DE102018215372A1 - Humidifier and method of operating a humidifier - Google Patents

Humidifier and method of operating a humidifier Download PDF

Info

Publication number
DE102018215372A1
DE102018215372A1 DE102018215372.8A DE102018215372A DE102018215372A1 DE 102018215372 A1 DE102018215372 A1 DE 102018215372A1 DE 102018215372 A DE102018215372 A DE 102018215372A DE 102018215372 A1 DE102018215372 A1 DE 102018215372A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
humidifier
temperature
cathode
exhaust gas
heating element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018215372.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Markus RUF
Hannah Staub
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102018215372.8A priority Critical patent/DE102018215372A1/en
Publication of DE102018215372A1 publication Critical patent/DE102018215372A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701Temperature
    • H01M8/04738Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/04835Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mindestens ein Heizelement (112) aufweisenden Befeuchters (102) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, mit einem verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, mit einem stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas sowie mit einem Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass (106) des Befeuchters (102),
- Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass (108) des Befeuchters (102),
- Bestimmen einer Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen, und
- Regeln einer Heizleistung des mindestens einen Heizelements (112) in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgegebenen Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Befeuchter (102).

Figure DE102018215372A1_0000
The invention relates to a method for operating a humidifier (102) having at least one heating element (112) of a fuel cell system (100), with a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, with a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry cathode gas, with a stack-side cathode gas outlet (108) for humidified cathode gas and with a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas, characterized by the steps:
- sensing a temperature at or near the cathode gas inlet (106) of the humidifier (102),
Detecting a temperature at or near the cathode gas outlet (108) of the humidifier (102),
- Determining a humidifier temperature by averaging all recorded temperatures, and
- Controlling a heating power of the at least one heating element (112) as a function of the humidifier temperature in such a way that the humidifier temperature is at least within a predetermined target temperature interval around a predetermined target temperature.
The invention also relates to a humidifier (102).
Figure DE102018215372A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mindestens ein Heizelement aufweisenden Befeuchters eines Brennstoffzellensystems sowie einen Befeuchter eines Brennstoffzellensystems mit einem stapelseitigen Kathodenabgaseinlass für ein feuchtes Kathodenabgas, mit einem verdichterseitigen Kathodengaseinlass für trockenes Kathodengas, mit einem stapelseitigen Kathodengasauslass für befeuchtetes Kathodengas sowie mit einem Kathodenabgasauslass für Kathodenabgas. Der Befeuchter weist zudem mindestens ein Heizelement auf.The invention relates to a method for operating a humidifier of a fuel cell system having at least one heating element and a humidifier of a fuel cell system with a stack-side cathode exhaust gas inlet for a moist cathode exhaust gas, with a compressor-side cathode gas inlet for dry cathode gas, with a stack-side cathode gas outlet for humidified cathode gas exhaust and a cathode gas exhaust with humidified cathode gas exhaust . The humidifier also has at least one heating element.

Brennstoffzellensysteme dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion mit der Umsetzung eines Brennstoffes, in der Regel Wasserstoff, mit einem sauerstoffhaltigen Gas, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Es besteht die Möglichkeit, in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug ein hoher Leistungsbedarf besteht und daher eine Vielzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist. Derartige Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensysteme, insbesondere solche, die eine hohe Leistungsdichte aufweisen, benötigen ein sehr gutes Wassermanagement, wobei die Polymerelektrolytmembran für eine hohe Leistung bei einem hohen Feuchtegehalt betrieben werden muss. Um diesen Feuchtegehalt einzustellen, wird insbesondere das Kathodengas mit Feuchtigkeit angereichert, um eine Feuchtesättigung in der Polymerelektrolytmembran hervorzurufen, was den Transport von Wasserstoffprotonen durch die Membran verbessert. Zur Befeuchtung der Reaktantengase wird ein Befeuchter verwendet, wobei bekannt ist, dass der Feuchteeintrag in ein trockenes Gas durch eine erhöhte Temperatur begünstigt wird.Fuel cell systems serve to provide electrical energy in the context of an electrochemical reaction with the conversion of a fuel, usually hydrogen, with an oxygen-containing gas, usually air. There is the possibility of combining a plurality of fuel cells in a fuel cell stack in a fuel cell device, wherein there is a high power requirement in particular when the fuel cell device is used in a motor vehicle and a large number of fuel cells are therefore required in the fuel cell stack. Such polymer electrolyte membrane fuel cell systems, in particular those which have a high power density, require very good water management, the polymer electrolyte membrane having to be operated for high performance at a high moisture content. In order to adjust this moisture content, the cathode gas in particular is enriched with moisture in order to cause moisture saturation in the polymer electrolyte membrane, which improves the transport of hydrogen protons through the membrane. A humidifier is used to humidify the reactant gases, it being known that the introduction of moisture into a dry gas is favored by an elevated temperature.

Ein Befeuchter mit einem Heizelement, insbesondere mit einem Heizdraht ist beispielsweise in der DE 10 2005 056 833 B4 beschrieben, wobei das Heizelement dazu genutzt wird, eine Froststartfähigkeit des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, um etwaiges gefrorenes Wasser aufzutauen. Auch in der DE 10 2013 021 506 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem die Schlauchleitung von einem Stromkreis umwickelt ist, der einem Aufheizen der Schlauchleitung dient, um ebenfalls ein Gefrieren von flüssigem Wasser zu vermeiden oder um gefrorenes Wasser aufzutauen. Letztlich ist auch in der JP 2003 156 238 A ein Befeuchter beschrieben, der mit einem Heizelement ausgestattet ist, um Schädigungen durch gefrorenes Wasser innerhalb des Befeuchters zu vermeiden.A humidifier with a heating element, in particular with a heating wire, is for example in the DE 10 2005 056 833 B4 described, wherein the heating element is used to ensure a frost start ability of the fuel cell system to thaw any frozen water. Also in the DE 10 2013 021 506 A1 describes a fuel cell system in which the hose line is wrapped by a circuit which is used to heat the hose line in order also to avoid freezing of liquid water or to thaw frozen water. Ultimately it is also in the JP 2003 156 238 A described a humidifier that is equipped with a heating element in order to avoid damage from frozen water inside the humidifier.

