WO2024036351A2 - Wasserabscheider für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem, ultraschall-messsystem sowie messverfahren - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a water separator for a fuel cell system, wherein the water separator has an inlet opening for an anode discharge section of the fuel cell system for admitting anode exhaust gas from the fuel cell system, a storage volume for storing water separated from the anode exhaust gas and an outlet opening for discharging the water stored in the storage volume . Furthermore, the invention also relates to a fuel cell system with such a water separator, an ultrasonic measuring system for a water separator and a measuring method for the water separator, the fuel cell system or the ultrasonic measuring system.
  • Cost-intensive mass spectrometers are currently used to measure the concentration of hydrogen, which generally permanently extract gas from the anode volume in the fuel cell stack, which should be avoided.
  • a water separator for a fuel cell system wherein the water separator has an inlet opening for an anode discharge section of the fuel cell system for admitting anode exhaust gas from the fuel cell system, a storage volume for storing water separated from the anode exhaust gas, and an outlet opening for discharging the water stored in the storage volume.
  • the water separator further has an ultrasonic measuring system with at least one ultrasonic sensor for measuring a water level of the water, in particular in the storage volume, and for measuring a hydrogen concentration of the anode exhaust gas, in particular in the storage volume.
  • an ultrasonic measuring system which can measure both the water level of the water separator and the hydrogen concentration in the water separator with one or more sensors in a water separator.
  • no different measuring systems and sensors are necessary.
  • the provision according to the invention of the single measuring system for both measurements therefore not only allows a compact use of installation space within and/or on the water separator and thus in the fuel cell system, but is also cost-effective and allows a particularly precise measurement using the same ultrasonic measuring principle.
  • This measuring principle is included robust to the operating conditions in the anode loop with the liquid water droplets. It can also be built very compactly to further minimize the space required. Providing two measurement options also improves the calibration and thus the optimization of the fuel cell system.
  • a first ultrasonic sensor is set up to measure the water level of the water and a second ultrasonic sensor is set up to measure the hydrogen concentration of the anode exhaust gas.
  • the ultrasonic measuring system has at least two ultrasonic sensors, each of which can carry out different types of measurements, which are later also referred to as level measurements and concentration measurements.
  • the devices of the sensors for these different measuring tasks can be implemented, for example, through their structure, their relative positioning or the positioning of their measuring direction and/or additional possible elements, such as measuring element surfaces. This advantageously allows both the water level and the hydrogen concentration to be measured at the same time, so that these can also be permanently monitored.
  • the wall section can be, for example, a side wall, in particular an inner side wall, of the water separator. This enables a comparatively particularly compact design because the ultrasonic sensors do not have to be far from each other and therefore from other measuring system components, which in turn would require additional installation space, for example due to appropriate cabling, and would result in additional costs.
  • the two ultrasonic sensors are arranged next to each other. This means that the two ultrasonic sensors are in close proximity to each other. This also allows the previously mentioned compact structure.
  • the ultrasonic measuring system has at least one measuring system component, which the two ultrasonic sensors at least partially share.
  • Such at least one measuring system component can be, for example, a measuring control device, cabling, a power supply, etc. Because the two ultrasonic sensors share at least one, several or all of the measuring system components that are required for the measurements, a redundancy in the measuring system components that is conducive to a possible failure of components can be achieved in favor of a compact and cost-effective structure of the ultrasonic measuring system and thus the fuel cell system in which it is used can be avoided.
  • the at least one ultrasonic sensor and/or one measuring element surface of the ultrasonic measuring system is mounted movably between two measuring positions in order to measure the water level of the water in a level measuring position of the two measuring positions and in a concentration measuring position to measure the hydrogen concentration of the anode exhaust gas in both measuring positions.
  • the movable bearing can be provided, for example, by a rotary bearing and/or translational bearing, which enables rotation or translational movement of the at least one ultrasonic sensor and/or the measuring element surface.
  • a drive can be provided on the measuring element surface and/or the at least one ultrasonic sensor, which is correspondingly controlled by the ultrasonic measuring system in order to provide one of the two measuring positions.
  • the ultrasonic measuring system can also be equipped with just one ultrasonic sensor, which can carry out both types of measurements depending on the selected measuring position.
  • a precise measurement typically only a time-separated measurement of the water level and concentration measurement will be possible.
  • the at least one ultrasonic sensor has a measuring direction aligned with a water surface of the water stored in the storage volume for measuring the hydrogen concentration of the anode exhaust gas. Equipped with this measuring direction, the ultrasonic sensor can determine the distance between the at least one ultrasonic sensor and the water surface as the level of the storage volume. This distance can be assigned to a water level if the dimensions of the water separator are known. For example, a formula, a mapping table or the like can be used by the ultrasound Assign a water level to the distance measured by the sensor, which can be determined by the ultrasonic measuring system.
