DE102020215995A1 - Brennstoffzellensystem mit aktiver Dosiereinheit und Betriebsverfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit aktiver Dosiereinheit und Betriebsverfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems Download PDF

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Wolfgang Sander
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100, 300) zum Erzeugen von elektrischem Strom. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel (103, 313), ein Befeuchtermodul (101, 311), eine Dosiereinheit (105, 201, 321), und ein Kontrollgerät (107, 327), wobei zwischen dem Befeuchtermodul (101, 311)und dem Brennstoffzellenstapel (103, 313) eine erste Menge Wasser kontinuierlich zirkuliert und die Dosiereinheit (105, 201, 321) dazu konfiguriert ist, die erste Menge Wasser durch zusätzliches Eindosieren einer zweiten Menge Wasser zu vergrößern, und wobei das Kontrollgerät (107, 327) dazu konfiguriert ist, die zweite Menge Wasser in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (100, 300) einzustellen.

Description

  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.
  • Zum Versorgen einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff wird diese in der Regel mit Umgebungsluft beströmt. Dabei wird die Umgebungsluft mittels eines Verdichters verdichtet und anschließend mittels eines Kühlers auf eine möglichst konstante Temperatur gekühlt.
  • Zum Einstellen einer Feuchte, d.h. einer relativen Luftfeuchtigkeit, in einem Brennstoffzellensystem wird ein Befeuchtermodul verwendet. Befeuchtermodule sind passive Bauteile, die im Gegenstrom betrieben werden. Mittels einer Membran ermöglicht ein Befeuchtermodul, dass ein Wasserüberschuss, der auf einer Auslassseite eines Brennstoffzellenstapels bauartbedingt anfällt, auf eine Einlassseite diffundiert, um zugeführte trockene Umgebungsluft zu befeuchten.
  • Die DE 10 2013 212 973 A1 beschreibt beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, in dem die für die Kathode der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte Luft befeuchtet wird und diese Befeuchtung der Luft auf eine effiziente Funktionsweise des Brennstoffzellensystems abgestimmt wird.
  • Um Anforderungen an die Feuchte in einem Brennstoffzellensystem stets zu erfüllen sind bekannte Befeuchtermodule derart dimensioniert, dass diese einen Überschuss an Wasser bereitstellen, sodass die Feuchte in dem Brennstoffzellensystem dadurch eingestellt werden kann, dass ein übertragener Wasserstrom mittels Bypassklappen reduziert wird. Entsprechend muss das Befeuchtermodul derart ausgelegt sein, dass dieser genug Wasser für sämtliche Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems bereitstellt, was einen erheblichen Bauraumbedarf für das Befeuchtermodul zur Folge hat.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 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 Betriebsverfahren 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. werden kann.
  • Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
  • Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischem Strom vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Befeuchtermodul, eine Dosiereinheit und ein Kontrollgerät. Zwischen dem Befeuchtermodul und dem Brennstoffzellenstapel zirkuliert eine erste Menge Wasser kontinuierlich. Die Dosiereinheit ist dazu konfiguriert, die erste Menge Wasser durch zusätzliches, insbesondere diskontinuierliches, Eindosieren einer zweiten Menge Wasser zu vergrößern. Das Kontrollgerät ist dazu konfiguriert, die zweite Menge Wasser in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, insbesondere in Abhängigkeit eines mittels eines Feuchtigkeitssensors ermittelten Feuchtigkeitswerts einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem einzustellen.
  • Unter einem Befeuchtermodul ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein passives Bauteil zum Einbringen von Wasser in einen Luftstrom, insbesondere durch Diffusion, zu verstehen.
  • Unter einer Dosiereinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein aktives Bauteil zum Einbringen von Wasser in einen Luftstrom, insbesondere durch Ansteuern bzw. Aktivieren eines Steuerungselements, wie bspw. einer Pumpe oder einem Ventil, zu verstehen.
  • Unter einem Kontrollgerät ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Recheneinheit, wie bspw. ein Prozessor, ein Steuergerät, ein ASIC oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
  • Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf dem Zusammenwirken zweier Bauteile zum Einstellen einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, nämlich dem Befeuchtermodul und der Dosiereinheit. Dabei wirkt die Dosiereinheit unterstützend für das Befeuchtermodul, indem die Dosiereinheit eine zu einer von dem Befeuchtermodul bereitgestellten Menge Wasser, der ersten Menge Wasser, zusätzliche Menge Wasser, die zweite Menge Wasser, bereitstellt. Entsprechend wird das Brennstoffzellensystem mit einer Gesamtmenge an Wasser befeuchtet, die sich aus der Summe der ersten Menge Wasser und der zweiten Menge Wasser ergibt.
  • Durch Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Dosiereinheit ist es möglich, eine zweite Menge Wasser jederzeit und in jeder Menge bzw. jedem Volumen bereitzustellen. Entsprechend ermöglicht die Dosiereinheit bedarfsabhängig bzw. diskontinuierlich eine Gesamtmenge von dem Brennstoffzellensystem zugeführtem Wasser und, dadurch bedingt, eine in dem Brennstoffzellensystem vorliegende Feuchte einzustellen, d.h. zu steuern bzw. zu regeln.
  • Da die Dosiereinheit und das Befeuchtermodul zusammenwirken, um das Brennstoffzellensystem zu befeuchten bzw. eine Feuchte, d.h. eine relative Luftfeuchtigkeit, in dem Brennstoffzellensystem einzustellen, kann das Befeuchtermodul stets an einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Entsprechend ermöglicht die Dosiereinheit eine besonders kompakte Ausgestaltung des Befeuchtermoduls, sodass auch das Brennstoffzellensystem besonders kompakt ausgestaltet werden kann.
  • Insbesondere ermöglicht die Unterstützung des Befeuchtermoduls durch die Dosiereinheit, eine Ausgestaltung des Befeuchtermoduls, derart, dass dieses lediglich eine Mindestfeuchte in dem Brennstoffzellensystem einstellen kann, sodass die Dosiereinheit in Betriebszuständen, in denen mehr Feuchte als die Mindestfeuchte erforderlich ist, zusätzliche Feuchte bzw. zusätzliches Wasser bereitstellt.
  • Die betriebszustandsabhängige Einstellung der zweiten Menge Wasser kann bspw. erfolgen indem ein von einem Kontrollgerät eingestellter Betriebsbereich ausgewertet wird und/oder der aktuelle Betriebszustand über Sensoren, wie bspw. einen Drucksensor zum Erfassen eines Druckverlusts aus dem Brennstoffzellensystem oder einen Spannungssensor zum Überwachen einer Zellspannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem bestimmt wird.
  • Weiterhin ermöglicht die Dosiereinheit eine derart kompakte Ausgestaltung des Befeuchtermoduls, dass dieses das Brennstoffzellensystem unterversorgt, d.h. lediglich eine erste Menge Wasser bereitstellt, die eine Grundfeuchte in dem Brennstoffzellensystem einstellt, wobei die Grundfeuchte unter einer Minimalfeuchte liegt, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystem erforderlich ist. Bei einem Befeuchtermodul zum Bereitstellen lediglich einer Grundfeuchte ist die Dosiereinheit dazu konfiguriert, die Grundfeuchte durch Zufuhr einer zweiten Menge Wasser zumindest auf die Minimalfeuchte zu erhöhen.
  • Durch die Kombination von Befeuchtermodul und Dosiereinheit ist es weiterhin möglich auf Komponenten zum Ausleiten von überschüssiger Feuchte, wie bspw. große und aufwendige Klappenelemente, zu verzichten. Entsprechend kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem auch aus diesem Grund besonders kompakt ausgestaltet werden.
  • Die Dosiereinheit wird aus einem Tank mit Wasser versorgt. Der Tank wird dabei während dem Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems kontinuierlich mit erzeugtem Wasser befüllt.
  • Zum Ermitteln der zweiten Menge Wasser, d.h. zum Ermitteln eines Volumens an durch die Dosiereinheit zuzuführendem Wasser umfasst das vorgestellte Brennstoffzellensystem ein Kontrollgerät. Das Kontrollgerät kann bspw. einen aktuellen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems erkennen bzw. von dem Brennstoffzellensystem abfragen und die zweite Menge Wasser gemäß einer vorab bereitgestellten Zuordnungstabelle vorgeben bzw. die Dosiereinheit derart ansteuern, dass die gemäß der Zuordnungstabelle vorgegebene zweite Menge Wasser in das Brennstoffzellensystem eindosiert wird. Insbesondere kann das Kontrollgerät eine Aktivierungsdauer für die die Dosiereinheit aktiviert wird, vorgeben. Entsprechend kann die zweite Menge bspw. anhand einer Zuordnungstabelle ermittelt werden, die jeweilige Wassermengen jeweiligen Betriebsbereichen bzw. Sensorwerten zuordnet.
  • Insbesondere kann das Kontrollgerät von einem Sensor, wie bspw. einem Feuchtigkeitssensor oder einem Spannungssensor ermittelte Messwerte, insbesondere Messwerte einer relativen Luftfeuchte in dem Brennstoffzellensystem, auswerten und die Dosiereinheit in einer Regelschleife derart ansteuern, dass ein vorgegebener Wert der Messwerte, insbesondere der relativen Luftfeuchte, in dem Brennstoffzellensystem eingestellt wird. Dazu kann das Kontrollgerät eine Schnittstelle zu dem Sensor oder einem mit dem Sensor in kommunikativer Verbindung stehenden Speicher umfassen. Insbesondere kann der vorgegebene Wert bspw. durch die Zuordnungstabelle für einen aktuellen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems vorgegeben sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit dazu konfiguriert ist, die zweite Menge Wasser in das Befeuchtermodul einzudosieren.
  • Zum Eindosieren der zweiten Menge Wasser in das Befeuchtermodul kann die Dosiereinheit zumindest tlw. in dem Befeuchtermodul angeordnet sein und bspw. eine Versorgungsleitung umfassen, die in das Befeuchtermodul mündet. Insbesondere kann die Dosiereinheit eine Düse umfassen, die von einer Pumpe mit Wasser aus einem Tank versorgt wird und die dazu konfiguriert ist, Wasser in einen vorgegebenen Bereich in dem Befeuchtermodul einzuleiten.
  • Durch ein Einleiten von Wasser direkt in das Befeuchtermodul wird zum einen eine benötige zweite Menge Wasser minimiert, da diese direkt an einen Ort eingeleitet werden kann, an dem eine Umsetzung in Wasserdampf erfolgt. Zum anderen wird durch Einleiten von Wasser in das Befeuchtermodul ein Risiko von Tropfenschlagerosion auf Fasern des Befeuchtermoduls, die durch ein Einbringen einer großen Menge an Wasser am Einlass des Befeuchtermoduls entstehen könnte, minimiert.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit über eine Versorgungsleitung mit einer Kreislaufleitung verbunden ist, wobei in der Kreislaufleitung die erste Menge Wasser zirkuliert, und wobei die Versorgungsleitung über ein schaltbares Dosierventil mit der Kreislaufleitung verbindbar ist.
  • Durch eine Versorgungsleitung wird eine mechanisch einfache und entsprechend robuste Bereitstellung einer zweiten Menge Wasser erreicht. Dazu kann das Dosierventil, das bspw. ein elektromechanisches Ventil sein kann, von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrollgerät aktiviert, insbesondere mit einem Schaltsignal bestromt, um die zweite Menge Wasser in die Kreislaufleitung einzuleiten.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine Ventilschaltzeit, für die das Dosierventil zu öffnen ist, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  • Um die Ventilschaltzeit und, dadurch bedingt, die zweite Menge Wasser einzustellen, kann das Kontrollgerät einen mittels eines Mengensensors ermittelten Mengenwert von durch die Versorgungsleitung strömendem Wasser auswerten.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit eine Dosierpumpe umfasst und das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine Pumpenschaltzeit, für die die Dosierpumpe aktiviert wird, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  • Um die Pumpenschaltzeit und/oder die Ventilschaltzeit und, dadurch bedingt, die zweite Menge Wasser einzustellen, kann das Kontrollgerät eine Pumpleistung einer zum Bereitstellen der zweiten Menge Wasser verwendeten Pumpe auswerten.
  • Durch Steuern bzw. Regeln einer Dosierpumpe zum Einstellen der zweiten Menge Wasser kann die zweite Menge Wasser mittels eines einfachen und entsprechend robusten passiven Injektors, wie bspw. einer Düse, in das Brennstoffzellensystem eindosiert werden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit eine Dosierpumpe umfasst und einen aktiven Injektor umfasst, und die Dosierpumpe dazu konfiguriert ist, eine Vorratsmenge Wasser in einem Dosiervolumen mit einem vorgegebenen Mindestdruck bereitzustellen, und das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine Injektorschaltzeit, für die der Injektor aktiviert wird, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  • Mittels eines aktiven Injektors kann die zweite Menge Wasser unabhängig von einer Leistung bzw. Aktivität der Dosierpumpe eingestellt werden, indem der Injektor von dem Kontrollgerät geregelt oder gesteuert wird.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Befeuchtermodul derart kompakt ausgestaltet ist, dass die erste Menge Wasser lediglich zum Einstellen einer Minimalfeuchte ausreicht und die Dosiereinheit dazu konfiguriert ist, die Minimalfeuchte in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, insbesondere in Abhängigkeit eines mittels eines Feuchtigkeitssensors ermittelten Feuchtigkeitswerts der Minimalfeuchte zu erhöhen.
  • Ein lediglich zum Bereitstellen einer Minimalfeuchte konfiguriertes Befeuchtermodul kann besonders kompakt bzw. mit einer Minimalgröße ausgestaltet werden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Wasserabscheider zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Befeuchtermodul, zum Reduzieren einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem umfasst.
  • Mittels eines Wasserabscheiders kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem auch entfeuchtet werden, sodass in Kombination mit dem Befeuchtermodul und der Dosiereinheit eine Feuchte in dem Brennstoffzellensystem durch Befeuchtung und Entfeuchtung bspw. unter Verwendung eines p-Reglers und einer Drossel in einer Versorgungsleitung des Wasserabscheiders eingeregelt werden kann. Mittels der Drossel kann bspw. ein definierter Leckagestrom eingestellt werden, der eine Menge an Auslasswasser, die zu dem Wasserabscheider geleitet wird, reduziert. Entsprechend ermöglicht ein Wasserabscheider zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Befeuchtermodul eine besonders gute Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems, da eine Menge an Wasser, die am Einlass des Befeuchtermoduls ankommt, mittels des Wasserabscheiders genau bestimmt bzw. eingestellt werden kann. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät ein zentrales Kontrollgerät zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems oder ein dezentrales Kontrollgerät lediglich zum Kontrollieren der Dosiereinheit ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems. Das Betriebsverfahren umfasst einen ersten Einstellschritt zum Einstellen einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, bei dem das Befeuchtermodul zum Bereitstellen einer ersten Menge Wasser in das Brennstoffzellensystem aktiviert wird und einen zweiten Einstellschritt, zum Erhöhen der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, bei dem die Dosiereinheit zum Bereitstellen einer zweiten Menge Wasser aktiviert wird. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Betriebsverfahren einen dritten Einstellschritt zum Reduzieren der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem umfasst, bei dem ein Wasserabscheider zum Abführen einer dritten Menge Wasser aus dem Brennstoffzellensystem mit Wasser beströmt wird.
  • 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.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
    • 2 zeigt das Brennstoffzellensystem gemäß 1 mit einer weiteren Konfiguration der Dosiereinheit,
    • 3 zeigt eine schematische Übersicht eines Aufbaus einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
    • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 103, ein Befeuchtermodul 101, eine Dosiereinheit 105 und ein Kontrollgerät 107.
  • In einer Kreislaufleitung 109 zirkuliert eine von dem Befeuchtermodul 101 bereitgestellte erste Menge Wasser bzw. Wasserdampf zum Befeuchten des Brennstoffzellenstapels 101.
  • Das Befeuchtermodul 101 ist hier derart kompakt ausgestaltet, dass die erste Menge Wasser lediglich zum Einstellen einer Grundfeuchte in dem Brennstoffzellenstapel 103 ausreicht. Dies bedeutet, dass das Befeuchtermodul aufgrund seiner geringen Membranfläche lediglich eine geringe erste Menge Wasser bereitstellt und ein entsprechend kleines Bauraumvolumen benötigt.
  • Insbesondere ist die erste Menge Wasser geringer als eine Menge Wasser die von einem Befeuchtermodul bereitgestellt wird, das exklusiv zur Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird, wie im Stand der Technik üblich. Entsprechend ist ein Bauraum, den das Befeuchtermodul 101 benötigt, kleiner als ein Bauraum, den ein Befeuchtermodul benötigt, das exklusiv zur Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird.
  • Um eine Feuchte, d.h. eine relative Luftfeuchtigkeit in dem Brennstoffzellensystem 100 auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen bzw. zu erhöhen, wird von der Dosiereinheit 105 eine zweite Menge Wasser aus einem Tank 111 bereitgestellt.
  • Der Tank 111 kann insbesondere mit Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel 103 befüllt werden.
  • In 1 ist die Dosiereinheit 105 über eine Versorgungsleitung 113 mit der Kreislaufleitung 109 verbunden, sodass die zweite Menge Wasser über bspw. eine Aktivierung eines in der Versorgungsleitung 113 angeordneten Ventils 115 in die Kreislaufleitung 109 und, dadurch bedingt, in den Brennstoffzellenstapel 103 eingebracht werden kann. Entsprechend bildet die erste Menge Wasser zusammen mit der zweiten Menge Wasser eine dritte Gesamtmenge Wasser, die dem Brennstoffzellenstapel 103 zugeführt wird, um eine Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel 103 einzustellen.
  • Optional ist das Kontrollgerät 107 über eine Schnittstelle 119 mit einem Feuchtigkeitssensor 117 kommunikativ verbunden, um von dem Feuchtigkeitssensor 117 ermittelte Messwerte abzufragen und die Dosiereinheit 105 entsprechend der Messwerte zu steuern bzw. zu regeln. Dazu ist das Kontrollgerät 107 über bspw. ein Kabel mit der Dosiereinheit 105 verbunden.
  • In 2 ist das Brennstoffzellensystem 100 mit einer Dosiereinheit 201 dargestellt, die eine Pumpe 203 und eine Düse 205 umfasst.
  • Die Düse 205 ist in dem Befeuchtermodul 101 angeordnet, sodass die zweite Menge Wasser aus der Dosiereinheit 201 direkt an einem Ort in das Befeuchtermodul eingebracht wird, an dem sich eine besonders effektive Mischung mit der ersten Menge Wasser ergibt und ein Risiko für Tropfenschlagerosion auf Fasern des Befeuchtermoduls 103 minimiert wird.
  • In 3 ist eine Übersicht eines Brennstoffzellensystems 300 dargestellt.
  • Das Brennstoffzellensystem 300 umfasst einen Luftfilter 301, durch den Umgebungsluft angesaugt wird, wie durch Pfeil 303 angedeutet. Von dem Luftfilter 301 strömt die angesaugte Umgebungsluft zu einem elektrischen Luftkompressor 305 und zu einem Kühler 307.
  • Ein Dosierventil 309 regelt eine Menge an Umgebungsluft, die in einen Kreislauf zwischen Befeuchtermodul 311 und Brennstoffzellenstapel 313 strömt, wie durch Pfeile 315 angedeutet.
  • Eine in dem Kreislauf strömende Menge an Wasser wird durch Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel kontinuierlich erhöht, wie durch Pfeil 317 angedeutet, und durch Abwasser im Kathodenabgas reduziert, wie durch Pfeil 319 angedeutet.
  • Um die in dem Kreislauf strömende Menge an Wasser exakt und bedarfsabhängig, d.h. insbesondere in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunkts des Brennstoffzellensystems 300 einzustellen, wird durch eine Dosiereinheit 321 eine zweite Menge Wasser in den Kreislauf eingebracht, wie durch Pfeil 323 angedeutet.
  • Mittels eines optionalen Entfeuchters 325 kann eine in dem Kreislauf zirkulierende Menge an Gesamtwasser reduziert werden, wie durch Pfeil 329 angedeutet. Entsprechend kann die Gesamtmenge an in dem Kreislauf zirkulierendem Wasser mittels eines den Entfeuchter und die Dosiereinheit 321 kontrollierenden Kontrollgeräts 327 in einem Regelungsprozess bspw. auf einem in einer Zuordnungstabelle für einen aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 300 vorgegebenen Sollwert eingeregelt werden.
  • In 4 ist ein Betriebsverfahren 400 dargestellt.
  • Das Betriebsverfahren 400 umfasst einen ersten Einstellschritt 401 zum Einstellen einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, bei dem das Befeuchtermodul zum Bereitstellen einer ersten Menge Wasser in das Brennstoffzellensystem aktiviert bzw. mit einem Steuerungssignal von einem Kontrollgerät angesteuert wird, und einen zweiten Einstellschritt 403, zum Erhöhen der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, bei dem die Dosiereinheit zum Bereitstellen einer zweiten Menge Wasser aktiviert bzw. mit einem Steuerungssignal von dem Kontrollgerät angesteuert wird.
  • Optional umfasst das Betriebsverfahren 400 einen dritten Einstellschritt 405 zum Reduzieren der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem, bei dem ein Wasserabscheider zum Abführen einer dritten Menge Wasser aus dem Brennstoffzellensystem mit einer Auslassmenge Wasser beströmt wird, wobei die Auslassmenge Wasser bspw. durch ein Steuerungssignal zum Ansteuern einer Drossel in einer Versorgungsleitung des Wasserabscheiders von dem Kontrollgerät eingestellt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013212973 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem (100, 300) zum Erzeugen von elektrischem Strom, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (103, 313), - ein Befeuchtermodul (101, 311), - eine Dosiereinheit (105, 201, 321), und - ein Kontrollgerät (107, 327), wobei zwischen dem Befeuchtermodul (101, 311) und dem Brennstoffzellenstapel (103, 313) eine erste Menge Wasser kontinuierlich zirkuliert und die Dosiereinheit (105, 201, 321) dazu konfiguriert ist, die erste Menge Wasser durch zusätzliches Eindosieren einer zweiten Menge Wasser zu vergrößern, und wobei das Kontrollgerät (107, 327) dazu konfiguriert ist, die zweite Menge Wasser in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (100, 300) einzustellen.
  2. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (105, 201, 321) dazu konfiguriert ist, die zweite Menge Wasser in das Befeuchtermodul (101, 311) einzudosieren.
  3. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (105, 201, 321) über eine Versorgungsleitung (113) mit einer Kreislaufleitung (109) verbunden ist, wobei in der Kreislaufleitung (109) die erste Menge Wasser zirkuliert, und wobei die Versorgungsleitung (113) über ein schaltbares Dosierventil (115) mit der Kreislaufleitung (109) verbindbar ist.
  4. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107, 327) dazu konfiguriert ist, eine Ventilschaltzeit, für die das Dosierventil (115) zu öffnen ist, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  5. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (105, 201, 321) eine Dosierpumpe (203) und einen passiven Injektor umfasst und das Kontrollgerät (107, 327) dazu konfiguriert ist, eine Pumpenschaltzeit, für die die Dosierpumpe (203) aktiviert wird, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (105, 201, 321) eine Dosierpumpe (203) umfasst und einen aktiven Injektor umfasst, und die Dosierpumpe (203) dazu konfiguriert ist, eine Vorratsmenge Wasser in einem Dosiervolumen mit einem vorgegebenen Mindestdruck bereitzustellen, und das Kontrollgerät (107, 327) dazu konfiguriert ist, eine Injektorschaltzeit, für die der Injektor aktiviert wird, vorzugeben, um die zweite Menge Wasser einzustellen.
  7. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtermodul (101, 311) derart kompakt ausgestaltet ist, dass die erste Menge Wasser lediglich zum Einstellen einer Minimalfeuchte ausreicht und die Dosiereinheit (105, 201, 321) dazu konfiguriert ist, die Minimalfeuchte in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (100, 300) zu erhöhen.
  8. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100, 300) einen Wasserabscheider (325) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (103, 313) und dem Befeuchtermodul (101, 311) umfasst.
  9. Brennstoffzellensystem (100, 300) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107, 327) ein zentrales Kontrollgerät zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems (100, 300) oder ein dezentrales Kontrollgerät lediglich zum Kontrollieren der Dosiereinheit (105, 201, 321) ist.
  10. Betriebsverfahren (400) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Betriebsverfahren (400) umfasst: - einen ersten Einstellschritt (401) zum Einstellen einer Feuchte in dem Brennstoffzellensystem (100, 300), bei dem das Befeuchtermodul (101, 311) zum Bereitstellen einer ersten Menge Wasser in das Brennstoffzellensystem (100, 300) aktiviert wird, - einen zweiten Einstellschritt (403), zum Erhöhen der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem (100, 300), bei dem die Dosiereinheit (105, 201, 321) zum Bereitstellen einer zweiten Menge Wasser aktiviert wird.
  11. Betriebsverfahren (400) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren (400) weiterhin umfasst: - einen dritten Einstellschritt (405) zum Reduzieren der Feuchte in dem Brennstoffzellensystem (100, 300), bei dem ein Wasserabscheider (325) zum Abführen einer dritten Menge Wasser aus dem Brennstoffzellensystem (100, 300) mit Wasser beströmt wird.
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