Bekannte mit einem Heizelement ausgestattete Befeuchter werden daher typischerweise nur dann mit einer zusätzlichen Beheizung betrieben, wenn etwaig gefrorenes Wasser aufgetaut werden soll, um den Massenfluss durch den Befeuchter zu gewährleisten oder überhaupt wieder zu ermöglichen. Bei bekannten Befeuchtern hat es sich jedoch als nachteilhaft herausgestellt, dass bei diesen nach dem Befreien der durch Eis blockierten Kanäle mittels des Heizelements die Temperatur des Befeuchters wieder gesenkt oder das Heizelement gänzlich abgeschaltet wird. Eine Einstellung von Parametern beim Befeuchter für eine verbesserte Wasserübertragung im Normalbetrieb ist nicht möglich oder erfolgt nicht.Known humidifiers equipped with a heating element are therefore typically only operated with additional heating if any frozen water is to be thawed in order to ensure the mass flow through the humidifier or to enable it again at all. In known humidifiers, however, it has been found to be disadvantageous that, after the channels blocked by ice have been cleared, the temperature of the humidifier is reduced again or the heating element is switched off completely by means of the heating element. Setting the parameters of the humidifier for improved water transfer in normal operation is not possible or does not take place.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchters und einen Befeuchter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Effizienz der Wasserübertragung innerhalb des Befeuchters in das Kathodengas verbessert wird.It is therefore the object of the present invention to develop a method for operating a humidifier and a humidifier of the type mentioned in the introduction in such a way that the efficiency of the water transfer within the humidifier into the cathode gas is improved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a humidifier with the features of claim 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:

  • - Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass des Befeuchters,
  • - Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass des Befeuchters,
  • - Bestimmen einer Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen, und
  • - Regeln einer Heizleistung des mindestens einen Heizelements in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgegebenen Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt. Vorzugsweise wird die Heizleistung des mindestens einen Heizelements in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart geregelt, dass die Befeuchtertemperatur der Zieltemperatur entspricht.
The process is characterized in particular by the following steps:
  • Sensing a temperature at or near the humidifier cathode gas inlet,
  • Sensing a temperature at or near the humidifier cathode gas outlet,
  • - Determining a humidifier temperature by averaging all recorded temperatures, and
  • - Controlling a heating power of the at least one heating element as a function of the humidifier temperature such that the humidifier temperature is at least within a predetermined target temperature interval around a predetermined target temperature. The heating power of the at least one heating element is preferably regulated as a function of the humidifier temperature in such a way that the humidifier temperature corresponds to the target temperature.

Das verbesserte Verfahren zum Betreiben eines Befeuchters kann vor allem auf schwankende Eintrittstemperaturen reagieren, die einen wesentlichen Einfluss auf das Übertragungsverhalten der Flüssigkeit in die Kathodenzuluft haben. Insbesondere der Einsatz des Befeuchters, bzw. des den Befeuchter umfassenden Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug, führt zu stark schwankenden Eintrittstemperaturen, welche das Übertragungsverhalten der Flüssigkeit negativ beeinflussen. Dieses Problem wird durch das vorliegende Verfahren behoben. Zudem kann die Temperatur innerhalb des Befeuchters sehr hoch eingestellt werden, so dass eine gute Flüssigkeitsaufnahme in das Kathodengas erfolgt und insbesondere das Kathodengas den Befeuchter feuchtegesättigt verlässt, bevor es dem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zugeleitet wird.The improved method for operating a humidifier can react particularly to fluctuating inlet temperatures, which have a significant influence on the transfer behavior of the liquid into the cathode inlet. In particular, the use of the humidifier or the fuel cell system comprising the humidifier in a motor vehicle leads to strongly fluctuating Entry temperatures that negatively affect the transfer behavior of the liquid. This problem resolves this problem. In addition, the temperature within the humidifier can be set very high, so that good liquid absorption into the cathode gas takes place and in particular the cathode gas leaves the humidifier saturated with moisture before it is fed to the fuel cell stack of a fuel cell system.

Um die Befeuchtertemperatur noch besser einstellen und/oder regeln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgaseinlass berücksichtigt wird. Somit wird also auch diejenige Temperatur und damit diejenige Wärmemenge berücksichtigt, die durch das Kathodenabgas in den Befeuchter eingetragen wird.In order to be able to set and / or regulate the humidifier temperature even better, it has proven to be advantageous if a temperature at or near the cathode exhaust gas inlet is also taken into account when averaging. The temperature and thus the amount of heat that is introduced into the humidifier by the cathode exhaust gas are thus also taken into account.

Um zudem die vom Kathodenabgas abgegebene Wärmemenge zuverlässig berücksichtigen zu können, ist es von Vorteil, wenn bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgasauslass berücksichtigt wird.In order to be able to reliably take into account the amount of heat emitted by the cathode exhaust gas, it is advantageous if a temperature at or near the cathode exhaust gas outlet is also taken into account when averaging.

Es besteht die Möglichkeit, dass bei der Bestimmung der Befeuchtertemperatur neben der Mittelwertbildung aus den erfassten Temperaturen außerdem eine vom mindestens einen Heizelement in den Befeuchter eingebrachte Wärmemenge sowie die spezifische Wärmekapazität des Befeuchters berücksichtigt werden. Die spezifische Wärmekapazität des Befeuchters ist definiert als diejenige Wärmemenge oder Energie, die dem Befeuchter zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Kelvin (K) zu erhöhen. Bei der Ermittlung der Befeuchtertemperatur kann also aufgrund der spezifischen Wärmekapazität des Befeuchters ein Rückschluss auf die vom mindestens einen Heizelement aufzuwendende Heizleistung gezogen werden.There is the possibility that when determining the humidifier temperature, in addition to averaging the recorded temperatures, a quantity of heat introduced into the humidifier by at least one heating element and the specific heat capacity of the humidifier are also taken into account. The specific heat capacity of the humidifier is defined as the amount of heat or energy that must be supplied to the humidifier to raise its temperature by one Kelvin (K). When determining the humidifier temperature, a conclusion can be drawn based on the specific heat capacity of the humidifier on the heating power to be used by the at least one heating element.

