DE102022206194A1

DE102022206194A1 - Verfahren zur Regelung der Feuchtigkeit des Brennstoffes für eine Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102022206194A1
Application number: DE102022206194.2A
Authority: DE
Inventors: Clemens Majer; Markus Boerner; Thomas Fischer; Iris Hartung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-12-21

Abstract

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffes, welches Kanälen (12) für Brennstoff einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) zugeführt wird, mit den Schritten: Leiten von primärem Brennstoff von einer Brennstoffquelle (59) zu einer Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61), Leiten des primären Brennstoffes durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) und Befeuchten des primären Brennstoffes in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) zu sekundärem Brennstoff, Einleiten des in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) befeuchteten sekundären Brennstoffes in die Kanäle (12) für Brennstoff, wobei simultan primärer Brennstoff von der Brennstoffquelle (59) und sekundärer Brennstoff von der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) durch eine Brennstoffmischkammer (65) geleitet wird und die Mischung aus primären Brennstoff und sekundären Brennstoff von der Brennstoffmischkammer (65) in die Kanäle (12) für Brennstoff eingeleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffes und/oder gasförmigen Oxidationsmittels einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einer Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Brennstoffzelleneinheiten werden auch für Versuchszwecke an Prüfständen betrieben. Bei dem Betrieb der Brennstoffzelleneinheiten an den Prüfständen steht weniger die Erzeugung von elektrischer Energie im Vordergrund, sondern die Prüfung und Kontrolle von Brennstoffzelleneinheiten. Für diese Prüfzwecke ist es notwendig, bestimmte Betriebspunkte der Brennstoffzelleneinheit in sehr kurzer Zeit und sehr genau erreichen zu können. Ein bestimmter Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit enthält beispielsweise eine Vorgabe für die Feuchtigkeit des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels, welches dem Brennstoffzellenstack zugeführt wird. Hierbei ist es bereits bekannt, mit einer Befeuchtungsvorrichtung als einem Verdampfer, beispielsweise Bubbler, die Feuchtigkeit des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Brennstoffes zu verändern. Zur Veränderung der Feuchtigkeit des Brennstoffes wird dabei die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer verändert. Diese Veränderung der Temperatur des Wassers in dem Verdampfer benötigt jedoch in nachteiliger Weise eine lange Zeit für das Erwärmen des Wassers in dem Verdampfer. Eine kurzfristige Veränderung der Feuchtigkeit des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Brennstoffes ist damit nicht möglich. Darüber hinaus ist die Veränderung der Feuchtigkeit des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Brennstoffes mittels der Veränderung der Temperatur des Wassers in dem Verdampfer ungenau.
Die WO 2018/121957 A1 zeigt ein Verfahren zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas, welches zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, zugeführt wird, wobei das Prozessgas mit einem Befeuchtungsmittel befeuchtet und als Befeuchtungsmittel Wasser im überkritischen Zustand verwendet wird.
Die JP 2008 084 635 A zeigt ein Befeuchtungssystem für eine Brennstoffzelle. In einer Regeleinrichtung wird der Taupunkt des Gases gesteuert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffes und/oder gasförmigen Oxidationsmittels, welches Kanälen für Brennstoff und/oder Kanälen für Oxidationsmittel einer Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen zugeführt wird, mit den Schritten: Leiten von primärem Brennstoff von einer Brennstoffquelle zu einer Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung und/oder Leiten von primären Oxidationsmittel von einer Oxidationsmittelquelle zu einer Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung, Leiten des primären Brennstoffes durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung und Befeuchten des primären Brennstoffes in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung zu sekundärem Brennstoff und/oder Leiten des primären Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung und Befeuchten des primären Oxidationsmittels in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung zu sekundären Oxidationsmittel, Einleiten des in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung befeuchteten sekundären Brennstoffes in die Kanäle für Brennstoff und/oder Einleiten des in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung befeuchteten sekundären Oxidationsmittels in die Kanäle für Oxidationsmittel, wobei simultan primärer Brennstoff von der Brennstoffquelle und sekundärer Brennstoff von der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung durch eine Brennstoffmischkammer geleitet wird und die Mischung aus primären Brennstoff und sekundären Brennstoff von der Brennstoffmischkammer in die Kanäle für Brennstoff eingeleitet wird und/oder simultan primäres Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle und sekundäres Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung durch eine Oxidationsmittelmischkammer geleitet wird und die Mischung aus primären Oxidationsmittel und sekundären Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelmischkammer in die Kanäle für Brennstoff eingeleitet wird.
In einer weiteren Variante wird die Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt indem das Verhältnis des der Brennstoffmischkammer zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, welches Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt indem das Verhältnis des der Oxidationsmittelmischkammer zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer weiteren Variante wird der primäre Brennstoff durch eine erste Zufuhrleitung für Brennstoff von der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung in die Brennstoffmischkammer geleitet und die Mischung aus primärem und sekundärem Brennstoff von der Brennstoffmischkammer durch eine zweite Zufuhrleitung für Brennstoff in die Kanäle für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit eingeleitet wird.
Vorzugsweise wird der primäre Brennstoff ohne Durchleitung durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung von der Brennstoffquelle durch eine dritte Zufuhrleitung für Brennstoff in die Brennstoffmischkammer geleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche und/oder minimale Strömungsgeschwindigkeit, des Brennstoffes in der Brennstoffmischkammer kleiner als 5%, 10%, 30%, 50% oder 70% der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit, des Brennstoffes in der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Zufuhrleitung für Brennstoff. Die kleine Strömungsgeschwindigkeit und große Verweildauer des primären und sekundären Brennstoffes in der Brennstoffmischkammer verursacht eine im Wesentlichen vollständige Durchmischung des primären und sekundären Brennstoffes.
