DE102007015955B4 - Apparatus for operating a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel (11), – wobei der Brennstoffzellenstapel (11) eine Kathodeneinlassleitung (23) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels (24) sowie eine Kathodenauslassleitung (31) zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, – in der Kathodeneinlassleitung (23) und in der Kathodenauslassleitung (31) jeweils ein Feuchtigkeitssensor (40, 41) angeordnet ist, – ein Befeuchter (30) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des dem Brennstoffzellenstapel (11) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels (24) vorgesehen ist, – eine Bypassleitung (32a) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel (24) und eine Bypassleitung (32b) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das Kathodenabgas in Abhängigkeit der Sensorsignale der Feuchtigkeitssensoren (40, 41) vorhanden ist – in den Bypassleitungen (32a, 32b) jeweils ein Bypassventil (33a, 33b) angeordnet ist, – und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie durch Differenzbildung der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren (40, 41) eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ ermittelt, auf deren Basis durch Betätigung der Bypassventile (33a, 33b) ein vorgegebener Sollwert der Wasserdampfkonzentration einstellbar ist.Device for operating a fuel cell system, with a fuel cell stack (11), - wherein the fuel cell stack (11) has a cathode inlet line (23) for supplying a gaseous oxidizing agent (24) and a cathode outlet line (31) for leading out a cathode exhaust gas, - in the cathode inlet line ( 23) and in each of the cathode outlet line (31) a moisture sensor (40, 41) is arranged, - a humidifier (30) is provided for regulating the water vapor concentration of the gaseous oxidizing agent (24) fed to the fuel cell stack (11), - a bypass line (32a) ) for the controlled bypassing of the humidifier (30) for the gaseous oxidizing agent (24) to be humidified and a bypass line (32b) for the controlled bypassing of the humidifier (30) for the cathode exhaust gas depending on the sensor signals of the humidity sensors (40, 41) is present - in the bypass lines (32a, 32b) each have a bypass valve (33a, 33b) - and a control device is provided which is designed so that it determines a humidification variable λ reflecting the current water vapor concentration by forming the difference between the sensor signals of the two moisture sensors (40, 41), on the basis of which by actuating the bypass valves (33a, 33b) a specified target value for the water vapor concentration can be set.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels sowie eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, wobei in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung jeweils ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist.The invention relates to an apparatus for operating a fuel cell system, comprising a fuel cell stack, wherein the fuel cell stack has a cathode inlet line for supplying a gaseous oxidant and a cathode outlet line for taking out a cathode exhaust gas, wherein in each case a moisture sensor is arranged in the cathode inlet line and in the cathode outlet line.

Das Brennstoffzellensystem dient beispielsweise der Energieversorgung eines elektromotorischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug.The fuel cell system serves, for example, to supply energy to an electromotive drive in a motor vehicle.

Ein im Kraftfahrzeugbereich gebräuchlicher Brennstoffzellentyp stellt die sogenannte Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bzw. Proton Exchange Fuel Cell (PEFC) dar, die durch elektrochemische Reaktion eines wasserstoffhaltigen Brenngases mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel elektrische Energie erzeugt. Als Elektrolyt dient eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion. Die Polymermembran ist beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet, das aus einer Mischung von Kohlenstoff mit einem metallischen Katalysator besteht. Bei dem metallischen Katalysator handelt es sich in der Regel um Platin und/oder Ruthenium. Um die zur effizienten Elektrizitätserzeugung erforderliche Protonenleitfähigkeit der Polymermembran aufrechtzuerhalten, muss diese in einem vorgegebenen Feuchtigkeitsbereich betrieben werden.One type of fuel cell commonly used in the automotive sector is the so-called proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) or proton exchange fuel cell (PEFC), which generates electrical energy by electrochemical reaction of a hydrogen-containing fuel gas with an oxygen-containing oxidant. The electrolyte used is a solid polymer membrane, for example from Nafion. The polymer membrane is coated on both sides with an electrode material which consists of a mixture of carbon with a metallic catalyst. The metallic catalyst is usually platinum and / or ruthenium. In order to maintain the proton conductivity of the polymer membrane required for efficient electricity generation, it must be operated in a predetermined humidity range.

