DE102009008445B4

DE102009008445B4 - Dreiwege-Umlenkeranordnung für ein Brennstoffzellensystem, sowie damit ausgestattetes Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009008445B4
Application number: DE102009008445.2A
Authority: DE
Inventors: Glenn W. Skala; Benno-Andreas Schott; Martin M. Hoch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: CN101510618A; US20090208795A1; DE102009008445A1; CN101510618B; US8415067B2

Abstract

Dreiwege-Umlenkeranordnung (2), umfassend: ein Gehäuse (4) mit einem ersten Einlass (10), einem ersten Auslass (14) und einem zweiten Auslass (16), wobei der erste Einlass (10) derart angepasst ist, um ein Fluid aufzunehmen; und ein konturiertes Ventil (6), das in dem Gehäuse (4) benachbart dem ersten Einlass (10) angeordnet ist, wobei das konturierte Ventil (6) selektiv um eine Achse (A) von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze drehbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das konturierte Ventil (6) schalenförmig mit einer dem ersten Einlass (10) zugewandten konkaven Innenfläche (18) sowie einer der konkaven Innenfläche (18) gegenüberliegenden konvexen Außenfläche (20) ausgebildet ist und an seinem Umfangsrand eine elastomere Dichtung (24) aufweist, die an der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze eine Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil (6) und einer Innenfläche (22) des Gehäuses (4) bewirkt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Dreiwege-Umlenkeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie damit ausgestaltete Brennstoffzellensysteme.
Eine Dreiwege-Umlenkeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird beispielsweise in den Druckschriften DE 103 25 196 B3 , DE 103 28 246 B4 oder US 5,531,248 A beschrieben.
Ferner beschreibt die DE 29 43 091 C2 ein Ventil mit zwei Auslässen, die durch die Verstellung eines Schwingschiebers selektiv verschlossen werden können.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente wie auch umweltfreundliche Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um Leistung für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel als eine erstrebenswerte Alternative für den herkömmlichen Verbrennungsmotor erkannt worden, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird.
Ein Typ von Brennstoffzellenstapel ist als ein Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellenstapel bekannt. Die typische PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode umfassen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Poröse Diffusionsmedien, die eine Lieferung und Verteilung von Reaktanden, wie Wasserstoffgas und Luft, unterstützen, können benachbart der Anode und der Kathode angeordnet sein.
In einem Fahrzeugleistungssystem, das den PEM-Brennstoffzellenstapel verwendet, wird das Wasserstoffgas an die Anoden von einer Wasserstoffspeicherquelle geliefert, wie einem druckbeaufschlagten Wasserstofftank. Die Luft wird an die Kathoden durch eine Luftkompressoreinheit geliefert. Das Wasserstoffgas reagiert elektrochemisch in der Anwesenheit der Anode, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zu der Kathode durch eine dazwischen angeordnete elektrische Schaltung geleitet. Die Protonen gelangen durch die Elektrolytmembran zu der Kathode, an der Sauerstoff von der Luft elektrochemisch reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion besitzt auch einen bekannten Temperaturbereich, innerhalb dem die Reaktion effizient stattfinden kann. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion ist exotherm und ermöglicht allgemein, dass der Brennstoffzellenstapel eine Temperatur innerhalb des Solltemperaturbereichs während seines Betriebs aufrechterhalten kann. Während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels wird typischerweise eine ergänzende Heizung verwendet, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels in den Solltemperaturbereich anzuheben. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel in Fluidkommunikation mit einem Kühlmittelsystem stehen, das ein Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zirkuliert. Das Kühlmittel kann erwärmt werden, wie beispielsweise mit elektrischen Heizern, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels anzuheben. Das Kühlmittel kann auch überschüssige Wärme weg von dem Brennstoffzellenstapel durch Zirkulation durch einen Kühler übertragen, der die Wärme an die umgebende Atmosphäre austrägt.
Es ist bekannt, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Umlenken von Kühlmittel um den Kühler herum zu regeln, wenn eine Erwärmung des Brennstoffzellenstapels gewünscht ist, und durch Umlenken von Kühlmittel an den Kühler zu regeln, wenn ein Kühlen des Brennstoffzellenstapels gewünscht ist. Umlenkeranordnungen oder -ventile, die die Kühlmittelströmung selektiv modifizieren, werden als Thermostate innerhalb des Brennstoffzellensystems verwendet. Bekannte Umlenkerventile umfassen Ventile vom Drehscheibentyp, Dreiwege-Kugelventile, Dreiwege-Stopfen- bzw. Kegelventile und Dreiwege-Drosselklappen bzw. -Ventilklappen. Die Ventile vom Drehscheibentyp, die Dreiwege-Kugelventile und die Dreiwege-Stopfenventile besitzen gleitende Dichtungen, die eine Leckage zwischen den Ventilsitzpositionen erlauben, und können auch eine unerwünschte Größe an Drehmoment zur Betätigung erfordern.
