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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.
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Stand der Technik
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die zwischen der Anode und der Kathode einer Brennstoffzelle angeordnete Membran aktiv zu befeuchten. Bei PEM-Brennstoffzellen wird hierbei zur Befeuchtung der Membran das während der Reaktion an der Kathode der Brennstoffzelle erzeugte Produktwasser verwendet. Das erzeugte Wasser wird hierbei wiederverwendet, indem es mittels eines Gas/Gas-Austauschers aus dem Abgas abgeschieden und anschließend der frischen Luft zugeführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient insbesondere zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Membran einer PEM-Brennstoffzelle. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, dass die Verlustleistung, die zur Komprimierung der auf der Kathodenseite zugeführten Frischluft aufgewendet werden muss, stark reduziert werden kann. Die Notwendigkeit der Verdichtung resultiert bei bisher bekannten Verfahren dabei vornehmlich aus der Erwärmung der Frischluft während der gängiger Weise vorgenommenen Befeuchtung der Luft mittels eines Gas/Gas-Austauschers. Bei dem genannten Befeuchtungsvorgang ist insbesondere die vergleichsweise hohe Temperatur der feuchten Abluft problematisch, die zur Befeuchtung der Frischluft verwendet wird. Die Erwärmung der Abluft ist dabei insbesondere durch das warme Produktwasser bedingt, das von der Abluft aufgenommen wird. Bei dem in dem Gas/Gas-Austauscher stattfindenden Befeuchtungsprozess wird die Wärme der Abluft an die zu befeuchtende Frischluft übertragen. Aus der erhöhten Temperatur der Frischluft resultiert eine niedrigere Dichte und somit eine niedrigere Menge an Sauerstoff pro Luftvolumen der Frischluft, was letztlich zu einem ineffizienten Betrieb einer Brennstoffzelle führt. Zwar kann einem ineffizienten Betrieb in einem solchen Fall - wie bereits ausgeführt - über eine vor oder nach dem Befeuchtungsprozess erfolgende Verdichtung der Frischluft abgeholfen werden, allerdings erfordert ein solcher Verdichtungsprozess einen hohen Energieaufwand, der durch das erfindungsgemäße Verfahren eingespart werden kann. Ein weiterer Vorteil des gegenständlichen Verfahrens ergibt sich ferner dadurch, dass erfindungsgemäß bewusst auf den Einsatz eines Gas/Gas-Austauschers zur Befeuchtung der Frischluft verzichtet wird, wodurch nicht nur Platz und Gewicht eingespart werden kann, sondern auch die weiteren Nachteile eines Gas/Gas-Austauschers, wie insbesondere die starke Abhängigkeit von äußeren Umgebungsbedingungen reduziert, bzw. eliminiert werden können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran einer Brennstoffzelle wird gegenständlich zunächst das Kathodengas mittels eines Verdichters verdichtet, wobei als Verdichter verschiedene Verdichtertypen zum Einsatz kommen können, wie bspw. Rotationsverdichter, Kolbenverdichter, Turboverdichter, Ionenverdichter, Scrollverdichter und dergleichen. Erfindungsgemäß wird hierbei vorgeschlagen, dass das Kathodengas zunächst auf einen Druck von zumindest mehr als 1 bar, vorzugsweise auf einen Druck von mehr als 2,5 bar, insbesondere auf einen Druck von mehr als 5 bar komprimiert wird. Bevor das Kathodengas verdichtet werden kann, muss es jedoch zunächst dem Verdichter zugeführt werden. Gegenständlich wird als Kathodengas insbesondere sauerstoffhaltige Luft verwendet, die vorteilhafterweise erst aus der Umgebung angesaugt und vorgefiltert wird, bevor sie dem Verdichter zugeführt wird. Die Luftfiltration dient dabei sowohl dem Schutz der Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere dem Katalysatormaterial der Brennstoffzelle, als auch dem Schutz der übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems vor schädlichen Partikeln und gasförmigen Verunreinigungen aus der angesaugten