DE102007003938A1 - Brennstoffzellensystem mit Ultraschalldetektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit mindestens einem Kanalsystem (2) für ein Arbeitsfluid und mit einer Einrichtung (12, 22) zum Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des in einer Richtung (23) in dem Kanalsystem (2) strömenden Arbeitsfluids, wobei die Einrichtung (12, 22) einen Sensor enthält, der die Istfeuchte in dem Kanalsystem (2) wiedergibt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zu entwickeln, welches eine zuverlässige und dynamische Messung der Istfeuchte ermöglicht. Die Erfindung besteht darin, dass zum Messen der Istfeuchte ein Ultraschalldetektor (16, 17) vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein System mit modular zusammengefassten Brennstoffzellen, umfasst mindestens ein Kanalsystem zur Zufuhr, zum Zirkulieren und zur Abfuhr von fluiden Betriebsstoffen. Um beim Stromerzeugen einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, sind Einrichtungen vorgesehen, die den Druck und/oder die Temperatur und/oder die Feuchte und/oder die Zusammensetzung mindestens eines Betriebsstoffes steuern oder regeln. Zum Erfassen der jeweiligen Istwerte der zu steuernden bzw. zu regelnden Größe werden Sensoren eingesetzt, die vorzugsweise an einem Vorratsbehälter, an einer Vorrichtung zum Herstellen der reagierenden Stoffe und/oder an einem Kanal eines Kanalsystems angeordnet sind.
• In der DE 100 47 248 A1 ist ein typischer Aufbau eines Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzellensystems (PEM-Brennstoffzellensystem) gezeigt. Das PEM-Brennstoffzellensystem besteht aus einer Kathodenelektrode, einer Anodenelektrode und einer Matrix, die zusammen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bilden. Die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode bestehen jeweils aus einem elektrisch leitenden Körper, der als Träger für einen Katalysatorstoff dient. Die Matrix ist zwischen der Kathoden- und der Anodenelektrode angeordnet und dient als Träger für einen Elektrolyten. Mehrere Brennstoffzellen sind unter Zwischenlage von Separatorplatten aufeinander gestapelt. Die Zuführung, Zirkulation und Abführung von Oxidanten (Oxidationsmittel), Reduktanten (Brennstoff) und Kühlmitteln erfolgt über Kanalsysteme, welche mit den Separatorplatten erzeugt sind. Für jedes flüssige oder gasförmige Betriebsmittel sind in dem Brennstoffzellenstapel Zufuhrsammelkanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrsammelkanäle vorgesehen, die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Über mindestens einen Zufuhrsammelkanal werden die Zellen eines Stapels parallel mit einem Oxidant-Fluid, einem Reduktant-Fluid und einem Kühlmittel versorgt. Die Reaktionsprodukte, überschüssiges Reduktant- und Oxidant-Fluid und erwärmtes Kühlmittel werden aus den Zellen über mindestens einen Abfuhrsammelkanal aus dem Stapel geführt. Die Verteilerkanäle bilden eine Verbindung zwischen dem Zu- und Abfuhrsammelkanal und den einzelnen aktiven Kanälen einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellen können zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sein. Die Stapel sind durch Endplatten abgeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht, wobei Plus- und Minuspol nach außen zu einem Verbraucher geführt sind.
• Bei einem PEM-Brennstoffzellensystem, bei dem der Brennstoff Wasserstoff enthält, wird kathodenseitig ein Gasgemisch aus Luft und Wasserdampf zugeführt. Der Taupunkt des Gasgemisches soll vorzugsweise etwa 5°C unterhalb der Gastemperatur liegen. Um dies bei beliebigen Betriebstemperaturen zu erreichen, kann eine Einrichtung zur Feuchteregelung mit laufender Istwertermittlung vorgesehen werden.
• Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Messen der Istfeuchte einen optischen oder einen kapazitiven Sensor einzusetzen. Die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit dieser Sensoren wird beeinträchtigt, wenn sich ein Flüssigkeitsfilm auf einer Sensorfläche ausbildet.
• Weiterhin wurde vorgeschlagen, die Istfeuchte indirekt durch Messen der Temperatur und des Druckes zu bestimmen. Derartige Messeinrichtungen sind aufwändig und besitzen eine geringe Messdynamik.
• Wie in der DE 101 49 333 A1 beschrieben, kann die Feuchtigkeit eines Gases mit einer Widerstandsmessstruktur bestimmt werden, die mit einer Rußschicht zusammenwirkt. Die Messgeschwindigkeit ist gering und die Widerstandsmessstruktur ist wegen der Baugröße nur mit Nachteilen in einem engen Kanal eines Brennstoffzellensystems einsetzbar.
