AT526079A4 - Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem, Ultraschall-Messsystem sowie Messverfahren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserabscheider (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei der Wasserabscheider (10) eine Einlassöffnung (16) für einen Anodenabführabschnitt (122) des Brennstoffzellensystems (100) zum Einlassen von Anodenabgas (3) aus dem Brennstoffzellensystem (100), ein Speichervolumen (4) zum Speichern von aus dem Anodenabgas (3) abgeschiedenen Wassers (1) und eine Auslassöffnung (14) zum Auslassen von dem im Speichervolumen (4) gespeicherten Wasser (1) aufweist, wobei der Wasserabscheider (10) ein Ultraschall-Messsystem (20) mit zumindest einem Ultraschall-Sensor (22, 24) zum Messen eines Wasserfüllstands (2) des Wassers (1) und zum Messen einer Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases (3) aufweist.

Description

Ultraschall-Messsystem sowie Messverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, wobei der Wasserabscheider eine Einlassöffnung für einen Anodenabführabschnitt des Brennstoffzellensystems zum Einlassen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem, ein Speichervolumen zum Speichern von aus dem Anodenabgas abgeschiedenen Wassers und eine Auslassöffnung zum Auslassen von dem im Speichervolumen gespeicherten Wasser aufweist. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Wasserabscheider, ein Ultraschall-Messsystem für einen Wasserabscheider sowie ein Messverfahren für den Wasserabschei-

der, das Brennstoffzellensystem oder das Ultraschall-Messsystem.

Insbesondere bei PEM-Brennstoffzellensystemen ist es sehr wichtig, die Anode ausreichend mit Wasserstoff zu versorgen. Eine Unterversorgung mit Wasserstoff kann zu sehr starken Degradationseffekten führen und die Lebensdauer des oder Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erheblich verkürzen. Andererseits muss eine Verschwendung von Wasserstoff vermieden werden. Daher kann eine Messung der Wasserstoffkonzentration eine Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Le-

bensdauer ermöglichen.

Die Messung der Wasserstoffkonzentration in Brennstoffzellensystemen, insbesondere solchen für Kraftfahrzeuge, kann eine große Herausforderung darstellen, da nur sehr wenig Bauraum für die Integration von zusätzlichen Sensoren besteht. Bestehende Lösungen benötigen viel Bauraum für die Integration von entsprechenden Sensoren. Kleinere (Kraftfahrzeug-)Sensoren auf dem Markt sind aufgrund der feuchten und sauren Umgebung in der Anode des Brennstoffzellensystems jedoch nicht sehr

robust.

Für Konzentrationsmessungen von Wasserstoff werden aktuell kostenintensive Massenspektrometer verwendet, die in der Regel permanent Gas aus dem Anodenvolu-

men in dem Brennstoffzellenstapel entziehen, was vermieden werden sollte.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin-

dung, in kostengünstiger und einfacher Weise, eine bauraumtechnisch optimierte und

gung zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Wasserabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 12 sowie ein Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserabscheider beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Messsystem, dem erfindungsgemäßen Messverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselsei-

tig Bezug genommen wird oder werden kann.

Erfindungsgemäß ist ein Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei der Wasserabscheider eine Einlassöffnung für einen Anodenabführabschnitt des Brennstoffzellensystems zum Einlassen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem, ein Speichervolumen zum Speichern von aus dem Anodenabgas abgeschiedenen Wassers und eine Auslassöffnung zum Auslassen von dem im Speichervolumen gespeicherten Wasser aufweist. Der Wasserabscheider weist ferner ein Ultraschall-Messsystem mit zumindest einem Ultraschall-Sensor zum Messen eines Wasserfüllstands des Wassers, insbesondere in dem Speichervolumen, und zum Messen einer Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases, insbesondere in dem Spei-

chervolumen, auf.

Erfindungsgemäß wird damit ein Ultraschall-Messsystem eingesetzt, welches mit einem oder mehr Sensoren in einem Wasserabscheider sowohl den Wasserfüllstand des Wasserabscheiders als auch die Wasserstoffkonzentration im Wasserabscheider messen kann. Anders als im Stand der Technik sind deshalb keine unterschiedlichen Messsysteme und Sensoren notwendig. Das erfindungsgemäße Vorsehen des einzigen Messsystems für beide Messungen erlaubt daher nicht nur eine kompakte Bauraumnutzung innerhalb und/oder an dem Wasserabscheider und damit in dem Brennstoffzellensystem, sondern ist auch kostengünstig und erlaubt eine besonders präzise

Messung mittels desselben Ultraschall-Messprinzips. Dieses Messprinzip ist dabei

robust gegenüber den Betriebsbedingungen in der Anodenschleife mit den flüssigen

Wassertröpfchen. Es kann auch sehr kompakt gebaut werden, um den Bauraumbedarf

weiter zu minimieren. Das Vorsehen zweier Messmöglichkeiten verbessert zudem die

Kalibrierung und damit die Optimierung des Brennstoffzellensystems.

