DE10227272A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftkonditionierung von Niederdruck-PEM-Brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung für eine oder mehrere Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, bei der die Nachteile der Volumenstromregelung, Druckerzeugung, Befeuchtung und Temperatureinstellung bekannter Verfahren und Vorrichtungen vermieden und eine Lösung vorgeschlagen wird, die bei niedrigem Druck, Lärm und Energieaufwand sowie niedrigem Gewicht und geringen Kosten eine optimierte Luftaufbereitung oder Luftkonditionierung und Membranbefeuchtung ermöglicht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung für eine oder mehrere Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen.
• Bei Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen werden insbesondere folgende fünf Ziele verfolgt: ein stabiler Prozess, gute Regelbarkeit, Funktionssicherheit und -stabilität über die gesamte Lebensdauer, ein möglichst geringer Verbrauch von Hilfsenergie und niedrige Kosten.
• Die ersten drei Ziele lassen sich sehr gut mit Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen erreichen, die mit höheren Drücken arbeiten. Dabei sind aber der Senkung der Hilfsenergie und der Kosten Grenzen gesetzt. Deshalb wird versucht, zur Erreichung aller Ziele Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen zu bauen, bei denen durch besondere Maßnahmen auch ein stabiler Prozess, gute Regelbarkeit sowie Funktionssicherheit und -stabilität erreicht werden.
• Bei hohen Leistungsdichten in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen hängt die Funktionssicherheit entscheidend von der optimalen Luftversorgung einschließlich der Be- und Entfeuchtungsbilanz der Membran-Elektroden-Anordnung ab. Typische negative Effekte bei der Befeuchtung, die zum Verlust der Funktionsfähigkeit der Zellen führen können, sind insbesondere die Austrocknung der Zelle oder die Ansammlung von zu viel Wasser in der Zelle. Zur Aufrechterhaltung des günstigsten Befeuchtungszustandes der Polymermembran wird deshalb einerseits der Brennstoffzelle mit dem Brenngas und mit der Luft Feuchtigkeit zugeführt, und andererseits wird insbesondere mit dem Luftstrom überflüssiges Wasser ausgetragen. Der Transport des Wassers erfolgt dabei in gasförmiger oder flüssiger Phase. Eine Messung der Feuchte in der Membran-Elektroden-Anordnung ist mit konventionellen Feuchtemeßgeräten nicht möglich.
• Die üblicherweise über Massflowcontroller realisierte Volumenstromregelung der Luft ist mit sehr hohen Kosten und zusätzlichen Energieverlusten verbunden. Hinzu kommen Probleme bei der Messung des Volumen- oder Massenflusses in der Nähe des Taupunktes. Außerdem weisen die für die Luftversorgung eingesetzten Geräte einige entscheidende Nachteile auf, weil sie entweder – wie zum Beispiel Kompressoren – genügend Druck erzeugen, aber die Energieverluste und Kosten zu hoch sind oder wie Lüfter, bei denen der Volumenstrom und die Hilfsenergie optimal sind, aber der erzeugte Druck zu niedrig ist. Spezialausführungen von Gebläsen erzeugen – wie auch viele Kompressoren – normalerweise einen hohen Lärmpegel. Außerdem vertragen die bekannten Standardgeräte die spezielle Brennstoffzellen-Atmosphäre nicht, die unter anderem durch hohe Feuchte und deionisiertes Wasser gekennzeichnet ist.
• Üblicherweise gibt es bei den Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen im Membranbereich drei Wassertransporteffekte, die sich überlagern, wobei allerdings die Größe der einzelnen Effekte wesentlich von den Materialeigenschaften, der Dicke und dem Aufbau der Membran bzw. der Membran-Elektroden-Anordnung und den Prozessbedingungen abhängt. Der erste Effekt ist der Transport von Wasser, welches durch die Hydratation mit den Wasserstoffionen von der Anodenseite zur Kathodenseite transportiert wird. Der zweite Effekt ist der Wassertransport zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite durch Diffusion. Der dritte Effekt ist der Wassertransport zwischen der Kathodenseite und Anodenseite durch Permeation. Die Aufgabe jeder Dimensionierung ist es nun, die Gesamtwasserbilanz bei lastabhängiger Volumenstromregelung so einzustellen, dass die Zelle im gesamten Leistungsbereich immer über eine optimal befeuchtete Membran verfügt und die Reaktions- und Transportzonen in der Zelle nicht überfluten, sondern frei und funktionstüchtig bleiben.
• Im Patent DE 196 48 995 A1 der Firma Magnet-Motors GmbH Gesellschaft für magnetmotortsche Technik wird ein Verfahren zur Bestimmung des Feuchtegehalts mit Hilfe der Impedanzmessung beschrieben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Parameter Impedanz allein in bestimmten Grenzbereichen, zum Beispiel bei der Flutung der Brennstoffzelle, nicht mehr aussagefähig ist. Die Benutzung der in dem Patent vorgeschlagenen speziellen Wechselspannungsquelle mit hohen Strömen und kleiner Spannung. Die Messung der Impedanz bei verschiedenen Frequenzen, bei dem DE 196 48 995 der Magnet-Motor GmbH sind das Frequenzen von 1 kHz bis 20 kHz, stellt sich in insofern als problematisch dar, als die Blindanteile der Impedanz frequenzabhängig sind und so bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Werte ermittelt werden, die nicht mehr miteinander vergleichbar sind.
• Um den Feuchtegehalt der Membran optimal beurteilen zu können, werden im Folgenden zwei mögliche Meßverfahren beschrieben. Das erste Verfahren, nachfolgend Gradientenverfahren genannt, beruht auf der Tatsache, daß sich mit veränderlichem Feuchtegehaft der Membran auch der Innenwiderstand der Brennstoffzelle ändert. Betrachtet wird hierbei der Moment einer Laständerung. Bei sprunghafter Erhöhung der Last stellt der Innenwiderstand der Zelle ein Hindernis dar, welches die Ladungsträger überwinden müssen.