Dreiwege-Ventilklappen besitzen eine im Wesentlichen flache Platte, die innerhalb des Ventilkörpers positioniert ist. Die flache Platte ist mit einer Stange gekoppelt, die die Platte zu Positionsgrenzen parallel oder rechtwinklig zu der Kühlmittelströmung dreht. Die flache Platte wirkt beschränkend auf die Kühlmittelströmung, wenn sie zu einem Ende der Ventilpositionsgrenzen gedreht wird. Dreiwege-Ventilklappen sind auch in der Lage, mit einer erstrebenswerteren Größe an Drehmoment betätigt zu werden, als es bei anderen bekannten Ventilen der Fall ist. Da jedoch die flache Platte stets innerhalb der Strömung ungeachtet der Position vorhanden ist, wird oftmals ein unerwünschter Druckabfall über das Ventil. bewirkt. Dreiwege-Ventilklappen sind auch dafür bekannt, dass sie eine unerwünschte Strömungssteuerung zwischen den Ventilpositionsgrenzen aufweisen. Es ist bekannt, dass die Strömungssteuerung zwischen den Ventilpositionsgrenzen in herkömmlichen Dreiwege-Ventilklappen signifikant und unerwünscht nicht linear ist.
Es besteht ein fortwährender Bedarf nach einer Umlenkeranordnung, die ein größeres Strömungssteuervermögen, verbesserte Druckabfallcharakteristiken und eine erwünschte Drehmomentbetätigungsanforderung aufweist, als Ventile, die im Stand der Technik bekannt sind. Geeigneterweise soll die Umlenkeranordnung als ein Thermostat in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Übereinstimmend mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine Umlenker- bzw. Diverteranordnung entdeckt worden, die ein gröberes Strömungssteuervermögen, verbesserte Druckabfallcharakteristiken und eine erwünschte Drehmomentbetätigungsanforderung aufweist und die als ein Thermostat in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann.
Bei einer Ausführungsform weist eine Umlenkeranordnung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
Bei einer anderen Ausführungsform weist ein Brennstoffzellensystem die Merkmale des Anspruchs 10 oder des Anspruchs 16 auf.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen leichter offensichtlich, in welchen:
1 eine Seitenschnittansicht einer Dreiwege-Umlenkeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung in einer ersten Betriebsart gezeigt ist;
2 eine Seitenschnittansicht der in 1 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung in einer zweiten Betriebsart gezeigt ist;
3 eine Seitenschnittansicht der in 1 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung in einer dritten Betriebsart gezeigt ist;
4 einen Aufriss von vorn des konturierten Ventils in der Dreiwege-Umlenkeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 einen Seitenaufriss des in 4 gezeigten konturierten Ventils zeigt;
6 ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit der in den 1 bis 3 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung ist, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung derart angepasst ist, um eine Temperatur eines Brennstoffzellenstapels zu regeln; und
7 ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit der in den 1 bis 3 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung ist, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung derart angepasst ist, um eine Feuchte eines Brennstoffzellenstapels zu regeln.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sei zu verstehen, dass entsprechende Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Die 1 bis 3 zeigen eine Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 ein Gehäuse 4 mit einem darin angeordneten konturierten Ventil 6. Das konturierte Ventil 6 ist selektiv um eine Achse A von einer ersten Positionsgrenze, die in 1 gezeigt ist, zu einer zweiten Positionsgrenze, die in 2 gezeigt ist, drehbar. Das konturierte Ventil 6 ist auch zu einer Vielzahl von Positionen zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze drehbar, wie beispielsweise die Position des konturierten Ventils 6, die in 3 gezeigt ist.
Das Gehäuse 4 kann eine separate Komponente sein, die das konturierte Ventil 6 aufweist. Bei anderen Ausführungsformen ist das Gehäuse 4 einteilig als Teil einer anderen Komponente eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise als Teil einer Endeinheit eines Brennstoffzellenstapels geformt. Zumindest eines aus dem Gehäuse 4 und dem konturierten Ventil 6 kann beispielsweise aus einem Polymer, einem Metall oder einem Verbund- bzw. Kompositmaterial hergestellt sein. Es können auch andere geeignete Materialien verwendet werden. Bei einer Ausführungsform liegt die erste Positionsgrenze des konturierten Ventils 6 zwischen etwa fünfundvierzig Grad (45°) Drehung bis etwa einhundert Grad (100°) Drehung um die Achse A von der zweiten Positionsgrenze. Bei einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform liegt die erste Positionsgrenze des konturierten Ventils 6 bei etwa neunzig Grad (90°) Drehung um die Achse A von der zweiten Positionsgrenze. Es sei angemerkt, dass ein Ort der ersten und zweiten Positionsgrenze nach Bedarf gewählt werden kann.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 umfasst eine Drehwelle bzw. einen Drehzapfen B. Die Drehwelle 8 ist im Wesentlichen an der Achse A angeordnet, um die sich das konturierte Ventil 6 drehen kann. Die Drehwelle 8 ist durch das Gehäuse 4 angeordnet und mit dem konturierten Ventil 6 gekoppelt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Drehwelle 8 einteilig mit dem konturierten Ventil 6 geformt. Die Drehwelle 8 dreht das konturierte Ventil 6 um die Achse A, wenn daran ein Drehmoment angelegt wird. Ein Inneres des Gehäuses 4, in dem sich das konturierte Ventil 6 dreht, kann beispielsweise eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung sein. Es können auch andere geeignete Innenabmessungen und Formen für das Gehäuse 4 verwendet werden.
