DE10209808A1

DE10209808A1 - Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes

Info

Publication number: DE10209808A1
Application number: DE10209808A
Authority: DE
Inventors: Maik Gilbert
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: US20030170506A1; US7651796B2; DE10209808B4

Abstract

Eine Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, das aus mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen besteht, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Membran aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Anodenseite mit einem Eingang für einen Brennstoff und einem Ausgang für nicht verbrauchten Brennstoff und andodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite mit einem Eingang für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einem Ausgang für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist und dem kathodenseitigen Eingang ein Kompressor vorgeschaltet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Wasservernebelungseinrichtung aus einem Vorratstank für deionisiertes Wasser, einer Druckpumpe, die an den Vorratstank angeschlossen ist, einem von der Druckpumpe gespeisten, im Betrieb unter Druck stehenden, deionisiertes Wasser enthaltenden Speicher, einem mit seinem Eingang an den Speicher angeschlossenen Druckregelventil, das den im Speicher herrschenden Betriebsdruck bestimmt, sowie aus mindestens einem an den Speicher angeschlossenen, ansteuerbaren Einspritzventil, das zerstäubtes Wasser in die Kathodenseite oder die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels einspritzt, besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes.

Wie allgemein bekannt, besteht ein Brennstoffzellensystem häufig aus mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Membran aufweisen. Die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen sind elektrisch zusammengeschaltet, so dass man von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels spricht. In gleicher Weise sind die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen elektrisch zusammengeschaltet, und man spricht hier von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Auf der Anodenseite weist der Brennstoffzellenstapel einen Eingang für einen Brennstoff und einen Ausgang für nicht verbrauchten Brennstoff sowie anodenseitig anfallende Abgase auf. Auf der Kathodenseite weist der Brennstoffzellenstapel ebenfalls einen Eingang, hier für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang für kathodenseitig anfallende Abgase auf, wobei dem kathodenseitigen Eingang des Brennstoffzellenstapels ein Kompressor üblicherweise vorgeschaltet ist.

Es ist allgemein bekannt, dass die Membrane der einzelnen Brennstoffzellen im Betrieb feucht gehalten werden müssen, um sie einerseits gegen Schäden zu schützen und andererseits, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Im Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle (PEM = proton exchange membrane) bewegen sich Protonen, die vom Wasserstoffanteil des anodenseitig zugeführten Brennstoffs stammen, durch die befeuchteten Membrane hindurch, reagieren auf der Kathodenseite mit dem zugeführten Oxidationsmittel, üblicher Weise in Form von Luft-Sauerstoff und bilden dabei Wasser bei der gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Leistung. Es entsteht somit stets Wasser auf der Kathodenseite. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels diffundiert ein Teil dieses Wassers durch die Membrane zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, so dass beide Seiten des Brennstoffzellenstapels befeuchtet sind. Da das erzeugte Wasser häufig im Überschuss vorliegt, wird es von der Anodenseite und der Kathodenseite entfernt und dann gesammelt und/oder abgelassen.

Trotz dieses im Betrieb erzeugten Wassers bleibt dennoch das Problem, das der Kathodenseite zugeführte gasförmige Oxidationsmittel sowie den der Anodenseite zugeführten Brennstoff ausreichend zu befeuchten, so dass bei allen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems, beispielsweise beim Anlassen und bei trockenen Umgebungsbedingungen, d. h. trockener Luft, die Membrane stets feucht bleiben und eine ausreichende Feuchtigkeit sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig gegeben ist.

Die aktive Befeuchtung der zugeführten Gasströme wird häufig auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems beschränkt, da dies im Allgemeinen ausreicht, um die Membrane zu befeuchten und es erfolgt, wie oben gesagt, sowieso eine Diffusion durch die Membrane zu der Anodenseite des Brennstoffzellensystems hin. Bekannt sind bisher relativ aufwendige Einrichtungen zur Befeuchtung der Gasströme, die mit voll entsalztem, d. h. deionisiertem Wasser, das vom Betrieb des Brennstoffzellensystems stammt, betrieben werden. Da solche Befeuchtungseinrichtungen nicht nur aufwendig sind, sondern auch relativ viel Platz einnehmen, wurde im Hause der Anmelderin ein anderes System ausprobiert, bei dem zwei Düsen mit deionisiertem Wasser von einer Druckpumpe versorgt werden und die Düsen Wasser in den eingesaugten Luftstrom einsprühen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Tropfenbildung, insbesondere beim Einschalten der Druckpumpe auftreten kann, die zu Problemen führen kann. Beim Einschalten der Druckpumpe entsteht eine plötzliche Druckbeaufschlagung der Düsen, die zur Tropfenbildung führt, wobei die Tropfen unter Umständen bis in den Brennstoffzellenstapel vordringen können. Solche Tropfen können eine negative Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems haben, da sie beispielsweise feine Strömungskanäle im Bereich der Kathode blockieren. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass ein Wassertröpfchen auf einen im Brennstoffzellensystem bzw. im Brennstoffzellenstapel vorgesehenen Temperaturfühler gelangt und diesen soweit abkühlt, dass das Ausgangssignal des Temperaturfühlers eine Temperaturherabsetzung des Brennstoffzellenstapels vortäuscht und über die Steuerung des Brennstoffzellensystems zu einem unnötigen und unerwünschten Abschalten des Brennstoffzellensystems führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wasservernebelungseinrichtung vorzusehen, die zu einer sehr feinen Zerstäubung von Wasser führt und die unerwünschte Bildung von Wassertröpfchen weitestgehend verhindert, und zwar sowohl beim Einschalten der Befeuchtungseinrichtung als auch im ständigen Betrieb des Brennstoffzellensystems.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wasservernebelungseinrichtung aus einem Vorratstank für deionisiertes Wasser, einer Druckpumpe, die an den Vorratstank angeschlossen ist, einem von der Druckpumpe gespeisten, im Betrieb unter Druck stehenden deionisiertes Wasser enthaltenden Speicher, einem mit seinem Eingang an den Speicher angeschlossenen Druckregelventil, das den im Speicher herrschenden Betriebsdruck bestimmt sowie aus mindestens einem an den Speicher angeschlossenen, ansteuerbaren Einspritzventil, das zerstaubtes Wasser liefert, besteht.