Die Effizienz des Befeuchters lässt sich ferner dadurch steigern, dass die Heizleistung auf null reduziert wird, solange die bestimmte Befeuchtertemperatur der Zieltemperatur entspricht oder diese überschreitet. Zudem ist durch diese Ausgestaltung sinnvoll verhindert, dass das mindestens eine Heizelement den Befeuchter zusätzlich in einen Temperaturbereich anhebt, der schädigend für einzelne Komponenten, beispielsweise schädigend für dessen Membran wirkt.The efficiency of the humidifier can also be increased by reducing the heating output to zero as long as the specific humidifier temperature corresponds to or exceeds the target temperature. In addition, this configuration sensibly prevents the at least one heating element from additionally raising the humidifier to a temperature range which is damaging to individual components, for example damaging its membrane.

Um die Zieltemperatur des Befeuchters in Abhängigkeit des aktuellen oder zukünftig erwarteten Betriebspunkts und des sich daraus ergebenden notwendigen Wasserübertrags einstellen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zieltemperatur oder das um die Zieltemperatur liegende Zieltemperaturintervall des Befeuchters in Abhängigkeit von prognostizierten oder erwarteten Lastpunkten des Brennstoffzellensystems vorgegeben oder eingestellt werden. Hierzu ist das Verfahren also mit einer prädiktiven Komponente versehen, die dem Befeuchter eine Betriebsweise verleiht, in welche er schneller - mithin dynamischer - an eine bevorstehende geforderte Flüssigkeitsübertragung angepasst wird.In order to be able to set the target temperature of the humidifier depending on the current or future expected operating point and the resultant necessary water transfer, it has proven to be advantageous if the target temperature or the target temperature interval of the humidifier which is around the target temperature is dependent on forecast or expected load points of the fuel cell system can be specified or adjusted. For this purpose, the method is therefore provided with a predictive component which gives the humidifier an operating mode in which it is adapted more quickly — and therefore more dynamically — to an upcoming required liquid transfer.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile gelten für den Befeuchter sinngemäß, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass ein erster Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass vorhanden ist, dass ein zweiter Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass vorhanden ist, und dass ein Steuergerät vorhanden ist, das ausgelegt ist, eine Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen zu bestimmen und eine Heizleistung des mindestens einen Heizelements in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart zu regeln, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgebbaren Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt. Vorzugsweise wird die Heizleistung derart geregelt, dass die Befeuchtertemperatur der Zieltemperatur entspricht.The advantages described in connection with the method apply mutatis mutandis to the humidifier, which is distinguished in particular by the fact that a first temperature sensor for detecting a temperature at or near the cathode gas inlet is present, and that a second temperature sensor is available for detecting a temperature at or near the cathode gas outlet and that there is a control device which is designed to determine a humidifier temperature by averaging all the recorded temperatures and to regulate a heating output of the at least one heating element as a function of the humidifier temperature in such a way that the humidifier temperature is at least within a predeterminable target temperature interval around a predetermined target temperature lies. The heating power is preferably regulated in such a way that the humidifier temperature corresponds to the target temperature.

Durch diese Ausgestaltung des Befeuchter weist er eine beschleunigte Betriebsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Zudem lässt sich, aufgrund der erhöhten Temperatur innerhalb des Befeuchters, ein verbesserter Wasserübertrag und insgesamt eine kleinere Auslegung des Befeuchters realisieren.This design of the humidifier has accelerated operability at low temperatures. In addition, due to the increased temperature inside the humidifier, an improved water transfer and overall a smaller design of the humidifier can be realized.

Zudem ist die Möglichkeit eröffnet, dass ein dritter Temperatursensor am oder nahe am Kathodenabgaseinlass und/oder ein vierter Temperatursensor am oder nahe am Kathodenabgasauslass vorhanden ist, und dass das Steuergerät ausgebildet ist, bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgaseinlass und/oder am oder nahe am Kathodenabgasauslass zu berücksichtigen. Durch den Einsatz zusätzlicher Temperatursensoren und der Berücksichtigung deren Werte bei der Bestimmung der Befeuchtertemperatur lässt sich ein noch robusterer Befeuchter realisieren, der ein gleichmäßigeres Betriebsverhalten aufweist.In addition, there is the possibility that a third temperature sensor is present at or near the cathode exhaust gas inlet and / or a fourth temperature sensor at or near the cathode exhaust gas outlet, and that the control device is designed to also form a temperature at or near the cathode exhaust gas inlet when averaging and / or at or near the cathode exhaust outlet. By using additional temperature sensors and taking their values into account when determining the humidifier temperature, an even more robust humidifier can be realized which has a more uniform operating behavior.

Um den Befeuchter besonders kompakt zu gestalten und um eine noch effizientere Wasserübertragung im Befeuchter zu realisieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine wasserdampfpermeable Membran vorhanden ist, und wenn das mindestens eine Heizelement in die wasserdampfpermeable Membran integriert, insbesondere in die Membran eingenäht, ist.In order to make the humidifier particularly compact and to realize an even more efficient water transfer in the humidifier, it has proven to be advantageous if a water vapor permeable membrane is present and if the at least one heating element is integrated into the water vapor permeable membrane, in particular sewn into the membrane, is.