Vor diesem Hintergrund schlägt die DE 102 46 168 A1 eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel vor, bei der die Wasserdampfkonzentration eines über eine Kathodeneinlassleitung zugeführten sauerstoffhaltigen Gases sowie eines über eine Kathodenauslassleitung abgelassenen Kathodenabgases mittels jeweils zugehöriger Feuchtigkeitssensoren überwacht wird, um in Abhängigkeit des Messergebnisses einen Teil des wasserdampfhaltigen Kathodenabgases zur Kathodeneinlassleitung zurückzuführen. Ein kritisches Austrocknen der Polymermembran lässt sich auf diese Weise zuverlässig vermeiden.Against this background, the DE 102 46 168 A1 a device for operating a fuel cell system with a fuel cell stack, in which the water vapor concentration of an oxygen-containing gas supplied via a cathode inlet line and a cathode exhaust gas discharged via a cathode exhaust gas is monitored by respective associated humidity sensors to return depending on the measurement result, a portion of the water vapor-containing cathode exhaust gas to the cathode inlet. A critical drying of the polymer membrane can be reliably avoided in this way.

Nachteilig ist, dass sich aufgrund der Rückführung des Kathodenabgases vermehrt inerte Bestandteile auf der Elektrodenoberfläche anreichern können, was letztlich eine Verringerung der Effizienz der Elektrizitätserzeugung zur Folge hat.The disadvantage is that due to the return of the cathode exhaust gas increasingly inert components can accumulate on the electrode surface, which ultimately has a reduction in the efficiency of electricity generation result.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 022 864 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels, eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen von Kathodenabgas, Feuchtigkeitssensoren in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung, einen Befeuchter zum Regulieren der Feuchtigkeit des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels und eine Bypassleitung umfasst, wobei die Bypassleitung zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters der in Abhängigkeit von den Sensorsignalen der Feuchtigkeitssensoren dient.From the German patent application DE 10 2006 022 864 A1 For example, a fuel cell system comprising a fuel cell stack, a cathode inlet line for supplying a gaseous oxidant, a cathode outlet line for discharging cathode exhaust gas, humidity sensors in the cathode inlet line and in the cathode outlet line, a humidifier for regulating the humidity of the supplied gaseous oxidizer, and a bypass line, wherein the Bypass line for the controlled bypass of the humidifier which serves as a function of the sensor signals of the humidity sensors.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 19 626 A1 wird eine elektronische Steuerung zur Umleitung von Gas (Luft oder Sauerstoff) um einen Befeuchter herum zu der Kathode eines Brennstoffzellenstapels beschrieben. In Abhängigkeit von den Sensorsignalen des Feuchtigkeitssensors regelt die Feuchtigkeitssteuerung, ob das zugeführte Gas durch den Befeuchter hindurch zur Brennstoffzelle oder durch die Bypassleitung hindurch ohne Befeuchtung zur Brennstoffzelle geliefert wird.In the German Offenlegungsschrift DE 102 19 626 A1 For example, an electronic controller for diverting gas (air or oxygen) around a humidifier to the cathode of a fuel cell stack is described. Depending on the sensor signals of the humidity sensor, the humidity controller controls whether the supplied gas is supplied through the humidifier to the fuel cell or through the bypass line without humidification to the fuel cell.

Wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder unter ein zweites vorbestimmtes Niveau abfällt, wird der Anteil des Gases, der umgeleitet wird, unter Verwendung der Bypassleitung variiert.When the humidity detected by the humidity sensor exceeds a first predetermined level or drops below a second predetermined level, the proportion of the gas being diverted is varied using the bypass line.