Dadurch, dass im Betrieb unter Druck stehendes deionisiertes Wasser stets im Speicher enthalten ist, existiert beim Einspritzen von Wasser durch das ansteuerbare Einspritzventil auf der Eingangsseite des Einspritzventils stets ein zumindest im Wesentlichen konstanter Druck, was eine erste Voraussetzung für eine feine Zerstäubung des Wassers bildet. Diese feine Zerstäubung von Wasser wird auch durch die Verwendung eines ansteuerbaren Einspritzventils im Gegensatz zu einer einfachen Düse noch weiter verbessert.

Eine Wasservernebelungseinrichtung dieser Art kann nicht nur mit einem Brennstoffzellenstapel, sondern auch mit anderen Einheiten, die in einem Brennstoffzellensystem eine Rolle spielen können, wie beispielsweise in einer Reformiereinheit, die zur Umwandlung eines Kohlenwasserstoffs in ein wasserstoffreiches Synthesegas verwendet wird oder in einer anderen Brennstoffaufbereitungsanlage zur Verwendung gelangen.

Wird die erfindungsgemäße Wasservernebelungseinrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel verwendet, so kann das an dem Speicher angeschlossene und ansteuerbare Einspritzventil das zerstäubte Wasser in die Kathodenseite oder in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels einspritzen. Bei Verwendung zweier oder mehrerer Einspritzventile besteht auch die Möglichkeit, zerstäubtes Wasser sowohl in die Kathodenseite als auch in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels einzuspritzen. Besonders günstig ist, dass mit der einen Wasservernebelungseinrichtung die erforderliche Befeuchtung der Gase sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite erfolgen kann.

Besonders günstig ist es, wenn der Speicher als Einspritzgalerie ausgebildet ist, die vorzugsweise in Rohrform neben dem Brennstoffzellenstapel angeordnet werden kann. Diese Rohrform stellt eine preisgünstige aber dennoch kompakte Anordnung dar, und es können so viele Anschlüsse wie notwendig entlang der Einspritzgalerie vorgesehen werden, damit eine entsprechende Anzahl von Einspritzventilen an die Einspritzgalerie angeschlossen werden können.

Besonders bevorzugt ist eine Wasservernebelungseinrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass erste und zweite Einspritzventile vorgesehen sind, dass das erste Einspritzventil bei niedriger Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems und das zweite Einspritzventil zusätzlich oder alternativ zum ersten Einspritzventil bei höherer Leistungsabgabe wirksam sind.

Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nur eine Art von Einspritzventil vorgesehen ist, das für den einstellbaren Lieferbereich optimal ausgelegt ist, und es wird der erhöhte Bedarf an Wasser bei höherer Abgabeleistung des Brennstoffzellenstapels damit erreicht, dass das zweite Einspritzventil zusätzlich zum ersten Einspritzventil in Betrieb genommen wird. Selbstverständlich können auch drei oder mehrere Einspritzventile vorgesehen werden, wenn es darum geht, größere Mengen an Wasser pro Zeiteinheit zu zerstäuben oder Brennstoffzellensysteme verschiedener Größen mit einer Wasservernebelungseinrichtung abzudecken. Hierdurch entsteht eine Art Grundmodul für die Wasservernebelungseinrichtung, das mit Brennstoffzellensystemen verschiedener Größen, d. h. verschiedener Abgabeleistungen verwendet werden kann. Die Anpassung des Grundmoduls an die verschiedenen Brennstoffzellensysteme besteht dann nur darin, die Druckpumpe entsprechend dem jeweiligen Brennstoffzellensystem anzusteuern bzw. in seiner Leistung entsprechend auszuwählen und eine unterschiedliche Zahl von Einspritzventilen vorzusehen. Hierdurch kann ein und dasselbe Grundmodul und ein Modell eines Einspritzventils bzw. wenig unterschiedliche Modelle von Einspritzventilen für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden, was zu Kostenersparnissen bei der Fertigung und bei der Lagerhaltung führt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Steuerung vorgesehen, an die das bzw. jedes Einspritzventil angeschlossen ist, wobei die Steuerung ausgelegt ist, um das Öffnen bzw. Schließen bzw. den Öffnungsgrad des bzw. jedes Einspritzventils zu steuern. Am günstigsten ist es, wenn die Steuerung ausgelegt ist, das bzw. jedes Einspritzventil mittels eines PWM-Signals (pulsweitenmodulierbares Signal) anzusteuern, um hierdurch vom jeweiligen Einspritzventil eine dosierte Einspritzmenge an Wasser vorzugeben. Mit anderen Worten wird das Einspritzventil von der Steuerung geöffnet. Es wird eine gewisse Menge an Wasser zerstäubt und anschließend das Ventil wieder geschlossen, wobei die Öffnungsdauer des Ventils durch das PWM-Signal bestimmt wird. Auch die Frequenz, mit der das Ventil immer wieder geöffnet wird, wird von der Steuerung bestimmt, so dass die abgegebene Wassermenge durch diese Frequenz und die jeweilige Öffnungsdauer bestimmt wird.

Das Einspritzventil selbst kann im Prinzip entsprechend einem Benzineinspritzventil eines Kraftfahrzeugs ausgebildet werden. Wesentlich ist hier nur, dass alle mit dem deionisierten Wasser in Berührung kommenden Teile als gegen deionisiertes Wasser resistente Teile ausgebildet sind.

Obwohl es im Prinzip möglich wäre, die Steuerung so auszulegen, dass die Ansteuerung der Einspritzventile entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems angesteuert wird, ist es günstiger, einen Feuchtesensor vorzusehen, der der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeordnet und an die Steuerung angeschlossen ist. In diesem Falle liefert der Feuchtesensor eine genaue Information an die Steuerung über die vorhandene Feuchtigkeit und ermöglicht eine vereinfachte Kennfeldsteuerung für die Ansteuerung der Einspritzventile, um das erwünschte Feuchtigkeitsniveau zu erreichen.

Der Feuchtesensor ist vorzugsweise dem kathodenseitigen Ausgang zugeordnet bzw. diesem nachgeordnet.

Wenn die erfindungsgemäße Wasservernebelungseinrichtung zur Befeuchtung der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird, so wird ein Feuchtesensor der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeordnet und an die Steuerung angeschlossen, wobei auch hier der Feuchtesensor vorzugsweise dem anodenseitigen Ausgang zugeordnet bzw. diesem nachgeordnet ist.

Weitere besonders bevorzugte Auslegungen der Wasservernebelungseinrichtung bzw. der darin verwendeten Bauteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes zeichnet sich dadurch aus, dass einem Wasservorratstank entnommenes, deionisiertes Wasser mittels einer Druckpumpe in einen Speicher befördert wird, der das deionisierte Wasser unter Druck speichert, dass das mittels eines Ventils vorgegebene Druckniveau bzw. ein vorgegebener Druckbereich im Speicher bestimmt wird und dass vernebeltes Wasser in den Gasstrom über ein an den Speicher angeschlossenes, steuerbares Einspritzventil eingespritzt wird.

Besonders bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich ebenfalls den Unteransprüchen entnehmen.

Die Erfindung erbringt die Vorteile, dass man deionisiertes Wasser besser vernebeln kann. Es gibt keine Tropfenbildung, so dass Wassertropfen nicht durch den hohen Luftdruck des Kompressors in den Stack geblasen werden können oder auf dem Temperatursensor landen können. Die Ansteuerzeit der Ventile kann genau vorgegeben werden und lässt sich viel besser kontrollieren als die Zeit, in der eine Düse durch eine ein- und ausgeschaltete Druckpumpe beaufschlagt wird. Somit ist mittels der Erfindung die eingespritzte Wassermenge wesentlich besser zu steuern als dies beim Stand der Technik der Fall war.