Vorzugsweise ist das mindestens eine Heizelement als ein PTC-Heizer (englisch: „positive temperature coefficient“) oder als PTC-Widerstand gebildet, da dieser temperaturabhängig wirkt und auf das Wasserübertragverhalten angepasst werden kann. Alternativ oder ergänzend kann das mindestens eine Heizelement aber auch als eine Heizspirale, mithin als ein elektrischer Heizdraht gebildet sein, der aufgrund seiner flachen Gestaltung auf einfache Weise beispielsweise in die wasserdampfpermeable Membran eingebracht oder eingenäht sein kann. The at least one heating element is preferably designed as a PTC heater (English: “positive temperature coefficient”) or as a PTC resistor, since this acts as a function of temperature and can be adapted to the water transfer behavior. As an alternative or in addition, the at least one heating element can also be formed as a heating spiral, and consequently as an electrical heating wire, which, due to its flat design, can be easily introduced or sewn into the water vapor-permeable membrane, for example.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Befeuchters mit einem Heizelement,
  • 2 der in ein Brennstoffzellensystem eingebundene Befeuchter aus 1, und
  • 3 eine zeitabhängige Gegenüberstellung der Befeuchtertemperatur T des Befeuchters gegenüber der zeitabhängigen Darstellung der Leistung des Heizelements PH des Befeuchters.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of a preferred embodiment, and with reference to the drawings. Show:
  • 1 1 shows a schematic representation of a humidifier with a heating element,
  • 2nd the humidifier integrated in a fuel cell system 1 , and
  • 3rd a time-dependent comparison of the humidifier temperature T of the humidifier compared to the time-dependent representation of the performance of the heating element P H of the humidifier.

In 1 ist im Wesentlichen die Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems 100 zu erkennen. Zudem ist ein mehrere Brennstoffzellen umfassender Brennstoffzellenstapel 130 gezeigt. Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu dem Brennstoffzellenstapel 130 zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den an einer chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, das Kathodengas in einem Verdichter 126 zu komprimieren. Durch diese Kompression liegt in der Kathodenzufuhrleitung nach dem Verdichten stark erwärmtes, trockenes Kathodengas vor, das zur unmittelbaren Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 130 nicht geeignet ist, da bei der in der Brennstoffzelle gegebenen Protonenaustauschmembran ausreichend Feuchtigkeit erforderlich ist. In der Kathodenzufuhrleitung ist daher in der Regel stromab des Verdichters 126 ein Ladeluftkühler 128 und wiederum stromab von diesem oder mit diesem zusammengefasst ein Befeuchter 102 angeordnet, in dem das Kathodengas befeuchtet wird, indem das bei der chemischen Reaktion anfallende Produktwasser über eine Kathodenabgasleitung dem Befeuchter 102 zugeführt wird.In 1 is essentially the cathode side of a fuel cell system 100 to recognize. In addition, there is a fuel cell stack comprising several fuel cells 130 shown. Fuel cells serve to provide electrical energy in a chemical reaction between a fuel, usually hydrogen, and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air. If the power requirement exceeds the power provided by the fuel cell, there is the possibility of several fuel cells in series with the fuel cell stack 130 to summarize, whereby, however, the need for the reactants involved in a chemical reaction increases and on the cathode side there is the need to use the cathode gas in a compressor 126 to compress. As a result of this compression, the cathode supply line contains highly heated, dry cathode gas after compression, which is for direct use in the fuel cell stack 130 is not suitable since sufficient moisture is required for the proton exchange membrane given in the fuel cell. The cathode supply line is therefore usually downstream of the compressor 126 a charge air cooler 128 and again a humidifier downstream of it or combined with it 102 Arranged in which the cathode gas is humidified by the product water resulting from the chemical reaction via a cathode exhaust line to the humidifier 102 is fed.

Der Befeuchter 102 selbst ist vorliegend mit einem Heizelement 112 versehen. Es können mehrere Heizelemente 112 vorhanden sein, die vorzugsweise dann verteilt im Befeuchter 102 angeordnet sind. Der Befeuchter 102 weist einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass 104 für das feuchte Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass 106 für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass 108 für befeuchtetes Kathodengas sowie einen Kathodenabgasauslass 110 für Kathodenabgas auf. Das Heizelement 112 ist vorgesehen, um eine Temperatur des Befeuchters 102 auf ein gewünschtes Maß zu erhöhen oder einzustellen, bei welchem die Übertragung von Flüssigkeit aus dem feuchten Kathodenabgas in das trockene zugeführte Kathodengas optimiert ist. Zudem kann die Flüssigkeitsübertragung von der feuchten Seite des Befeuchters 102 durch eine Membran 124 zur trockenen Seite des Befeuchters 102 durch eine angepasste Temperatur optimiert werden.The humidifier 102 itself is present with a heating element 112 Mistake. There can be multiple heating elements 112 be present, which is then preferably distributed in the humidifier 102 are arranged. The humidifier 102 has a stack-side cathode exhaust inlet 104 for the moist cathode exhaust, a compressor-side cathode gas inlet 106 for dry cathode gas, a stacked cathode gas outlet 108 for humidified cathode gas and a cathode exhaust outlet 110 for cathode exhaust. The heating element 112 is provided to a temperature of the humidifier 102 to increase or adjust to a desired level at which the transfer of liquid from the moist cathode exhaust gas into the dry supplied cathode gas is optimized. In addition, the fluid transfer from the humid side of the humidifier 102 through a membrane 124 to the dry side of the humidifier 102 be optimized by an adapted temperature.

Zur Regelung der Temperatur des vorliegenden Befeuchters 102 ist ein erster Temperatursensor 114 zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass 106 vorhanden. Zudem ist ein zweiter Temperatursensor 116 zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass 108 vorhanden. Vorliegend ist außerdem ein dritter Temperatursensor 118 am oder nahe am Kathodenabgaseinlass 104 sowie ein vierter Temperatursensor 120 am oder nahe am Kathodenabgasauslass 110 vorhanden.To control the temperature of the humidifier at hand 102 is a first temperature sensor 114 for sensing a temperature at or near the cathode gas inlet 106 available. There is also a second temperature sensor 116 for sensing a temperature at or near the cathode gas outlet 108 available. There is also a third temperature sensor 118 at or near the cathode exhaust inlet 104 and a fourth temperature sensor 120 at or near the cathode exhaust outlet 110 available.