Sowohl in DE 10 2006 022 864 A1 als auch in DE 102 19 626 A1 wird jeweils ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, bei dem mit Hilfe je eines Feuchtigkeitssensors in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung, in Abhängigkeit von den Sensorsignalen, der Grad der Befeuchtung des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels über den vor der Brennstoffzelle gelegenen Befeuchter mittels einer Bypassleitung zur Umgehung des Befeuchters geregelt wird. Dabei wird jeweils nur mit einer der beiden Bypassleitungen der Befeuchtungsgrad des gasförmigen Oxidationsmittels geregelt.As well in DE 10 2006 022 864 A1 as well as in DE 102 19 626 A1 In each case, a fuel cell stack is described in which, with the aid of a respective moisture sensor in the cathode inlet line and in the cathode outlet line, the degree of humidification of the supplied gaseous oxidizing agent via the humidifier located in front of the fuel cell is regulated by means of a bypass line for bypassing the humidifier, depending on the sensor signals becomes. In each case, the degree of humidification of the gaseous oxidizing agent is regulated only with one of the two bypass lines.

In den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2005 022 863 A1 und DE 10 2004 005 446 A1 werden weitere Brennstoffzellensysteme beschrieben, in denen die Feuchtigkeit mittels Feuchtigkeitssensoren überwacht und gesteuert wird.In the German Offenlegungsschriften DE 10 2005 022 863 A1 and DE 10 2004 005 446 A1 Further fuel cell systems are described in which the moisture is monitored and controlled by means of humidity sensors.

In der Patentanmeldung US 2001/0010875 A1 wird ein Befeuchtungssystem für Brennstoffzellenreaktionsgas beschrieben, wobei verschiedene Bypassvariationen einstellbar sind.In the patent application US 2001/0010875 A1 a humidification system for fuel cell reaction gas is described, wherein various bypass variations are adjustable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese eine Regulierung der Wasserdampfkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Genauigkeit ermöglicht.Object of the present invention is therefore to develop a device of the type mentioned in such a way that it allows a regulation of the water vapor concentration in a fuel cell stack with improved accuracy.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device having the features of patent claim 1.

Die Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels sowie eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, wobei in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung jeweils ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist. The apparatus for operating a fuel cell system comprises a fuel cell stack, wherein the fuel cell stack has a cathode inlet line for supplying a gaseous oxidant and a cathode outlet line for taking out a cathode exhaust gas, wherein in each case a moisture sensor is arranged in the cathode inlet line and in the cathode outlet line.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein Befeuchter zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels vorgesehen, wobei eine Bypassleitung zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters in Abhängigkeit der Sensorsignale des Feuchtigkeitssensors vorhanden ist.According to the invention, a humidifier for regulating the water vapor concentration of the supplied gaseous oxidizing agent is additionally provided, wherein a bypass line for the controlled bypass of the humidifier in dependence of the sensor signals of the humidity sensor is present.

Bei dem Befeuchter handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Gas-zu-Gas-Befeuchter, bei dem ein wasserdampfhaltiges Befeuchtergas entlang einer hydrophilen bzw. selektiven Membran, beispielsweise aus Polyphenylsulfon (PPSU) oder Nafion, im Gegenstrom zu dem zu befeuchtenden gasförmigen Oxidationsmittel geleitet wird. Als Befeuchtergas wird beispielsweise das wasserdampfgesättigte Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels genutzt.The humidifier is, in particular, a so-called gas-to-gas humidifier, in which a water vapor-containing humidifier gas is passed along a hydrophilic or selective membrane, for example of polyphenylsulfone (PPSU) or Nafion, in countercurrent to the gaseous oxidant to be humidified , The humidifier gas used is, for example, the steam-saturated cathode exhaust gas of the fuel cell stack.

Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht aus dem Unteranspruch hervor.An advantageous embodiment of the device according to the invention is apparent from the dependent claim.