In einer weiteren Variante ist das Volumen der Brennstoffmischkammer größer als das Volumen des Brennstoffes der in 2 Sekunden, 5 Sekunden, 10 Sekunden, 20 Sekunden oder 30 Sekunden durch die dritte Zufuhrleitung für Brennstoff geleitet wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird die Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt indem die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer weiteren Variante ist die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung als ein Verdampfer ausgebildet und die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird indem die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer gesteuert und/oder geregelt wird. Vorzugsweise wird die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt indem der Volumenstrom und/oder der Massenstrom des durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung geleiteten Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.
Insbesondere wird die Feuchtigkeit des aus der Brennstoffmischkammer ausgeleiteten Brennstoffes erfasst als Ist-Feuchtigkeit und mit einer Soll-Feuchtigkeit verglichen und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Feuchtigkeit und der Soll-Feuchtigkeit wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Feuchtigkeit verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Feuchtigkeit des aus der Brennstoffmischkammer ausgeleiteten Brennstoffes das Verhältnis des der Brennstoffmischkammer zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Brennstoffes und/oder die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer und/oder der Volumenstrom des durch den Verdampfer geleiteten Brennstoffes und/oder der Druck des Brennstoffes in dem Verdampfer und/oder die Temperatur des in dem Verdampfer eingeleiteten primären Brennstoffes und/oder die Feuchtigkeit des durch die dritte Zufuhrleitung in die Brennstoffmischkammer eingeleiteten primären Brennstoffes.
In einer ergänzenden Variante wird die Temperatur des aus der Brennstoffmischkammer ausgeleiteten Brennstoffes erfasst als Ist-Temperatur und mit einer Soll-Temperatur verglichen und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Temperatur verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des aus der Brennstoffmischkammer ausgeleiteten Brennstoffes die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer und/oder der Volumenstrom des durch den Verdampfer geleiteten Brennstoffes und/oder der Druck des Brennstoffes in dem Verdampfer und/oder die Temperatur des in dem Verdampfer eingeleiteten primären Brennstoffes und/oder die die Temperatur der Wandung der Mischkammer und/oder die Temperatur der Wandung der wenigstens einen Zufuhrleitung für Brennstoff.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend eine Brennstoffquelle für primären Brennstoff, eine Oxidationsmittelquelle für primäres Oxidationsmittel, eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel, in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet Kanäle für Brennstoff und Kanäle für Oxidationsmittel, eine Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung zum Durchleiten und Befeuchten von primärem Brennstoff in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung zu sekundärem Brennstoff und/oder eine Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung zum Durchleiten und Befeuchten von primären Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung zu sekundären Oxidationsmittel, Zufuhrleitungen für Brennstoff und Zufuhrleitungen für Oxidationsmittel, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffmischkammer zum Mischen von primärem und sekundärem Brennstoff umfasst und/oder das Brennstoffzellensystem eine Oxidationsmittelmischkammer zum Mischen von primärem und sekundärem Oxidationsmittel umfasst und/oder mit dem Brennstoffzellensystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximale und/oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche, der Brennstoffmischkammer, größer als das 2-Fache, 5-Fache oder 10-Fache der Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximalen und/oder durchschnittlichen Strömungsquerschnittsfläche, wenigstens einer Zufuhrleitung für Brennstoff, insbesondere sämtlicher Zufuhrleitungen für Brennstoff.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximale und/oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche, der Oxidationsmittelmischkammer, größer als das 2-Fache, 5-Fache oder 10-Fache der Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximalen und/oder durchschnittlichen Strömungsquerschnittsfläche, wenigstens einer Zufuhrleitung für Oxidationsmittel, insbesondere sämtlicher Zufuhrleitungen für Oxidationsmittel.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Zufuhrleitung für Brennstoff und/oder wenigstens eine Zufuhrleitung für Oxidationsmittel mit einer Heizung, insbesondere Heizung mit einem elektrischen Widerstandsheizelement, ausgebildet.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Zufuhrleitung für Brennstoff und/oder wenigstens eine Zufuhrleitung für Oxidationsmittel mit einer Heizung, insbesondere Heizung mit einem elektrischen Widerstandsheizelement, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Temperatur der Wandung wenigstens einer Zufuhrleitung für Brennstoff und/oder wenigstens einer Zufuhrleitung für Oxidationsmittel steuerbar und/oder regelbar mit der Heizung und/oder wird mit der Heizung gesteuert und/oder geregelt.
In einer weiteren Ausführungsform ist an und/oder in der Brennstoffmischkammer und/oder Oxidationsmittelmischkammer einer Heizung, insbesondere Heizung mit einem elektrischen Widerstandsheizelement, ausgebildet. Die Heizung erwärmt die Wandung der Brennstoffmischkammer und/oder Oxidationsmittelmischkammer vorzugsweise auf eine Temperatur größer als der Taupunkt, so dass keine Kondensation von Feuchtigkeit an der Wandung auftritt. Vorzugsweise ist die Temperatur der Wandung der Brennstoffmischkammer und/oder Oxidationsmittelmischkammer steuerbar und/oder regelbar mit der Heizung und/oder wird mit der Heizung gesteuert und/oder geregelt.