Luft. Nach dem Verdichten des Kathodengases wird das Kathodengas gegenständlich durch Zuführen von Wasser mittels einer Zuführeinrichtung befeuchtet. Dadurch, dass der Prozess des Verdichtens des Kathodengases erfindungsgemäß zwingend vor dem Befeuchten des Kathodengases - also bei „trockenem“ Kathodengas erfolgt, wird ein besonders effizienter und energiesparender Verdichtungsprozess gewährleistet. Würde der Verdichtungsprozess erst nach dem Befeuchten erfolgen, so bestünde zudem die Gefahr, dass ein Teil des von dem Kathodengas aufgenommenen Wassers wieder auskondensieren würde und das Kathodengas folglich nicht mehr den gewünschten Wasseranteil besäße. Um das bereits verdichtete Kathodengas trotz einer vergleichsweise geringeren Aufnahmefähigkeit dennoch in gewünschtem Maße befeuchten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Zuführeinrichtung ein Einspritzventil aufweist, über das das Wasser dem bereits verdichteten Kathodengas bedarfsgerecht zugeführt wird. Über das erfindungsgemäße Einspritzventil wird derweil nicht nur eine bedarfsgerechte, sondern insbesondere im Gegensatz zu dem zu diesem Zweck üblicherweise gebrauchten Gas/Gas-Austauscher ein deutlich effizienteres Befeuchtungsverfahren zur Verfügung gestellt. Neben einem Einspritzventil kann die Zuführeinrichtung ferner weitere Elemente umfassen, bspw. eine oder mehrere Ventile verschiedener Art, einer oder mehrere Pumpen verschiedener Art, verschiedene Leitungen bzw. ein Leitungssystem, zumindest eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Zuführung von Wasser zu einem Kathodengas, zumindest eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Wasserbedarfs, zumindest eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation und dergleichen.
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Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das dem Kathodengas über die Zuführeinrichtung bedarfsgerecht zugeführte und vorzugsweise aus der Abluft der Brennstoffzelle gewonnene Wasser, in einem Reservoir gesammelt und insbesondere gekühlt wird, bevor es der Zuführeinrichtung zugeführt wird. Die Zuführung von gekühltem bzw. kaltem Wasser ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da sich hierdurch das Volumen der Frischluft nach dem Befeuchten nicht oder nicht in einem für den Energieumsatz negativem Maße ändert, sodass das Kathodengas auch nach der Befeuchtung dieselbe Dichte - also entsprechend dieselbe Menge an Sauerstoff pro Volumen aufweist. Dies verhindert nicht nur einen ineffizienten Betrieb der Brennstoffzelle, sondern gewährleistet auch eine möglichst konstante Energieversorgung. Um die Brennstoffzelle darüber hinaus selbst bei stark schwankenden Umgebungsbedingungen mit einer weitgehend konstanten Energie zu betreiben, kann das Reservoir nicht nur gekühlt, sondern vorteilhafterweise bedarfsgerecht temperiert werden, wobei die Temperierung insbesondere in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und/oder der aktuell erzeugten bzw. gewandelten elektrischen Energie erfolgt. Um darüber hinaus möglichst wenig Energie zum Kühlen des Reservoirs aufwenden zu müssen und insbesondere nicht gegen die Reaktionswärme ankühlen zu müssen, wird ferner vorgeschlagen, dass das Reservoir entfernt von der Brennstoffzelle angeordnet ist. Zur Versorgung des Einspritzventils mit dem in dem Reservoir gesammelten und vorzugsweise gekühlten Wasser kann dann vorzugsweise zumindest eine Pumpe vorgesehen sein, die das Wasser bedarfsgerecht zu dem Einspritzventil befördert. Um eine bedarfsgerechte Förderung zu gewährleisten, kann zudem eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Einspritzventil und der Pumpe bzw. dem Einspritzventil, der Pumpe und des Reservoirs sowie eine Steuereinheit vorgesehen sein, die zumindest den Bedarf und die Menge an gespeichertem Wasser erfassen und auf diese Weise eine bedarfsgerechte Dosierung steuern kann.