Wie durch die strichlierte Darstellung zu erkennen ist, stehen die Temperatursensoren 114, 116, 118, 120 in einer Kommunikationsverbindung mit einem Steuergerät 122. Bei dem Steuergerät 122 kann es sich vorzugsweise um das Steuergerät 122 des Brennstoffzellensystems 100 bzw. des Brennstoffzellenstapels 130 handeln. Dieses Steuergerät 122 ist vorliegend ausgelegt, eine Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen zu bestimmen und eine Heizleistung des mindestens einen Heizelements 112 in Abhängigkeit der bestimmten Befeuchtertemperatur derart zu regeln, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgebbaren Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt.As can be seen from the broken line, the temperature sensors are located 114 , 116 , 118 , 120 in a communication link with a control unit 122 . With the control unit 122 it can preferably be the control unit 122 of the fuel cell system 100 or the fuel cell stack 130 act. This control unit 122 is designed in the present case to determine a humidifier temperature by averaging all recorded temperatures and a heating power of the at least one heating element 112 to be regulated as a function of the determined humidifier temperature in such a way that the humidifier temperature is at least within a predeterminable target temperature interval around a predetermined target temperature.

Die Zieltemperatur ist dabei also eine Temperatur des Befeuchters 102, bei der der Flüssigkeitsübertrag aus dem feuchten Fluid in das trockene Kathodengas optimiert ist. Das Steuergerät 122 kann zudem mit einem - nicht näher dargestellten - Temperatursensor verbunden sein, der die Umgebungstemperatur misst, um auch diese bei der Ermittlung der Befeuchtertemperatur berücksichtigen zu können.The target temperature is therefore a temperature of the humidifier 102 , in which the liquid transfer from the moist fluid into the dry cathode gas is optimized. The control unit 122 can also be connected to a temperature sensor (not shown) which measures the ambient temperature in order to be able to take this into account when determining the humidifier temperature.

Das Steuergerät 122 ist zudem mit einem Schalter 142 kommunikationsverbunden, so dass das Steuergerät 122 in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur und der Zieltemperatur den Schalter 142 eines Stromkreises betätigt, in welchem das Heizelement 112 eingebunden ist oder vorliegt. Das Heizelement 112 ist vorliegend als ein Heizdraht gebildet und vorzugsweise in einer oder in mehreren der Membranen 124 des Befeuchters 102 integriert oder eingenäht. Der Befeuchter 102 mit den Temperatursensoren 114, 116, 118, 120 und das Heizelement 112 weisen eine Konfiguration auf, derart, dass das Heizelement 112 zumindest zwischen zwei der Temperatursensoren 114, 116, 118, 120 positioniert ist. Wenn das Steuergerät 122 den Schalter 142 schließt, so fließt ein Strom durch das als Heizdraht gebildete Heizelement 112, wodurch die Temperatur innerhalb des Befeuchters 102 angehoben wird, um den Flüssigkeitsübertrag zu verbessern. Der Stromkreis, in welchem das Heizelement 112 vorliegt, verfügt über eine Stromquelle, die beim Schließen des Schalters 142 mit dem Heizelement 112 verbunden wird und dieses bestromt. Es sei aber erwähnt, dass das Steuergerät 122 auch ausgelegt sein kann, einen vom Brennstoffzellenstapel 130 erzeugten Strom in den Stromkreis zu leiten, in welchem das Heizelement 112 vorliegt, so dass keine gesonderte Stromquelle für dieses Heizelement 112 notwendig ist. Hierzu kann zwischen dem Stromkreis und dem Brennstoffzellenstapel 130 zudem ein Umrichter vorhanden sein, um die Stromstärke entsprechend anzupassen.The control unit 122 is also with a switch 142 communicative so that the control unit 122 the switch depending on the humidifier temperature and the target temperature 142 actuated a circuit in which the heating element 112 is involved or available. The heating element 112 is formed here as a heating wire and preferably in one or more of the membranes 124 of the humidifier 102 integrated or sewn. The humidifier 102 with the temperature sensors 114 , 116 , 118 , 120 and the heating element 112 have a configuration such that the heating element 112 at least between two of the temperature sensors 114 , 116 , 118 , 120 is positioned. If the control unit 122 the switch 142 closes, a current flows through the heating element formed as a heating wire 112 , causing the temperature inside the humidifier 102 is raised to improve fluid transfer. The circuit in which the heating element 112 is present, has a power source that when the switch is closed 142 with the heating element 112 is connected and this is energized. But it should be mentioned that the control unit 122 can also be designed, one from the fuel cell stack 130 to conduct current generated in the circuit in which the heating element 112 is present, so that no separate power source for this heating element 112 necessary is. This can be done between the circuit and the fuel cell stack 130 there is also a converter to adjust the current accordingly.

In 2 ist das Brennstoffzellensystem 100 mit dem vorstehend erläuterten Befeuchter 102 gezeigt. Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Kathodengasauslass 108 über eine Kathodenzufuhrleitung mit Kathodenräumen eines Brennstoffzellenstapels 130 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 102 mit seinem kathodenseitigen Kathodenabgaseinlass 104 ebenfalls mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Über die Kathodenräume wird das Kathodengas den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 130 angeordneten Brennstoffzellen zugeführt. Protonenleitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 132 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 138 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulation vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 138 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung ein Brennstoffstellglied 134 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 134 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 136, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen.In 2nd is the fuel cell system 100 with the humidifier explained above 102 shown. The humidifier 102 is with its cathode-side cathode gas outlet 108 via a cathode supply line with cathode spaces of a fuel cell stack 130 connected. In addition, the humidifier 102 with its cathode exhaust gas inlet 104 also connected to the cathode compartments via a cathode exhaust gas line, via which unreacted cathode gas or moist cathode exhaust gas to the humidifier 102 is returned. The cathode gas becomes the cathodes of the majority in the fuel cell stack via the cathode spaces 130 arranged fuel cells supplied. Proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, and fuel (eg hydrogen) can be fed to the anodes via anode spaces. The anode compartments are connected via an anode feed line with a fuel reservoir that provides the fuel 132 connected. Via an anode recirculation line 138 Unreacted fuel can be fed back to the anode compartments at the anodes. In this case, the anode recirculation is preferably assigned a recirculation blower (not shown in more detail) or fluid mechanically into the anode recirculation line 138 coupled. The anode supply line is a fuel actuator for regulating the supply of fuel 134 assigned or arranged in the anode supply line. This fuel actuator 134 is preferably formed as a pressure control valve. Upstream of the pressure control valve is a heat exchanger 136 , preferably provided in the form of a recuperator for (pre) heating the fuel.

