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Die Erfindung betrifft einen Gas/Gas-Befeuchter nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Gas/Gas-Befeuchter nach der im Oberbegriff von Anspruch 2 näher definierten Art. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration in einem derartigen Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise mit Brennstoffzellen auf der Basis von PEM-Einzelzellen ausgebildet sein, welche dann zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack aufgestapelt werden. Bei solchen Brennstoffzellensystemen sind, um ein Austrocknen der Membranen zu verhindern, Befeuchter bzw. Austauscher zwischen einem Zuluftstrom und einem Abluftstrom zu bzw. von der Brennstoffzelle allgemein bekannt und üblich. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 009 673 A1 ein solcher Aufbau mit einer Austauschvorrichtung bekannt. Auf der Abluftseite ist dabei ein katalytisches Material in der Austauschvorrichtung integriert. Ein weiterer sehr ähnlicher Aufbau ist außerdem aus der
JP 2007-128802 A bekannt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Gas/Gas-Befeuchter anzugeben, welcher gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gas/Gas-Befeuchter gelöst, welcher die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufweist. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Gas/Gas-Befeuchter im Anspruch 2 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist ein Verfahren zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration in einem solchen Brennstoffzellensystem im Anspruch 7 angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchter ist es vorgesehen, dass in wärmeleitender Verbindung mit dem katalytischen Material ein Sensor zur Erfassung einer Temperaturänderung angeordnet ist. Über einen solchen Sensor zur Erfassung der Temperaturänderung, beispielsweise einen einfachen Temperatursensor, welcher in Form eines temperatursensiblen Widerstands ausgeführt sein kann, kann eine Änderung der Temperatur des katalytischen Materials zumindest mittelbar erfasst werden. Eine solche Änderung in der Temperatur des katalytisch aktiven Materials deutet auf den Wasserstoffgehalt in dem dem Befeuchter zugeführten Gas hin und kann so zur Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration genutzt werden. Hierdurch ergibt sich ergänzend zu den Vorteilen, welche durch den Befeuchter mit dem katalytischen Material ohnehin gegeben sind, der zusätzliche Vorteil, dass dieser faktisch als eine Art Wasserstoffsensor mitgenutzt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass dieses wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem Kathodenraum und einem Anodenraum aufweist, wobei der Kathodenraum über eine Zuluftleitung mit Zuluft versorgt wird und die Abluft über eine Abluftleitung aus dem System gelangt. Zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung sind die beiden Seiten des Gas/Gas-Befeuchters angeordnet, welcher gemäß der Erfindung ausgebildet ist, also auf seiner Abluftseite ein katalytisch aktives Material und in Wärmeleitung damit einen Temperatursensor aufweist.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass eine Rezirkulationsleitung den Ausgang des Anodenraums mit dem Eingang des Anodenraums verbindet, wobei eine Abblasleitung für Gas aus der Rezirkulationsleitung abzweigt und zu dem Befeuchter führt. Hierdurch ist es möglich, das Gas, welches beispielsweise kontinuierlich mit kleinem Gasstrom oder insbesondere von Zeit zu Zeit zeitgesteuert oder in Abhängigkeit von Konzentrationen aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, in den Befeuchter gelangt und dort am katalytisch aktiven Material umgesetzt wird. Wird nunmehr die Temperatur des katalytisch aktiven Materials erfasst bzw. die Temperaturdifferenz vor dem Zudosieren des Abgases im Vergleich zur Situation nach dem Zudosieren des Abgases, dann kann die Wasserstoffkonzentration in dem abgeblasenen Gas sehr leicht erfasst werden, wodurch Rückschlüsse auf die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf möglich sind. Hierdurch lassen sich entsprechende Maßnahmen zur Verbesserung des Betriebs der Wasserstoffversorgung bzw. des Anodenkreislaufs gewinnen, um so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu erhöhen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass in der Rezirkulationsleitung ein Wasserabscheider angeordnet ist, welcher über eine Ablassleitung mit dem Befeuchter verbunden ist. Eine solche Aufteilung des Abblasens von Gas (Purge) und des Ablassens von Wasser (Drain) aus der Rezirkulationsleitung ist hier von besonderem Vorteil, da eine entsprechende Aufteilung der Stoffströme in den Befeuchter möglich ist. So kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Ablassleitung im Bereich der Membranen in den Befeuchter mündet, während die Abblasleitung im Bereich des katalytisch aktiven Materials in den Befeuchter mündet. So kann insbesondere eine sichere und zuverlässige Umsetzung des Wasserstoffs an dem katalytisch aktiven Material erreicht werden, sodass die über die Temperaturerhöhung rückgerechnete Konzentration des Wasserstoffs sehr zuverlässig ermittelt werden kann. Gleichzeitig wird das Wasser aus dem Bereich des katalytisch aktiven Materials in flüssiger Form ferngehalten, sodass die Umsetzung und damit die Temperaturmessung und der Rückschluss auf die Konzentration nicht vom flüssigen Wasser beeinträchtigt wird. Andererseits wird das Wasser zum Befeuchten natürlich durchaus benötigt bzw. ist hilfreich, sodass durch die Eindüsung im Bereich der Membranen und die gleichzeitige Erwärmung durch die Umsetzung des Wasserstoffs an dem katalytisch aktiven Material eine entsprechende Verdampfung des Wassers stattfindet, welches dann unmittelbar durch die für Wasserdampf durchlässigen Membranen gelangen kann, um so den Zuluftstrom sicher und zuverlässig zu befeuchten.