Die Einstellung der Wasserdampfkonzentration kann durch Anpassung des Öffnungswinkels eines in Abhängigkeit der Sensorsignale des Feuchtigkeitssensors betätigten Bypassventils, das in der Bypassleitung des Befeuchters angeordnet ist, erfolgen. Das Bypassventil, das beispielsweise als stromlos offenes Regelklappenventil ausgebildet ist, erlaubt hierbei eine gezielte Überbrückung des Volumenflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite des Befeuchters, mithin also letztlich eine Veränderung der Befeuchtungsleistung. Derartige Bypassleitungen sind für das Befeuchtergas und das zu befeuchtende Betriebsgas vorgesehen.The adjustment of the water vapor concentration can be done by adjusting the opening angle of a function of the sensor signals of the humidity sensor operated bypass valve, which is arranged in the bypass line of the humidifier. The bypass valve, which is designed, for example, as a normally open control flap valve, in this case allows a targeted bridging of the volume flow between the inlet and outlet side of the humidifier, thus ultimately a change in the humidification performance. Such bypass lines are provided for the Befeuchtergas and to be humidified operating gas.

Hierbei ermittelt eine zentrale Steuereinrichtung durch Auswertung der Sensorsignale eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ und stellt diese durch geeignete Betätigung der Bypassventile entsprechend einem vorgegebenen Sollwert ein. Der Sollwert wird vorteilhafterweise derart vorgegeben, dass eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels optimale Wasserdampfkonzentration eingehalten wird.In this case, a central control device determines by evaluation of the sensor signals a humidification quantity λ representing the current water vapor concentration and adjusts these by suitable actuation of the bypass valves in accordance with a predetermined desired value. The desired value is advantageously set in such a way that an optimum water vapor concentration for the operation of the fuel cell stack is maintained.

Um im Falle dynamischer Lastwechsel eine genaue Einstellung der Wasserdampfkonzentration sicherzustellen, ist es erforderlich, die feuchtigkeitspuffernde Wirkung des Brennstoffzellenstapels aufgrund des darin vorhandenen Prozesswassers zu berücksichtigen. Die feuchtigkeitspuffernde Wirkung des Brennstoffzellenstapels lässt sich auf Grundlage einer Differenzfeuchtigkeitsmessung zwischen der Kathodeneinlassleitung und der Kathodenauslassleitung abschätzen. Daher sind insgesamt zwei Feuchtigkeitssensoren vorhanden, wobei sich die Befeuchtungsgröße λ als Differenz der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren ergibt.In order to ensure a precise adjustment of the water vapor concentration in the case of dynamic load changes, it is necessary to take into account the moisture-buffering effect of the fuel cell stack due to the process water present therein. The moisture buffering effect of the fuel cell stack can be estimated based on differential moisture measurement between the cathode inlet line and the cathode outlet line. Therefore, a total of two humidity sensors are present, with the Befeuchtungsgröße λ results as the difference of the sensor signals of the two humidity sensors.

Wird das Brennstoffzellensystem im Kraftfahrzeug eingesetzt, ist es von Vorteil, wenn der Fahrer auf einen unzulässigen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aufgrund einer zu geringen Feuchtigkeit der Polymermembran hingewiesen wird. Hierzu erfolgt die Ausgabe einer Fahrerwarnung, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.If the fuel cell system is used in the motor vehicle, it is advantageous if the driver is informed of an impermissible operating state of the fuel cell system due to insufficient moisture of the polymer membrane. For this purpose, the issuing of a driver warning takes place when the difference between the determined moistening quantity and the predetermined desired value exceeds a safety value to be maintained.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The device according to the invention is explained below with reference to the accompanying drawings. The single FIGURE shows an embodiment of the device according to the invention for operating a fuel cell system.

Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, wobei der Brennstoffzellenstapel 11 aus einer schichtweisen Anordnung einzelner Brennstoffzellen 12 besteht.The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 11 , wherein the fuel cell stack 11 from a layered arrangement of individual fuel cells 12 consists.