Im Anodenkreislauf ist vorliegend ein Abscheider 140, vorzugsweise ein Wasserabscheider angeordnet, durch den Flüssigkeit angesammelt werden kann. Der Abfluss des Abscheiders 140 kann mit einer Flüssigkeitsleitung verbunden sein, die den Abscheider 140 mit einer nicht näher dargestellten Flüssigkeitszufuhr des Befeuchters 102 verbindet, um die im Anodenkreislauf anfallende Flüssigkeit für die Befeuchtung des Kathodengases im Befeuchter 102 nutzen zu können. Mit anderen Worten kann damit also die anodenseitig erzeugte Flüssigkeit dazu verwendet werden, um sie kathodenseitig für eine Befeuchtung des Kathodengases im Befeuchter 102 zu nutzen. Um die Menge der in den Befeuchter 102 geführten Flüssigkeit einstellen zu können, kann der Flüssigkeitsleitung ein ebenfalls nicht gezeigtes Flüssigkeitsstellglied, insbesondere ein Ventil, zugeordnet oder in diese fluidmechanisch eingekoppelt sein. Das Flüssigkeitsstellglied ermöglicht dann die, vorzugsweise regelbare, Zufuhr der Flüssigkeit aus dem Abscheider 140 zu dem im Kathodenkreislauf vorhandenen Befeuchter 102.A separator is present in the anode circuit 140 , preferably a water separator through which liquid can be accumulated. The drain of the separator 140 can be connected to a liquid line leading the separator 140 with a humidifier fluid supply, not shown 102 connects to the liquid in the anode circuit for humidifying the cathode gas in the humidifier 102 to be able to use. In other words, the liquid generated on the anode side can thus be used to dispense it on the cathode side for moistening the cathode gas in the humidifier 102 to use. To the amount of in the humidifier 102 In order to be able to adjust the guided liquid, the liquid line can be assigned a liquid actuator, also not shown, in particular a valve, or can be fluid mechanically coupled into it. The liquid actuator then enables the preferably preferably controllable supply of the liquid from the separator 140 to the humidifier present in the cathode circuit 102 .

Aus der Darstellung der 3 wird ersichtlich, dass zu Beginn die Befeuchtertemperatur des Befeuchters 102 weit unterhalb einer gestrichelt dargestellten Zieltemperatur (TG ) liegt und daher eine große Leistung (PH ) vom Heizelement 112 aufgewendet wird, um die Temperatur des Befeuchters 102 anzuheben. Sobald die Befeuchtertemperatur des Befeuchters 102 die Zieltemperatur TG erreicht oder überschreitet, so wird die Leistung PH des mindestens einen Heizelements 112 auf null reduziert. Unterschreitet die Befeuchtertemperatur wieder die Zieltemperatur TG , so wird die Leistung PH des Heizers wieder erhöht.From the representation of the 3rd it can be seen that at the beginning the humidifier temperature of the humidifier 102 far below a target temperature shown in dashed lines ( T G ) lies and therefore a great achievement ( P H ) from the heating element 112 is applied to the temperature of the humidifier 102 to raise. Once the humidifier temperature of the humidifier 102 the target temperature T G the achievement is reached or exceeded P H of the at least one heating element 112 reduced to zero. If the humidifier temperature falls below the target temperature again T G , so will the performance P H of the heater increased again.

Nachfolgend wird beschrieben, wie der Befeuchter 102 mit seinem Heizelement 112 betrieben wird. Zunächst wird die Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass 106 des Befeuchters 102 mittels des ersten Temperatursensors 114 erfasst. Anschließend oder zeitgleich wird die Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass 108 des Befeuchters 102 mit dem zweiten Temperatursensor 116 erfasst. Anschließend oder zeitgleich wird zudem die Temperatur am oder nahe am Kathodenabgaseinlass 104 mittels des dritten Temperatursensors 118 erfasst. Anschließend oder zeitgleich wird zudem die Temperatur am oder nahe am Kathodenabgasauslass 110 mittels des vierten Temperatursensors 120 erfasst.The following describes how the humidifier 102 with its heating element 112 is operated. First, the temperature at or near the cathode gas inlet 106 of the humidifier 102 by means of the first temperature sensor 114 detected. Then or at the same time the temperature at or near the cathode gas outlet 108 of the humidifier 102 with the second temperature sensor 116 detected. Subsequently or simultaneously, the temperature at or near the cathode exhaust gas inlet is also measured 104 by means of the third temperature sensor 118 detected. Subsequently or at the same time, the temperature at or near the cathode exhaust outlet is also increased 110 by means of the fourth temperature sensor 120 detected.

Dann wird eine Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen bestimmt, wonach eine Regelung der Heizleistung des mindestens einen Heizelements 112 in Abhängigkeit der ermittelten Befeuchtertemperatur derart erfolgt, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgegebenen Zieltemperaturintervalls um die vorgegebene Zieltemperatur TG liegt.Then a humidifier temperature is obtained by averaging all the recorded temperatures determines after which a regulation of the heating power of the at least one heating element 112 as a function of the determined humidifier temperature, the humidifier temperature is at least within a predetermined target temperature interval around the predetermined target temperature T G lies.

