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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Dazu umfassen Brennstoffzellensysteme mindestens einen Brennstoffzellenstapel aus einer Anzahl Brennstoffzellen mit einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymer-Elektrolytmembran.
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Innerhalb einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) einer Brennstoffzelle finden elektrochemische Teilreaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff getrennt durch eine Membran statt. Die Reaktionen finden innerhalb einer Katalysatorschicht auf einer sogenannten aktiven Fläche der MEA statt.
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Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff, der durch die zugeführte Luft bereitgestellt wird, sowie Kühlflüssigkeit werden über eine sog. Bipolarplatte (BPP) in eine jeweilige Brennstoffzelle geleitet und gleichmäßig über die aktive Fläche verteilt.
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Um die Leistung einer Brennstoffzelle zu steigern wird eine Wiederholeinheit, bestehend aus MEA und BPP, in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt.
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Um optimale Betriebsbedingungen für eine Brennstoffzelle zu schaffen, ist es erforderlich, dass die MEA unter möglichst allen Betriebsbedingungen ausreichend gut befeuchtet ist, da zu trockene Gebiete einen Protonenleitwiderstand der Membran erhöhen und eine Alterung aufgrund Lochbildung fördern. Weiterhin führen zu feuchte Gebiete zu einem Flüssigwasserausfall und damit zu einer Verblockung von Gas-Diffusionswegen, was zu signifikanten Massentransportverlusten führen kann.
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Zum Befeuchten von einem Brennstoffzellensystem zugeführter Luft wird in der Regel ein Gegenstrom-Befeuchter verwendet. Ein Gegenstrom-Befeuchter besteht aus dünnen bzw. feinen Kapillarröhrchen. Innerhalb der Röhrchen fließt stark befeuchtete Abluft des Brennstoffzellensystems, während um die Röhrchen herum unbefeuchtete Zuluft aus der Umgebung strömt, sodass die Zuluft Feuchtigkeit aus der Ablauf aufnimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Befeuchtungssystem und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. 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 Befeuchtungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient dazu, einen robusten Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, ein bereichsweises Austrocknen bzw. bereichsweises Fluten einer Brennstoffzelle mit Wasser zu verhindern.
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Es wird somit ein Befeuchtungssystem für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Befeuchtungssystem umfasst einen Befeuchter zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensystem zuzuführender Luft, eine Primärleitung und eine Sekundärleitung. Die Primärleitung ist dazu konfiguriert, Luft in den Befeuchter zu leiten. Die Sekundärleitung ist dazu konfiguriert, Luft um den Befeuchter herum zu leiten. Das Befeuchtungssystem ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem mit einer ersten Luftmenge bzw. mit Primärluft aus der Primärleitung, die eine erste relative Luftfeuchte aufweist und mit einer zweiten Luftmenge bzw. Sekundärluft aus der Sekundärleitung, die eine zweite, von der ersten Luftfeuchte verschiedene relative Luftfeuchte aufweist, zu beströmen.
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Unter einer Feuchte bzw. einer Feuchtigkeit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine relative Luftfeuchtigkeit zu verstehen.
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Das vorgestellte Befeuchtungssystem dient insbesondere zum Reduzieren bzw. Verschmälern eines Feuchtebereichs in einem sogenannten „Cross-Flow Design“, indem einem unteren Bereich einer jeweiligen Brennstoffzelle Luft mit geringerer Feuchte zugeführt wird als einem oberen Bereich.
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Zum Einstellen von Bereichen in einem Brennstoffzellensystem, die mit verschieden feuchter Luft beströmt werden, umfasst das vorgestellten Befeuchtungssystem zwei Leitungen, eine Primärleitung und eine Sekundärleitung, die das Brennstoffzellensystem mit unterschiedlich feuchter Luft beströmen.
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Da die Primärleitung dazu konfiguriert ist, anströmende Luft, insbesondere Umgebungsluft, in den Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems zu leiten, wird die durch die Primleitung strömende Luft durch den Befeuchter befeuchtet.