Beispielsgemäß ist die Brennstoffzelle 12 vom Typ einer sogenannten Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bzw. Proton Exchange Fuel Cell (PEFC). Eine derartige Brennstoffzelle 12 weist ein Anodenströmungsfeld 12a und ein Kathodenströmungsfeld 12b auf, wobei die beiden Felder durch einen Elektrolyten in Gestalt einer aus Nafion bestehenden Polymermembran voneinander getrennt sind. Die Polymermembran ist beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet, das aus einer Mischung von Kohlenstoff mit einem metallischen Katalysator besteht. Bei dem metallischen Katalysator handelt es sich in der Regel um Platin und/oder Ruthenium.For example, the fuel cell is 12 of the so-called Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) or Proton Exchange Fuel Cell (PEFC). Such a fuel cell 12 has an anode flow field 12a and a cathode flow field 12b wherein the two fields are separated by an electrolyte in the form of a Nafion polymer membrane. The polymer membrane is coated on both sides with an electrode material which consists of a mixture of carbon with a metallic catalyst. The metallic catalyst is usually platinum and / or ruthenium.

Zum Betrieb der Brennstoffzelle 12 wird dem Anodenströmungsfeld 12a über eine Anodeneinlassleitung 13 ein wasserstoffhaltiges Brenngas 14 zugeführt, das von Seiten eines Hochdrucktanks oder eines Reformers bereitgestellt wird. Bei dem wasserstoffhaltigen Brenngas 14 kann es sich um reines Wasserstoffgas handeln.For operation of the fuel cell 12 becomes the anode flow field 12a via an anode inlet line 13 a hydrogen-containing fuel gas 14 supplied from the side of a high-pressure tank or a reformer. In the hydrogen-containing fuel gas 14 it can be pure hydrogen gas.

Ist das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet, wird die Versorgungsleitung 13 mittels eines elektromagnetischen Ventils 15 abgesperrt, um eine unerwünschte Freisetzung von Wasserstoffgas in die Umgebung auszuschließen.Is the fuel cell system 10 shut off, the supply line 13 by means of an electromagnetic valve 15 shut off to prevent unwanted release of hydrogen gas into the environment.

Das im Anodenströmungsfeld 12a gebildete Anodenabgas wird über eine Anodenauslassleitung 20 entweder unmittelbar zur Umgebung hin abgelassen oder aber zumindest teilweise über eine Anodenspülleitung 21, die in die Anodeneinlassleitung 13 der Brennstoffzelle 12 mündet, in das Anodenströmungsfeld 12a zurückgeführt. Der Volumenstrom des zurückgeführten Anodenabgases lässt sich mittels eines in der Anodenspülleitung 21 angeordneten elektrisch betätigbaren Drosselklappenventils 22 steuern.The in the anode flow field 12a Anode exhaust gas formed is via an anode exhaust line 20 either drained directly to the environment or at least partially via an anode purge line 21 entering the anode inlet line 13 the fuel cell 12 flows into the anode flow field 12a recycled. The volume flow of the recirculated anode exhaust gas can be controlled by means of a in the Anodenspülleitung 21 arranged electrically operable throttle valve 22 Taxes.

Gleichzeitig wird dem Kathodenströmungsfeld 12b über eine Kathodeneinlassleitung 23 ein gasförmiges Oxidationsmittel 24 in Form komprimierter Luft zugeführt. Die Komprimierung der Luft, die über ein Luftfiltersystem aus der Außenatmosphäre entnommen wird, erfolgt hierbei mittels einer elektrisch betriebenen Luftversorgungseinheit 25a, beispielsweise mittels eines Kompressors bzw. Turboladers. Das Luftfiltersystem weist unter anderem neben einem chemischen und/oder mechanischen Partikelfilter einen Schalldämpfer zur Verringerung des Geräuschs beim Betrieb der Luftversorgungseinheit 25a auf.At the same time, the cathode flow field 12b via a cathode inlet line 23 a gaseous oxidizer 24 supplied in the form of compressed air. The compression of the air, which is removed via an air filter system from the outside atmosphere, takes place here by means of an electrically operated air supply unit 25a , For example by means of a compressor or turbocharger. The air filter system has, among other things, in addition to a chemical and / or mechanical particulate filter, a silencer to reduce the noise during operation of the air supply unit 25a on.

Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst zusätzlich einen Befeuchter 30 zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels 24. Bei dem Befeuchter 30 handelt es sich um einen sogenannten Gas-zu-Gas-Befeuchter, bei dem ein wasserdampfhaltiges Befeuchtergas entlang einer hydrophilen bzw. selektiven Membran, beispielsweise aus Polyphenylsulfon (PPSU) oder Nafion, im Gegenstrom zu dem zu befeuchtenden gasförmigen Oxidationsmittel 24 geleitet wird. Als Befeuchtergas wird das über eine Kathodenauslassleitung 31 herausgeführte wasserdampfgesättigte Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 11 verwendet, wobei dieses nach Durchlaufen des Befeuchters 30 über einen mit dem Luftversorgungseinheit 25a verbundenen Expander 25b entspannt und zur Umgebung hin abgelassen wird.The fuel cell system 10 additionally includes a humidifier 30 for regulating the water vapor concentration of the supplied gaseous oxidizing agent 24 , At the humidifier 30 it is a so-called gas-to-gas humidifier, in which a water vapor-containing humidifier along a hydrophilic or selective membrane, for example of polyphenylsulfone (PPSU) or Nafion, in countercurrent to the gaseous oxidant to be humidified 24 is directed. As a humidifier that is via a cathode outlet 31 led out steam-saturated cathode exhaust gas of the fuel cell stack 11 used, this after passing through the humidifier 30 via one with the air supply unit 25a connected expander 25b relaxed and drained to the environment.

Es sind Bypassleitungen 32a und 32b zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters 30 vorhanden, wobei in den Bypassleitungen 32a und 32b jeweils ein elektrisch betätigbares Bypassventilventil 33a, 33b angeordnet ist. Die Bypassventile 33a, 33b erlauben hierbei eine gezielte Überbrückung des Volumenflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite des Befeuchters 30, mithin also letztlich eine Veränderung der Befeuchtungsleistung. Derartige Bypassleitungen 32a, 32b sind für das Befeuchtergas (also das Kathodenabgas) und das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel 24 vorgesehen.They are bypass lines 32a and 32b for the controlled evasion of the humidifier 30 present, being in the bypass lines 32a and 32b in each case an electrically actuated bypass valve 33a . 33b is arranged. The bypass valves 33a . 33b allow a targeted bridging of the volume flow between the inlet and outlet side of the humidifier 30 , thus ultimately a change in humidification performance. Such bypass lines 32a . 32b are for the Befeuchtergas (ie the cathode exhaust gas) and the gaseous oxidant to be humidified 24 intended.

Zur Kühlung der Brennstoffzelle 12 ist eine Kühleinrichtung 12c vorgesehen. Die Kühleinrichtung 12c ist an einen Kühlmittelkreislauf 35 angeschlossen, der eine elektrisch betriebene Förderpumpe 36 zum Umwälzen eines in dem Kühlmittelkreislauf 35 zirkulierenden Kühlmittels aufweist. Die beim Betrieb der Brennstoffzelle 12 anfallende Prozesswärme wird über einen im Kühlmittelkreislauf 35 befindlichen Radiator 37 an die Umgebung abgegeben.For cooling the fuel cell 12 is a cooling device 12c intended. The cooling device 12c is connected to a coolant circuit 35 connected to an electrically operated feed pump 36 for circulating one in the coolant circuit 35 having circulating coolant. The during operation of the fuel cell 12 resulting process heat is via a in the coolant circuit 35 located radiator 37 delivered to the environment.

Eine nicht dargestellte zentrale Steuereinrichtung des Brennstoffzellensystems 10 wertet die Sensorsignale der in der Kathodeneinlassleitung 23 und der Kathodenauslassleitung 31 angeordneten Feuchtigkeitssensors 40 und 41 aus, um eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ zu ermitteln und diese durch geeignete Betätigung der Bypassventile 33a und 33b entsprechend einem vorgegebenen Sollwert einzustellen. Es sind insgesamt zwei Feuchtigkeitssensoren 40 und 41 vorhanden, wobei sich die Befeuchtungsgröße als Differenz der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren 40 und 41 ergibt.An unillustrated central control device of the fuel cell system 10 evaluates the sensor signals in the cathode inlet line 23 and the cathode exhaust pipe 31 arranged moisture sensor 40 and 41 to determine a humidification quantity λ representing the current water vapor concentration and this by suitable actuation of the bypass valves 33a and 33b set according to a predetermined setpoint. There are a total of two humidity sensors 40 and 41 present, wherein the Befeuchtungsgröße as the difference of the sensor signals of the two humidity sensors 40 and 41 results.

Um den Fahrer auf einen unzulässigen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 aufgrund einer zu geringen Feuchtigkeit der Polymermembran der Brennstoffzelle 12 hinzuweisen, ist gemäß einer beispielhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die zentrale Steuereinrichtung die Ausgabe einer Fahrerwarnung veranlasst, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.To the driver on an inadmissible operating condition of the fuel cell system 10 due to insufficient moisture of the polymer membrane of the fuel cell 12 It should be pointed out in accordance with an exemplary embodiment that the central control device initiates the issuing of a driver warning when the difference between the determined moistening quantity and the predetermined desired value exceeds a safety value to be maintained.

Claims (2)

Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel (11), – wobei der Brennstoffzellenstapel (11) eine Kathodeneinlassleitung (23) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels (24) sowie eine Kathodenauslassleitung (31) zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, – in der Kathodeneinlassleitung (23) und in der Kathodenauslassleitung (31) jeweils ein Feuchtigkeitssensor (40, 41) angeordnet ist, – ein Befeuchter (30) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des dem Brennstoffzellenstapel (11) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels (24) vorgesehen ist, – eine Bypassleitung (32a) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel (24) und eine Bypassleitung (32b) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das Kathodenabgas in Abhängigkeit der Sensorsignale der Feuchtigkeitssensoren (40, 41) vorhanden ist – in den Bypassleitungen (32a, 32b) jeweils ein Bypassventil (33a, 33b) angeordnet ist, – und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie durch Differenzbildung der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren (40, 41) eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ ermittelt, auf deren Basis durch Betätigung der Bypassventile (33a, 33b) ein vorgegebener Sollwert der Wasserdampfkonzentration einstellbar ist.Apparatus for operating a fuel cell system, comprising a fuel cell stack ( 11 ), - wherein the fuel cell stack ( 11 ) a cathode inlet line ( 23 ) for supplying a gaseous oxidizing agent ( 24 ) and a cathode outlet line ( 31 ) for removing a cathode exhaust gas, - in the cathode inlet line ( 23 ) and in the cathode outlet line ( 31 ) each have a humidity sensor ( 40 . 41 ), - a humidifier ( 30 ) for regulating the water vapor concentration of the fuel cell stack ( 11 ) supplied gaseous oxidizing agent ( 24 ), - a bypass line ( 32a ) for the controlled bypass of the humidifier ( 30 ) for the gaseous oxidizing agent to be humidified ( 24 ) and a bypass line ( 32b ) for the controlled bypass of the humidifier ( 30 ) for the cathode exhaust gas as a function of the sensor signals of the humidity sensors ( 40 . 41 ) is present - in the bypass lines ( 32a . 32b ) in each case a bypass valve ( 33a . 33b ) is arranged, and a control device is provided, which is designed so that they by subtraction of the sensor signals of the two humidity sensors ( 40 . 41 ) one the current one Water vapor concentration reproducing humidification λ determined on the basis of which by actuation of the bypass valves ( 33a . 33b ) A predetermined setpoint of the water vapor concentration is adjustable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Ausgabe einer Fahrerwarnung veranlasst, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße λ und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.Apparatus according to claim 1, characterized in that the control device is designed such that it causes the output of a driver warning when the amount of deviation between the determined Befeuchtungsgröße λ and the predetermined setpoint exceeds a safety value to be maintained.
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