Das Gehäuse 4 besitzt einen ersten Einlass 10, einen ersten Auslass 14 und einen zweiten Auslass 16. Bei bestimmten Ausführungsfomen umfasst das Gehäuse 4 auch einen zweiten Einlass 12. Der erste Einlass 10 und der zweite Einlass 12 sind derart angepasst, um ein Fluid von zumindest einer Fluidquelle aufzunehmen. Das konturierte Ventil 6 bewirkt selektiv, dass das Fluid nach Bedarf an zumindest einen des ersten Auslasses 14 und des zweiten Auslasses 16 strömt. Als ein nicht beschränkendes Beispiel können der erste Einlass 10 und der erste Auslass 14 an einer ersten Seite des Gehäuses 4 angeordnet sein, und der zweite Einlass 12 und der zweite Auslass 16 können an einer zweiten Seite des Gehäuses, die der ersten Seite entgegengesetzt ist, angeordnet sein. Es sei zu verstehen, dass andere geeignete Konfigurationen und Anordnungen des ersten Einlasses 10, des ersten Auslasses 14, des zweiten Auslasses 16 und optional des zweiten Einlasses 12 gewählt werden können.
Das konturierte Ventil 6 besitzt eine erste Fläche 18 und eine zweite Fläche 20. Die erste Fläche 18 befindet sich benachbart dem ersten Einlass 10. Die zweite Fläche 20 der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 ist entgegengesetzt der ersten Fläche 18 und dem ersten Einlass 10 angeordnet. Die erste Fläche 18 und die zweite Fläche 20 des konturierten Ventils 6 sind gekrümmt bzw. kurvenförmig. Insbesondere ist die erste Fläche 18 des konturierten Ventils 6 konkav und die zweite Fläche 20 des konturierten Ventils 6 ist konvex. Das konturierte Ventil 6 ist somit schalenförmig. Das konturierte Ventil 6 kann auch im Wesentlichen deltaförmig sein.
Wie in den 4 und 5 weiter gezeigt ist, besitzt das konturierte Ventil 6 eine konkave Kontur, die einen Druckabfall über die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 minimiert, wenn das konturierte Ventil 6 an jeder der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze sitzt. Es sei angemerkt, dass, da die erste Fläche 18 des konturierten Ventils 6 nicht im Wesentlichen flach oder planar ist, der Druckabfall über die Dreiwege-Umlenkeranordnung an der ersten und zweiten Positionsgrenze optimiert sein kann. Eine geeignete konkave Form für die erste Fläche 18 kann nach Bedarf gewählt werden.
Die konvexe Kontur der zweiten Fläche 20 des konturierten Ventils 6 begrenzt im Wesentlichen eine Strömung des Fluides zwischen einer Innenfläche 22 des Gehäuses 4 und der zweiten Fläche 20 an der ersten und zweiten Positionsgrenze und der Vielzahl von Positionen dazwischen. Die zweite Fläche 20 des konturierten Ventils 6 kann auch einer Nichtlinearität der Strömungssteuerung beispielsweise durch Minimieren eines Rückflusses über die Fläche 20 entgegenwirken, wenn das konturierte Ventil 6 zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird. Insbesondere kann ein Zwischenraum zwischen der Innenfläche 22 und der zweiten Fläche 20 dem dazwischen strömenden Fluid entgegenwirken und eine im Wesentlichen lineare Steuerung der Fluidströmung durch die Dreiwege-Umlenkeranordnung mit der Position des konturierten Ventils 6 ermöglichen. Als nicht beschränkende Beispiele liegt der Zwischenraum zwischen der Innenfläche 22 und der zweiten Fläche 20 zwischen etwa 0,01 mm bis etwa 0,5 mm, insbesondere zwischen etwa 0,05 mm bis etwa 0,4 mm und im Besonderen zwischen 0,1 mm bis etwa 0,3 mm. Es können auch andere geeignete Zwischenräume verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch eine geeignete konvexe Form für die zweite Fläche 20 gewählt werden.
Das konturierte Ventil 6 kann eine elastomere Dichtung 24 aufweisen. Die elastomere Dichtung 24 kann eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil 6 und der Innenfläche 22 des Gehäuses 4 unterstützen. Die elastomere Dichtung 24 kann auch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil 6 und der Drehwelle 8 unterstützen. Die im Wesentlichen fluiddichten Abdichtungen, die durch die elastomere Dichtung unterstützt werden, wirken einer Leckage des Fluides zwischen dem konturierten Ventil 6 und der Innenfläche 22 und/oder dem konturierten Ventil 6 und der Drehwelle 8 entgegen. Beispielsweise ist die elastomere Dichtung 24 ein aus Gummi bestehender Überzug, der an einem Umfangsrand des konturierten Ventils 6 geformt ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass auch andere geeignete elastomere Dichtungen 24 verwendet werden können.