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Ferner ist es denkbar, dass das in der Zuführeinrichtung enthaltene Wasser vor einem Abschalten der Brennstoffzelle zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus der Zuführeinrichtung entfernt wird. Ein Entfernen von Wasser aus der Zuführeinrichtung ist insbesondere vor dem Hintergrund eines Einsatzes der Brennstoffzelle bei Temperaturen um oder unter 0°C vorteilhaft, um ein mögliches Einfrieren des Wassers in der Zuführeinrichtung zu verhindern. Ein Einfrieren von Wasser in der Zuführeinrichtung könnte zur Beschädigung bis hin zur Zerstörung zumindest von Teilen der Zuführeinrichtung führen. Im Sinne einer möglichst kleinbauenden Anordnung wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass zur Entfernung des Wassers aus der Zuführeinrichtung dieselbe Pumpe bzw. dieselben Pumpen verwendet werden, die bereits zur Zuführung des aus der Abluft gewonnen Wassers aus dem Reservoir zum Einspritzventil vorgesehen sind. Gemäß einer einfachen Ausführung können die Pumpe bzw. die Pumpen in diesem Fall rückwärts betrieben werden, um das Wasser aus der Zuführeinrichtung zurück in das Reservoir zu befördern. Alternativ können entsprechend auch separate Pumpen zur Beförderung des Wassers aus der Zuführeinrichtung zurück in das Reservoir vorgesehen sein. Alternativ oder kumulativ zu einer Rückführung des Wassers aus der Zuführeinrichtung in das Reservoir kann auch eine Heizeinrichtung, umfassend Heizbänder und dergleichen und/oder eine Ausblasvorrichtung, vorgesehen sein.
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Des Weiteren ist es insbesondere bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 0° C denkbar, dass der Membran wahlweise, vorzugsweise bei einem im Wesentlichen vollständig gefüllten Reservoir, eine größere Wassermenge als notwendig zugeführt wird. Eine solche überdosierte Zuführung bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 0° C ist insbesondere sinnvoll, um das Reservoir vor einer Beschädigung bzw. einem Zerbersten zu schützen. Alternativ oder kumulativ zu einer solchen überdosierten Zuführung kann das Reservoir auch gefrierfest ausgelegt sein, bspw. aus einem besonders dehnbaren Material und/oder eine Heizeinrichtung aufweisen, die zumindest im Falle der Gefahr eines Zerberstens das Reservoirs entsprechend erwärmt, um ein Zerbersten zu verhindern. Alternativ kann im Gegensatz zu einer überdosierten Zuführung von Wasser zur Membran bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 0° C eine Zuführung auch reduziert, insbesondere gestoppt werden, um die Membran vor Frostschäden zu schützen. In diesem Fall kann das Reservoir alternativ oder kumulativ zu einer gefrierfesten Ausgestaltung und/oder der Anordnung einer Heizeinrichtung, ein temperaturgesteuertes Auslassventil aufweisen, das bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 0° C Wasser aus dem Reservoir ablässt, sodass selbst bei einem vollständigen Einfrieren des Wassers aus dem Reservoir keine Gefahr des Zerberstens des Reservoirs besteht.
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Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung ebenfalls vorgesehen sein, dass die Zuführeinrichtung vor einer Aktivierung der Brennstoffzelle zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, entlüftet wird. Eine vollständige Entlüftung der Zuführeinrichtung ist insbesondere deshalb sinnvoll, da hierdurch die restliche Luft aus der Zuführeinrichtung entfernt wird. Diese restliche Luft hat in der Regel einen zumindest undefinierten Sauerstoffanteil, eine zumindest undefinierte Temperatur und einen zumindest undefinierten Wassergehalt. In der Regel weist die Restluft jedoch einen geringeren Sauerstoffanteil und/oder eine höhere Temperatur und/oder einen niedrigeren Wassergehalt als die Frischluft auf, sodass im Rahmen einer effizienten chemischen Umsetzung und einer konstanten Energieversorgung eine Entlüftung der Zuführeinrichtung, insbesondere eine vollständige Entlüftung, vorteilhaft ist. Zur Entlüftung kann vorzugsweise das Einspritzventil verwendet werden, wobei das Einspritzventil insbesondere erst dann über die Pumpe mit Wasser aus dem Reservoir versorgt wird, wenn eine Einspritzfähigkeit detektiert wird. Erst dann kann die Frischluft mithilfe des Einspritzventils mit Wasser befeuchtet werden.