Vorzugsweise werden bei der Bestimmung der Befeuchtertemperatur neben der Mittelwertbildung aus den erfassten Temperaturen zudem eine vom Heizelement 112 in den Befeuchter 102 eingebrachte Wärme sowie die spezifische Wärmekapazität des Befeuchters 102 berücksichtigt. Sollte die Befeuchtertemperatur die Zieltemperatur TG erreichen oder diese überschreiten, so wird die Heizleistung des mindestens einen Heizelements 112 auf null reduziert und dort gehalten, bis die Befeuchtertemperatur die Zieltemperatur TG wieder unterschreitet.When determining the humidifier temperature, in addition to averaging the recorded temperatures, one from the heating element is also preferred 112 in the humidifier 102 heat introduced and the specific heat capacity of the humidifier 102 considered. Should the humidifier temperature be the target temperature T G reach or exceed this, the heating power of the at least one heating element 112 reduced to zero and held there until the humidifier temperature reaches the target temperature T G falls below again.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Befeuchter 102 auch in einem prädiktiven Betrieb eingesetzt werden kann, wobei die Zieltemperatur TG oder das um die Zieltemperatur TG liegende Zieltemperaturintervall des Befeuchters 102 verschiebbar ist in Abhängigkeit von prognostizierten oder erwarteten Lastpunkten des Brennstoffzellensystems 100.It should be noted that the humidifier 102 can also be used in a predictive operation, with the target temperature T G or the target temperature T G lying target temperature interval of the humidifier 102 can be moved depending on the forecast or expected load points of the fuel cell system 100 .

Der Befeuchter 102 und das Verfahren zum Betreiben des Befeuchters 102 zeichnen sich durch eine effiziente Übertragung der Flüssigkeit in das trockene Kathodengas aus. Der Befeuchter 102 ist bei niedrigen Außentemperaturen schneller betriebsfähig. Außerdem kann der Befeuchter 102 aufgrund des eingesetzten Heizelements 112 baulich kleiner ausgelegt werden, da ein erhöhter Wasserübertrag aufgrund der einstellbaren Temperaturen realisierbar ist. Insgesamt weist der Befeuchter 102 ein robustes Design und ein gleichmäßigeres Betriebsverhalten auf.The humidifier 102 and the method of operating the humidifier 102 are characterized by an efficient transfer of the liquid into the dry cathode gas. The humidifier 102 is operational more quickly at low outside temperatures. The humidifier can also 102 due to the heating element used 112 be structurally smaller, since an increased water transfer can be achieved due to the adjustable temperatures. Overall, the humidifier points 102 a robust design and more uniform operating behavior.

BezugszeichenlisteReference list

100100
BrennstoffzellensystemFuel cell system
102102
BefeuchterHumidifier
104104
KathodenabgaseinlassCathode exhaust inlet
106106
KathodengaseinlassCathode gas inlet
108108
KathodengasauslassCathode gas outlet
110110
KathodenabgasauslassCathode exhaust outlet
112112
HeizelementHeating element
114114
erster Temperatursensorfirst temperature sensor
116116
zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
118118
dritter Temperatursensorthird temperature sensor
120120
vierter Temperatursensorfourth temperature sensor
122122
SteuergerätControl unit
124124
Membranmembrane
126126
Verdichtercompressor
128128
LadeluftkühlerIntercooler
130130
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
132132
BrennstoffspeicherFuel storage
134134
BrennstoffsFuel
136136
WärmeübertragerHeat exchanger
138138
RezirkulationsleitungRecirculation line
140140
AbscheiderSeparator
142142
Schalterswitch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102005056833 B4 [0003]DE 102005056833 B4 [0003]
  • DE 102013021506 A1 [0003]DE 102013021506 A1 [0003]
  • JP 2003156238 A [0003]JP 2003156238 A [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines mindestens ein Heizelement (112) aufweisenden Befeuchters (102) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, mit einem verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, mit einem stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas sowie mit einem Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass (106) des Befeuchters (102), - Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass (108) des Befeuchters (102), - Bestimmen einer Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen, und - Regeln einer Heizleistung des mindestens einen Heizelements (112) in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgegebenen Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt.Method for operating a humidifier (102) of at least one heating element (112) of a fuel cell system (100), with a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, with a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry cathode gas, with a stack-side cathode gas outlet (108 ) for humidified cathode gas and with a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas, characterized by the steps: - detecting a temperature at or near the cathode gas inlet (106) of the humidifier (102), - detecting a temperature at or near the cathode gas outlet (108) of the Humidifier (102), - determining a humidifier temperature by averaging all recorded temperatures, and - regulating a heating output of the at least one heating element (112) as a function of the humidifier temperature such that the humidifier temperature is at least within a predetermined target temperature interval by a predetermined target temperature lies. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgaseinlass (104) berücksichtigt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a temperature at or near the cathode exhaust gas inlet (104) is also taken into account when averaging. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgasauslass (110) berücksichtigt wird.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that a temperature at or near the cathode exhaust outlet (110) is also taken into account when averaging. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Befeuchtertemperatur neben der Mittelwertbildung aus den erfassten Temperaturen zudem eine vom mindestens einen Heizelement (112) in den Befeuchter (102) eingebrachte Wärmemenge sowie die spezifische Wärmekapazität des Befeuchters (102) berücksichtigt werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that, when determining the humidifier temperature, in addition to averaging from the recorded temperatures, a quantity of heat introduced into the humidifier (102) by at least one heating element (112) and the specific heat capacity of the humidifier (102 ) are taken into account. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung auf null reduziert wird, solange die bestimmte Befeuchtertemperatur der Zieltemperatur entspricht oder diese überschreitet.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heating power is reduced to zero as long as the determined humidifier temperature corresponds to or exceeds the target temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieltemperatur oder das um die Zieltemperatur liegende Zieltemperaturintervall des Befeuchters (102) in Abhängigkeit von prognostizierten oder erwarteten Lastpunkten des Brennstoffzellensystems (100) vorgegeben oder eingestellt werden.Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the target temperature or the target temperature interval of the humidifier (102) which is around the target temperature is predetermined or set as a function of predicted or expected load points of the fuel cell system (100). Befeuchter (102) eines Brennstoffzellensystems (100) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens einem Heizelement (112), mit einem stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, mit einem verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, mit einem stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas sowie mit einem Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Temperatursensor (114) zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengaseinlass (106) vorhanden ist, dass ein zweiter Temperatursensor (116) zum Erfassen einer Temperatur am oder nahe am Kathodengasauslass (108) vorhanden ist, und dass ein Steuergerät (122) vorhanden ist, das ausgelegt ist, eine Befeuchtertemperatur durch eine Mittelwertbildung aller erfassten Temperaturen zu bestimmen und eine Heizleistung des mindestens einen Heizelements (112) in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur derart zu regeln, dass die Befeuchtertemperatur zumindest innerhalb eines vorgebbaren Zieltemperaturintervalls um eine vorgegebene Zieltemperatur liegt.Humidifier (102) of a fuel cell system (100) for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, with at least one heating element (112), with a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, with a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry Cathode gas, with a stack-side cathode gas outlet (108) for humidified cathode gas and with a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas, characterized in that a first temperature sensor (114) for detecting a temperature at or near the cathode gas inlet (106) is present, that a second There is a temperature sensor (116) for detecting a temperature at or near the cathode gas outlet (108), and that a control device (122) is provided, which is designed to determine a humidifier temperature by averaging all the recorded temperatures and a heating power of the at least one heating element (112) depending on the humidification to regulate the temperature such that the humidifier temperature is at least within a predefinable target temperature interval around a predetermined target temperature. Befeuchter (102) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Temperatursensor (118) am oder nahe am Kathodenabgaseinlass (104) und/oder ein vierter Temperatursensor (120) am oder nahe aus Kathodenabgasauslass (110) vorhanden ist, und dass das Steuergerät (122) ausgebildet ist, bei der Mittelwertbildung zudem eine Temperatur am oder nahe am Kathodenabgaseinlass (104) und/oder am oder nahe am Kathodenabgasauslass (110) zu berücksichtigen.Humidifier (102) after Claim 7 , characterized in that there is a third temperature sensor (118) at or near the cathode exhaust gas inlet (104) and / or a fourth temperature sensor (120) at or near the cathode exhaust gas outlet (110), and in that the control device (122) is designed at the averaging also takes into account a temperature at or near the cathode exhaust gas inlet (104) and / or at or near the cathode exhaust gas outlet (110). Befeuchter (102) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine wasserdampfpermeable Membran (124) vorhanden ist, und dass das mindestens eine Heizelement (112) in die wasserdampfpermeable Membran (124) integriert ist.Humidifier (102) after Claim 7 or 8th , characterized in that a water vapor permeable membrane (124) is present and that the at least one heating element (112) is integrated in the water vapor permeable membrane (124). Befeuchter (102) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (112) als ein elektrischer PTC-Heizer oder als ein elektrischer Heizdraht gebildet ist.Humidifier (102) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the at least one heating element (112) is formed as an electrical PTC heater or as an electrical heating wire.
DE102018215372.8A 2018-09-11 2018-09-11 Humidifier and method of operating a humidifier Pending DE102018215372A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018215372.8A DE102018215372A1 (en) 2018-09-11 2018-09-11 Humidifier and method of operating a humidifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018215372.8A DE102018215372A1 (en) 2018-09-11 2018-09-11 Humidifier and method of operating a humidifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018215372A1 true DE102018215372A1 (en) 2020-03-12