Es sei angemerkt, dass bei herkömmlichen Durchflüssen beispielsweise eines Kühlmittelfluides in einem Brennstoffzellensystem das konturierte Ventil 6 sowohl an der ersten Positionsgrenze als auch an der zweiten Positionsgrenze eine Fluidleckage von weniger als etwa 200 cm³/min, insbesondere weniger als etwa 100 cm³/min und am bevorzugtesten weniger als etwa 50 cm³/min während des Betriebs der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 bereitstellt. Gegebenenfalls können andere geeignete Leckagetoleranzen beispielsweise auf Grundlage gewünschter Parameter des Brennstoffzellensystems 200 gewählt werden.
Bei einer bestimmten Ausführungsform, die in den 4 und 5 gezeigt ist, besitzt das konturierte Ventil 6 zumindest eine darin geformte Öffnung 28 zur Aufnahme der Drehwelle 8. Die zumindest eine Öffnung 28 kann zumindest einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 30 aufweisen, der derart konfiguriert ist, um mit einer im Wesentlichen flachen Fläche (nicht gezeigt) der Drehwelle 8 zusammenzuwirken und einer freien Drehung des konturierten Ventils 6 um die Drehwelle 8 entgegenzuwirken. Bei anderen Ausführungsformen kann die Drehwelle 8 beispielsweise durch einen Klebstoff mit dem konturierten Ventil 6 verbunden sein. Andere geeignete Mittel, um einer freien Drehung des konturierten Ventils um die Drehwelle 8 entgegenzuwirken, wie ein Zusammenwirken einer polygonalen Drehwelle 8 mit einer zusammenpassenden polygonalen Öffnung 28, können verwendet werden.
Wie in 6 gezeigt ist, weist die vorliegende Offenbarung ferner ein erstes Brennstoffzellensystem 200 auf, das die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 aufweist. Das erste Brennstoffzellensystem 200 weist einen Brennstoffzellenstapel 202, eine Fluidpumpe 204 und einen Kühler 206 auf. Der Brennstoffzellenstapel 202 weist eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf und besitzt einen Kühlmitteleinlass 208 und einen Kühlmittelauslass 210 zum Umwälzen eines Kühlmittelfluides, wie Wasser, hindurch zum Zwecke der Regulierung einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202. Ein beispielhafter Brennstoffzellenstapel ist in der U.S.-Anmeldung US 2009/0104480 A1 des vorliegenden Anmelders beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
Die Fluidpumpe 204 steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und ist derart angepasst, um eine Strömung des Kühlmittelfluides an diesen bereitzustellen. Beispielsweise kann die Fluidpumpe 204 ein Teil eines Kühlmittelsystems sein, das beispielsweise einen Kühlmitteltank (nicht gezeigt) aufweist, der das Kühlmittelfluid enthält, das durch das Kühlmittelsystem zu und von dem Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert. Die Pumpe 204 steht in Fluidkommunikation mit dem Kühler 206. Der Kühler 206 besitzt einen Kühlereinlass 212 und einen Kühlerauslass 214. Der Kühler 206 steht auch in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und ist derart angepasst, um überschüssige Wärme von dem durch den Brennstoffzellenstapel 202 strömenden Kühlmittelfluid an die umgebende Atmosphäre auszutragen.
Sei einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform ist die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 202 und dem Kühler 206 angeordnet und derart angepasst, um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch zu regeln. Der erste Einlass 10 der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelauslass 210 des Brennstoffzellenstapels 202. Der zweite Einlass 12 der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlerauslass 214. Der erste Auslass 14 der Dreiwege-Umlenkeranordnung steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass 208 des Brennstoffzellenstapels 202. Der zweite Auslass 16 der Dreiwege-Umlenkeranordnung steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlereinlass 212.
Das erste Brennstoffzellensystem 200 kann ferner einen Aktuator 216 aufweisen. Der Aktuator 216 ist mit dem konturierten Ventil 6 der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 gekoppelt. Der Aktuator 216 ist derart angepasst, um das konturierte Ventil 6 nach Bedarf um die Achse A zu drehen. Der Aktuator 216 kann beispielsweise einen elektrischen Schrittmotor aufweisen, der derart konfiguriert ist, um das konturierte Ventil 6 selektiv und präzise in jede gewünschte Position von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze zu drehen. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Aktuator 216 als Teil der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 geformt. Es können auch andere geeignete Aktuatoren 216 verwendet werden.
Das erste Brennstoffzellensystem 200 kann auch einen Controller 218 aufweisen. Der Controller 218 steht in elektrischer Kommunikation mit der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2. Der Controller 218 weist selektiv die Position des konturierten Ventils 6 in der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 an, um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch zu regeln. Bei einer besonderen Ausführungsform steht der Controller 218 in elektrischer Kommunikation mit dem Aktuator 216 und steuert selektiv den Aktuator 216, um das konturierte Ventil 6 in die gewünschte Position zu drehen.