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Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Luftfeuchtigkeit des Kathodengases während des Betriebes der Brennstoffzelle mittels eines Luftfeuchtigkeitsmessers ermittelt wird und die Wassereinspritzung anhand der aktuell ermittelten Luftfeuchtigkeit eingeregelt wird. Eine derartige Anpassung der Wassereinspritzung an die aktuelle ermittelte Luftfeuchtigkeit ist insbesondere bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen sinnvoll und ermöglicht auch bei solchen Bedingungen eine möglichst optimale Umsetzung chemischer Energie in elektrische Energie sowie eine möglichst konstante Energieversorgung. Der Luftfeuchtigkeitsmesser sollte hierzu vorzugsweise zwischen dem Einspritzventil und der Kathode angeordnet sein.
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Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Frischluft zunächst durch einen Gas/Gas-Austauscher geführt und dadurch die Luftfeuchtigkeit erhöht wird. Um der Brennstoffzelle Frischluft mit der optimalen Feuchtigkeitsmenge zuzuführen, kann im Anschluss die noch fehlende Feuchtigkeit von der Wassereinspritzung ergänzt werden. Der Gas/Gas-Austauscher kann bei diesem Verfahren vorzugsweise wesentlich kleiner ausgelegt werden und vorzugsweise kann auf ein Ventil parallel zum Austauscher verzichtet werden.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass das System einen Verdichter zur Verdichtung eines Kathodengases sowie eine Zuführeinrichtung zur Befeuchtung des Kathodengases durch die Zuführung von Wasser zu dem Kathodengas umfasst, wobei die Zuführeinrichtung ein Einspritzventil zur Zuführung von Wasser in das Kathodengas aufweist und wobei das Einspritzventil zwischen dem Verdichter und der Kathode der Brennstoffzelle angeordnet ist. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Wie bereits in den Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert worden ist, ist das gegenständliche System vorzugsweise zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran einer PEM-Brennstoffzelle vorgesehen. Basierend auf dem Ersatz eines Gas/Gas-Austauschers zur Befeuchtung eines Kathodengases durch ein Einspritzventil kann neben den Vorteilen von Platz- und Gewichtseinsparungen insbesondere weniger Energie zur Verdichtung eines Kathodengases aufgewendet werden. Dadurch, dass der Verdichter erfindungsgemäß zwischen dem Einspritzventil und der Kathode angeordnet ist, findet der Prozess des Verdichtens des Kathodengases erfindungsgemäß auch zwingend vor dem Befeuchten des Kathodengases - also bei „trockenem“ Kathodengas statt, wodurch nicht nur ein effizienterer, sondern auch ein energiesparender Verdichtungsprozess gewährleistet ist. Zudem besteht nicht die Gefahr, dass das bereits befeuchtete Kathodengas beim Verdichtungsprozess an Feuchtigkeit verliert. Der Begriff Einspritzventil umfasst im Rahmen der Erfindung sowohl Ventile, als auch Injektoren sowie auch Düsen und dergleichen. Das Einspritzventil kann hierbei ferner auf verschiedene Arten ansprechbar sein, bzw. auf verschiedene Arten gesteuert werden. Hierbei kann es sich bei dem gegenständlichen Einspritzventil um ein magnetisch, vorzugsweise ein pneumatisch, insbesondere ein elektronisch gesteuertes Einspritzventil handeln. Vorzugsweise weist das Einspritzventil zur effizienten Befeuchtung des Kathodengases eine Düse, insbesondere eine Zerstäubungsdüse auf. Die Düse selbst kann auf verschiedene Weisen gebildet sein und verschiedene Zerstäubungskonzepte verfolgen. Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, dass das Einspritzventil eine Einstoffdüse, insbesondere eine Zweistoffdüse zur Zerstäubung des zugeführten Wassers aufweist. Einstoffdüsen sind hierbei vorteilhaft, da sie ausschließlich die eigene Energie zur Zerstäubung der zugeführten Flüssigkeit nutzen und die Zuführung zusätzlicher Druckluft in der Regel nicht erforderlich ist. Mithilfe von Zweistoffdüsen ist dagegen in der Regel eine deutlich effizientere Befeuchtung möglich, da Zweistoffdüsen zur Zerstäubung ein zweites Medium, wie Pressluft, verschiedene Gase oder dergleichen als Energielieferanten verwenden, das bereits bei relativ niedrigen Druckdifferenzen extrem hohe Geschwindigkeiten erzielt und dadurch eine extrem feine Zerstäubung der Flüssigkeit bewirkt.