Das System ist auch durch die Erfindung besser gegen unerwünschte Systemabschaltungen geschützt, die bisher durch Tropfenbildung bei der Einbringung von deionisiertem Wasser verursacht wurden.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Die Figur zeigt in höchst schematischer Form und nicht maßstabsgetreu ein PEM-Brennstoffzellensystem 10, das aus mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel 12 zusammengesetzten Brennstoffzellen 14 besteht, die in an sich bekannter Weise - wie durch die im Kreis vergrößerte Darstellung ersichtlich ist - jeweils eine Anode 16, eine Kathode 18 und eine Membran 20 aufweisen. Für jede Brennstoffzelle 14 ist die Anordnung der Anode 16, der Kathode 18 und der Membran 20, die die sogenannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bildet, zwischen zwei sogenannten bipolaren Platten 22 angeordnet, wobei bis auf die Endplatten des Stapels jede bipolare Platte zwischen zwei benachbarten Membranelektrodeneinheiten angeordnet ist. Auf der einen Seite bildet jede solch bipolare Platte 22 zusammen mit der Anode 16 der einen Brennstoffzelle ein Strömungsfeld für einen Brennstoff und auf der anderen Seite mit der Kathode 18 der benachbarten Brennstoffzelle ein Strömungsfeld für das gasförmige Oxidationsmittel. Die Strömungsfelder sind häufig durch feine Kanäle gebildet, die in der bipolaren Platte eingearbeitet sind. Die bipolaren Platten werden jeweils häufig aus zwei flächig aneinander liegenden Platten zusammengesetzt, wobei zwischen den beiden Platten Kühlkanäle für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel vorgesehen sind. Die Konstruktion von Brennstoffzellen ist an sich gut bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben, da die konkrete Auslegung der Brennstoffzellen für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist.
Es genügt zu sagen, dass die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel so angeordnet sind, dass die Anoden aneinander angeschlossen sind und somit eine Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels bilden, während die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen ebenfalls zusammengeschlossen sind und eine Kathodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels bilden.
Die Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels weist einen Eingang 30 für einen Brennstoff und einen Ausgang 32 für nicht verbrauchten Brennstoff sowie anodenseitig anfallende Abgase auf. In ähnlicher Weise weist die Kathodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels 12 einen Eingang 34 für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang 36 für kathodenseitig anfallende Abgase auf. Dem kathodenseitigen Eingang 34 vorgeschaltet ist ein Kompressor 38, der von einem Elektromotor 40angetrieben wird und welcher Luft über eine Leitung 42 und einen Luftfilter 44 ansaugt und in den kathodenseitigen Eingang 34 der Anodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels 12 einspeist. Die am Eingang 34 ankommende Luft verteilt sich durch interne Strömungspassagen des Brennstoffzellenstapels 12 in die anodenseitigen Strömungsfelder der einzelnen Brennstoffzellen 14, wobei ein Teil des in der angesaugten Luft enthaltenen Sauerstoffs mit von der Anodenseite 26 kommenden Protonen auf der Anodenseite katalytisch reagiert und dabei Wasser erzeugt und elektrische Leistung freigibt, die an den Klemmen 46 abgenommen und beispielsweise für den elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, das das Brennstoffzellensystem als Antriebsquelle aufweist.
Die kathodenseitigen Abgase, die hauptsächlich aus Stickstoff, der ein Bestandteil der eingesaugten Luft ist, und im Brennstoffzellenstapel 12 nicht verbraucht wird, aus Wasserdampf und feinen Wassertröpfchen, die durch die Reaktion von Sauerstoff mit von der Anodenseite kommenden Protonen entstehen, sowie aus nicht verbrauchtem Sauerstoff bestehen, führen über einen Feuchtesensor 48 sowie eine Wassertrenneinrichtung 50 zu einem Ventil 52, das der einerseits den auf der Kathodenseite 28 herrschenden Betriebsdruck bestimmt und andererseits die kathodenseitigen Abgase abzüglich des in der Wassertrenneinrichtung 50 abgeschiedenen Wasseranteils in die Umgebung über die Leitung 54 entlässt. Hierzu ist zu sagen, dass der so entlassene Stickstoff, das Wasser und der Rest-Sauerstoff keine Verschmutzung der Umwelt verursachen, da sie natürliche Bestandteile der Umwelt darstellen.
Die Einstellung des Ventils 52 wird von einer Steuerung 54 vorgenommen, die über eine Leitung 56 an das Ventil 52 angeschlossen ist. Bei der Leitung 56 sind nur die jeweiligen Anschlüsse an der Steuerung 54 und am Ventil 52 angedeutet, um die Zeichnung durch diese Leitung und die vielen sonst einzuzeichnenden Leitungen nicht unnötig zu verkomplizieren.
Auch der Feuchtesensor 48 ist über eine Leitung 58 mit der Steuerung 54 verbunden. Am Ausgang der Wassertrenneinrichtung 50 befinden sich zwei Ventile 60 bzw. 62, wobei das Ventil 60 über eine Leitung 64 mit der Steuerung 54 verbunden ist und von der Steuerung 54 geöffnet werden kann, um Wasser über die Leitung 66 in den Vorratstank 68 einzuspeisen. Der Vorratstank 68 verfügt über einen Füllstandsgeber 70, der über eine Leitung 72 mit der Steuerung 54 verbunden ist. Somit zeigt der Prüfstandsgeber 70 der Steuerung an, zu welchen Zeitpunkten das Ventil 60 geöffnet werden muss, um den Tank 68 wieder aufzufüllen bzw. zu denen es wieder geschlossen werden muss, wenn der Vorratstank 68 aufgefüllt ist.
Das Ventil 62 wird normalerweise und auf jeden Fall während der Füllung des Vorratstanks 68 geschlossen, kann aber geöffnet werden, um überschüssiges Wasser aus der Wassertrenneinrichtung 50 abzulassen. Das Ventil 62 ist ebenfalls an die Steuerung 54 angeschlossen, und zwar über eine Leitung 74.