In einer weiteren Variante wird das primäre Oxidationsmittel durch eine erste Zufuhrleitung für Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung in die Oxidationsmittelmischkammer geleitet und die Mischung aus primären und sekundären Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelmischkammer durch eine zweite Zufuhrleitung für Oxidationsmittel in die Kanäle für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit eingeleitet wird.
Vorzugsweise wird ohne Durchleitung durch die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung das primäre Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle durch eine dritte Zufuhrleitung für Oxidationsmittel in die Oxidationsmittelmischkammer geleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche und/oder minimale Strömungsgeschwindigkeit, des Oxidationsmittels in der Oxidationsmittelmischkammer kleiner als 5%, 10%, 30%, 50% oder 70% der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit, des Oxidationsmittels in der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Zufuhrleitung für Oxidationsmittel.
In einer weiteren Variante ist das Volumen der Oxidationsmittelmischkammer größer als das Volumen des Oxidationsmittels das in 2 Sekunden, 5 Sekunden, 10 Sekunden, 20 Sekunden oder 30 Sekunden durch die dritte Zufuhrleitung für Oxidationsmittel geleitet wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, welches Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt indem die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer weiteren Variante ist die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung als ein Verdampfer ausgebildet und die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird indem die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer gesteuert und/oder geregelt wird. Vorzugsweise wird die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung ausgeleiteten sekundären Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt indem der Volumenstrom und/oder der Massenstrom des durch die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung geleiteten Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird.
Insbesondere wird die Feuchtigkeit des aus der Oxidationsmittelmischkammer ausgeleiteten Oxidationsmittels erfasst als Ist-Feuchtigkeit und mit einer Soll-Feuchtigkeit verglichen und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Feuchtigkeit und der Soll-Feuchtigkeit wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Feuchtigkeit verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Feuchtigkeit des aus der Oxidationsmittelmischkammer ausgeleiteten Oxidationsmittels das Verhältnis des der Oxidationsmittelmischkammer zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Oxidationsmittels und/oder die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer und/oder der Volumenstrom des durch den Verdampfer geleiteten Oxidationsmittels und/oder der Druck des Oxidationsmittels in dem Verdampfer und/oder die Temperatur des in dem Verdampfer eingeleiteten primären Oxidationsmittels und/oder die Feuchtigkeit des durch die dritte Zufuhrleitung in die Oxidationsmittelmischkammer eingeleiteten primären Oxidationsmittels.
In einer ergänzenden Variante wird die Temperatur des aus der Oxidationsmittelmischkammer ausgeleiteten Oxidationsmittels erfasst als Ist-Temperatur und mit einer Soll-Temperatur verglichen und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Temperatur verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des aus der Oxidationsmittelmischkammer ausgeleiteten Oxidationsmittels die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer und/oder der Volumenstrom des durch den Verdampfer geleiteten Oxidationsmittels und/oder der Druck des Oxidationsmittels in dem Verdampfer und/oder die Temperatur des in dem Verdampfer eingeleiteten primären Oxidationsmittels und/oder die Temperatur der Wandung der Mischkammer und/oder die Temperatur der Wandung der wenigstens einen Zufuhrleitung für Oxidationsmittel.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst der primäre und/oder sekundäre Brennstoff das Gas Stickstoff und vorzugsweise ist das Masseverhältnis und/oder das Volumenverhältnis aus Brennstoff zu Stickstoff im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, konstant. Aufgrund des Stickstoffes in dem Brennstoff liegt an den Protonenaustauschermembranen ein kleiner Konzentrationsunterschied zwischen dem Stickstoff in dem Oxidationsmittel Luft und dem Stickstoff in dem Brennstoff vor, so dass keine oder nur eine geringfügige Diffusion von Stickstoff an den Protonenaustauschermembranen auftritt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das primäre und/oder sekundäre Oxidationsmittel das Gas Stickstoff und vorzugsweise ist das Masseverhältnis und/oder Volumenverhältnis aus Oxidationsmittel zu Stickstoff im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, konstant.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Feuchtigkeit die relative Feuchtigkeit und/oder die absolute Feuchtigkeit und/oder der Taupunkt des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels.
In einer weiteren Ausführungsform wird der primäre Brennstoff und der sekundäre Brennstoff in der Brennstoffmischkammer vermischt.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird das primäre Oxidationsmittel und das sekundäre Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelmischkammer vermischt.
In einer zusätzlichen Variante ist die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung und/oder die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung als ein Gas-Gas-Membranbefeuchter und/oder als ein Verdampfer, beispielsweise ein Bubbler, eine Wassereinspritzung und/oder eine Befeuchtungsvorrichtung mit aktiver Verdampfung von Wasser ausgebildet. Bei der Befeuchtungsvorrichtung mit aktiver Verdampfung von Wasser wird beispielsweise Wasserdampf in einem Wasserkessel erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform ist relative und/oder absolute Feuchtigkeit des sekundären Brennstoffes größer, insbesondere um wenigstens 10%, 20% oder 30% größer, als die relative und/oder absolute Feuchtigkeit des primären Brennstoffes.
In einer weiteren Variante ist relative und/oder absolute Feuchtigkeit des sekundären Oxidationsmittels größer, insbesondere um wenigstens 10%, 20% oder 30% größer, als die relative und/oder absolute Feuchtigkeit des primären Oxidationsmittels.
In einer weiteren Variante wird die Mischung aus dem primären und sekundären Brennstoff aus der Brennstoffmischkammer durch die Kanäle für Brennstoff geleitet.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Mischung aus dem primären und sekundären Oxidationsmittel aus der Oxidationsmittelmischkammer durch die Kanäle für Oxidationsmittel geleitet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Brennstoffzellen ausgeführt.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Brennstoffzellen.
Vorzugsweise wird während der Durchführung des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens in den Brennstoffzellen mit einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie erzeugt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer Brennstoffzelleneinheit und/oder einem Brennstoffzellensystem an einem Prüfstand oder an einer stationären Anwendung ausgeführt.
Vorzugsweise wird der aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleitete Brennstoff in die Umgebung abgeleitet, insbesondere bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Prüfstand.
In einer weiteren Variante wird der Brennstoff in einem Kreislauf mit einem Rezirkulationssystem durch die Brennstoffzelleneinheit gleitet wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleitete Volumenstrom des Brennstoffes wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als Rezirkulationsbrennstoff wieder zurück in eine Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes in den Brennstoffzellenstapel geleitet.
In einer weiteren Variante wird aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Gasabscheidungsvorrichtung wenigstens ein von dem Brennstoff unterschiedliches Gas abgeschieden.
In einer weiteren Variante wird der sekundäre Brennstoff und/oder die Mischung aus primären und sekundären Brennstoff nach dem Durchleiten durch die Kanäle für Brennstoff in den Brennstoffzellen bei einer Rezirkulation als primärer Brennstoff betrachtet.
In einer weiteren Variante wird das sekundäre Oxidationsmittel und/oder die Mischung aus primären und sekundären Oxidationsmittel nach dem Durchleiten durch die Kanäle für Oxidationsmittel in den Brennstoffzellen bei einer Rezirkulation als primäres Oxidationsmittel betrachtet.
Insbesondere wird in die Öffnung zum Einleiten für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit zusätzlich Brennstoff aus einem Druckgasspeicher eingeleitet zum Ersatz des verbrauchten Brennstoffes.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird simultan zum Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle für Brennstoff ein Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Kanäle für Oxidationsmittel ausgeführt, so dass während der Durchführung der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens elektrochemische Energie in elektrische Energie umwandelt wird.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördereinrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft, Luft mit einem erhöhten Sauerstoffanteil oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse,
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse,
6 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte und
7 ein stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf graphitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel (2 und 3). Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 im Brennstoffzellenstapel 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 als fluchtende Fluidöffnungen 52 an Abdichtplatten 50 als Verlängerung am Endbereich 51 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 37 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 52 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Fluidöffnungen 52 bilden somit einen Zuführkanal 53 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 54 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 55 für Brennstoff, einen Abführkanal 56 für Brennstoff, einen Zuführkanal 57 für Kühlmittel und einen Abführkanal 58 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 40 als Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Brennstoff aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelement 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet (nicht dargestellt).
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 stark vereinfacht und schematisierte dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 52 an den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatte 10 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 52 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58. Die Kanäle 14 für das Kühlmittel sind tatsächlich zwischen einer ersten Platte und zweiten Platte (nicht dargestellt) der Bipolarplatte 10 ausgebildet.
In 1 ist das Brennstoffzellensystem 4 stark vereinfacht zur grundlegenden Beschreibung der Funktion des Brennstoffzellensystems 4 dargestellt, sodass in 1 wesentliche Komponenten für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 4 nicht dargestellt sind. In 7 sind die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 4 abgebildet.
Das in 7 dargestellte Brennstoffzellensystem 4 mit dem Brennstoffzellenstack 40 oder dem Brennstoffzellenstapel 40 wird an einem Prüfstand eingesetzt. In dem Prüfstand werden bestimmte Betriebspunkte der Brennstoffzelleneinheit 1, beispielsweise eine vorgegebene Feuchtigkeit des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels, schnell und genau angesteuert oder geregelt. Als eine Brennstoffquelle 59 fungiert der Druckgasspeicher 21. Bei dem Brennstoffzellensystem 4 an dem Prüfstand wird der durch den Brennstoffzellenstack 40 durchgeleitete Brennstoff nach dem Durchleiten durch die Abfuhrleitung 15 in die Umgebung abgeleitet. Sofern das Brennstoffzellensystem 4 jedoch nicht an einem Prüfstand, sondern für beispielsweise eine stationäre Anwendung zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt wird, wird der aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleitete Brennstoff mittels eines nicht dargestellten Rezirkulationssystems wenigstens teilweise wieder dem Brennstoffzellenstack 40 zugeführt, sodass bei dieser stationären Anwendung als Brennstoffquelle 59 nicht nur der Druckgasspeicher 21, sondern auch das Rezirkulationssystem von der Brennstoffquelle 59 umfasst wird. Bei dem Brennstoffzellensystem 4 an dem Prüfstand wird als Oxidationsmittelquelle 60 die Gasfördereinrichtung 22 eingesetzt. Sofern eine Rezirkulation des Oxidationsmittels ausgeführt wird, wird unter der Oxidationsmittelquelle 60 auch eine Rezirkulationssystem für Oxidationsmittel aufgefasst.
Der primäre Brennstoff aus der Brennstoffquelle 59 wird durch eine vierte Zufuhrleitung 71 für Brennstoff und durch ein Ventil 77 einer Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung 61 als einem Verdampfer 62 zugeführt. Der Verdampfer 62 weist ein Gehäuse auf und ist teilweise mit Wasser befüllt. Das Wasser in dem Verdampfer 62 wird mit einer Heizung 88 als einem elektrischen Widerstandsheizelement 89 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. Der in den Verdampfer 62 eingeleitete primäre Brennstoff wird in dem Verdampfer 62, beispielsweise als Bubbler 62 ausgebildet, angefeuchtet indem Blasen des Brennstoffes durch das Wasser in dem Verdampfer 62 nach oben aufsteigen und sich dabei die Feuchtigkeit des Brennstoffes erhöht und anschließend wird dieser Brennstoff als sekundärer Brennstoff aus dem Verdampfer 62 ausgeleitet und durch die erste Zufuhrleitung 68 für Brennstoff einer Brennstoffmischkammer 65 zugeführt. Simultan mit dem Einleiten des sekundären Brennstoffes durch die erste Zufuhrleitung 68 wird durch eine dritte Zufuhrleitung 70 für Brennstoff primärer Brennstoff direkt von der Brennstoffquelle 59 der Brennstoffmischkammer 65 durchgeführt. In die vierte Zufuhrleitung 71 ist das Ventil 77 eingebaut zur Steuerung und/oder Regelung des durch die vierte Zufuhrleitung 71 durchleitbaren Volumenstromes und/oder Massenstromes des Brennstoffs. In analoger Weise ist in die dritte Zufuhrleitung 70 das Ventil 76 eingebaut zur Steuerung und/oder Regelung des durch die dritte Zufuhrleitung 70 durchleitbaren Volumenstromes und/oder Massenstromes des Brennstoffs. In die Befeuchtungsvorrichtung 61 und/oder in die erste Zufuhrleitung 68 ist ein Sensor 82 zur Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung 61 ausgeleiteten Brennstoffes eingebaut. Optional wird mit einem nicht dargestellten Sensor eine Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des durch die dritte Zufuhrleitung 70 in die Brennstoffmischkammer 65 eingeleiteten primären Brennstoffes ausgeführt. Der Sensor 86 dient zur Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des durch die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleiteten Brennstoffes, der in die Umgebung abgeleitet wird. Ein Ventil 80 dient zur zusätzlichen Steuerung und/oder Regelung des durch die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff in die Umgebung abgeleiteten Volumenstromes des Brennstoffes.
Der primäre Brennstoff, welcher durch die dritte Zufuhrleitung 70 in die Brennstoffmischkammer 65 eingeleitet wird weist eine kleinere Feuchtigkeit auf als der das sekundäre Brennstoff, welcher durch die erste Zufuhrleitung 68 in die Brennstoffmischkammer 65 eingeleitet wird. In der Brennstoffmischkammer 65 mit einem großen Volumen und einer kleinen Strömungsquerschnittsfläche im Vergleich zu den Zufuhrleitungen 68, 69, 70 und 71 wird eine effektive und im Wesentlichen vollständige Durchmischung des primären und sekundären Brennstoffes ausgeführt. Die Feuchtigkeit und/oder der Druck und/oder die Temperatur der aus der Brennstoffmischkammer 65 ausgeleiteten Mischung des primären und sekundären Brennstoffes wird mit dem Sensor 84 erfasst und die Feuchtigkeit und/oder der Druck und/oder die Temperatur der aus der Brennstoffmischkammer 65 ausgeleiteten Mischung des primären und sekundären Brennstoffes entspricht im Wesentlichen der Feuchtigkeit und/oder Druck und/oder Temperatur der in die Kanäle 12 für Brennstoff eingeleiteten Mischung von primären und sekundären Brennstoff. Die Brennstoffmischkammer 65 ist von Wandungen begrenzt und die Wandungen sind mit einer Heizung 92 als einem elektrischen Widerstandsheizelement 93 beheizt. Die Heizung 92 erwärmt die Wandungen über den Taupunkt des Brennstoffes in der Brennstoffmischkammer 65 hinaus auf eine höhere Temperatur, sodass an den Wandungen der Brennstoffmischkammer 65 keine Kondensation von Wasser bzw. Feuchtigkeit auftritt. Optional sind auch an den Zufuhrleitungen 68, 69, 70 und 71 mit nicht dargestellten Heizungen ausgebildet zum Erwärmen der Wandungen der Zufuhrleitungen 68, 69, 70 und 71 über den Taupunkt des Brennstoffes in den Zufuhrleitungen 68, 69, 70 und 71 hinaus, sodass an den Wandungen der Zufuhrleitungen 68, 69, 70 und 71 keine Kondensation von Wasser bzw. Feuchtigkeit auftritt. Die Mischung aus primärem und sekundärem Brennstoff wird durch eine zweite Zufuhrleitung 69 in den Brennstoffzellenstapel 40, d. h. in die Kanäle 12 für Brennstoff der Brennstoffzellen 2, eingeleitet.
Eine Steuer- und/oder Regeleinheit 67 steuert und/oder regelt die Feuchtigkeit des durch die zweite Zufuhrleitung 69 dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeleiteten Brennstoffes. Für eine sehr kurzfristige und schnelle Änderung der Feuchtigkeit des Brennstoffes, welcher durch die zweite Zufuhrleitung 69 dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeleitet wird, kann das Verhältnis des Volumenstromes des primären Brennstoffes in der dritten Zufuhrleitung 70 und des sekundären Brennstoffes in der ersten Zufuhrleitung 68 mittels eines Steuerns und/oder Regelns der Ventile 76, 77 verändert werden. Für eine Erhöhung der Feuchtigkeit der Mischung des primären und sekundären Brennstoffes in der zweiten Zufuhrleitung 69 wird eine Reduzierung des Volumenstromes des primären Brennstoffes in der dritten Zufuhrleitung 70 und simultan eine Erhöhung des Volumenstromes des sekundären Brennstoffes in der ersten Zufuhrleitung 68 ausgeführt oder umgekehrt. Die Feuchtigkeit des Brennstoffes in der zweiten Zufuhrleitung 69 kann auch mit weiteren Parametern verändert werden. Bei einer Erhöhung der Temperatur des Wassers in dem Verdampfer 62 erhöht sich die absolute Feuchtigkeit und vorzugsweise auch die relative Feuchtigkeit des sekundären Brennstoffes, der durch die erste Zufuhrleitung 68 in die Brennstoffmischkammer 65 eingeleitet wird, sodass dadurch die Feuchtigkeit der durch die zweite Zufuhrleitung 69 geleiteten Mischung des primären und sekundären Brennstoffes erhöht wird.
Das primäre Oxidationsmittel aus der Oxidationsmittelquelle 60 wird durch eine vierte Zufuhrleitung 75 für Oxidationsmittel und durch ein Ventil 79 einer Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung 63 als einem Verdampfer 64 zugeführt. Der Verdampfer 64 weist ein Gehäuse auf und ist teilweise mit Wasser befüllt. Das Wasser in dem Verdampfer 64 wird mit einer Heizung 90 als einem elektrischen Widerstandsheizelement 91 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. Das in den Verdampfer 64 eingeleitete primäre Oxidationsmittel wird in dem Verdampfer 64, beispielsweise als Bubbler 64 ausgebildet, angefeuchtet indem Blasen des Oxidationsmittels durch das Wasser in dem Verdampfer 64 nach oben aufsteigen und sich dabei die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels erhöht und anschließend wird dieser Oxidationsmittel als sekundäres Oxidationsmittel aus dem Verdampfer 64 ausgeleitet und durch die erste Zufuhrleitung 72 für Oxidationsmittel einer Oxidationsmittelmischkammer 66 zugeführt. Simultan mit dem Einleiten des sekundären Oxidationsmittels durch die erste Zufuhrleitung 72 wird durch eine dritte Zufuhrleitung 74 für Oxidationsmittel primäres Oxidationsmittel direkt von der Oxidationsmittelquelle 60 der Oxidationsmittelmischkammer 66 durchgeführt. In die vierte Zufuhrleitung 75 ist das Ventil 79 eingebaut zur Steuerung und/oder Regelung des durch die vierte Zufuhrleitung 75 durchleitbaren Volumenstromes und/oder Massenstromes des Oxidationsmittelmittels. In analoger Weise ist in die dritte Zufuhrleitung 74 das Ventil 78 eingebaut zur Steuerung und/oder Regelung des durch die dritte Zufuhrleitung 74 durchleitbaren Volumenstromes und/oder Massenstromes des Oxidationsmittels. In die Befeuchtungsvorrichtung 63 und/oder in die erste Zufuhrleitung 72 ist ein Sensor 83 zur Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des aus der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung 63 ausgeleiteten Oxidationsmittels eingebaut. Optional wird mit einem nicht dargestellten Sensor eine Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des durch die dritte Zufuhrleitung 74 in die Oxidationsmittelmischkammer 66 eingeleiteten primären Oxidationsmittels ausgeführt. Der Sensor 87 dient zur Erfassung von Feuchtigkeit und/oder Temperatur und/oder Druck des durch die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleiteten Oxidationsmittels, der in die Umgebung abgeleitet wird. Ein Ventil 81 dient zur zusätzlichen Steuerung und/oder Regelung des durch die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel in die Umgebung abgeleitet den Volumenstromes des Oxidationsmittels.
Das primäre Oxidationsmittel, welcher durch die dritte Zufuhrleitung 74 in die Oxidationsmittelmischkammer 66 eingeleitet wird weist eine kleinere Feuchtigkeit auf als der das sekundäre Oxidationsmittel, welcher durch die erste Zufuhrleitung 72 in die Oxidationsmittelmischkammer 66 eingeleitet wird. In der Oxidationsmittelmischkammer 66 mit einem großen Volumen und einer kleinen Strömungsquerschnittsfläche im Vergleich zu den Zufuhrleitungen 72, 73, 74 und 75 wird eine effektive und im Wesentlichen vollständige Durchmischung des primären und sekundären Oxidationsmittels ausgeführt. Die Feuchtigkeit und/oder der Druck und/oder die Temperatur der aus der Oxidationsmittelmischkammer 66 ausgeleiteten Mischung des primären und sekundären Oxidationsmittel wird mit dem Sensor 85 erfasst und die Feuchtigkeit und/oder der Druck und/oder die Temperatur der aus der Oxidationsmittelmischkammer 66 ausgeleiteten Mischung des primären und sekundären Oxidationsmittels entspricht im Wesentlichen der Feuchtigkeit und/oder Druck und/oder Temperatur der in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel eingeleiteten Mischung von primären und sekundären Oxidationsmittel. Die Oxidationsmittelmischkammer 66 ist von Wandungen begrenzt und die Wandungen sind mit einer Heizung 94 als einem elektrischen Widerstandsheizelement 95 beheizt. Die Heizung 94 erwärmt die Wandungen über den Taupunkt des Oxidationsmittels in der Oxidationsmittelmischkammer 66 hinaus auf eine höhere Temperatur, sodass an den Wandungen der Oxidationsmittelmischkammer 66 keine Kondensation von Wasser bzw. Feuchtigkeit auftritt. Optional sind auch an den Zufuhrleitungen 72, 73, 74 und 75 nicht dargestellte Heizungen ausgebildet zum Erwärmen der Wandungen der Zufuhrleitungen 72, 73, 74 und 74 über den Taupunkt des Oxidationsmittels in den Zufuhrleitungen 72, 73, 74 und 75 hinaus, sodass an den Wandungen der Zufuhrleitungen 72, 73, 74 und 75 keine Kondensation von Wasser bzw. Feuchtigkeit auftritt. Die Mischung aus primären und sekundären Oxidationsmittel wird durch eine zweite Zufuhrleitung 73 in den Brennstoffzellenstapel 40, d. h. in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen 2, eingeleitet.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 67 steuert und/oder regelt die Feuchtigkeit des durch die zweite Zufuhrleitung 73 dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeleiteten Oxidationsmittels. Für eine sehr kurzfristige und schnelle Änderung der Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, welcher durch die zweite Zufuhrleitung 73 dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeleitet wird, kann das Verhältnis des Volumenstromes des primären Oxidationsmittels in der dritten Zufuhrleitung 74 und des sekundären Oxidationsmittels in der ersten Zufuhrleitung 72 mittels eines Steuerns und/oder Regelns der Ventile 78, 79 verändert werden. Für eine Erhöhung der Feuchtigkeit der Mischung des primären und sekundären Oxidationsmittels in der zweiten Zufuhrleitung 73 wird eine Reduzierung des Volumenstromes des primären Oxidationsmittels in der dritten Zufuhrleitung 74 und simultan eine Erhöhung des Volumenstromes des sekundären Oxidationsmittels in der ersten Zufuhrleitung 72 ausgeführt oder umgekehrt. Die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels in der zweiten Zufuhrleitung 73 kann auch mit weiteren Parametern verändert werden. Bei einer Erhöhung der Temperatur des Wassers in dem Verdampfer 64 erhöht sich die absolute Feuchtigkeit und vorzugsweise auch die relative Feuchtigkeit des sekundären Oxidationsmittels, das durch die erste Zufuhrleitung 72 in die Oxidationsmittelmischkammer 66 eingeleitet wird, sodass dadurch die Feuchtigkeit der durch die zweite Zufuhrleitung 73 geleiteten Mischung des primären und sekundären Oxidationsmittels erhöht wird.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffes und/oder gasförmigen Oxidationsmittels und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Das Brennstoffzellensystem 4 wird insbesondere in dem Prüfstand (nicht dargestellt) eingesetzt. Bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems 4 in einem Prüfstand ist es notwendig, bestimmte Betriebspunkte, beispielsweise die Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt wird, sehr genau, beispielsweise +/- 2%, und in einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise 5 oder 10 Sekunden, verändern zu können. Mittels der Veränderung des Verhältnisses des Volumenstromes des primären und sekundären Brennstoffes, welches der Brennstoffmischkammer 65 zugeführt wird, kann diese Veränderung sehr genau und sehr kurzfristig ausgeführt werden. Der Volumenstrom des primären und sekundären Brennstoffes kann mit den Ventilen 76, 77 in kurzer Zeit und sehr genau verändert werden, sodass dadurch die gewünschte kurzfristige und exakte Veränderung der Feuchtigkeit des Brennstoffes in der zweiten Zufuhrleitung 69 ausgeführt werden kann. Dies gilt analog auch für das Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelmischkammer 66. Die große Strömungsquerschnittsfläche und das große Volumen der Brennstoffmischkammer 65 ermöglicht eine vollständige Durchmischung des primären und sekundären Brennstoffes in der Brennstoffmischkammer 65, sodass dadurch in der zweiten Zufuhrleitung 69 im Wesentlichen keine Schwankungen der Feuchtigkeit auftreten. Darüber hinaus kann mit weiteren Parametern die Feuchtigkeit des Brennstoffes in der zweiten Zufuhrleitung 69 verändert werden: die Temperatur des Wassers in dem Verdampfer 62, der Volumenstrom des durch den Verdampfer 62 geleiteten Brennstoffes, der Druck des Brennstoffes in dem Verdampfer 62, die Temperatur des in dem Verdampfer 62 eingeleiteten primären Brennstoffes (die Temperatur des in dem Verdampfer 62 eingeleiteten primären Brennstoffes kann beispielsweise mit einer Heizeinrichtung an der vierten Zufuhrleitung 71 gesteuert und/oder geregelt werden) und/oder die Feuchtigkeit des durch die dritte Zufuhrleitung 70 in die Brennstoffmischkammer 65 eingeleiteten primären Brennstoffes. Dies gilt analog auch für das Oxidationsmittel. Darüber hinaus verhindert die Heizung 92 an der Wandung der Brennstoffmischkammer 65 und die nicht dargestellten Heizungen an der Wandung der ersten, zweiten, dritten und vierten Zufuhrleitung 68, 69, 70, 71 eine Kondensation von Wasser und/oder Feuchtigkeit, sodass dadurch eine hohe Genauigkeit der Feuchtigkeit der durch die zweite Zufuhrleitung 69 in den Brennstoffzellenstapel 40 eingeleiteten Brennstoffes erreicht wird. Dies gilt analog auch für das Oxidationsmittel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/121957 A1 [0005]
JP 2008084635 A [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffes und/oder gasförmigen Oxidationsmittels, welches Kanälen (12) für Brennstoff und/oder Kanälen (13) für Oxidationsmittel einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) zugeführt wird, mit den Schritten: - Leiten von primärem Brennstoff von einer Brennstoffquelle (59) zu einer Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) und/oder - Leiten von primären Oxidationsmittel von einer Oxidationsmittelquelle (60) zu einer Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63), - Leiten des primären Brennstoffes durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) und Befeuchten des primären Brennstoffes in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) zu sekundärem Brennstoff und/oder - Leiten des primären Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) und Befeuchten des primären Oxidationsmittels in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) zu sekundären Oxidationsmittel, - Einleiten des in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) befeuchteten sekundären Brennstoffes in die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder - Einleiten des in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) befeuchteten sekundären Oxidationsmittels in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass simultan primärer Brennstoff von der Brennstoffquelle (59) und sekundärer Brennstoff von der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) durch eine Brennstoffmischkammer (65) geleitet wird und die Mischung aus primären Brennstoff und sekundären Brennstoff von der Brennstoffmischkammer (65) in die Kanäle (12) für Brennstoff eingeleitet wird und/oder simultan primäres Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle (60) und sekundäres Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) durch eine Oxidationsmittelmischkammer (66) geleitet wird und die Mischung aus primären Oxidationsmittel und sekundären Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelmischkammer (66) in die Kanäle (13) für Brennstoff eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches Kanälen (12) für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt wird indem das Verhältnis des der Brennstoffmischkammer (65) zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, welches Kanälen (13) für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt wird indem das Verhältnis des der Oxidationsmittelmischkammer (66) zugeführten Volumenstromes und/oder Massenstromes des primären und sekundären Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Brennstoff durch eine erste Zufuhrleitung (68) für Brennstoff von der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) in die Brennstoffmischkammer (65) geleitet wird und die Mischung aus primärem und sekundärem Brennstoff von der Brennstoffmischkammer (65) durch eine zweite Zufuhrleitung (69) für Brennstoff in die Kanäle (12) für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Brennstoff ohne Durchleitung durch die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) von der Brennstoffquelle (59) durch eine dritte Zufuhrleitung (70) für Brennstoff in die Brennstoffmischkammer (65) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche und/oder minimale Strömungsgeschwindigkeit, des Brennstoffes in der Brennstoffmischkammer (65) kleiner ist als 5%, 10%, 30%, 50% oder 70% der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit, des Brennstoffes in der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Zufuhrleitung (68, 69, 79) für Brennstoff.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Brennstoffmischkammer (65) größer ist als das Volumen des Brennstoffes der in 2 Sekunden, 5 Sekunden, 10 Sekunden, 20 Sekunden oder 30 Sekunden durch die dritte Zufuhrleitung (69) für Brennstoff geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches Kanälen (12) für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt wird indem die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) ausgeleiteten sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) als ein Verdampfer (62) ausgebildet ist und die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des aus der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) ausgeleiteten sekundären Brennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird indem Temperatur des Wassers in dem Verdampfer (62) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit des aus der Brennstoffmischkammer (65) ausgeleiteten Brennstoffes erfasst wird als Ist-Feuchtigkeit und mit einer Soll-Feuchtigkeit verglichen wird und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Feuchtigkeit und der Soll-Feuchtigkeit wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Feuchtigkeit verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des aus der Brennstoffmischkammer (65) ausgeleiteten Brennstoffes erfasst wird als Ist-Temperatur und mit einer Soll-Temperatur verglichen wird und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Toleranzwert des Betrages der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur wenigstens ein Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Ist-Temperatur verändert wird bis der Toleranzwert unterschritten wird.
Brennstoffzellensystem (4) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - eine Brennstoffquelle (21, 59) für primären Brennstoff, - eine Oxidationsmittelquelle (22, 60) für primäres Oxidationsmittel, - eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (40), - in dem Brennstoffzellenstapel (40) ausgebildet Kanäle (12) für Brennstoff und Kanäle (13) für Oxidationsmittel, - eine Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) zum Durchleiten und Befeuchten von primärem Brennstoff in der Brennstoffbefeuchtungsvorrichtung (61) zu sekundärem Brennstoff und/oder - eine Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) zum Durchleiten und Befeuchten von primären Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelbefeuchtungsvorrichtung (63) zu sekundären Oxidationsmittel, - Zufuhrleitungen (16, 68, 69, 70, 71) für Brennstoff und Zufuhrleitungen (25, 72, 73, 74, 75) für Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (4) eine Brennstoffmischkammer (65) zum Mischen von primärem und sekundärem Brennstoff umfasst und/oder das Brennstoffzellensystem (4) eine Oxidationsmittelmischkammer (66) zum Mischen von primärem und sekundärem Oxidationsmittel umfasst und/oder mit dem Brennstoffzellensystem (4) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximale und/oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche, der Brennstoffmischkammer (65), größer ist als das 2-Fache, 5-Fache oder 10-Fache der Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximalen und/oder durchschnittlichen Strömungsquerschnittsfläche, wenigstens einer Zufuhrleitung (16, 68, 69, 70, 71) für Brennstoff, insbesondere sämtlicher Zufuhrleitungen (16, 68, 69, 70, 71) für Brennstoff.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximale und/oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche, der Oxidationsmittelmischkammer (66), größer ist als das 2-Fache, 5-Fache oder 10-Fache der Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere maximalen und/oder durchschnittlichen Strömungsquerschnittsfläche, wenigstens einer Zufuhrleitung (25, 72, 73, 74, 75) für Oxidationsmittel, insbesondere sämtlicher Zufuhrleitungen (25, 72, 73, 74, 75) für Oxidationsmittel.
Brennstoffzellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zufuhrleitung (16, 68, 69, 70, 71) für Brennstoff und/oder wenigstens eine Zufuhrleitung für Oxidationsmittel (25, 72, 73, 74, 75) mit einer Heizung, insbesondere Heizung mit einem elektrischen Widerstandsheizelement, ausgebildet ist.