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.