Vorteilhaft kann sein, wenn ein erster Ultraschall-Sensor zum Messen des Wasserfüllstands des Wassers und ein zweiter Ultraschall-Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases eingerichtet ist. Dies bedeutet, dass das Ultraschall-Messsystem über zumindest zwei Ultraschall-Sensoren verfügt, die jeweils die unterschiedlichen Arten von Messungen vornehmen können, die später auch als Füllstandmessen und Konzentrationsmessen bezeichnet werden. Die Einrichtungen der Sensoren für diese unterschiedlichen Messaufgaben können beispielsweise durch ihren Aufbau, ihre relative Positionierung bzw. der Positionierung ihrer Messrichtung und/oder zusätzlicher möglicher Elemente, wie Messelementoberflächen, verwirklicht werden. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine zeitgleiche Messung sowohl des Wasserfüllstands als auch der Wasserstoffkonzentration, sodass diese auch permanent über-

wacht werden können.

Vorteilhaft kann hierbei zudem sein, wenn die beiden Ultraschall-Sensoren an demselben Wandungsabschnitt des Wasserabscheiders angeordnet sind. Der Wandungsabschnitt kann beispielsweise eine Seitenwand, insbesondere Innenseitenwand, des Wasserabscheiders sein. Dies ermöglicht einen vergleichsweise besonders kompakten Aufbau, weil die Ultraschall-Sensoren nicht weit voneinander und damit von anderen Messsystemkomponenten entfernt sein müssen, was wiederum beispielsweise durch entsprechende Verkabelung zusätzlichen Bauraum benötigen und zusätzliche

Kosten hervorrufen würde.

Auch kann vorteilhaft sein, wenn die beiden Ultraschall-Sensoren nebeneinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die beiden Ultraschall-Sensoren in unmittelbarer Umgebung zueinander sind. Auch dies erlaubt den zuvor erwähnten kompakten Auf-

bau.

Ferner kann vorteilhaft sein, wenn das Ultraschall-Messsystem wenigstens eine Messsystemkomponente aufweist, welche die beiden Ultraschall-Sensoren sich zumindest teilweise teilen. Eine derartige wenigstens eine Messsystemkomponente kann bei-

spielsweise ein Messsteuergerät, eine Verkabelung, eine Stromversorgung usw. sein.

Dadurch, dass sich die beiden Ultraschall-Sensoren sich wenigstens eine, mehrere

oder alle Messsystemkomponenten, die für die Messungen erforderlich sind, teilen,

kann eine für einen möglichen Ausfall von Komponenten förderliche Redundanz in den

Messsystemkomponenten zugunsten eines kompakten und kostengünstigen Aufbaus

des Ultraschall-Messsystems und damit des Brennstoffzellensystems, in dem es ein-

gesetzt wird, vermieden werden.

Auch kann vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Ultraschall-Sensor und/oder eine Messelementoberfläche des Ultraschall-Messsystems zwischen zwei Messpositionen bewegbar gelagert ist, um in einer Füllstand-Messposition der beiden Messpositionen den Wasserfüllstand des Wassers zu messen und in einer Konzentrations-Messposition der beiden Messpositionen die Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases zu messen. Die bewegbare Lagerung kann beispielsweise durch eine Drehlagerung und/oder translatorische Lagerung gegeben sein, welche ein Drehen oder translatorisches Bewegen des zumindest einen Ultraschall-Sensors und/oder der Messelementoberfläche ermöglicht. Für die Bewegung kann ein Antrieb an der Messelementoberfläche und/oder dem zumindest einen Ultraschall-Sensor vorgesehen sein, der entsprechend durch das Ultraschall-Messsystem gesteuert wird, um eine der beiden Messpositionen bereitzustellen. Dadurch wird ermöglicht, dass ein einziger Ultraschall-Sensor beide Arten von Messungen, also Konzentrationsmessen und Füllstandmessen, übernehmen kann. Dies kann förderlich sein, wenn einer von zwei möglichen Ultraschall-Sensoren ausfällt. Das Ultraschall-Messsystem kann aber auch mit nur einem Ultraschall-Sensor ausgestattet sein, der beide Arten von Messungen je nach der gewählten Messposition durchführen kann. Hierbei wird zumindest für eine präzise Messung typischerweise nur eine zeitlich voneinander getrennte Messung von Was-

serfüllstand und Konzentrationsmessung möglich sein.