Auch der Antriebsmotor 40 für den Kompressor 38 ist mit der Steuerung 54 verbunden und zwar über eine Leitung 76.
Auf der Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels 12 befindet sich ein Vorratstank 80, der in diesem Beispiel Wasserstoff enthält, wobei Wasserstoff vom Vorratstank 80 über das Ventil 82 dem anodenseitigen Eingang 30 des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt werden kann. Das Ventil 82, das die Menge an neu zugeführtem Brennstoff regelt, ist an die Steuerung 54 über die Leitung 84 angeschlossen.
Der zugeführte Wasserstoff strömt durch die anodenseitig vorgesehenen Strömungsfelder, wobei ein Teil des Wasserstoffs am auf der Anodenseite vorgesehenen Katalysator in Protonen umgewandelt wird, die durch die Membrane 20 der Brennstoffzellen 12 hindurch wandern und auf der Kathodenseite in der bereits beschriebenen Art und Weise mit dem zugeführten Luftsauerstoff reagieren. Der nicht verbrauchte Brennstoff, hier in Form von Wasserstoff, verlässt dann die Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels 12 über den Ausgang 32 zusammen mit Wasserdampf und Stickstoff, die durch die Membrane der Brennstoffzellen von der Kathodenseite 28 zu der Anodenseite 26 hin diffundieren. Die aus dem Ausgang 32 austretenden Gase strömen durch die Leitung 86 über einen weiteren Feuchtesensor 88 und werden dann über eine Pumpe 90 dem anodenseitigen Eingang 30 wieder zugeführt. Der Feuchtesensor 86 ist über eine Leitung 92 an die Steuerung 54 angeschlossen. Auf diese Weise erhält die Steuerung Information über die herrschende relative Feuchte auf der Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels 12.
Da im Betrieb die zunehmende Ansammlung von Stickstoff auf der Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels zu einer Beeinträchtigung der Stromerzeugung führt, wird kontinuierlich oder diskontinuierlich ein Teil der anodenseitig strömenden Gase über das Ventil 88 abgelassen, wobei das Ventil 88 zu diesem Zweck über die Leitung 94 von der Steuerung 54 angesteuert wird. In an sich bekannter Weise werden die über das Ventil 88 abgelassenen Abgase einer katalytischen Brenneinrichtung zugeführt, die den Rest Wasserstoffanteil durch Verbrennung entfernt, so dass die gesäuberten Abgase bedenkenlos in die Umgebung abgelassen werden können, da sie nur aus natürlichen Bestandteilen der Umgebungsluft bestehen.
Das Bezugszeichen 100 deutet auf einen Kühlkreis hin mit einer Pumpe 102, die eine Kühlflüssigkeit durch einen Kühler 104 und in den bipolaren Platten vorgesehene Kühlpassagen pumpt, um den Brennstoffzellenstapel 12 in einem erwünschten Temperaturbereich zu halten.
Das im Wasservorratstank 68 vorhandene voll entsalzte, d. h. deionisierte Wasser, wird von einer Pumpe 110 über eine Leitung 112 angesaugt und über eine weitere Druckleitung 114 in einen Speicher in Form einer länglichen Einspritzgalerie 116 gepumpt. Es baut sich in der Einspritzgalerie 116 ein Überdruck auf, der beispielsweise zwischen 0,2 bar und 10 bar liegen kann, üblicherweise zwischen 1 bzw. 3 bar liegt. Der maximale Druck wird durch einen Druckregler 118 begrenzt, in dem Sinne, dass, wenn der im Speicher 116 vorhandene Druck den eingestellten maximalen Druck erreicht, der Druckregler 118 einen Teil des in der Galerie 116 gespeicherten Wassers über die Rücklaufleitung 120 in den Wasservorratstank 68 ablässt bzw. zurückspeist.
Das Druckregelventil 118 kann ein rein mechanisch wirkendes Druckregelventil sein, kann aber auch ein elektronisch gesteuertes Druckregelventil sein, das über eine Steuerleitung 122 an die Steuerung 54 angeschlossen ist. Somit kann über die Steuerleitung 122 das maximale Druckniveau in der Einspritzgalerie 116 von der Steuerung 54 bestimmt werden.
Das Bezugszeichen 124 deutet auf einen Drucksensor, der an der Einspritzgalerie 116 zur Ermittlung des dort herrschenden Druckes angeschlossen werden kann. Der Drucksensor 124 ist über eine Leitung 126 an die Steuerung 54 angeschlossen und liefert einen Istwert für den in der Einspritzgalerie 116 herrschenden Druck an die Steuerung 54, die diesen bei Ansteuerung des Druckregelventils 118 über die Leitung 122 berücksichtigen kann. Der Drucksensor 124 ist bei Verwendung eines rein mechanisch wirkenden Druckregelventils nicht zwingend erforderlich, kann aber dennoch nützlich sein, um der Steuerung 54 Information über den Funktionszustand der Wasservernebelungseinrichtung zu geben.
Das Bezugszeichen 128 deutet auf ein Entlüftungsventil, das manuell betätigt werden kann, um bei Inbetriebnahme des Systems die Einspritzgalerie 116 auf der Druckseite zu entlüften. Es kann sich bei dem Entlüftungsventil 128 aber auch um ein mechanisches Selbstentlüftungsventil handeln. Das Ventil 128 könnte aber auch ein elektronisch angesteuertes Ventil sein, das von Zeit zu Zeit angesteuert wird, um die Einspritzgalerie 116 ab und zu zu entlüften, wenn es sich herausstellt, dass sich Luft immer wieder in der Einspritzgalerie 116 ansammelt.
Das Bezugszeichen 130 deutet auf einen wahlweise vorgesehenen Akkumulator mit einem unter Druck stehenden Gaskissen 132, das von der in der Galerie 116 enthaltenen Flüssigkeit durch eine Membran 136 getrennt ist. Dieser Akkumulator 130 kann verwendet werden, um Druckspitzen bzw. Überdruckschwankungen in der Einspritzgalerie 116 zu unterdrücken, wenn es sich herausstellt, dass Druckspitzen oder Druckschwankungen problematisch sind.