Es sei zu verstehen, dass das Brennstoffzellensystem zumindest einen Sensor 220 in elektrischer Kommunikation mit dem Controller 218 aufweisen kann. Der Sensor 220 stellt eine Rückkopplung über einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 bereit, die der Controller 218 aufnimmt und zu Zwecken der Steuerung der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 verarbeitet. Die Rückkopplung über den Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 kann kontinuierlich überwacht werden, um die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 in Ansprechen auf den ”Echtzeit”-Zustand anzuweisen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Sensor 220 ein Temperatursensor sein. Der Temperatursensor kann die Temperatur des Kühlmittelfluides beispielsweise vor einem Eintritt des Kühlmittelfluides in den Brennstoffzellenstapel 202, an dem Brennstoffzellenstapel 202 und/oder, nachdem das Kühlmittelfluid den Brennstoffzellenstapel 202 verlassen hat, überwachen. Andere geeignete Stellen innerhalb des ersten Brennstoffzellensystems 200 zur Überwachung der Temperatur mit dem Sensor 220 können ebenfalls verwendet werden.
Der zumindest eine Sensor 220 kann auch eine Rückkopplung bereitstellen, die für Übergangsbedingungen eines Elektrofahrzeugs (nicht gezeigt) relevant ist, das das erste Brennstoffzellensystem 200 besitzt. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der zumindest eine Sensor 220 auf einen Zustand mit ”offener Drosselklappe” bzw. ”Volllast” des Elektrofahrzeugs ansprechen. Der zumindest eine Sensor 220 kann die Rückkopplung des Fahrzeugzustands an den Controller 218 liefern. Der Controller 218 kann eine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 202 in Bezug auf den Fahrzeugzustand beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Algorithmus oder einer mathematischen Beziehung voraussehen. Der Controller 218 steuert die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch zu regeln und die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202 im Voraus der erwarteten Temperaturänderung in dem gewünschten Bereich beibehalten.
Im Betrieb bewirkt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 selektiv a) dass das Kühlmittelfluid den Kühler 206 umgeht, b) dass das Kühlmittelfluid zu dem Kühler 206 strömt und c) eine Kombination aus a) und b), um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch zu regeln. Beispielsweise kann während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels 202 die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 bewirken, dass das Kühlmittelfluid den Brennstoffzellenstapel 202 erwärmt, indem einem Austrag von Wärme von dem Kühlmittelfluid über den Kühler 206 entgegengewirkt und das Kühlmittelfluid an den Brennstoffzellenstapel 202 rezirkuliert wird. Es kann bewirkt werden, dass das Kühlmittelfluid den Kühler durch Drehen des konturierten Ventils 6 zu der ersten Positionsgrenze, wie in 1 gezeigt ist, umgeht. Das zu der ersten Positionsgrenze gedrehte konturierte Ventil 6 kann eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 4 bilden, die bewirkt, dass das Kühlmittelfluid aus dem ersten Auslass 14 heraus strömt, den Kühler 206 umgeht und zu dem Brennstoffzellenstapel 202 strömt. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, die auf diese Art und Weise betrieben wird, befindet sich in einer ”Bypasskühlerbetriebsart”. Wenn die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 202 exotherm ist, steigt die Temperatur des Kühlmittelfluides zunehmend, wenn das Kühlmittelfluid durch den Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert. Das Kühlmittelfluid wird durch den Brennstoffzellenstapel 202 solange rezirkuliert, bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202 in einem gewünschten Temperaturbereich liegt.
Während eines weiteren Betriebs der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 wirkt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 einer Überhitzung des Brennstoffzellenstapels 202 entgegen. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 kann bewirken, dass das Kühlmittelfluid an den Kühler 206 strömt, an dem jegliche überschüssige Wärme von dem ersten Brennstoffzellensystem 200 ausgetragen wird. Beispielsweise kann das konturierte Ventil 6 in die in 2 gezeigte zweite Positionsgrenze gedreht werden. Das in die zweite Positionsgrenze gedrehte konturierte Ventil 6 kann eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 4 bilden, was bewirkt, dass das Kühlmittelfluid aus dem zweiten Auslass 16 zu dem Kühler 206 heraus strömt. Die auf diese Art und Weise betriebene Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 befindet sich in einer ”Kühler-Betriebsart”.
Bei Erreichen einer Solltemperatur des Brennstoffzellenstapels 202 kann bewirkt werden, dass der erste Anteil des Kühlmittelfluides an den Kühler 206 strömt. Es kann bewirkt werden, dass ein zweiter Anteil des Kühlmittelfluides gleichzeitig den Kühler 206 umgeht und an den Brennstoffzellenstapel 202 strömt. Der erste und zweite Anteil des Kühlmittelfluides, die verschiedene Temperaturen besitzen, werden kombiniert und an den Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert, um dessen Temperatur in einem Sollbereich zu halten.
Ein zweites Brennstoffzellensystem 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 7 gezeigt. Gleiche oder ähnliche Strukturen der 1 bis 6 und wie in 7 gezeigt, besitzen dieselben Bezugszeichen mit einem Strichindex-(')-Symbol zu Zwecken der Deutlichkeit.