Family

ID=69621169

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018215372.8A Pending DE102018215372A1 (en) 2018-09-11 2018-09-11 Humidifier and method of operating a humidifier

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018215372A1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010012575A1 (en) * 2000-02-03 2001-08-09 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell humidification system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010012575A1 (en) * 2000-02-03 2001-08-09 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell humidification system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007026331B4 (en) Fuel cell system with improved moisture management and its use in a vehicle
DE102009023882B4 (en) Fuel cell system and method for reliably starting the same
DE102009035102A1 (en) Humidification control during shutdown of a fuel cell system
DE102007026332B4 (en) Fuel cell system and method for cathode transfer moisture control in a fuel cell system
DE102007024838A1 (en) Control multiple pressure regimes to minimize transient RF transients
DE102015202089A1 (en) Fuel cell system and vehicle with such
DE102011017416B4 (en) Method for switching off a fuel cell system
DE102017214967A1 (en) Method for determining a state of aging of a humidifier and fuel cell system
DE102014205029A1 (en) Conditioning unit for conditioning an operating medium and fuel cell assembly with such
DE102016201611A1 (en) Method for drying a fuel cell system, method for switching off a fuel cell system and fuel cell system for carrying out these methods
DE102010046148A1 (en) Improved batch operation method aimed at preventing cell reversal
DE102018215372A1 (en) Humidifier and method of operating a humidifier
DE102018209431A1 (en) Method for switching off a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method
DE102017214726A1 (en) Method for evaluating a coolant flow of a coolant circuit of a fuel cell system, fuel cell system and vehicle
DE102016114738A1 (en) A method of determining a leakage current and method of operating a fuel cell system
DE102013014952A1 (en) Gas / gas humidifier
DE102009023880A1 (en) Modified commissioning strategy to improve commissioning reliability after a longer shutdown time
DE102020100599A1 (en) Method for a freeze start of a fuel cell system, fuel cell system and motor vehicle with such a system
WO2016091555A1 (en) Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system
DE102019126306A1 (en) Fuel cell system
WO2010063442A1 (en) Liquid separator for a fuel cell system
DE102020103071A1 (en) Fuel cell device with two humidifiers and a method for operating and motor vehicle with such
DE102012011326A1 (en) Fuel cell system for producing electrical drive power in e.g. passenger car, has duct element connecting exhaust air outlet of humidifier with environment, and valve devices adjusting duct elements as flow path for exhaust air from chamber
DE102018216264A1 (en) Fuel cell system and method for operating the fuel cell system
DE102018218340A1 (en) Method for switching off a fuel cell system and fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE