser FW aus dem Sammelbehälter 23 auf.
Beispielhaft ist an einem Deckenbereich 26 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20 ein Strömungseingang 21 für Anodenabgas A des Brennstoffzellensystems angeordnet. Über den Strömungseingang 21 kann Anodenabgas A in den Sammelbehälter 23 bzw. in die Wasserabscheidevorrichtung 20 in Pfeilrichtung eintreten. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gelangt entstehendes Produkt- Flüssigwasser auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammelt sich schließlich in der Anodenversorgung an. Dadurch kann das Anodenabgas A, welches in die Wasserabscheidevorrichtung 20 am Strömungseingang 21 eintritt, flüssige Wasserbestandteile mitführen. Innerhalb des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20 strömt das Anodenabgas A in Richtung einer Seitenwand 24 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20, an welcher ein erster Strömungsausgang 22a angeordnet ist. Dabei kann Wasser W in Richtung eines Bodenbereichs 25 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung in Schwerkraftrichtung abgeschieden werden. Im Bodenbereich 25 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 25 sammelt sich dadurch Flüssigwasser FW an. Dieses kann insbesondere durch das nicht dargestellte ansteuerbare Ventil abgelassen werden. Die
Wasserabscheidevorrichtung 20 weist beispielhaft an der Seitenwand 24 des Sammelbehälters 23 einen zweiten Strömungsausgang 22b auf. Der zweite Strömungsausgang 22b ist unterhalb des ersten Strömungsausgangs 22a angeordnet. Aus dem ersten Strömungsausgang 22a und dem zweiten Strömungsausgang 22b kann Anodenabgas A aus der Wasserabscheidevorrichtung 20 austreten. Weiterhin ist beispielhaft der erste Strömungsausgang 22a entgegen der Schwerkraftrichtung oben an der Seitenwand 24 im Deckenbereich 26 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20 angeordnet.
Die Wasserabscheidevorrichtung 20 ist mit der Gasfördereinheit 10 verbunden. Die Gasfördereinheit 10 weist beispielhaft einen Deckenbereich 15, einen Bodenbereich 14 und eine Seitenwand 13 auf, wobei die Seitenwand 13 der Seitenwand 24 der Wasserabscheidevorrichtung 20 zugewandt ist. An der Seitenwand 13 der Gasfördereinheit 10 ist ein erster Strömungseingang 11a und ein zweiter Strömungseingang 11b angeordnet. Dabei ist der zweite Strömungseingang 11b unterhalb des ersten Strömungseingangs 11a angeordnet. Der erste Strömungseingang 11a ist entgegen der Schwerkraftrichtung oben an der Seitenwand 13 angeordnet.
Insbesondere ist die Wasserabscheidevorrichtung 20 mit der Gasfördereinheit 10 gekoppelt, derart, dass der erste Strömungsausgang 22a der Wasserabscheidevorrichtung 20 mit dem ersten Strömungseingang 11a der Gasfördereinheit 10 direkt fluidkommunizierend verbunden ist. Beispielhaft sind hierzu der erste Strömungseingang 11a und der erste Strömungsausgang 22a auf der gleichen Höhe jeweils an der zugehörigen Seitenwand 13, 24 angeordnet. Weiterhin ist beispielhaft der zweite Strömungsausgang 22b der Wasserabscheidevorrichtung 20 mit dem zweiten Strömungseingang 11b der Gasfördereinheit 10 fluidkommunizierend verbunden. Durch die Verbindung des ersten Strömungseingangs 11a der Gasfördereinheit 10 mit dem ersten Strömungsausgang 22a der Wasserabscheidevorrichtung 20 wird ein erster Strömungspfad 30 ausgebildet. Im ersten Strömungspfad 30 strömt Anodenabgas A aus der Wasserabscheidevorrichtung 20 in die Gasfördereinheit 10. Durch die Verbindung des zweiten Strömungseingangs 11b der Gasfördereinheit 10 mit dem zweiten Strömungsausgang 22b der Wasserabscheidevorrichtung 20 wird ein zweiter Strömungspfad 31 ausgebildet. Im zweiten Strömungspfad 31 strömt Anodenabgas A aus der Wasserabscheidevorrichtung 20 in die Gasfördereinheit 10. In der Gasfördereinheit 10 wird das Anodengas A in Richtung eines Strömungsausgangs 12 der Gasfördereinheit 10, beispielhaft im Bodenbereich 14 der Gasfördereinheit 10 geleitet. Das Anodenabgas A tritt aus dem Strömungsausgang 12 aus der Gasfördereinheit 10 aus.
Der zweite Strömungspfad 31 repräsentiert illustrativ eine Füllstandsbohrung. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems kann die Gasfördereinheit 10 über den zweiten Strömungspfad 31 Anodenabgas A, insbesondere einschließlich Flüssigwasser FW innerhalb des Anodenabgases A, ansaugen. Insbesondere kann Flüssigwasser FW in die Gasfördereinheit 10 über den zweiten Strömungspfad 31 eintreten, wenn die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung 20 oberhalb des zweiten Strömungspfades 31 liegt.
Weiterhin ist beispielhaft vorgesehen, dass der zweite Strömungspfad 31 in Bezug auf den ersten Strömungspfad 30 abgeschrägt ist, derart, dass eine Strömung von Flüssigwasser FW aus der Wasserabscheidevorrichtung 20 in die Gasfördereinheit 10 begrenzt wird. Insbesondere bilden der erste Strömungspfad 30 und der zweite Strömungspfad 31 einen spitzen Winkel. Mit anderen Worten ist daher ein Abstand zwischen dem ersten Strömungsausgang 22a und dem zweiten Strömungsausgang 22b an der Seitenwand 24 des Sammelbehälters 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20 größer als ein Abstand zwischen dem ersten Strömungseingang 11a und dem zweiten Strömungseingang 11b an der Seitenwand 13 der Gasfördereinheit 10.
Weiterhin ist der Gasfördereinheit 10 eine nicht dargestellte Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit 10 zugeordnet bzw. datenkommunizierend mit der Gasfördereinheit 10 verbunden. Die Gasfördereinheit 10 umfasst weiterhin eine nicht dargestellte Steuervorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, Sensorsignale der Sensorvorrichtung zur Bestimmung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit 10 mittels eines Soll-Ist-Wert-Abgleichs auszuwerten und basierend auf der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit 10 eine Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung 20 zu bestimmen. Dabei kann die Sensorvorrichtung Daten hinsichtlich der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit 10 messen und diese Daten als Sensorsignale an die Steuervorrichtung weiterleiten. Die Steuervorrichtung ist hierzu insbesondere datenkommunizierend mit der Sensorvorrichtung verbunden. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, die Sensorsignale der Sensorvorrichtung zu empfangen und auszuwerten. Dabei erfolgt die Auswertung der Sensorsignale bevorzugt mittels eines Soll-Ist-Wert-Abgleichs. Die Steuervorrichtung ist bevorzugt der Gasfördereinheit 10 zugeordnet bzw. datenkommunizierend mit der Gasfördereinheit 10 verbunden.
Beispielhaft ist die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit 10 als eine Temperaturdifferenz gebildet, wobei die Sensorvorrichtung einen ersten und einen zweiten Temperatursensor umfasst, wobei der erste Temperatursensor an dem ersten Strömungseingang 11a der Gasfördereinheit 10 angeordnet ist und wobei der zweite Temperatursensor an dem Strömungsausgang 12 der Gasfördereinheit 10 angeordnet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung 20 zu bestimmen. Mit anderen Worten ist am ersten Strömungseingang 11a der Gasfördereinheit 10 der erste Temperatursensor vorgesehen, der eine erste Temperatur des Anodenabgases A ermittelt, welches am ersten Strömungseingang 11a in die Gasfördereinheit 10 eintritt. Der zweite Temperatursensor ist am Strömungsausgang 12 der Gasfördereinheit 10 vorgesehen, um eine zweite Temperatur des Anodenabgases A zu ermitteln, welches am Strömungsausgang 12 aus der Gasfördereinheit 10 austritt. Die Temperaturdifferenz bezeichnet die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur.
Alternativ kann am zweiten Strömungseingang der Gasfördereinheit ein dritter Temperatursensor vorgesehen sein, womit eine zusätzliche Temperatur des Anodenabgases ermittelt werden kann, welches am zweiten Strömungseingang in die Gasfördereinheit eintritt. Somit kann die oben beschriebene Ermittlung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit mittels der Temperaturdifferenz weiter verbessert werden. Insbesondere wenn kein Temperaturanstieg des Anodenabgases A über die Gasfördereinheit 10, also zwischen dem ersten Strömungseingang 11a und dem Strömungsausgang 12, vorliegt, kann aufgrund des isothermen Vorgangs der Verdampfung auf zu viel Flüssigwasser FW am ersten Strömungseingang 11a der Gasfördereinheit 10 geschlossen werden. Dabei wird insbesondere die Abwärme der Gasfördereinheit 10 zur Verdampfung des Flüssigwassers FW des Anodenabgases A innerhalb der Gasfördereinheit 10 verwendet und die Temperatur des Anodenabgases A kann nicht weiter ansteigen. In diesem Fall ist die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor gleich null. Durch die Messung der Temperatur bzw. einer Temperaturdifferenz mittels der Sensorvorrichtung kann somit die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung 20, insbesondere basierend auf der Flüssigwassermenge des Anodenabgases A, bestimmt werden. Damit lässt sich insgesamt der Vorteil erzielen, dass eine präzise und zuverlässige Bestimmung der Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung 20 ermöglicht wird, wobei basierend darauf, das Flüssigwasser FW im Sammelbehälter 23 der Wasserabscheidevorrichtung 20 gezielt abgelassen werden kann, damit eine schädliche Flüssigwassermenge, welche in die Gasfördereinheit 10 eintreten kann, effizient reduziert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Gasfördereinheit (10) zur Förderung von Anodenabgas (A) eines Brennstoffzellensystems, wobei die Gasfördereinheit (10) einen ersten Strömungseingang (11a) zum Einlass von Anodenabgas (A) in die Gasfördereinheit (10) und einen Strömungsausgang (12) zum Auslass von Anodenabgas (A) aus der Gasfördereinheit (10) aufweist, wobei der erste Strömungseingang (11a) mit einem ersten Strömungsausgang (22a) einer Wasserabscheidevorrichtung (20) fluidkommunizierend verbindbar ist, wobei eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) vorgesehen ist, wobei die Sensorvorrichtung der Gasfördereinheit (10) zugeordnet ist, wobei die Gasfördereinheit (10) eine Steuervorrichtung umfasst, welche dazu konfiguriert ist, Sensorsignale der Sensorvorrichtung zur Bestimmung der kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) mittels eines Soll-Ist-Wert-Abgleichs auszuwerten und basierend auf der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) eine Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung (20) zu bestimmen.
Gasfördereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit (10) eine Temperaturdifferenz ist, wobei die Sensorvorrichtung einen ersten und einen zweiten Temperatursensor umfasst, wobei der erste Temperatursensor an dem ersten Strömungseingang (11a) der Gasfördereinheit (10) angeordnet ist und wobei der zweite Temperatursensor an dem Strömungsausgang (12) der Gasfördereinheit (10) angeordnet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung (20) zu bestimmen. Gasfördereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit (10) eine Drehzahl der Gasfördereinheit (10) ist, wobei die Sensorvorrichtung als in der Gasfördereinheit (10) integrierter Drehzahlsensor ausgebildet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf einer Differenz zu einer Soll-Drehzahl der Gasfördereinheit (10) die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung (20) zu bestimmen. Gasfördereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe der Gasfördereinheit (10) eine Leistungsdifferenz der Gasfördereinheit (10) ist, wobei die Sensorvorrichtung als in der Gasfördereinheit (10) integrierter Leistungssensor ausgebildet ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, basierend auf einer Differenz zu einer Soll-Leistung der Gasfördereinheit (10) die Füllstandshöhe der Wasserabscheidevorrichtung (20) zu bestimmen. Gasfördereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungseingang (11a) der Gasfördereinheit (10) zur Ausbildung eines ersten Strömungspfades (30) von Anodenabgas (A) aus der Wasserabscheidevorrichtung (20) in die Gasfördereinheit (10) direkt mit dem ersten Strömungsausgang (22a) der Wasserabscheidevorrichtung (20) verbindbar ist, wobei der erste Strömungseingang (11a) der Gasfördereinheit (10) entgegen der Schwerkraftrichtung oben an der Gasfördereinheit (10) angeordnet ist. Gasfördereinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schwerkraftrichtung unterhalb des ersten Strömungseingangs (11a) der Gasfördereinheit (10), die Gasfördereinheit (10) einen zweiten Strömungseingang (11b) aufweist, welcher mit einem zweiten Strömungsausgang (22b) der Wasserabscheidevorrichtung (20) zur Ausbildung eines zweiten Strömungspfades (31) von Anodenabgas (A) aus der Wasserabscheidevorrichtung (20) in die Gasfördereinheit (10) verbindbar ist. Gasfördereinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungspfad (31) in Bezug auf den ersten Strömungspfad (30) abgeschrägt ist, derart, dass eine Strömung von Flüssigwasser (FW) aus der Wasserabscheidevorrichtung (20) in die Gasfördereinheit (10) begrenzbar ist.
- 21 - System (40) umfassend eine Gasfördereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Wasserabscheidevorrichtung (20), wobei die Wasserabscheidevorrichtung (20) einen Sammelbehälter (23) zum Sammeln von abgeschiedenem Flüssigwasser (FW) aus einem Anodenabgas (A) und ein ansteuerbares Ventil zur Durchflusssteuerung von gesammelten Flüssigwasser (FW) aus dem Sammelbehälter (23) aufweist, wobei die Wasserabscheidevorrichtung (20) mit der Gasfördereinheit (10) gekoppelt ist, derart, dass der erste Strömungsausgang (22a) der Wasserabscheidevorrichtung (20) mit dem ersten Strömungseingang (11a) der Gasfördereinheit (10) verbunden ist. System (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zur Durchflusssteuerung mittels der Steuervorrichtung der Gasfördereinheit (10) in Abhängigkeit von der bestimmten kennzeichnenden Größe der Gasfördereinheit (10) steuerbar ist. Brennstoffzellensystem umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Anodenversorgung mit einer Anodenversorgungsleitung zum Zuführen von Anodengas an die Brennstoffzelle, einer Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas (A) von der Brennstoffzelle und einer Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas (A) aufweist, wobei die Anodenversorgung wenigstens ein System (40) nach Anspruch 8 oder 9 aufweist.
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