Es kann vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Ultraschall-Sensor eine zu einer Wasseroberfläche des im Speichervolumen gespeicherten Wassers ausgerichtete Messrichtung zum Messen der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases aufweist. Mit dieser Messrichtung ausgestattet kann der Ultraschall-Sensor die Distanz zwischen dem zumindest einen Ultraschall-Sensor und der Wasseroberfläche als Pegel des Speichervolumens feststellen. Diese Distanz kann bei bekannter Dimensionierung des Wasserabscheiders einem Wasserfüllstand zugeordnet werden. Beispiels-

weise kann eine Formel, eine Zuordnungstabelle oder dergleichen der vom Ultraschall-

Sensor gemessenen Distanz jeweils einen Wasserfüllstand zuordnen, die von dem

Ultraschall-Messsystem bestimmt werden kann. Die Füllstand-Messposition kann da-

bei insbesondere eine Messposition sein, in der die Messrichtung des Ultraschall-Sen-

sors auf die Wasseroberfläche ausgerichtet ist.

Vorteilhaft kann auch sein, wenn der zumindest eine Ultraschall-Sensor eine zu einer Messelementoberfläche des Ultraschall-Messsystems im Wasserabscheider ausgerichtete Messrichtung zum Messen der Wasserstoffkonzentration aufweist. Damit kann die Messung der Wasserstoffkonzentration insbesondere in einer anderen Messrich-

tung als jene zum Messen des Wasserfüllstands erfolgen.

Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Messung der Wasserstoffkonzentration in der gleichen Messrichtung wie das Messen des Wasserfüllstands erfolgt. Hierfür kann vorteilhaft in „Blickrichtung“ der Schallquelle eine fixe Geometrie (neben der Wasseroberfläche also die „Messelementoberfläche“) vorhanden sein und durch entsprechende Signalanalyse und/oder -verarbeitung die beiden unterschiedlichen

Signale (Füllstand und Konzentration) getrennt werden.

Die Messelementoberfläche kann vorzugsweise auf einem Messelement innerhalb des Wasserabscheiders, insbesondere innerhalb des Speichervolumens angeordnet sein. Ein solches Messelement kann beispielsweise von einer Innenwandung des Wasserabscheiders nach innen des Wasserabscheiders, insbesondere in das Speichervolumen hinein, ragen oder als Innenwandung des Wasserabscheiders ausgebildet sein. Das Messeelement kann aus einem festen Material, beispielsweise Kunststoff, Metall oder dergleichen gebildet sein, welches vorzugsweise hinreichend resistive Eigenschaften für den Einsatz im Wasserabscheider aufweist, also beispielsweise eine bestimmte Beschichtung aufweisen kann. Das Messelement kann auch aus demselben Material wie die Wandung des Wasserabscheiders ausgeführt sein,

insbesondere einstückig hiermit ausgestaltet sein.

Die Messelementoberfläche kann dabei vorteilhafterweise einen vorgegebenen Abstand zu dem zumindest einen Ultraschall-Sensor aufweisen. Dadurch, dass der Abstand vorgegeben ist, ist er stets bekannt und so braucht der einmal von dem Ultraschall-Sensor ausgesendete Ultraschall bei unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen jeweils eine unterschiedliche Zeitdauer, bis er von der Messelementoberfläche

reflektiert wird und an dem Ultraschall-Sensor wieder registriert wird. Auch hier kann

beispielsweise eine Formel, eine Zuordnungstabelle oder dergleichen für die jeweilige

Zeitdauer von Aussenden bis Empfangen des Ultraschalls jeweils einer Wasserstoff-

konzentration zugeordnet werden, die von dem Ultraschall-Messsystem bestimmt wer-

den kann. Bei einer bewegbar gelagerten Messelementoberfläche kann der Abstand

optional auch einstellbar sein, wobei der Abstand jedoch durch eine Messung oder

vorbestimmte Lagerpositionen der Messelementoberfläche bekannt ist.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, und einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas, wobei im Anodenabführabschnitt ein erfindungsgemäßer Wasserab-

scheider angeordnet ist.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wasserabscheider erläutert worden sind. Das Brennstoffzellensystem kann dabei beliebigen Typs, bei-

spielsweise vom Polymerelektrolyitmembran (kurz PEM) Typ sein.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschall-Messsystem für einen Wasserabscheider, insbesondere den erfindungsgemäßen Wasserabscheider, für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, wobei das Ultraschall-Messsystem zumindest einen Ultraschall-Sensor zum Messen eines Wasserfüllstands von Wasser in dem Wasserabscheider und zum Messen einer Wasserstoffkonzentration eines Anodenabgases in dem Wasserab-

scheider aufweist.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Messsystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wasserabscheider

erläutert worden sind.

Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch ein Messverfahren für den erfindungsgemäßen Wasserabscheider, für das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-

system oder für das erfindungsgemäße Ultraschall-Messsystem, wobei das

Messsystems ausgeführt werden:

— Füllstandmessen des Wasserfüllstands des Wassers und — Konzentrationsmessen der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases.

Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Messverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wasserabscheider

erläutert worden sind.

Hierbei kann vorteilhaft sein, wenn das Füllstandmessen und das Konzentrationsmessen zumindest zeitweise zeitgleich ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Wasserfüllstand und die Wasserstoffkonzentration zumindest zeitweise parallel, insbesondere kontinuierlich überwacht werden können, insbesondere mittels zweier

Ultraschall-Sensoren des Ultraschall-Messsystems.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn das Füllstandmessen und das Konzentrationsmessen zeitlich getrennt voneinander ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass für dieses Verfahren ein einziger Ultraschall-Sensor für sowohl das Füllstand-

messen als auch das Konzentrationsmessen eingesetzt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine schematische Detailansicht eines erfindungsgemäßen Wasserabscheiders gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung

aus dem Brennstoffzellensystem der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines beweglich gelagerten Ultraschall-Sensors eines Ultraschall-Messsystems in dem Wasserabscheider der Fig. 2

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Fig. 5 ein schematische Ansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messverfahrens für das Ultraschall-Messsys-

tem des Wasserabscheider der Fig. 2.

Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit dem-

selben Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäRen Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 ist hier rein beispielhaft mit einem einzigen Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 112 und einem Kathodenabschnitt 114 gezeigt, wobei selbstverständlich auch mehrere Brennstoffzellenstapel 110 vorgesehen sein können. Ein Anodenzuführabschnitt 120 dient dem Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt 112 und ein Kathodenzuführabschnitt 140 dient dem Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 114. Wiederum dient ein Anodenabführabschnitt 122 dem Abführen von Anodenabgas, und ein Kathodenabführabschnitt 142 dient dem Abführen von Katho-

denabgas.

Als Teil dieses Anodenabführabschnitts 122 ist ein Wasserabscheider 10 in denselben integriert, welcher es erlaubt, Wasser 1 (siehe Fig. 2) oder, um näher zu sein, Produktwasser aus dem Anodenabgas 3 (siehe Fig. 2) im Anodenabführabschnitt 122 abzuscheiden. Dieses abgeschiedene Wasser 1 kann über eine Wasserauslass 12 der Ventilvorrichtung 30 abgeführt werden, entweder aus dem Brennstoffzellensystem 100 heraus oder innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 zur weiteren Verwendung re-

zirkuliert werden.

Im Betrieb wird nun durch den Anodenzuführabschnitt 120 Anodenzuführgas in den Anodenabschnitt 112 des Brennstoffzellenstapels 110 eingebracht. Verbrauchtes Anodenabgas 3 wird über den Anodenabführabschnitt 122 abgeführt und läuft, wie erläutert, durch den Wasserabscheider 10. Neben einer Abfuhr über ein sogenanntes Purgeventil an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann, wie zuvor

erwähnt, auch eine Rezirkulation des Anodenabgases 3 über die dargestellte passive

Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise in Form einer Ejektorvorrichtung 150, erfol-

gen. Der Wasserabscheider 10 kann selbstverständlich auch in dem Rezirkulations-

abschnitt 130 oder sogar in dem Anodenzuführabschnitt 120 stromabwärts der passi-

ven Rezirkulationsvorrichtung hier in Form der Ejektorvorrichtung 150 angeordnet wer-

den.