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Da die Sekundärleitung dazu konfiguriert ist, anströmende Luft, insbesondere Umgebungsluft, um den Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems herum bzw. an dem Befeuchter vorbei zu leiten, wird durch die Sekundärleitung strömende Luft nicht durch den Befeuchter befeuchtet. Entsprechend bildet die Sekundärleitung einen Befeuchterbypass.
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Entsprechend unterscheidet sich eine Feuchte von durch die Primärleitung bereitgestellter Luft, d.h. Primärluft, von einer Feuchte von durch die Sekundärleitung bereitgestellter Luft, d.h. Sekundärluft. Insbesondere ist die Primärluft feuchter bzw. eine Feuchte der Primärluft höher als eine Feuchte der Sekundärluft.
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Durch das Erzeugen von zwei unterschiedlich feuchten Luftströmungen in Form der Primärluft und der Sekundärluft ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem selektiv bzw. bereichsweise mit besonders feuchter oder besonders trockener Luft zu beströmen und, dadurch bedingt, die Betriebsbedingungen in jeweiligen Bereichen des Brennstoffzellensystems, insbesondere jeweiligen Bereichen einer jeweiligen Brennstoffzelle, einzustellen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Primärleitung und die Sekundärleitung getrennt voneinander zu mindestens einem Versorgungsanschluss des Brennstoffzellensystems führen.
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Um eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft zu verhindern, können die Primärleitung und die Sekundärleitung auch im Bereich hinter dem Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems fortgeführt werden. Bei einer Verwendung eines kurzen Versorgungsanschlusses mit einer Länge von bspw. kleiner 500 mm findet eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft in dem Versorgungsanschluss nur bedingt statt, sodass lokal noch unterschiedliche Feuchten vorliegen, es aber einen fließenden Übergang der Feuchten und keine Stufe zwischen den jeweiligen Feuchten gibt. Auch durch eine wasserdampf-durchlässige Membran kann eine Glättung eines Feuchtesprungs erreicht werden.
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Alternativ kann auch ein zum Verbinden mit der Primärleitung und der Sekundärleitung konfigurierter Versorgungsanschluss verwendet werden, der bspw. besonders lang, insbesondere mit einer Länge von größer 500 mm aufgebaut ist und ggf. in seinem Inneren eine Trennung in zwei Gaskanäle aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Primärleitung und die Sekundärleitung dazu konfiguriert sind, mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft verbunden zu werden.
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Um mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss verbunden zu werden, können die Primärleitung und die Sekundärleitung in einem Verbindungsstück zum Verbinden mit dem Versorgungsanschluss zusammenlaufen. Dabei kann in dem Verbindungsstück eine Trennung, wie bspw. eine Wand oder eine für Wasserdampf durchlässige Membran angeordnet sein, um eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft zu verhindern oder zu regulieren.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärleitung dazu konfiguriert ist, mit einem Primäranschluss des Brennstoffzellensystems und die Sekundärleitung dazu konfiguriert ist, mit einem Sekundäranschluss des Brennstoffzellensystems zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft verbunden zu werden.
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Um mit getrennten Versorgungsanschlüssen eines Brennstoffzellensystems verbunden zu werden, können die Primärleitung und die Sekundärleitung jeweils an ihrem Ende ein Anschlussstück aufweisen. Das Anschlussstück kann dazu konfiguriert sein, eine Strömungsdynamik in dem entsprechenden Versorgungsanschluss vorzugeben, um bspw. eine turbulente Strömung oder eine laminare Strömung in dem entsprechenden Versorgungsanschluss zu erzeugen. Dazu kann das Anschlussstück bspw. linear oder radial gekrümmt ausgestaltet sein.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Befeuchter dazu konfiguriert ist, an jeweiligen Versorgungsanschlüssen des Brennstoffzellensystems angeordnet zu werden und die Versorgungsanschlüsse über eine Vielzahl von integrierten Primärluftleitungen mit Luft zu versorgen.