  • the fill level measuring position can in particular be a measuring position in which the measuring direction of the ultrasonic sensor is aligned with the water surface.
  • the at least one ultrasonic sensor has a measuring direction for measuring the hydrogen concentration that is aligned with a measuring element surface of the ultrasonic measuring system in the water separator. This means that the hydrogen concentration can be measured in particular in a different measuring direction than that for measuring the water level.
  • the measurement of the hydrogen concentration is carried out in the same measuring direction as the measurement of the water level.
  • a fixed geometry can advantageously be present in the “viewing direction” of the sound source (next to the water surface, i.e. the “measuring element surface”) and the two different signals (fill level and concentration) can be separated through appropriate signal analysis and/or processing.
  • the measuring element surface can preferably be arranged on a measuring element within the water separator, in particular within the storage volume.
  • a measuring element can, for example, protrude from an inner wall of the water separator towards the inside of the water separator, in particular into the storage volume, or can be designed as an inner wall of the water separator.
  • the measuring element can be made of a solid material, for example plastic, metal or the like, which preferably has sufficient resistive properties for use in the water separator, that is, for example, can have a specific coating.
  • the measuring element can also be made of the same material as the wall of the water separator, in particular designed in one piece with it.
  • the measuring element surface can advantageously have a predetermined distance from the at least one ultrasonic sensor. Because the distance is predetermined, it is always known and so the ultrasound emitted by the ultrasonic sensor requires a different amount of time at different hydrogen concentrations until it is reflected by the measuring element surface and is registered again at the ultrasonic sensor. Here too you can For example, a formula, an assignment table or the like for the respective period of time from transmission to reception of the ultrasound can be assigned to a hydrogen concentration, which can be determined by the ultrasound measuring system. In the case of a movably mounted measuring element surface, the distance can optionally also be adjustable, although the distance is known through a measurement or predetermined storage positions of the measuring element surface.
  • the present invention also relates to a fuel cell system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode supply section for supplying anode supply gas to the anode section, a cathode supply section for supplying cathode supply gas to the cathode section, an anode discharge section for discharging anode exhaust gas, and a cathode discharge section for Discharging cathode exhaust gas, with a water separator according to the invention being arranged in the anode discharge section.
  • the fuel cell system thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the water separator according to the invention.
  • the fuel cell system can be of any type, for example of the polymer electrolyte membrane (PEM for short) type.
  • the present invention also relates to an ultrasonic measuring system for a water separator, in particular the water separator according to the invention, for a fuel cell system, in particular the fuel cell system according to the invention, wherein the ultrasonic measuring system has at least one ultrasonic sensor for measuring a water level of water in the water separator and for measuring a hydrogen concentration of an anode exhaust gas in the water separator.
  • the subject of the present invention is also a measuring method for the water separator according to the invention, for the fuel cell system according to the invention or for the ultrasonic measuring system according to the invention, whereby the Measuring procedure includes the following steps, each of which is carried out using the ultrasonic measuring system:
  • a measuring method according to the invention therefore also brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the water separator according to the invention.
  • the level measurement and the concentration measurement are carried out at the same time, at least temporarily.
  • the level measurement and the concentration measurement are carried out at separate times. This has the advantage that a single ultrasonic sensor can be used for both level measurement and concentration measurement.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic detailed view of a water separator according to the invention according to an exemplary embodiment of the invention from the fuel cell system of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic view of a movably mounted ultrasonic sensor of an ultrasonic measuring system in the water separator of FIG. 2
  • 4 is a schematic view of a first exemplary embodiment of a measuring method according to the invention for the ultrasonic sensor of FIG. 3
  • Fig. 5 is a schematic view of a second exemplary embodiment of a measuring method according to the invention for the ultrasonic measuring system of the water separator of Fig. 2.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention.
  • the fuel cell system 100 is shown here purely as an example with a single fuel cell stack 110 with an anode section 112 and a cathode section 114, although of course several fuel cell stacks 110 can also be provided.
  • An anode supply section 120 serves to supply anode supply gas to the anode section 112 and a cathode supply section 140 serves to supply cathode supply gas to the cathode section 114.
  • an anode discharge section 122 serves to discharge anode exhaust gas
  • a cathode discharge section 142 serves to discharge cathode exhaust gas.
  • a water separator 10 is integrated into it, which allows water 1 (see FIG. 2) or, to be more precise, product water from the anode exhaust gas 3 (see FIG. 2) to be separated in the anode discharge section 122.
  • This separated water 1 can be discharged via a water outlet 12 of the valve device 30, either out of the fuel cell system 100 or recirculated within the fuel cell system 100 for further use.
  • anode supply gas is now introduced into the anode section 112 of the fuel cell stack 110 through the anode supply section 120.
  • Spent anode exhaust gas 3 is discharged via the anode discharge section 122 and, as explained, runs through the water separator 10.
  • the anode exhaust gas 3 can also be recirculated about the passive one shown Recirculation device, for example in the form of an ejector device 150.
  • the water separator 10 can of course also be arranged in the recirculation section 130 or even in the anode supply section 120 downstream of the passive recirculation device here in the form of the ejector device 150.
  • FIG 2 shows the water separator 10 from Figure 1 in more detail.
  • the water separator 10 is shown in a purely schematic manner as a simple container, which is typically not the case because it is usually constructed in a much more complex manner in order to effectively separate the water 1 therein.
  • the illustration only serves to provide a better understanding of the invention.
  • the water separator 10 comprises a storage volume 4, illustrated here as an example, for storing the water 1 separated from the anode exhaust gas 3. Furthermore, the water separator 10 comprises an inlet opening 16, which is fluidly connected to the anode discharge section 122. In fact, the anode discharge section 122 is also fluidly connected to the water separator 10 elsewhere. The water separator 10 also includes an outlet opening 14, which is fluidly connected to the water outlet 12 of the valve device 30 in order to be able to discharge water 1 separated and stored from the anode exhaust gas 3.
  • the water separator 10 also includes an ultrasonic measuring system 20, which is arranged here, for example, on an upper wall section of the water separator 10 in FIG. 2.
  • the ultrasonic measuring system 20 here includes, for example, two ultrasonic sensors 22, 24.
  • a first ultrasonic sensor 22 is set up to measure the water level of the water 1. For this purpose, it is aligned in its measuring direction 5 shown with the water surface of the stored water 1 in the storage volume 4. The water surface has a certain water level 2 that needs to be determined. For this purpose, the first ultrasonic sensor 22 sends out ultrasound towards the water surface and receives it after a time that depends on the distance between the first ultrasonic sensor 22 and the water surface. By measuring this time between sending and receiving the ultrasound, the ultrasound measuring system 20 can calculate the water level 2 back.
  • a second ultrasonic sensor 24 is set up to measure the hydrogen concentration of the anode exhaust gas 3.
  • the ultrasonic measuring system 20 can recalculate the hydrogen concentration in the anode exhaust gas 3 by measuring the time between sending and receiving the ultrasound from the second ultrasonic sensor 24.
  • the two ultrasonic sensors 22, 24 here use a common measuring system component 26, which is shown here as an example outside the water separator 10.
  • the measuring system component 26 can, for example, be a measuring control device including a power supply.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment in which a single ultrasonic sensor 22 is used to measure both the water level 2 and the hydrogen concentration.
  • the ultrasonic sensor 22 is movably mounted, in particular rotatably mounted, so that it can carry out a rotation R, as shown in FIG Ultrasonic sensor 22 can be conveyed.
  • position P1 of the ultrasonic sensor 22 shown on the left which is a fill level position P1
  • the measuring direction 5 is aligned with the water surface. This makes it possible to measure the water level 2 using ultrasound. If the rotation R is now carried out in the direction shown in FIG. 3, the position P2 indicated on the right in FIG.
  • the ultrasonic sensor 22 is aligned with its measuring direction 5 towards the particularly fixed measuring element surface 18, as shown in FIG. 2. This makes it possible to measure the hydrogen concentration in the concentration measuring position P2.
  • Changing the measuring direction 5 of the ultrasonic sensor 22 allows both concentration measurement and level measurement.
  • the measuring element surface 18 it is also possible to design the measuring element surface 18 to be movable. For example, it is conceivable to move the measuring element surface 18 in front of the ultrasonic sensor 22 to assume the concentration measuring positions P2, so that its measuring direction 5 is aligned with it.
  • the measuring element surface 18 can then be moved away from in front of the ultrasonic sensor 22 in order to align its measuring direction 5 again with the water surface. It is therefore also possible not to change the measuring direction 5 itself in order to enable the concentration measurement and the level measurement using only one ultrasonic sensor 22, but rather the surface to be measured in front of the ultrasonic sensor 22 is changed, i.e. the water surface on the one hand and on the other the measuring element surface.
  • Figures 4 and 5 show exemplary embodiments of measuring methods 200 that can be carried out by the ultrasonic measuring systems 20 described here.
  • the level measurement 202 of the water level 2 of the water 1 and the concentration measurement 204 of the hydrogen concentration of the anode exhaust gas 3 take place one after the other in time.
  • This measuring method 200 can relate in particular to the design of the ultrasonic measuring system 20 of FIG. 3.
  • the level measurement 202 and the concentration measurement 204 can be used by one and the same ultrasonic sensor 22.
  • a movement step 206 can take place between the level measurement 202 and the concentration measurement 204, as shown in FIG. 4.
  • the previously explained movement of the ultrasonic sensor 22 and/or the measuring element surface 18 can take place in order to switch between the two measuring positions P1, P2.
  • the concentration measurement 204 and then the level measurement 202 can also be carried out the other way around.
  • the measuring method 200 shown can also be repeated, for which purpose a movement step 206 can take place between one of the two measuring steps 202, 204 in order to set the respectively required measuring position P1, P2 for the following measuring step 202, 204.
  • the level measurement 202 of the water level 2 of the water 1 is carried out by the first ultrasonic sensor 22 2 and the concentration measurement 204 of the hydrogen concentration of the anode exhaust gas 3 by the second ultrasonic sensor 24 in parallel in time.
  • this measuring method 200 relates in particular to the exemplary embodiment of the ultrasonic measuring system 20 of the water separator 10 of FIG. 2.

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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

Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem, 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 Wasserabscheider, 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 Lebensdauer 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 Anodenvolumen 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 Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, eine bauraumtechnisch optimierte und präzise Messung von Betriebsparametern eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung 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 wechselseitig 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 Speichervolumen, 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 überwacht 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 Aufbau.
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 beispielsweise 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 eingesetzt 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 Wasserfüllstand 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. Beispielsweise 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 dabei insbesondere eine Messposition sein, in der die Messrichtung des Ultraschall-Sensors 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 Messrichtung 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 Wasserstoffkonzentration zugeordnet werden, die von dem Ultraschall-Messsystem bestimmt werden 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 Ka- thodenabgas, wobei im Anodenabführabschnitt ein erfindungsgemäßer Wasserabscheider 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, beispielsweise vom Polymerelektrolytmembran (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 Wasserabscheider 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 Brennstoffzellensystem oder für das erfindungsgemäße Ultraschall-Messsystem, wobei das Messverfahren die folgenden Schritte umfasst, die jeweils mittels des Ultraschall- 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 Füllstandmessen 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 Ausführungsbeispiele 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, Fig. 4 ein schematische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messverfahrens für den Ultraschall-Sensor der Fig. 3, und
Fig. 5 ein schematische Ansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messverfahrens für das Ultraschall-Messsystem des Wasserabscheider der Fig. 2.
Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 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, weicher 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 rezirkuliert 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 Pur- geventil 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, erfolgen. Der Wasserabscheider 10 kann selbstverständlich auch in dem Rezirkulations- abschnitt 130 oder sogar in dem Anodenzuführabschnitt 120 stromabwärts der passiven Rezirkulationsvorrichtung hier in Form der Ejektorvorrichtung 150 angeordnet werden.
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 beispielhaft 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 Ultraschall- Sensor 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. Ein zweiter Ultraschall-Sensor 24 ist zum Messen der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases 3 eingerichtet. Dazu ist seine Messrichtung 5 auf eine hier beispielhafte feststehende Messelementoberfläche 18 ausgerichtet, die an einem Messelement des Wasserabscheiders 10 ausgebildet ist, welches in den Wasserabscheider 10 hineinragt. Aufgrund der bekannten Distanz von dem zweiten Ultraschall-Sensor 24 zur Messelementoberfläche 18 kann das Ultraschall-Messsystem 20 durch Messen der Zeit zwischen Aussenden und Empfangen des Ultraschalls des zweiten Ultraschall-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 drehbeweglich 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 erforderliche 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 Anodenabgases 3 durch den zweiten Ultraschall-Sensor 24 zeitlich parallel. Insoweit bezieht sich dieses Messverfahren 200 insbesondere auf das Ausführungsbeispiel des Ultraschall-Messsystems 20 des Wasserabscheiders 10 der Fig. 2.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende 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

Patentansprüche 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 Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases (3) aufweist. 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 Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases (3) eingerichtet ist. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ultraschall-Sensoren (22, 24) an demselben Wandungsabschnitt des Wasserabscheiders (10) angeordnet sind. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ultraschall-Sensoren (22, 24) nebeneinander angeordnet sind. 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. 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 beiden Messpositionen (P1 , P2) die Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases (3) zu messen. 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. 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 Wasserstoffkonzentration aufweist. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelementoberfläche (18) auf einem Element innerhalb des Speichervolumens (4) angeordnet ist. Wasserabscheider (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelementoberfläche (18) einen vorgegebenen Abstand zu dem zumindest einen Ultraschall-Sensor (22, 24) aufweist. 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, wobei im Anodenabführabschnitt (122) ein Wasserabscheider (10) mit den Merkmalen eines der voranstehenden Ansprüche angeordnet ist. 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. 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). Messverfahren (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandmessen (202) und das Konzentrationsmessen (204) zumindest zeitweise zeitgleich ausgeführt werden. Messverfahren (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandmessen (202) und das Konzentrationsmessen (204) zeitlich getrennt voneinander ausgeführt werden.
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