Angeschlossen an die Einspritzgalerie 116 sind in diesem Beispiel drei Einspritzventile 140, 142 und 144, und zwar über jeweilige Druckleitungen 146, 148 bzw. 150. Das erste Einspritzventil 140, das entsprechend einem an sich bekannten Benzineinspritzventil eines herkömmlichen PKW-Motors ausgebildet sein kann, dient dazu, bei Ansteuerung über die Leitung 152 Wasser in fein zerstäubter Form in den Eingang 39 des Kompressors 38 einzuspritzen. Die Steuerleitung 152 ist an die Steuerung 54 angeschlossen und das Einspritzventil 140 erhält von der Steuerung 54 sogenannte PWM-Signale (pulsweitenmodulierbare Spannungssignale), die das Einspritzventil 140 veranlassen, zu öffnen, Wasser zu zerstäuben und wieder zu schließen, wobei die insgesamt eingespritzte Wassermenge von der Frequenz der Öffnungs- und Schließvorgänge sowie der Dauer jedes Einspritzvorganges abhängt. Das zweite Einspritzventil 142 dient ebenfalls dazu, Wasser in den Kompressoreinlauf einzuspritzen, befindet sich aber aus Platzgründen an einer anderen Stelle am Kompressor 38.
Das Einspritzventil 142 wird mit einer eigenen Steuerleitung 154 versehen, die an die Steuerung 154 angeschlossen ist.
Der Vorteil der Verwendung zweier Einspritzventile 141, 142 auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 liegt darin, dass bei niedriger Leistungsabgabe nur das eine Einspritzventil, beispielsweise 140, angesteuert werden muss, um für die erforderliche Befeuchtung der einlaufenden Luft zu sorgen. Wird dagegen bei höherer Leistungsabgabe eine größere Menge an Wasser für die Befeuchtung der einlaufenden Gase erforderlich, so kann weiteres zerstäubtes Wasser zusätzlich über das Ventil 142 in die einlaufende Luft eingespritzt werden.
Das dritte Einspritzventil 144 ist auf der Anodenseite 26 vorgesehen und wird über die Steuerleitung 156 von der Steuerung 54 aus angesteuert. Das dritte Einspritzventil 144 sorgt dafür, den auf der Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels zugeführten Brennstoff ausreichend zu befeuchten, wenn die vom Feuchtesensor 86 ermittelte Feuchte nicht ausreicht. Da die Steuerung 54 sowohl auf der Kathodenseite 28 wie auch der Anodenseite 26 Information über die dort herrschende Feuchte vom jeweiligen Feuchtesensor 48 bzw. 86 erhält, kann die Steuerung 54 ohne weiteres die Menge an zu zudosierendem zerstäubten Wasser für beide Seiten des Brennstoffzellenstapels ermitteln und die Einspritzventile 140, 142 bzw. 144 entsprechend ansteuern.
Im Wasservorratstank liegt voll entsalztes Wasser (deionisiertes Wasser) vor, da solches Wasser aus den kathodenseitigen Abgasen entnommen werden kann. Voll entsalztes Wasser ist deshalb zu bevorzugen, weil man auf diese Weise sicherstellt, dass keine Salzreste sich im System ablagern und die Wirkung des Systems beeinträchtigen. Die Verwendung von deionisiertem Wasser, die die Gefahr in sich bürgt chemische Bestandteile aus den verschiedenen Bauteilen auszulaugen, müssen alle Bestandteile der Anlage, die in Berührung mit dem deionisierten Wasser gelangen, resistent gegen deionisiertes Wasser sein. Günstig in diesem Zusammenhang ist die Herstellung der einzelnen Bauteile, die in Berührung mit deionisiertem Wasser kommen, aus Edelstahl oder aus anderen Materialien, die mit Teflon beschichtet sind.
Im Betrieb wird der Druck in der Einspritzgalerie 116 durch den Elektromotor 110 erzeugt. Die Druckhöhe in der Einspritzgalerie 116 ist variabel einstellbar über den Druckregler 118, der in der Rücklaufleitung 120 der Einspritzgalerie 116 eingesetzt wird. Der Druckregler 118 sorgt dafür, dass ein vorgegebener Druck im System, d. h. in der Einspritzgalerie 116 anliegt. Sinkt der Druck im System, beispielsweise, weil Wasser aus der Einspritzgalerie 116 entnommen wird, wird die Elektropumpe 110 aktiviert, um den Druck wieder herzustellen. Das Druckregelventil 118 kann ein rein mechanisch, aber auch ein elektrisch verstellbares Druckregelventil sein. Bei einem elektrisch angesteuerten Druckventil kann man mit Hilfe des Steuergeräts 54 über den Spannungsausgang 122 den Druck einstellen. Dieses System benötigt zusätzlich noch den Drucksensor 124 als Rückmeldung über den aktuellen Druck im System.
Bei einem mechanischen Druckregelventil wird der Druck auf den gewünschten Wert voreingestellt. Durch ein manuell bedienbares Entlüftungsventil 128 ist es möglich, das System zu entlüften. Man kann auch ein mechanisches Selbstentlüftungsventil einsetzen, um diese Entlüftung herbeizuführen.
Der aufgrund des Drucks in der Einspritzgalerie anliegende Druck von der Einspritzdüse (Einspritzventil) sorgt dafür, dass beim Ansteuern des Ventils oder der Ventile die Vernebelung (Spray) wesentlich feiner ist als es beim jetzigen System der Fall ist.
Bei hohem Luftdruck auf der Kathodenseite wird die Luft erwärmt und sie wird somit trockner. Je nach Temperatur wird über ein zu ermittelndes Kennfeld deionisiertes Wasser in den Kompressor eingespritzt. Bei sehr hohen Temperaturen kann es nötig werden, ein zweites Einspritzventil einzusetzen. Das Einspritzsystem entsprechend der Erfindung ist beliebig erweiterbar auf mehrere Einspritzdüsen und kann somit leicht auf verschiedene Größen des Brennstoffzellenstapels angepasst werden, d. h. bei großen Brennstoffzellenstapeln 12 können mehr gleichartig ausgebildete Einspritzdüsen sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite zur Anwendung gelangen, um den Bedarf an zerstäubtem Wasser abzudecken. Durch die Ansteuerung mittels eines PWM-Signals (pulsweitenmodulierbares Spannungssignal) ist es möglich, die Einspritzmenge sehr genau zu dosieren.
Obwohl die vorliegende Wasservernebelungseinrichtung im Zusammenhang mit PEM-Brennstoffzellen beschrieben wurde, kann sie mit allen anderen Arten von Brennstoffzellen verwendet werden, wo die Befeuchtung von Betriebsgasen erforderlich ist.