Figur 2 zeigt den Wasserabscheider 10 aus Fig. 1 in mehr Detail. Dabei ist der Wasserabscheider 10 in rein schematischer Weise als ein einfacher Behälter gezeigt, was typischerweise nicht der Fall ist, weil dieser üblicherweise deutlich komplexer aufgebaut ist, um das Wasser 1 effektiv darin abzuscheiden. Die Darstellung dient insoweit

lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung.

Der Wasserabscheider 10 umfasst ein hier beispielhaft illustriertes Speichervolumen 4 zum Speichern des aus dem Anodenabgas 3 abgeschiedenen Wassers 1. Ferner umfasst der Wasserabscheider 10 eine Einlassöffnung 16, die fluidtechnisch mit dem Anodenabführabschnitt 122 verbunden ist. Tatsächlich ist der Anodenabführabschnitt 122 ferner an anderer Stelle ebenfalls fluidtechnisch mit dem Wasserabscheider 10 verbunden. Auch umfasst der Wasserabscheider 10 eine Auslassöffnung 14, die fluidtechnisch mit dem Wasserauslass 12 der Ventilvorrichtung 30 verbunden ist, um vom

Anodenabgas 3 abgeschiedenes und gespeichertes Wasser 1 auslassen zu können.

Schließlich umfasst der Wasserabscheider 10 auch ein Ultraschall-Messsystem 20, welches hier beispielhaft an einem in der Fig. 2 oberen Wandungsabschnitt des Wasserabscheiders 10 angeordnet ist. Das Ultraschall-Messsystem 20 umfasst hier bei-

spielhaft zwei Ultraschall-Sensoren 22, 24.

Ein erster Ultraschall-Sensor 22 ist zum Messen des Wasserfüllstands des Wassers 1 eingerichtet. Dazu ist er in seiner gezeigten Messrichtung 5 auf die Wasseroberfläche des gespeicherten Wassers 1 in dem Speichervolumen 4 ausgerichtet. Die Wasseroberfläche hat einen gewissen Wasserfüllstand 2, den es zu ermitteln gilt. Der erste Ultraschall-Sensor 22 sendet hierzu Ultraschall in Richtung auf die Wasseroberfläche aus und empfängt diesen nach einer von der Distanz zwischen dem ersten UltraschallSensor 22 und der Wasseroberfläche abhängigen Zeit. Durch Messen dieser Zeit zwischen Aussenden und Empfangen des Ultraschalls kann das Ultraschall-Messsystem

20 den Wasserfüllstand 2 zurückrechnen.

schall-Sensors 24 die Wasserstoffkonzentration im Anodenabgas 3 zurückrechnen.

Vorteilhaft für Bauraum und Kosten des Wasserabscheiders 10 nutzen die beiden Ultraschall-Sensoren 22, 24 hier eine gemeinsame Messsystemkomponente 26, welche hier beispielhaft außerhalb des Wasserabscheiders 10 gezeigt ist. Die Messsystemkomponente 26 kann beispielweise ein Messsteuergerät mitsamt Energieversorgung

sein.

Alternativ zur Nutzung zweier Ultraschall-Sensoren 22, 24 in dem Ultraschall-Messsystem 20 zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein einziger Ultraschall-Sensor 22 genutzt wird, um sowohl den Wasserfüllstand 2 zu messen, als auch die Wasserstoffkonzentration zu messen. Um hierzu die jeweilige Messrichtung 5 des Ultraschall-Sensors 22 zu ändern, ist der Ultraschall-Sensor 22 beweglich gelagert, insbesondere drehbewesglich gelagert, sodass er, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Rotation R ausführen kann, die von einem nicht gezeigten Antrieb des Ultraschall-Sensors 22 vermittelt werden kann. In der Position P1 des links gezeigten Ultraschall-Sensors 22, die eine Füllstand-Position P1 ist, ist die Messrichtung 5 auf die Wasseroberfläche ausgerichtet. So wird mittels Ultraschalls ein Messen des Wasserfüllstands 2 ermöglicht. Wird nun in der in Fig. 3 gezeigten Richtung die Rotation R ausgeführt, wird die rechts in Fig. 3 angedeutete Position P2 eingenommen, welches eine Konzentrations-Messposition P2 ist. In der Konzentrations-Messposition P2 ist der Ultraschall-Sensor 22 mit seiner Messrichtung 5 auf die insbesondere feststehende Messelementoberfläche 18 ausgerichtet, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. So wird in der Konzentrations-Messposition P2 eine Messung der Wasserstoffkonzentration ermöglicht. Das Ändern der Messrichtung 5 des Ultraschall-Sensors 22 erlaubt so sowohl das Konzentrationsmessen

als auch das Füllstandmessen.

Alternativ oder zusätzlich zu der beweglichen Lagerung und dem Bewegen des Ultraschall-Sensors 22 ist es aber auch möglich, die Messelementoberfläche 18 beweglich auszugestalten. Beispielsweise ist es denkbar, die Messelementoberfläche 18 zum Einnehmen der Konzentrations-Messpositionen P2 vor den Ultraschall-Sensor 22 zu bewegen, sodass seine Messrichtung 5 darauf ausgerichtet ist. Andererseits kann die Messelementoberfläche 18 dann wieder von vor dem Ultraschall-Sensor 22 wegbewegt werden, um seine Messrichtung 5 wieder auf die Wasseroberfläche auszurichten. Es ist also auch möglich, nicht die Messrichtung 5 selbst zu ändern, um das Konzentrationsmessen und das Füllstandmessen durch nur einen Ultraschall-Sensor 22 zu ermöglichen, sondern die zu messende Oberfläche vor dem Ultraschall-Sensor 22 wird verändert, also einerseits die Wasseroberfläche und andererseits die Messelementoberfläche.

Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele von Messverfahren 200, die von den

hier beschriebenen Ultraschall-Messsystemen 20 ausgeführt werden können.

In dem Messverfahren 200 der Fig. 4 erfolgen das Füllstandmessen 202 des Wasserfüllstands 2 des Wassers 1 und das Konzentrationsmessen 204 der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases 3 zeitlich hintereinander. Dabei kann sich dieses Messverfahren 200 insbesondere auf die Ausführung des Ultraschall-Messsystems 20 der Fig. 3 beziehen. Insoweit können das Füllstandmessen 202 und das Konzentrationsmessen 204 durch ein und denselben Ultraschall-Sensor 22 bezweckt werden. Als ein optionaler Zwischenschritt kann hier ein Bewegungsschritt 206 zwischen dem Füllstandmessen 202 und dem Konzentrationsmessen 204 erfolgen, wie in der Fig. 4 gezeigt ist. Bei diesem optionalen Bewegungsschritt 206 kann die zuvor erläuterte Bewegung des Ultraschall-Sensors 22 und/oder der Messelementoberfläche 18 erfolgen, um zwischen den beiden Messpositionen P1, P2 zu wechseln. Selbstverständlich kann im Messverfahren 200 der Fig. 4 auch anders herum zunächst das Konzentrationsmessen 204 und anschließend das Füllstandmessen 202 erfolgen. Auch kann das gezeigte Messverfahren 200 wiederholt werden, wozu jeweils zwischen einem der beiden Messschritte 202, 204 ein Bewegungsschritt 206 erfolgen kann, um die jeweils erfor-

derliche Messposition P1, P2 für den folgenden Messschritt 202, 204 einzustellen.

In dem Messverfahren 200 der Fig. 5 erfolgen demgegenüber das Füllstandmessen

202 des Wasserfüllstands 2 des Wassers 1 durch den ersten Ultraschall-Sensor 22

der Fig. 2 und das Konzentrationsmessen 204 der Wasserstoffkonzentration des Ano-

denabgases 3 durch den zweiten Ultraschall-Sensor 24 zeitlich parallel. Insoweit be-

zieht sich dieses Messverfahren 200 insbesondere auf das Ausführungsbeispiel des

Ultraschall-Messsystems 20 des Wasserabscheiders 10 der Fig. 2.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen, selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombi-

niert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

1 Wasser

2 Wasserfüllstand

3 Anodenabgas

4 Speichervolumen

5 Messrichtung

10 Wasserabscheider

12 Wasserauslass

14 Auslassöffnung

16 Einlassöffnung

18 Messelementoberfläche 20 Ultraschall-Messsystem 22 erster Ultraschall-Sensor 24 zweiter Ultraschall-Sensor 26 Messsystemkomponente 30 Ventilvorrichtung

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Anodenabschnitt

114 Kathodenabschnitt

120 Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 130 Rezirkulationsabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt 150 Ejektorvorrichtung

200 Messverfahren

202 Füllstandmessen

204 Konzentrationsmessen 206 Bewegungsschritt

P1 Füllstand-Messposition P2 Konzentrations-Messposition R Rotation

Claims (15)

Patentansprüche

1. Wasserabscheider (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei der Wasserabscheider (10) eine Einlassöffnung (16) für einen Anodenabführabschnitt (122) des Brennstoffzellensystems (100) zum Einlassen von Anodenabgas (3) aus dem Brennstoffzellensystem (100), ein Speichervolumen (4) zum Speichern von aus dem Anodenabgas (3) abgeschiedenen Wassers (1) und eine Auslassöffnung (14) zum Auslassen von dem im Speichervolumen (4) gespeicherten Wasser (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (10) ein Ultraschall-Messsystem (20) mit zumindest einem Ultraschall-Sensor (22, 24) zum Messen eines Wasserfüllstands (2) des Wassers (1) und zum Messen einer Was-

serstoffkonzentration des Anodenabgases (3) aufweist.

2. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ultraschall-Sensor (22) zum Messen des Wasserfüllstands (2) des Wassers (1) und ein zweiter Ultraschall-Sensor (24) zum Messen der Wasserstoffkon-

zentration des Anodenabgases (3) eingerichtet ist.

3. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ultraschall-Sensoren (22, 24) an demselben Wandungsabschnitt des

Wasserabscheiders (10) angeordnet sind.

4. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die beiden Ultraschall-Sensoren (22, 24) nebeneinander angeordnet sind.

5. Wasserabscheider (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Messsystem (20) wenigstens eine Messsystemkomponente (26) aufweist, welche die beiden Ultraschall-Sensoren (22, 24) sich

zumindest teilweise teilen.

6. Wasserabscheider (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschall-Sensor (22, 24) und/oder eine Messelementoberfläche (18) des Ultraschall-Messsystems (20) zwischen zwei Messpositionen (P1, P2) bewegbar gelagert ist, um in einer Füllstand-Messposition (P1) der beiden Messpositionen (P1, P2) den Wasserfüllstand (2) des

Wassers (1) zu messen und in einer Konzentrations-Messposition (P2) der

ses (3) zu messen.

7. Wasserabscheider (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschall-Sensor (22, 24) eine zu einer Wasseroberfläche des im Speichervolumen (4) gespeicherten Wassers (1) ausgerichtete Messrichtung (5) zum Messen der Wasserstoffkonzentration des

Anodenabgases (3) aufweist.

8. Wasserabscheider (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschall-Sensor (22, 24) eine zu einer Messelementoberfläche (18) des Ultraschall-Messsystems (20) im Wasserabscheider (10) ausgerichtete Messrichtung (5) zum Messen der Wasserstoffkon-

zentration aufweist.

9. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelementoberfläche (18) auf einem Element innerhalb des Speichervolumens

(4) angeordnet ist.

10. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelementoberfläche (18) einen vorgegebenen Abstand zu dem zu-

mindest einen Ultraschall-Sensor (22, 24) aufweist.

11. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (112),

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzuführ-

gas zum Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas,

und

- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas,

Merkmalen eines der voranstehenden Ansprüche angeordnet ist.

12. Ultraschall-Messsystem (20) für einen Wasserabscheider (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Messsystem (20) zumindest einen Ultraschall-Sensor (22, 24) zum Messen eines Wasserfüllstands (2) von Wasser (1) in dem Wasserabscheider (10) und zum Messen einer Wasserstoffkonzentration eines Anodenabgases (3) in dem Wasserabscheider

(10) aufweist.

13. Messverfahren (200) für einen Wasserabscheider (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, für ein Brennstoffzellensystem (100) gemäß Anspruch 11 oder für ein Ultraschall-Messsystem (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messverfahren (200) die folgenden Schritte umfasst, die jeweils mittels

des Ultraschall-Messsystems (20) ausgeführt werden: — Füllstandmessen (202) des Wasserfüllstands (2) des Wassers (1) und

— Konzentrationsmessen (204) der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases (3).

14. Messverfahren (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandmessen (202) und das Konzentrationsmessen (204) zumindest zeit-

weise zeitgleich ausgeführt werden.

15. Messverfahren (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandmessen (202) und das Konzentrationsmessen (204) zeitlich getrennt

voneinander ausgeführt werden.