Das zweite Brennstoffzellensystem 300 verwendet die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2', um eine relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202' zu regeln. Das zweite Brennstoffzellensystem 300 weist die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' auf, die den ersten Einlass 10', den ersten Auslass 14' und den zweiten Auslass 16' besitzt. Das zweite Brennstoffzellensystem 300 weist ferner den Brennstoffzellenstapel 202', einen Luftkompressor 302 und einen Befeuchter oder eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Vorrichtung 304 auf, wie in der Technik bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 202' besitzt eine Vielzahl von Brennstoffzellen, einen Kathodeneinlass 306 und einen Kathodenauslass 308. Der Luftkompressor 302 steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202' und ist derart angepasst, um eine Strömung von Ladungsluft an diesen bereitzustellen. Die WVT-Vorrichtung 304 steht in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor 302 und dem Brennstoffzellenstapel 202'. Die WVT-Vorrichtung 304 ist derart angepasst, um die an den Brennstoffzellenstapel 202' gelieferte Ladungsluft selektiv zu befeuchten. Die WVT-Vorrichtung 304 kann Feuchtigkeit an die Ladungsluft von einem beispielsweise den Kathodenauslass 308 verlassenden Kathodenabgasstrom übertragen. Es können auch andere geeignete Mittel zum Befeuchten der Ladungsluft verwendet werden.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' ist in Kommunikation mit dem Luftkompressor 302 und sowohl dem Brennstoffzellenstapel 202' als auch der WVT-Vorrichtung 304 angeordnet. Der erste Einlass 10' steht in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor 302. Der erste Auslass 14' steht in Fluidkommunikation mit der WVT-Vorrichtung 304. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' ist derart angepasst, um selektiv zu bewirken a) dass die Ladungsluft die WVT-Vorrichtung 304 umgeht und an den Brennstoffzellenstapel 202' strömt, b) die Ladungsluft an die WVT-Vorrichtung 304 strömt und c) eine Kombination aus a) und b), um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202 zu regeln.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das zweite Brennstoffzellensystem 300 den Aktuator 216', den Controller 218' und zumindest einen Feuchtesensor 220'. Der Aktuator 216' ist mit dem konturierten Ventil 6' der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' gekoppelt. Der Aktuator 216' dreht das konturierte Ventil 6' selektiv um die Achse A' von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze und an gewünschte Positionen dazwischen. Der Controller 218' steht in elektrischer Kommunikation mit dem Aktuator 216'. Der Controller 218' steuert selektiv die Position des konturierten Ventils 6', um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202' zu regeln. Der zumindest eine Feuchtesensor 220 steht in elektrischer Kommunikation mit dem Controller und stellt eine Rückkopplung der relativen Feuchte der Ladungsluft zu dem Controller 218' zu Zwecken der Steuerung der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' bereit.
Im Betrieb kann die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' die Ladungsluft von dem Luftkompressor 302 an die WVT-Vorrichtung 304 liefern, wenn das konturierte Ventil 6' an der ersten Positionsgrenze sitzt. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' kann auch die WVT-Vorrichtung 304 umgehen und die Ladungsluft von dem Luftkompressor 302 an den Brennstoffzellenstapel 202' liefern, wenn das konturierte Ventil 6' an der zweiten Positionsgrenze sitzt. Wenn das konturierte Ventil 6' sich an einer Position zwischen der ersten und der zweiten Positionsgrenze befindet, kann die Ladungsluft auf ein gewünschtes Niveau befeuchtet und an den Brennstoffzellenstapel 202' geliefert werden. Hierdurch wird die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202' geregelt.
Dem Fachmann sei gleichermaßen verständlich, dass die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', die hier beschrieben ist, in einem Brennstoffzellensystem anstelle jeglichen Dreiwegeventils verwendet werden kann, das derzeit verwendet und in der Technik bekannt ist.
Es ist überraschend herausgefunden worden, dass die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', die das konturierte Ventil 6, 6' aufweist, nicht die Steuerprobleme in Verbindung mit bekannten Dreiwege-Ventil- bzw. -Drosselklappen besitzt. Insbesondere erzeugt das konturierte Ventil 6, 6' chic linearere Beziehung zwischen der Fluidströmung und der Position des konturierten Ventils 6, 6', als bei bekannten Dreiwege-Ventilklappen 2, 2', die im Wesentlichen flache Platten besitzen. Die linearere Beziehung zwischen der Fluidströmung und Position des konturierten Ventils 6, 6' kann teilweise aus der konvexen Kontur an der zweiten Fläche 20 des konturierten Ventils 6, 6' resultieren.
Die im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung an jeder der ersten und zweiten Positionsgrenze ist gegenüber bekannten Ventilen unter niedrigen Umgebungstemperaturen besonders vorteilhaft, wenn ein Kühlmittelfluidleck beispielsweise in einem ineffizienten Aufbau der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202 resultieren kann. Die im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung an jeder der ersten und zweiten Positionsgrenze ist auch gegenüber bekannten Ventilen unter hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft, wenn das Kühlmittelfluidleck in einer unerwünschten Überhitzung des Brennstoffzellenstapels 202 resultieren kann.