Claims

1. Wasservemebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasservernebelungseinrichtung aus einem Vorratstank (68) für deionisiertes Waser, einer Druckpumpe (110), die an den Vorratstank angeschlossen ist, einem von der Druckpumpe gespeisten, im Betrieb unter Druck stehenden deionisiertes Wasser enthaltenden Speicher (116), einem mit seinem Eingang an den Speicher angeschlossenen Druckregelventil (118), das den im Speicher herrschenden Betriebsdruck bestimmt sowie aus mindestens einem an den Speicher angeschlossenen, ansteuerbaren Einspritzventil (140, 142, 144), das zerstäubtes Wasser liefert, besteht.

2. Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem (10), das aus mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel (12) zusammengesetzten Brennstoffzellen (14) besteht, die jeweils eine Anode (16), eine Kathode (18) und eine Membran (20) aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) eine Anodenseite (26) mit einem Eingang (30) für einen Brennstoff und einem Ausgang für nicht verbrauchten Brennstoff und anodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite (28) mit einem Eingang (34) für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einem Ausgang (36) für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist und dem kathodenseitigen Eingang ein Kompressor vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasservernebelungseinrichtung aus einem Vorratstank (58) für deionisiertes Wasser, einer Druckpumpe (110), die an den Vorratstank angeschlossen ist, einem von der Druckpumpe gespeisten, im Betrieb unter Druck stehenden, deionisiertes Wasser enthaltenden Speicher (116), einem mit seinem Eingang an den Speicher angeschlossenen Druckregelventil (118), das den im Speicher herrschenden Betriebsdruck bestimmt sowie aus mindestens einem an den Speicher angeschlossenen, ansteuerbaren Einspritzventil (140, 142, 144), das zerstäubtes Wasser in die Kathodenseite (28) oder die Anodenseite (26) des Brennstoffzellenstapels (12) einspritzt, besteht.

3. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (116) als Einspritzgalerie ausgebildet ist.

4. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Einspritzventile (140, 142) vorgesehen sind, dass das erste Einspritzventil (140) bei niedriger Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems und das zweite Einspritzventil (142) zusätzlich oder alternativ zum ersten Einspritzventil bei höherer Leistungsabgabe wirksam ist.

5. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Einspritzventil (144) vorgesehen ist, das vernebeltes Wasser in die Anodenseite (26) des Brennstoffzellenstapels (12) einspritzt.

6. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung (54), an die das bzw. jedes Einspritzventil (140, 142, 144) angeschlossen ist, wobei die Steuerung (54) ausgelegt ist, um das Öffnen bzw. Schließen bzw. den Öffnungsgrad des bzw. jedes Einspritzventils zu steuern.

7. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (54) ausgelegt ist, das bzw. jedes Einspritzventil mittels eines PWM-Signals (pulsweitenmodellierbares Signal) anzusteuern, um hierdurch vom jeweiligen Einspritzventil (140, 142, 144) eine dosierte Einspritzmenge an Wasser vorzugeben.

8. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (54) eine Kennfeldsteuerung für jedes Einspritzventil (140, 142, 144) umfasst.

9. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. jedes Einspritzventil (140, 142, 144) wie ein Benzineinspritzventil eines mit Benzin betriebenen Kolbenmotors ausgelegt ist.

10. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle mit dem deionisierten Wasser in Berührung kommenden Teile als gegen deionisiertes Wasser resistente Teile ausgebildet sind.

11. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtesensor (46) der Kathodenseite (28) des Brennstoffzellenstapels (12) zugeordnet und an die Steuerung (54) angeschlossen ist.

12. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (48) dem kathodenseitigen Ausgang (36) zugeordnet bzw. diesem nachgeordnet ist.

13. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtesensor (86) der Anodenseite (26) des Brennstoffzellenstapels (12) zugeordnet und an die Steuerung (64) angeschlossen ist.

14. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (86) dem anodenseitigen Ausgang (32) zugeordnet bzw. diesem nachgeordnet ist.

15. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (118) ein rein mechanisch wirkendes Druckregelventil ist.

16. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil ein elektrisch verstellbares Druckregelventil (118) ist.

17. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (118) an die Steuerung (54) angeschlossen ist.

18. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (124) zur Ermittlung des Druckes im Speicher (116) vorgesehen ist und an das Druckregelventil (118) und/oder an die Steuerung (54) angeschlossen ist.

19. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (118) einen Ablauf (120) aufweist.

20. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablauf (120) des Druckregelventils (118) an den Wasservorratstank (68) angeschlossen ist.

21. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entlüftungsventil (128) vorgesehen ist.

22. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil (128) manuell bedienbar ist.

23. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil (128) als mechanisches Selbstentlüftungsventil realisiert ist.

24. Wasservernebelungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperaturfühler (101) vorgesehen und an die Steuerung (54) angeschlossen ist.

25. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (140, 142, 144)ausgelegt ist, um Wasser in den Kompressor (38) oder stromauf des Kompressors in die vom Kompressor eingesaugte Luft einzuspritzen.

26. Wasservemebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (116) ausgelegt ist, um den Anschluss mehrerer Einspritzventile (140, 142, 144) zuzulassen.

27. Wasservernebelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verbindung (50, 60, 66) zwischen dem Kathodenausgang (36) und dem Wasservorratstank (68), um mit den kathodenseitigen Abgasen aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes Wasser dem Wasservorratstank (68) mindestens zum Teil zuzuführen.

28. Verfahren zur Befeuchtung eines einen Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes, dadurch gekennzeichnet, dass einem Wasservorratstank (68) entnommenes, deionisiertes Wasser mittels einer Druckpumpe (110) in einen Speicher (116) befördert wird, der das deionisierte Wasser unter Druck speichert, dass ein mittels eines Ventils vorgegebenes Druckniveau bzw. ein vorgegebener Druckbereich im Speicher bestimmt wird und dass vernebeltes Wasser in den Gasstrom über mindestens ein an den Speicher angeschlossenes, steuerbares Einspritzventil (140, 142, 144) eingespritzt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. jedes Einspritzventil (140, 142, 144) von einer Steuerung (54) mit PWM-Signalen beaufschlagt wird, wobei die Wiederholungsfrequenz der PWM-Signale und die Breite der PWM-Signale in Verbindung mit dem gewählten Druckniveau die in den Luftstrom eingespritzte, zerstäubte Wassermenge bestimmen.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des bzw. jedes Einspritzventils (140, 142, 144) über eine Kennfeldsteuerung erfolgt.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass, die Steuerung (54) Temperatursignale, die die Temperatur der zugeführten Luft und/oder die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels angeben sowie Feuchtewerte von kathodenseitig und/oder anodenseitig vorgesehenen Feuchtesensoren erhält und aus diesen Signalen bzw. Werten und den Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels die jeweils angebrachte Kennfeldsteuerung für die jeweiligen Einspritzventile auswählt bzw. festlegt.