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Durch eine Anordnung des Befeuchters an jeweiligen Versorgungsanschlüssen können die Versorgungsanschlüsse als Luftleitungen wirken und Primärluft und/oder Sekundärluft transportieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass jeweilige Primärluftleitungen der Vielzahl Primärluftleitungen in ihrem Querschnitt und/oder ihrer Anzahl derart gewählt sind, dass sich in dem Brennstoffzellensystem ein vorgegebenes Beströmungsmuster einstellt.
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Je nach Ausgestaltung des Befeuchters können in dem Befeuchter vorhandene Kapillarröhrchen derart ausgestaltet sein, dass sich in den Luftleitungen ein vorgegebenes Befeuchtungsmuster einstellt. Bspw. kann eine Anzahl erster Kapillarröhrchen besonders dick ausgestaltet sein, um einen hohen Feuchtigkeitseintrag in die ersten Kapillarröhrchen umströmende Luft zu erzeugen, während eine Anzahl zweiter Kapillarröhrchen besonders dünn ausgestaltet sein kann, um einen niedrigen bzw. gegenüber den ersten Kapillarröhrchen weniger starken Feuchtigkeitseintrag zu erzeugen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Befeuchtungssystem eine Mischkammer zum Mischen von aus der Primärleitung und der Sekundärleitung strömender Luft umfasst.
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Um nicht nur einen Primärluftstrom und einen Sekundärluftstrom, sondern mindestens einen weiteren Luftstrom zu erzeugen, kann eine Mischkammer verwendet werden, in die Primärluft und Sekundärluft eingeleitet wird und aus der eine Mischform, also Tertiärluft, ausgeleitet wird. Entsprechend kann ein Brennstoffzellensystem lediglich mit der Tertiärluft oder mit Primärluft, Sekundärluft und Tertiärluft beströmt werden.
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In Abhängigkeit eines Verhältnisses von in die Mischkammer eingeleiteter Primärluft und Sekundärluft verändert sich eine Feuchtigkeit der Tertiärluft. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis, bspw. durch zumindest bereichsweises Verschließen der Primärleitung und/oder der Sekundärleitung dynamisch, bspw. in Abhängigkeit eines Zustands des zu beströmenden Brennstoffzellensystems angepasst wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärleitung, die Sekundärluftleitung und die Mischkammer jeweils dazu konfiguriert sind, mit einem Versorgungsanschluss des Brennstoffzellensystems verbunden zu werden.
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Durch Verwendung dreier separater Anschlüsse kann ein sehr fein abgestuftes Einstellen einer Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung von drei verschiedenen Luftströmen erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweilige Anschlüsse bereichsweise und/oder zeitweise verschlossen werden, um die Verteilung der Befeuchtung in dem Brennstoffzellensystem einzustellen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Befeuchter im Kreuzstromprinzip aufgebaut ist, dass an dem Befeuchter eine Vielzahl Primärleitungen angeordnet sind, und dass der Befeuchter dazu konfiguriert ist, jeweilige Primärleitungen mit jeweiligen Strömen an Primärluft zu beströmen deren relative Luftfeuchtigkeit sich voneinander unterscheidet.
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Durch Verwendung eines im Kreuzstromprinzip aufgebauten Befeuchters bildet sich am Ausgang des Befeuchters ein Feuchtegradient über dessen Länge ab. Wird aus dem Befeuchter ausströmende Luft über mehrere Primärleitungen, wie bspw. Rohre, die nebeneinander an dem Befeuchter angeordnet sind, abgenommen, steht eine Vielzahl unterschiedlich feuchter Primärluftströmungen zur separaten Zufuhr zu einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweils nur eine Primärleitung oder eine Auswahl von Primärleitungen mit einem Brennstoffzellensystem verbunden wird, indem bspw. ein Wegeventil oder eine Klappensteuerung entsprechend eingestellt wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärluftleitung dazu konfiguriert ist, einen Heißbereich des Brennstoffzellensystems mit Luft zu beströmen und die Sekundärluftleitung dazu konfiguriert ist, einen Kaltbereich des Brennstoffzellensystems mit Luft zu beströmen.