Der Druckabfall über die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' an der ersten und zweiten Positionsgrenze ist im Vergleich zu bekannten Dreiwege-Ventilklappen mit im Wesentlichen flachen Platten auch im Wesentlichen reduziert. Überdies ist eine Größe des Drehmoments, das erforderlich ist, um die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' zu betätigen, im Wesentlichen gleich wie bei den Dreiwege-Ventilklappen, die im Stand der Technik bekannt sind. Wenn die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' mit einem Aktuator 216, 216' gekoppelt ist, wie hier oben beschrieben ist, kann diese als ein elektrischer Thermostat für den Brennstoffzellenstapel 202 und/oder als ein Regler der relativen Feuchte für den Brennstoffzellenstapel 202' betrieben werden.
Der Einsatz der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', wie hier beschrieben ist, erlaubt einen Austausch sowohl einer herkömmlichen Umlenkeranordnung als auch eines herkömmlichen elektronischen Thermostats zur Steuerung einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202, 202'. Demgemäß erlaubt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' eine Vereinfachung des Brennstoffzellensystems 200, 200' und reduziert dessen Herstellkosten.

Claims

Dreiwege-Umlenkeranordnung (2), umfassend: ein Gehäuse (4) mit einem ersten Einlass (10), einem ersten Auslass (14) und einem zweiten Auslass (16), wobei der erste Einlass (10) derart angepasst ist, um ein Fluid aufzunehmen; und ein konturiertes Ventil (6), das in dem Gehäuse (4) benachbart dem ersten Einlass (10) angeordnet ist, wobei das konturierte Ventil (6) selektiv um eine Achse (A) von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze drehbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das konturierte Ventil (6) schalenförmig mit einer dem ersten Einlass (10) zugewandten konkaven Innenfläche (18) sowie einer der konkaven Innenfläche (18) gegenüberliegenden konvexen Außenfläche (20) ausgebildet ist und an seinem Umfangsrand eine elastomere Dichtung (24) aufweist, die an der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze eine Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil (6) und einer Innenfläche (22) des Gehäuses (4) bewirkt.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei das konturierte Ventil (6) selektiv bewirkt, dass das Fluid an zumindest einen des ersten Auslasses (14) und des zweiten Auslasses (16) strömt.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) einen zweiten Einlass (12) aufweist, der derart angepasst ist, um ein Fluid aufzunehmen.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenraum zwischen der konvexen Fläche (22) des konturierten Ventils (6) und der Innenfläche (22) des Gehäuses (4) einer Strömung des Fluides dazwischen entgegenwirkt.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, ferner mit einer Drehwelle (8), die durch das Gehäuse (4) angeordnet und mit dem konturierten Ventil (6) gekoppelt ist, wobei die Drehwelle (8) das konturierte Ventil (6) um die Achse (A) dreht, wenn auf diese ein Drehmomenent aufgebracht wird.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 5, wobei das konturierte Ventil (6) zumindest eine Öffnung (28) zur Aufnahme der Drehwelle (8) aufweist, wobei die zumindest eine Öffnung (28) einen flachen Abschnitt (30) besitzt, der derart konfiguriert ist, um eine flache Fläche der Drehwelle aufzunehmen und einer freien Drehung des konturierten Ventils (6) um die Drehwelle (8) entgegenzuwirken.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) eine erste Seite und eine zweite Seite besitzt, wobei der erste Einlass (10) und der erste Auslass (14) an der ersten Seite und der zweite Einlass (12) und der zweite Auslass (16) an der zweiten Seite angeordnet sind.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) oder das konturierte Ventil (6) aus einem Polymer, einem Metall oder einem Verbundmaterial hergestellt ist.
Dreiwege-Umlenkeranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Positionsgrenze des konturierten Ventils (6) eine Drehung von neunzig Grad um die Achse (A) von der zweiten Positionsgrenze ist.
Brennstoffzellensystem (200), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (202) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und mit einem Kühlmittelfluideinlass (208) und einem Kühlmittelfluidauslass (210); einer Pumpe (204) in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel (202), die derart angepasst ist, um ein Kühlmittelfluid an diesen zu liefern; einen Kühler (206) mit einem Kühlereinlass (212) und einem Kühlerauslass (214), wobei der Kühler (206) in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel (202) und der Fluidpumpe (204) steht; und eine Dreiwege-Umlenkeranordnung (2), die zwischen dem Kühler (206) und dem Brennstoffzellenstapel (202) angeordnet und derart angepasst ist, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (202) zu regeln, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung (2) ferner umfasst: ein Gehäuse (4) mit einem ersten Einlass (10) in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelfluidauslass (210) des Brennstoffzellenstapels (202), einem zweiten Einlass (12) in Fluidkommunikation mit dem Kühlerauslass (214), einem ersten Auslass (14) in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelfluideinlass (208) des Brennstoffzellenstapels (202) und einem zweiten Auslass (16) in Fluidkommunikation mit dem Kühlereinlass (212); und ein konturiertes Ventil (6), das in dem Gehäuse (4) benachbart dem ersten Einlass angeordnet ist, wobei das konturierte Ventil (6) selektiv um eine Achse (A) von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze drehbar ist, und wobei das konturierte Ventil (6) schalenförmig mit einer dem ersten Einlass (10) zugewandten konkaven Innenfläche (18) sowie einer der konkaven Innenfläche (18) gegenüberliegenden konvexen Außenfläche (20) ausgebildet ist und an seinem Umfangsrand eine elastomere Dichtung (24) aufweist, die an der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze eine Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil (6) und einer Innenfläche (22) des Gehäuses (4) bewirkt; wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung (2) selektiv bewirkt a) dass das Kühlmittelfluid den Kühler (206) umgeht und zu dem Brennstoffzellenstapel (202) strömt, b) dass das Kühlmittelfluid zu dem Kühler (206) strömt und c) eine Kombination aus a) und b), um den Brennstoffzellenstapel (202) thermostatisch zu regeln.