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Des Weiteren wird im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagen, dass das System einen Luftfeuchtigkeitsmesser zur Detektion einer aktuellen Luftfeuchtigkeit des Kathodengases aufweist, wobei der Luftfeuchtigkeitsmesser zwischen dem Einspritzventil und der Kathode angeordnet ist, insbesondere elektrisch mit der Zuführeinrichtung und/oder dem Einspritzventil verbunden ist. Eine derartige Anordnung eines Luftfeuchtigkeitsmessers ermöglicht insbesondere eine Anpassung der Wassereinspritzung an die aktuell ermittelte Luftfeuchtigkeit. Dies ist insbesondere bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen sinnvoll und ermöglicht auch bei solchen Bedingungen eine möglichst optimale Umsetzung chemischer Energie in elektrische Energie sowie eine möglichst konstante Energieversorgung. Für eine zeitlich optimierte Anpassung kann der Luftfeuchtigkeitsmesser vorzugsweise einen Regler zur Erfassung der aktuellen Luftfeuchtigkeit umfassen, insbesondere einen P- und/oder einen PI- und/oder einen PD- und/oder einen PID-Regler. Zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems, insbesondere zur Steuerung der bedarfsgerechten Befeuchtung eines Kathodengases, sind die einzelnen Systemkomponenten vorzugsweise miteinander über Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen verbunden. Die Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen können hierbei zumindest teilweise drahtlos und/oder zumindest teilweise drahtgebunden gebildet sein. Vorteilhafterweise können die Steuer- und/oder Kommunikationsverbindungen über ein BUS-System, insbesondere ein CAN-BUS-System miteinander verbunden sein. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das gegenständliche System hierbei ein übergeordnetes Steuergerät zur Steuerung umfasst. Das übergeordnete Steuergerät kann dabei entweder separat angeordnet sein, oder in eines der Geräte des erfindungsgemäßen Systems, vorzugsweise in das Einspritzventil integriert sein. Alternativ kann das übergeordnete Steuergerät auch entfernt von dem erfindungsgemäßen System zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran angeordnet sein und mit den einzelnen Komponenten kabelgebunden, vorzugsweise drahtlos in Kommunikations- und Steuerverbindung stehen.
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Ferner kann das erfindungsgemäße System ein Reservoir zur Speicherung und/oder Kühlung von aus der Abluft der Brennstoffzelle gewonnenem Wasser aufweisen. Eine Speicherung und Kühlung des aus der Abluft gewonnenen Wassers ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die Abluft aus der Brennstoffzelle aufgrund der Reaktionswärme stark aufgewärmt und somit bei direkter Verwendung zur Befeuchtung den Nachteil aufweisen würde, dass das zu befeuchtende Kathodengas beim Befeuchtungsprozess ebenfalls stark erwärmt werden würde. Dies ist - wie bereits ausgeführt wurde - insbesondere aus energetischer Sicht nachteilig. Aus diesem Grund bietet sich vor allem die Speicherung und Kühlung des aus der Abluft der Brennstoffzelle gewonnen Wassers an, bevor dieses Wasser zur Befeuchtung der Frischluft verwendet werden kann. Um die Brennstoffzelle darüber hinaus selbst bei stark schwankenden Umgebungsbedingungen mit einer weitgehend konstanten Energie zu betreiben, kann das Reservoir nicht nur eine reine Kühleinrichtung, sondern insbesondere eine Temperiereinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, das Wasser in dem Reservoir bedarfsgerecht zu temperieren, insbesondere in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und/oder der aktuell erzeugten bzw. gewandelten elektrischen Energie. Zur Versorgung des Einspritzventils mit dem in dem Reservoir gesammelten und vorzugsweise gekühlten Wasser kann dann vorzugsweise zumindest eine Pumpe vorgesehen sein, die das Wasser bedarfsgerecht zu dem Einspritzventil befördert. Um eine bedarfsgerechte Förderung zu gewährleisten, kann zudem eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Einspritzventil und der Pumpe bzw. dem Einspritzventil, der Pumpe und dem Reservoir sowie eine Steuereinheit vorgesehen sein, die zumindest den Bedarf und die Menge an gespeichertem Wasser erfassen und auf diese Weise bedarfsgerecht dosieren kann.