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Wie bereits erwähnt, kann ein besonders günstiges Verfahren zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere in dem Abgas aus der Rezirkulationsleitung, die Auswertung einer Temperaturerhöhung vornehmen, welche beim Einbringen des Abgases in den Befeuchter, und hier insbesondere im Bereich des katalytisch aktiven Materials, auftritt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters, des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des zuletzt genannten Verfahrens werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug.
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Innerhalb eines prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeugs 1 ist ein Brennstoffzellensystem 2 mit den zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Komponenten sehr stark schematisiert dargestellt. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. Beispielhaft ist ein Kathodenraum 4 und ein Anodenraum 5 symbolisch angedeutet. Dem Kathodenraum 4 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6, beispielsweise einen Kompressor oder einen Strömungsverdichter, zugeführt. Die über eine Zuluftleitung 7 dem Kathodenraum 4 zugeführte Luft ist dabei nach der Luftfördereinrichtung 6 typischerweise sehr trocken. Dies würde die Membranen, welche den Kathodenraum 4 vom Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 trennen, gegebenenfalls schädigen, sodass in der Zuluftleitung 7 ein Gas/Gas-Befeuchter 8 angeordnet ist. Dieser Gas/Gas-Befeuchter weist einen von der Zuluft durchströmten Bereich 9 auf. Über für Wasserdampf durchlässige Membranen 10 ist dieser Bereich 9 von einem weiteren Bereich 11 getrennt, durch welchen die Abluft des Kathodenraums 4 als Feuchtelieferant strömt. Dieser Bereich 11 ist dabei in einer Abluftleitung 12, welche die Abluft aus dem Kathodenraum 4 aus dem Brennstoffzellensystem 1 abführt, angeordnet. In der Abluftleitung 12 könnten weitere Komponenten wie beispielsweise ein Wasserabscheider, eine Abluftturbine oder dergleichen angeordnet sein. Ebenso könnten in der Zuluftleitung 7 weitere Komponenten wie beispielsweise ein Ladeluftkühler angeordnet sein. Um den Befeuchter 8 könnte außerdem ein Bypass angeordnet sein, um den Grad der Feuchte einzustellen. All dies ist dem Fachmann geläufig und spielt für die hier vorliegende Erfindung keine Rolle, sodass auf die Darstellung verzichtet worden ist.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 13 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 14 in den Anodenraum 5. Eine Rezirkulationsleitung 15 führt vom Ausgang des Anodenraums 5 zum Eingang des Anodenraums 5 zurück. Nicht verbrauchter Wasserstoff sowie inerte Gase, welche vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren oder in dem im Druckgasspeicher 13 gespeicherten Wasserstoff enthalten sind, strömen zusammen mit unverbrauchtem Wasserstoff und einem Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers durch diese Rezirkulationsleitung 15 zurück zum Eingang des Anodenraums 5 und werden diesem mit frischem Wasserstoff vermischt erneut zugeführt. In der Rezirkulationsleitung 15 ist dabei ein Wasserabscheider 16 angeordnet, über welchen flüssiges Wasser abgeschieden wird, um ein Fluten von gasführenden Kanälen in dem Anodenraum 5 zu vermeiden. Über eine Ablassleitung 17 mit einer optionalen Ventileinrichtung 18 ist der Wasserabscheider 16 dabei mit dem Befeuchter 9 in später noch näher beschriebener Art und Weise verbunden. Außerdem zweigt aus der Rezirkulationsleitung 15 eine Abblasleitung 19 ab, welche ebenfalls mit einer optionalen Ventileinrichtung 20 versehen ist. Über diese Abblasleitung 20 kann Gas aus der Rezirkulationsleitung 15 abgelassen werden, da sich hier, wie bereits erwähnt, inerte Gase anreichern. Mit der Zeit sinkt deshalb die Wasserstoffkonzentration ab, sodass beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Konzentration, oder auch mit kontinuierlichem geringem Volumenstrom, Gase aus der Rezirkulationsleitung abgeblasen werden. Diese Gase können immer auch Wasserstoff enthalten. Sie werden ebenfalls in später noch näher beschriebener Art und Weise in den Befeuchter 8 geführt.
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In der Rezirkulationsleitung 15 ist nun außerdem ein Rezirkulationsgebläse 21 als Rezirkulationsfördereinrichtung angedeutet. Dieses Rezirkulationsgebläse 21 dient dazu, die Anodenstöchiometrie am Eingang zum Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 einzustellen, die Feuchte des Anodengases an gleicher Stelle zu erhöhen und Flüssigwasser aus dem Anodenraum 5 auszutragen. Es kann, wie hier angedeutet, als Rezirkulationsgebläse 21 ausgebildet sein. Genauso gut ist es denkbar, dass eine Gasstahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung eingesetzt wird, welche von dem frischen zugeführten Wasserstoff als Treibstrahl angetrieben wird. Auch eine Kombination aus Gebläse und Gasstrahlpumpe ist selbstverständlich denkbar.
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Das Wasser, welches sich im Wasserabscheider 16 sammelt, ist als Produktwasser der Brennstoffzelle 3 sehr rein. Es ist daher ideal geeignet, um die Befeuchtung des Zuluftstroms in der Zuluftleitung 7 zum Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zu unterstützen. Es wird daher über die Ablassleitung 17 in den Bereich des Befeuchters geleitet, und zwar insbesondere in den Bereich der Membranen 10, um so nach Möglichkeit in dem Zuluftstrom zu verdampfen und diesen entsprechend zu befeuchten. Außerdem ist auf der Abluftseite 11 des Gas/Gas-Befeuchters 8 ein katalytisches Material 22 angeordnet. Dieses steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Temperatursensor 23, welcher die von ihm gemessenen Daten an eine Auswerteelektronik 24 weiterleitet. Die Abblasleitung 19, über welche Gase aus der Rezirkulationsleitung 15 abgeblasen werden, mündet nun ebenfalls in den abluftseitigen Raum 11 des Befeuchters 8, und zwar hier insbesondere in den Bereich, welcher mit dem katalytischen Material 22 versehen ist. Unvermeidlich in den Gasen befindlicher Restwasserstoff wird daher zusammen mit Sauerstoff, welcher auch in der Abluft immer noch enthalten ist, zu Wasser reagieren. Dies hat einerseits den Vorteil, dass keinerlei Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu befürchten sind und hat andererseits den Vorteil, dass die freigesetzte Reaktionsenthalpie genutzt wird, indem eine Temperaturerhöhung im Bereich des katalytischen Materials 22 entsteht, welche das Verdampfen von Wasser und damit den Durchtritt von Wasserdampf durch die Membranen 10 in den zuluftseitigen Abschnitt 9 des Befeuchters 8 erleichtert. Gleichzeitig kann die dabei entstehende Temperaturerhöhung über den Temperatursensor 23 gemessen und in der Elektronik 24 ausgewertet werden. Aus der Temperaturerhöhung kann dann auf die zugeführte Menge an Wasserstoff zurückgeschlossen werden. Es ergibt sich somit eine vergleichsweise gute Kenntnis der Wasserstoffkonzentration in den abgeblasenen Gasen und damit letztlich auch in der Rezirkulationsleitung 15 bzw. dem sogenannten Anodenkreislauf um den Anodenraum 5. Dadurch, dass nun die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf bekannt ist, kann ohne zusätzlichen Aufwand, welcher beispielsweise ein Sensor im Anodenkreislauf wäre, sehr einfach eine entsprechende Anpassung der Ansteuerung der Ventileinrichtung 20 vorgenommen werden, sodass der Wasserstoffverlust minimiert und die Brennstoffzelle sehr effizient und mit hoher Leistungsfähigkeit betrieben werden kann. Der Aufbau ist dabei außerordentlich einfach und benötigt keinen eigenen Wasserstoffsensor, sondern nutzt parallel zu den ansonsten bekannten Vorteilen beim Einsatz von katalytischem Material 22 auf der Abluftseite 11 des Befeuchters 8 eine dort gemessene Temperaturerhöhung. Der hierfür benötigte Temperatursensor 23 ist sehr viel einfacher, kostengünstiger und bei weitem weniger störanfällig, als es ein Wasserstoffsensor in dem Anodenkreislauf wäre.
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Falls ein Wasserstoffsensor im Anodenkreislauf dennoch vorhanden ist, dann kann über das beschriebene Verfahren sehr einfach und effizient eine Plausibilisierung der von ihm gemessenen Werte vorgenommen werden, sodass zu jedem Zeitpunkt ein Wissen darüber vorliegt, ob der Wasserstoffsensor zuverlässig arbeitet oder gegebenenfalls einen Defekt aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009009673 A1 [0002]
- JP 2007-128802 A [0002]