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 10, ferner umfassend: einen Aktuator (216), der mit dem konturierten Ventil (6) der Dreiwege-Umlenkeranordnung (2) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (216) das konturierte Ventil (6) selektiv um die Achse (A) von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze dreht.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 11, wobei der Aktuator (216) ein elektrischer Schrittmotor ist, der eine präzise Steuerung der Position des konturierten Ventils (6) bereitstellt.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Controller (218) in elektrischer Kommunikation mit dem Aktuator (216), wobei der Controller (218) die Position des konturierten Ventils (6) selektiv steuert, um den Brennstoffzellenstapel (202) thermostatisch zu regeln.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 13, ferner umfassend: zumindest einen Sensor (220) in elektrischer Kommunikation mit dem Controller (218), der eine Rückkopplung der Kühlmittelfluidtemperatur oder von Brennstoffzellenstapelbedingungen an diesen liefert.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 10, wobei i) das konturierte Ventil (6) an der ersten Positionsgrenze eine fluiddichte Dichtung mit dem Gehäuse (4) bildet, die bewirkt, dass das Kühlmittelfluid den Kühler (206) umgeht und zu dem Brennstoffzellenstapel (202) strömt; ii) das konturierte Ventil (6) an der zweiten Positionsgrenze eine fluiddichte Dichtung mit dem Gehäuse (4) bildet, die bewirkt, dass das Kühlmittelfluid zu dem Kühler (206) vor einem Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel (202) strömt; und iii) das konturierte Ventil (6) an den Positionen zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze bewirkt, dass ein erster Anteil des Kühlmittelfluids den Kühler (206) umgeht und zu dem Brennstoffzellenstapel (202) strömt und ein zweiter Anteil des Kühlmittelfluids zu dem Brennstoffzellenstapel (202) strömt.
Brennstoffzellensystem (300), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (202') mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und mit einem Kathodeneinlass (306) und einem Kathodenauslass (308); einen Luftkompressor (302) in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel (202'), der derart angepasst ist, um eine Strömung von Ladungsluft an diesen bereitzustellen; eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (304) in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor (302) und dem Brennstoffzellenstapel (202'), die derart angepasst ist, um die Ladungsluft selektiv zu befeuchten; und eine Dreiwege-Umlenkeranordnung (2') in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor (302) und sowohl dem Brennstoffzellenstapel (202') als auch der Wasserdampfübertragungsvorrichtung (304), wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung (2') derart angepasst ist, um eine relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels (202') zu regeln, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung (2') ferner umfasst: ein Gehäuse (4) mit einem ersten Einlass (10') in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor (302), einen ersten Auslass (14') in Fluidkommunikation mit der Wasserdampfübertragungsvorrichtung (304) und einen zweiten Auslass (16') in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass (306) des Brennstoffzellenstapels (202'), und ein konturiertes Ventil (6), das in dem Gehäuse (4) benachbart dem ersten Einlass (10') angeordnet ist, wobei das konturierte Ventil (6) selektiv um eine Achse (A) von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze drehbar ist, und wobei das konturierte Ventil (6) schalenförmig mit einer dem ersten Einlass (10') zugewandten konkaven Innenfläche (18) sowie einer der konkaven Innenfläche (18) gegenüberliegenden konvexen Außenfläche (20) ausgebildet ist und an seinem Umfangsrand eine elastomere Dichtung (24) aufweist, die an der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze eine Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil (6) und einer Innenfläche (22) des Gehäuses (4) bewirkt; und wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung (2') selektiv bewirkt a) dass die Ladungsluft die Wasserdampfübertragungsvorrichtung (304) umgeht und zu dem Brennstoffzellenstapel (202') strömt, b) die Ladungsluft zu der Wasserdampfübertragungsvorrichtung (304) strömt und c) eine Kombination aus a) und b), um eine Feuchte des Brennstoffzellenstapels (202') zu regeln.
Brennstoffzellensystem (300) nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Aktuator (216'), der mit dem konturierten Ventil (6) der Dreiwege-Umlenkeranordnung (2') gekoppelt ist, wobei der Aktuator (216') das konturierte Ventil (6) selektiv um die Achse (A) von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze dreht; einen Controller (218') in elektrischer Kommunikation mit dem Aktuator (216'), wobei der Controller (218') die Position des konturierten Ventils (6) selektiv steuert, um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels (202') zu regeln; und zumindest einen Feuchtesensor (220') in elektrischer Kommunikation mit dem Controller (218'), der eine Rückkopplung der Feuchte der Ladungsluft an diesen bereitstellt.