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Um das gegenständliche System zur Regulierung des Feuchtigkeitszustands selbst bei Umgebungstemperaturen um 0 °C sicher betreiben zu können, kann ebenfalls vorgesehen sein, dass das Reservoir und/oder die Leitungen, die das Reservoir mit dem Einspritzventil verbinden, eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des Wassers aufweisen. Dies ist insbesondere zum Schutz der Leitungen, Ventile sowie des Reservoirs vor Frostschäden vorteilhaft. Um einen unnötigen Energieverbrauch der Heizeinrichtungen zu verhindern kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die entsprechenden Einrichtungen erst bei Umgebungstemperaturen von um 0 °C aktivierbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran.
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In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 1 zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran 12 gemäß dem Stand der Technik. Das System 1 umfasst eine Brennstoffzelle mit einer Anode 10 und einer Kathode 14, die durch die Membran 12 voneinander getrennt sind. Zur Kühlung der Brennstoffzelle ist eine Kühleinheit 16 umfassend einen Kühlkreislauf 18 an der Seite der Kathode 14 der Brennstoffzelle angeordnet. Sowohl die Anode 10, als auch die Kathode 14 sind elektrisch mit der Membran 12 verbunden. Die Anode 10 der Brennstoffzelle wird im Betrieb von dem Anodengas 2 umströmt, das in dem vorliegenden Fall Wasserstoff ist. Hierzu wird der Wasserstoff 2 durch Öffnen des Absperrventils 4 in die Anodenzuführleitung 8a geleitet. Durch reguliertes Öffnen des Dosierventils 6 durchströmt das Anodengas 2 den zweiten hinter dem Dosierventil 6 angeordneten Teil der Anodenzuführleitung 8a, bevor das Anodengas 2 die Anode 10 erreicht. Auf der dem Anodengas 2 gegenüberliegenden Seite wird das Kathodengas 2' eingeleitet, im vorliegenden Fall sauerstoffhaltige Frischluft. Die Luft 2' wird angesaugt und zunächst in dem Luftfilter 20 gefiltert. Die Luftfiltration dient dabei sowohl dem Schutz der Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere dem Katalysatormaterial der Brennstoffzelle, als auch dem Schutz der übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems vor schädlichen Partikeln und gasförmigen Verunreinigungen aus der angesaugten Luft. Nach Filtration wird das Kathodengas 2' mithilfe des Gas/Gas-Austauschers 24 befeuchtet, indem die Frischluft 2' an der den Gas/Gas-Austauscher 24 ebenfalls passierenden und mit Produktwasser beladenen Abluft vorbeigeführt wird. Zu Entlüftungszwecken ist an dem Gas/Gas-Austauscher 24 ein mit einem Absperrventil 4 versehener Bypass angeordnet. Die Abluft verlässt die Brennstoffzelle an der Kathodenseite 14 über die Kathodenabführleitung 8b' und passiert den Gas/Gas-Austauscher 24. Auf diese Weise wird das auf der Seite der Kathode 14 bei der Reaktion entstehende Wasser zur Befeuchtung der Frischluft 2' wiederverwendet. Nach Befeuchten der Frischluft 2' innerhalb des Gas/Gas-Austauschers 24 wird die Luft 2' mittels des Verdichters 22 verdichtet, bevor das befeuchtete und verdichtete Kathodengas 2' der Kathode 14 über die Kathodenzuführleitung 8b zugeführt wird und an der Membran die chemische Reaktion zwischen dem Anoden- und Kathodengas 2, 2' stattfindet. Das bei der Reaktion nicht verbrauchte Anodengas 2 verlässt die Brennstoffzelle derweil über die Anodenabführleitung 8a' und wird über die Anodenzuführleitung 8a' erneut dem Zyklus zugeführt. Problematisch an dieser Art der Ausführung ist insbesondere die Tatsache, dass sehr viel Energie zum Verdichten des Kathodengases 2' vor dessen Zuführung in die Brennstoffzelle aufgewendet werden muss. Die hohe Verdichtungsenergie resultiert aus der Erwärmung des Kathodengases 2' während der Befeuchtung in dem Gas/Gas-Austauscher 24. Die Erwärmung des Kathodengases 2' während der Befeuchtung in dem Gas/Gas-Austauscher 24 ist wiederum durch die aufgrund der Reaktionswärme erwärmte Abluft bedingt. Um trotz der Erwärmung des befeuchteten Kathodengases 2' und der dadurch gesunkenen Dichte, noch eine genügende Menge Sauerstoff pro Volumen einleiten zu können, muss das Kathodengas 2' energetisch aufwendig verdichtet werden. Nur so ist eine optimale chemische Umsetzung der Reaktionspartner und eine möglichst konstante Energieversorgung zu gewährleisten.