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Durch eine selektive Beströmung eines Heißbereichs, also eines Bereichs mit einer gegenüber einem Kaltbereich höheren Temperatur, mit Primärluft wird aufgrund des hohen Feuchtigkeitseintrags eine Kühlwirkung und eine Befeuchtungswirkung erzielt, die in Kombination mit einer selektiven Versorgung eines Kaltbereichs durch Sekundärluft zu einer homogen Wärme- und Feuchtigkeitsverteilung in einem entsprechenden Brennstoffzellensystem führt.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Befeuchtungssystems.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Primäranschuss zum Verbinden mit der Primärleitung und einen Sekundäranschluss zum Verbinden mit der Sekundärleitung umfasst, und dass der Primäranschuss und der Sekundäranschluss als Sammelleitung mit einer für wasserdampf-durchlässigen Membran ausgestaltet sind.
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Um einen graduellen Übergang zwischen der Primärluft und der Sekundärluft zu erreichen bzw. einen stufenförmigen Übergang der verschiedenen Feuchtigkeitseinträge in das Brennstoffzellensystem zu vermeiden, eignet sich eine wasserdampf-durchlässige Membran, die zu einer kontrollierten und lediglich teilweisen Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft führt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem mehrere Ausgangsleitungen zum Ausblasen von durch das Brennstoffzellensystem erwärmter Luft umfasst, wobei die Ausgangsleitungen eine Anzahl Primärauslässe und eine Anzahl Sekundärauslässe umfassen, und wobei lediglich die Anzahl Primärauslässe fluidleitend mit dem Befeuchter verbunden ist.
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Durch erste und zweite Ausgangsleitungen verursacht der Befeuchter bei kleiner Flussrate einen geringeren Druckverlust, wobei ein totaler Wassergehalt aufgrund des höheren Temperaturniveaus geringfügig kleiner ist als bei Verwendung einer zentralen Ausgangsleitung.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befeuchtungssystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bren nstoffzel lensystems,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung eines Befeuchters des erfindungsgemäßen Befeuchtungssystems.
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In 1 ist ein Befeuchtungssystem 100 dargestellt. Das Befeuchtungssystem umfasst einen Befeuchter 101 zum Befeuchten von Luft, eine Primärleitung 103 und eine Sekundärleitung 105.
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Die Primärleitung 103 ist mit dem Befeuchter 101 verbunden, sodass in die Primärleitung strömende Luft in den Befeuchter 101 geleitet und dort befeuchtet wird.
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Die Sekundärleitung 105 führt um den Befeuchter 101 herum, sodass in die Sekundärleitung strömende Luft nicht durch den Befeuchter befeuchtet wird.
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Nach dem Befeuchter 101 verlaufen die Primärleitung 103 und die Sekundärleitung 105 getrennt voneinander zu einer optionalen Mischkammer 107. Entsprechend wird durch die Primärleitung befeuchtete Primärluft und durch die Sekundärleitung nicht befeuchtete bzw. relativ zu der Primärluft trockene Sekundärluft in die Mischkammer 107 eingeblasen.
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In der Mischkammer 107 entsteht ein Gemisch aus Primärluft und Sekundärluft, das im Folgenden als Tertiärluft bezeichnet wird.
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Um ein Brennstoffzellensystem mit Luft zu versorgen, werden ein Ausgang der Primärleitung, ein Ausgang der Sekundärleitung und ein Ausgang der Mischkammer mit jeweiligen Versorgungsanschlüssen der Brennstoffzellensystems verbunden, sodass das Brennstoffzellensystem mit Primärluft, mit Sekundärluft und mit Tertiärluft beströmt wird.
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Durch die Konfiguration der Versorgungsanschlüsse des Brennstoffzellensystems können ausgewählte Bereiche des Brennstoffzellensystems mit Luft beströmt werden, wie es in 2 detailliert dargestellt ist.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 200 mit einem Primäranschluss 201, der durch die Primärleitung 103, wie sie in 1 dargestellt ist, mit Primärluft versorgt wird und einem Sekundäranschluss 203, der durch die Sekundärleitung 105, wie sie in 1 dargestellt ist, mit Sekundärluft versorgt wird.
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Entsprechend strömt durch den Primäranschluss 201 feuchtere Luft als durch den Sekundäranschluss 203.
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Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine Bipolarplatte 205. Vorliegend wird die Bipolarplatte 205 in einer sog. Cross-Flow Spezifikation mit Betriebsmedien versorgt, sodass Wasserstoff von einem Wasserstoffeinlass 207 zu einem Wasserstoffauslass 209 und Kühlmittel von einem Kühlmitteleinlass 211 zu einem Kühlmittelauslass 213 strömt. Aufgrund der Cross-Flow Spezifikation ergibt sich im oberen Teil der Bipolarplatte 205 ein eher warmer/heißer Bereich, wie durch einen ersten Pfeil 215 angedeutet, während ein unterer Bereich, wie durch einen zweiten Pfeil 217 angedeutet, eher kühl ist.
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Um ein bereichsweises Austrocknen bzw. ein bereichsweises Fluten des Brennstoffzellensystems 200 zu verhindern, wird der Warmbereich, mit feuchter Primärluft aus dem Primäranschluss 201 beströmt, wohingegen der Kaltbereich mit trockener Sekundärluft aus dem Sekundäranschluss 203 beströmt wird. Entsprechend bewirkt die feuchtere Primärluft eine stärkere Befeuchtung des Warmbereichs, als die trockenere und entfeuchtend wirkende Sekundärluft in dem Kaltbereich.
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Dadurch bedingt, dass lediglich der Warmbereich mit Luft befeuchtet wird, die von dem Befeuchter 101 befeuchtet wurde, verschmälert sich ein Feuchtebereich des Brennstoffzellensystems 200 gegenüber einem Aufbau ohne das Befeuchtungssystem 100. Entsprechend reduziert sich ein Wasserverbrauch des Brennstoffzellensystems gegenüber einem Brennstoffzellensystem ohne das Befeuchtungssystem 100.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Primärauslass 219, der mit dem Befeuchter 101 verbunden ist, um feuchte Abluft des Brennstoffzellensystem 200 dem Befeuchter 101 zuzuführen, und einen Sekundärauslass 221, der verbrauchte Luft in eine Umgebung abführt. Der Primärauslass 219 und der Sekundärauslass 221 können optional in einem gemeinsamen Auslassrohr 223 ausgebildet sein, das durch eine wasserdampf-durchlässige Membran 225 in zwei Bereiche geteilt ist.
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Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 200 auch in einer sog. Co-Flow oder einer Counter-Flow Spezifikation ausgestaltet sein.
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In 3 ist ein Befeuchter 300 dargestellt, der in einem Kreuzstromprinzip aufgebaut ist. Dabei wird von einem Brennstoffzellenstapel ausgestoßene feuchte Luft durch erste Einlässe, wie durch Pfeile 301 angedeutet, in den Befeuchter 300 geleitet und durch erste Auslässe, wie durch Pfeile 303 angedeutet, als Abluft aus dem Befeuchter 300 geleitet.
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Trockene Umgebungsluft wird durch Primärleitungen, wie durch Pfeile 305 angedeutet, in den Befeuchter 300 geleitet und durch weitere Primärleitungen, wie durch Pfeile 307 angedeutet, als Primärluft zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet.
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Ein Verlauf 309 zeigt schematisch eine Verteilung einer relativen Luftfeuchte von durch die weiteren Primärleitungen strömender Primärluft. Entsprechend leiten an einem oberen Rand des Befeuchters 300 angeordnete Primärleitungen besonders feuchte Primärluft, während an einem unteren Rand des Befeuchters angeordnete Primärleitungen relativ trockene Primärluft leiten.
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Die Verteilung der relativen Luftfeuchte in den verschiedenen Primärleitungen kann dazu verwendet werden, ausgewählte Bereiche eines Brennstoffzellensystems mit einer exakt vorgegebenen Luftfeuchtigkeit zu beströmen, um eine spezifische Kühlleistung bzw. eine spezifische Befeuchtungsleistung für einen jeweiligen ausgewählten Bereich bereitzustellen.