• Aus der DE 199 44 047 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration bzw. der Dichte und der Geschwindigkeit von Partikeln in einem strömenden Fluid bekannt. Zum Messen dieser Größen ist ein Ultraschalldetektor an einer Kanalwand vorgesehen. Die von einem Ultraschallsender in einem Mehrfrequenzbetrieb ausgehenden Schallwellen werden an den Partikeln reflektiert. Die reflektierten Wellen werden von einem Ultraschallempfänger aufgenommen, wobei die durch die Partikelbewegung nach dem Dopplerprinzip hervorgerufene Frequenzverschiebung und die Ultraschallabsorption ausgewertet werden. Die mit der Vorrichtung detektierbaren Partikel liegen in einem Größenbereich von 1 μm bis 1000 μm.
• Bei einem Gargerät nach der DE 101 43 841 A1 wird mittels einer Schallgeschwindigkeitsmessung die Dichte einer Garatmosphäre in einem Garraum bestimmt, um daraus den Anteil an Wasserdampf und damit die Feuchte der Garatmosphäre abzuleiten. Bei dieser Anwendung wird berücksichtigt, dass die Gartemperatur die Dichte der Garatmosphäre beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeitsmessung kann in einem Messrohr vorgenommen werden, welches atmosphärisch mit dem Garraum verbunden ist. Zur Schallgeschwindigkeitsmessung dienen ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger, zwischen denen eine bekannte Messstrecke liegt und die baulich vereinigt sein können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Einrichtung zum Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des in einer Richtung in einem Kanalsystem strömenden Arbeitsfluids zu entwickeln, welches eine zuverlässige und dynamische Messung der Istfeuchte ermöglicht.
• Die Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Gemäß der Erfindung wird zum Messen der Istfeuchte ein Ultraschalldetektor verwendet. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft zum Messen der Istfeuchte auf der Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems anwendbar.
• Zum Messen der Istfeuchte wird vorzugsweise die Schallgeschwindigkeit in einem Arbeitsfluid bestimmt, welches in einem Kanal eines Kanalsystems strömt, woraus eine Taupunkttemperatur abgeleitet wird. Der Ultraschalldetektor umfasst einen Sender und einem Empfänger, die in einem bekannten Abstand angeordnet sind. Bei gleicher Temperatur liegt die Schallgeschwindigkeit in Wasserdampf höher als in trockner Luft. Dadurch ergibt sich mit zunehmender Feuchte des Arbeitsfluids ein Anstieg der Schallgeschwindigkeit entlang der Messstrecke. Da der Dampfdruck von Wasser mit zunehmender Temperatur exponentiell steigt, erhöht sich die Genauigkeit des Messprinzips einerseits mit steigender Temperatur und andererseits bei Annäherung an den jeweiligen Taupunkt des Arbeitsfluids.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, es zeigen:
• 1 ein Schema eines Brennstoffzellensystems mit einer Einrichtung zum Regeln der Feuchte in einem Kathodenkanalsystem,
• 2 einen Ultraschalldetektor mit Sender und Empfänger quer zur Strömungsrichtung eines Luft-Wasserdampf-Gemisches,
• 3 einen Ultraschalldetektor mit Sender und Empfänger angeordnet in Strömungsrichtung eines Luft-Wasserdampf-Gemisches,
• 4 einen Ultraschalldetektor mit Sender und Empfänger gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet, und
• 5 ein Diagramm zur Genauigkeit einer Feuchtemessung.
• 1 zeigt ein Schema eines Brennstoffzellensystems 1 mit einer Einrichtung zum Regeln der Feuchte in einem Kathodenkanalsystem 2. Neben dem Kathodenkanalsystem 2 umfasst das Brennstoffzellensystem 1 ein Kühlkanalsystem 3 und ein Anodenkanalsystem 4. Über ein steuerbares Ventil 5 wird dem Anodenkanalsystem 4 Wasserstoff aus einem Wasserstoffhochdruckbehälter 6 zugeführt. Durch das Kühlkanalsystem 3 strömt Kühlwasser in einem Kreislauf mit einer Pumpe 7, einem steuerbaren Ventil 8 und einem Wärmetauscher 9. Dem Kathodenkanalsystem 2 wird mit einem Gebläse 10 über ein steuerbares Ventil 11 sauerstoffhaltige Luft zugeführt. Über ein steuerbares Ventil 12 wird der Luft Wasserdampf aus einem Wasserdampferzeuger 13 zugefügt. In dem Anodenkanalsystem 4 und dem Kathodenkanalsystem 2 sind Thermofühler 14, 15 angeordnet. Dem Kathodenkanalsystem 2 ist ein Ultraschalldetektor zugeordnet, der aus einem Ultraschallsender 16 und einem Ultraschallempfänger 17 besteht. Die Kathodenelektrode 18 und die Anodenelektrode 19 sind mit einem Stromregler 20 verbunden. An den Stromregler 20 ist ein Elektromotor 21 eines Kraftfahrzeuges angeschlossen. Die Pumpe 7, das Gebläse 10, die Ventile 5, 8, 11, 12, die Thermofühler 14, 15, der Sender 16, der Empfänger 17 und der Stromregler 20 sind mit einem Steuer- und Regelgerät 22 verbunden.
• Während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 1 wird mit dem Sender 16 und dem Empfänger 17 laufend die Feuchte der Luft in dem Kathodenkanalsystem 2 gemessen. Vom Sender 16 gehen Ultraschallwellen aus, die die feuchte Luft in dem Kathodenkanalsystem 2 durchdringen und auf den Empfänger 17 treffen. Sender 16 und Empfänger 17 haben einen bekannten Abstand zueinander. Aus der Laufzeit der Schallwellen und dem Abstand zwischen Sender 16 und Empfänger 17 ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit, die von der aktuellen Feuchtigkeit der Luft abhängig ist. Die aus den Signalen des Empfängers 17 in dem Steuergerät 22 ermittelte Istfeuchte wird mit einer gespeicherten Sollfeuchte verglichen. Eine Differenz zwischen Ist- und Sollfeuchte wird ausgeglichen, indem mit dem Steuergerät 22 das Ventil 12 mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen wird. Dadurch wird der mit dem Gebläse 10 geförderten Luft mehr oder weniger Wasserdampf aus dem Wasserdampferzeuger 13 zugeführt. Beim Bestimmen der Stellgrößen für das Ventil 12 wird die Temperatur in dem Kathodenkanalsystem 2 berücksichtigt. Diese Temperatur ergibt sich aus den Messwerten des Temperaturfühlers 15.
• In den 2–4 sind Varianten für eine Anordnung von Sender 16 und Empfänger 17 in dem Kathodenkanalsystem 2 dargestellt.
• Bei der Variante nach 2 durchströmt die feuchte und sauerstoffhaltige Luft das Kathodenkanalsystem 2 in der Richtung des Pfeils 23. In einem Bereich des Kathodenkanalsystems 2, in dem die Luft laminar strömt, sind der Sender 16 und der Empfänger 17 so angeordnet, dass die Ultraschallwellen 24 quer zur Strömungsrichtung 23 verlaufen.
• Gemäß 3 sind zwei Paare von Sendern 16.1, 16.2 und Empfängern 17.1 und 17.2 in einem Abschnitt des Kathodenkanalsystems 2 mit laminarer Strömung vorgesehen. Die von den Sendern 16.1, 16.2 ausgehenden Ultraschallwellen 24.1, 24.2 verlaufen in und entgegen der Strömungsrichtung 23 des Kathodengasgemisches. Um Messfehler bei der Feuchtmessung zu vermeiden, werden aus den Signalen der Empfänger 17.1, 17.2 die Schallgeschwindigkeiten in und gegen die Strömungsrichtung 23 des Luft-Wasserdampf-Gemisches bestimmt. Die Differenz aus den beiden Schallgeschwindigkeitssignalen kann zusätzlich zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches verwendet werden.
• In 4 ist eine Variante gezeigt, bei der ein Ultraschallsender 16 und ein Ultraschallempfänger 17 in einem gemeinsamen Gehäuse auf einer Seite eines Kathodenkanals 2 angeordnet sind. Die Messung der Schallgeschwindigkeit bzw. der Feuchte eines Luft-Wasserdampf-Gemisches ist unabhängig von der Strömungsrichtung 23. Durch Anordnen in dem gemeinsamen Gehäuse ergibt sich eine kostengünstige Fertigung und Montage des Ultraschalldetektors, wobei der Detektor nur ein geringes Bauvolumen einnimmt. Die dem Sender 16 und dem Empfänger 17 gegenüberliegende Wand des Kathodenkanals 2 ist als Ultraschallreflektor 25 ausgebildet. Vom Sender 16 gehen Ultraschallwellen 24.1 aus, die auf den Reflektor 25 treffen. Die am Reflektor 25 zurückgeworfenen Wellen 24.2 werden vom Empfänger 17 aufgenommen.
• Das in 5 dargestellte Diagramm zeigt eine Abhängigkeit der Genauigkeit beim Bestimmen einer Taupunkttemperatur von der relativen Feuchte in einem Arbeitsfluid eines Brennstoffzellensystems bei einer Arbeitsfluidtemperatur von 80°C und einem absoluten Druck von 2,2 bar. Die Kurven 26, 27 ergeben sich aus verschiedenen Genauigkeiten beim Messen der Schallgeschwindigkeit in dem Arbeitsfluid mit einem Ultraschalldetektor. Wie oben beschrieben, werden aus den Schallgeschwindigkeitsmesswerten Feuchtemesswerte abgeleitet. Die Kurve 26 resultiert aus einer Messgenauigkeit von 1 m/s. Die Kurve 27 gilt für eine Messgenauigkeit von 0,5 m/s. Aus Kurve 27 geht hervor, dass bei einer relativen Feuchte zwischen 60 und 100 der Fehler beim Bestimmen der Taupunkttemperatur unter 1°C liegt. Damit kann durch eine Feuchteregelung in jedem Fall sichergestellt werden, dass der Taupunkt des Arbeitsfluids stets einen vorgegebenen Abstand, von z. B. 5°C, unterhalb der Arbeitsfluidtemperatur liegt.

1

Brennstoffzellensystem

2

Kathodenkanalsystem

3

Kühlkanalsystem

4

Anodenkanalsystem

5

Ventil

6

Wasserstoffhochdruckbehälter

7

Pumpe

8

Ventil

9

Wärmetauscher

10

Gebläse

11, 12

Ventil

13

Wasserdampferzeuger

14, 15

Thermofühler

16

Ultraschallsender

17

Ultraschallempfänger

18

Kathodenelektrode

19

Anodenelektrode

20

Stromregler

21

Elektromotor

22

Steuer- und Regelgerät

23

Pfeil

24

Ultraschallwelle

25

Ultraschallreflektor

26, 27

Kurve

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 10047248 A1 [0003]
• - DE 10149333 A1 [0007]
• - DE 19944047 A1 [0008]
• - DE 10143841 A1 [0009]

Claims (6)

1. Brennstoffzellensystem, mit mindestens einem Kanalsystem (2) für ein Arbeitsfluid, und mit einer Einrichtung (12, 22) zum Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des in einer Richtung (23) in dem Kanalsystem (2) strömenden Arbeitsfluids, wobei die Einrichtung (12, 22) einen Sensor enthält, der die Istfeuchte in dem Kanalsystem (2) wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Istfeuchte ein Ultraschalldetektor (16, 17) vorgesehen ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldetektor aus einem Ultraschallsender (16) mit einer Hauptsenderichtung und einem Ultraschallempfänger (17) mit einer Hauptempfangsrichtung besteht, wobei die Hauptsende- und die Hauptempfangsrichtung quer zur Strömungsrichtung (23) des Arbeitsfluids liegen.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldetektor aus einem Ultraschallsender (16) mit einer Hauptsenderichtung und einem Ultraschallempfänger (17) mit einer Hauptempfangsrichtung besteht, wobei die Hauptsende- und die Hauptempfangsrichtung in Strömungsrichtung (23) des Arbeitsfluids liegen.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ultraschalldetektoren (16.1, 17.1; 16.2, 17.2) mit gegenläufigen Sende- und Empfangsrichtungen vorgesehen sind.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldetektor aus einem Ultraschallsender (16) und einem Ultraschallempfänger (17) besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallreflektor (25) vorgesehen ist, der einen vorbestimmten Abstand zum Sender (16) und Empfänger (17) aufweist.