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2 zeigt nun eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran 12 im Unterschied zu 1. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten System 1 besitzt das erfindungsgemäße System 1 keinen Gas/Gas-Austauscher 24 zur Befeuchtung der auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle eingeführten Frischluft 2'. Stattdessen wird zur Befeuchtung der Frischluft 2' ein Einspritzventil 26 verwendet. Mittels des Einspritzventils 26 und des Luftfeuchtigkeitsmessers 28 ist es möglich die aktuelle Luftfeuchtigkeit der Frischluft 2' zu erfassen und entsprechend der aktuellen Luftfeuchtigkeit die Befeuchtung durch das Einspritzventil 26 zu steuern. Das Einspritzventil 26 erhält das nötige Wasser über eine Pumpe 32, die das Wasser aus einem Reservoir 30 zu dem Einspritzventil 26 befördert. In dem Reservoir 30 wird das aus der Abluft gewonnene Wasser gespeichert und vorzugsweise gekühlt. Zwischen der Pumpe 32 und der Kathodengaszuführleitung 8b ist ferner ein Absperrventil 34 angeordnet, das vorzugsweise dazu verwendet wird, vor einem Start der Brennstoffzelle die Zuführeinrichtung zu entlüften. Zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems sind die einzelnen Systemkomponenten über hier nicht dargestellte Kommunikationsverbindungen vorzugsweise über ein BUS-System, insbesondere ein CAN-BUS-System miteinander verbunden. Vorteilhafterweise umfasst das System 1 hierbei ein ebenfalls nicht dargestelltes übergeordnetes Steuergerät zur Steuerung des Systems 1, insbesondere zur Steuerung der Belüftung, der Entlüftung und des bedarfsgerechten Dosierens. Das übergeordnete Steuergerät kann dabei entweder separat angeordnet sein, oder in eines der anderen Geräte intergiert sein, vorzugsweise in das Einspritzventil 26. Alternativ kann das übergeordnete Steuergerät auch entfernt von dem System 1 zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran 12 angeordnet sein und mit den einzelnen Komponenten kabelgebunden, vorzugsweise drahtlos in Kommunikations- und Steuerverbindung stehen. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Einspritzventils 26 anstelle eines Gas/Gas-Austauschers 24 kann nicht nur wertvoller Platz und Gewicht eingespart werden, sondern auch die Verlustleistung, die zur Komprimierung der zugeführten Frischluft 2' aufgewendet werden muss, stark reduziert werden, da die zugeführte Frischluft 2' durch das Einspritzventil 26 sehr effizient und ohne Wärmeübertragung befeuchtet werden kann, so dass die Notwendigkeit einer übermäßigen Verdichtung des Kathodengases 2' entfällt. Neben dem Einsatz des Einspritzventils 26 anstelle eines Gas/Gas-Austauschers 24 ist der Verdichter 22 erfindungsgemäß ferner nicht zwischen der zur Befeuchtung der Frischluft 2' dienenden Vorrichtung 26 und der Kathode 14 angeordnet, sondern bereits vor dem Einspritzventil 26. Dadurch, dass der Prozess des Verdichtens des Kathodengases 2' erfindungsgemäß zwingend vor dem Befeuchten des Kathodengases 2' - also bei „trockenem“ Kathodengas 2' erfolgt, wird ein besonders effizienter und energiesparender Verdichtungsprozess gewährleistet.