• Sichtbar wird dies durch den negativen Gradienten der Zellspannung, die mit der Belastung schnell absinkt. Bei einer trockenen Zelle ist der Gradient des Spannungseinbruchs sehr viel steiler als bei feuchter Zelle. Auch die neue Lastspannung ist bei einer trockener Zelle geringer als bei einer gut durchfeuchteten Zelle. Der Anstieg kann z.B. mit Hilfe eines Oszilloskops ermittelt werden oder durch eine geeignete Meßanordnung für die nachfolgende Verarbeitung aufbereitet werden.
• Das zweite Verfahren, nachfolgend Resonanzmethode genannt, beruht auf der Annahme, daß die Brennstoffzelle als Schwingkreis aufgefaßt wird. Hauptsächlich setzt sich dieses Modell aus ohmschen Widerständen und Kapazitäten zusammen. Die Induktivität der porösen Elektroden ist bei kleineren Frequenzen vernachlässigbar. Mit Hilfe eines Funktionsgenerators wird der Brennstoffzelle eine Wechselspannung aufmoduliert. Mit Hilfe des gleichen Funktionsgenerators wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt. In Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Polymermembran verschiebt sich diese Frequenz. Eine steigende Durchfeuchtung der Membran hat eine sinkende Resonanzfrequenz zur Folge. Umgekehrt hat eine austrocknende Membran eine steigende Resonanzfrequenz zur Folge.
• Beide Verfahren benötigen jedoch noch ein zweites Kriterium zur Beurteilung des Feuchtegehalts der Membran. Sonst ist nur eine Beurteilung des Trends möglich. In den Grenzbereichen, in denen die Membran zu feucht oder zu trocken ist, ist eine Beurteilung ohne ein werteres Kriterium nicht mehr möglich. Ist die Membran zum Beispiel zu feucht und sammelt sich bereits Wasser in den Gaskanälen, wird trotzdem ein sanfter Anstieg nach der Gradientenmethode bzw. eine niedrige Resonanzfrequenz nach Resonanzmethode ermittelt. Die Leitfähigkeit der Membran ist sehr gut, trotzdem läuft die Zelle schlecht, weil sie überflutet ist. Um auch diese Bereiche beurteilen zu können, bietet sich die zusätzliche Auswertung der Zellspannung an. Wird bei ausreichender Durchfeuchtung nach der Gradientenmethode bzw. der Resonanzmethode gemessen und trotzdem ein Absinken der Zellspannung bzw. Abweichen der Zellspannung von Normwerten ermittelt, ist die Zelle überflutet. Die Ergebnisse der jeweils angewendeten Meßmethoden müssen deshalb immer im Zusammenhang mit der Zellspannung der betreffenden Zelle bewertet werden.
• Im Patent EP 0878860 A1 setzt die Firma Mazda Motor Corporation auf sehr dünne Membranen in der Brennstoffzelle, um durch konstruktive Gestaltung der Membran die Diffusion bzw. Rückdiffusion und damit die Befeuchtung zu steuern. Bei sehr dünnen Membranen in der Größenordnung von 10 bis 20 μm ist die Rückdiffusion von der Kathodenseite zur Anodenseite infolge Diffusion und Permeation so hoch, dass man bei geeigneter Wahl der Gesamtkonstruktion auf eine externe Befeuchtung auf der Anodenseite verzichten kann.
• Sehr dünne Membranen weisen jedoch Mängel bei der Robustheit und Langzeitstabilität auf, insbesondere, wenn die Lebensdauer wie bei stationären Anlagen über 40.000 Stunden liegen soll. Deshalb verwendet man in Brennstoffzellen, die mit Reformat versorgt werden, z.B. für stationäre Anlagen, vorzugsweise dickere Membranen mit mehr als 30 μm Dicke.
• Wie bei stationären Anlagen üblich, kann die Befeuchtung der Anodenseite direkt durch das Reformat erfolgen, welches zum Beispiel durch einen Steam-Reformer aus Erdgas erzeugt wird. Zusätzlich muß aber bei den meisten Membranen vorrangig bei höheren Temperaturen, zum Beispiel über 40 °C, die zugeführte Luft sorgfältig konditioniert weiden. Ein geeignetes Luftversorgungsystem muß die für die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoffmenge und die für das Austragen des überschüssigen Wassers erforderliche Luftmenge konditioniert bezüglich Temperatur, Druck, Feuchte und Strömungsgeschwindigkeit regeln, mit minimalem Energieaufwand bereitstellen und in den Membranen einen optimalen Feuchtezustand aufrechterhalten. Bekannte Einrichtungen zur Lösung dieses komplexen Problems sind verschiedenartige Kombinationen aus Luftkompressoren mit Volumenstromreglern und Befeuchtern. Dabei sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen die Befeuchtung der Luft über das Kühlwasser oder die Abluft des Brennstoffzellenstacks erfolgt, wobei semipermeable Membranen in flächigen Anordnungen oder als Röhren eingesetzt werden, um Feuchtigkeit aus dem Abluftkreislauf oder dem Kühlwasserrücklauf in die zugeführte Frischluft zu übertragen. Der Nachteil der bekannten Einrichtungen besteht darin, dass sie zu schwer, zu voluminös, zu energieaufwendig und zu teuer sind und daß infolge fehlender Meßergebnisse die Membranfeuchte nicht optimal eingestellt werden kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Luftversorgung die Nachteile der Volumenstromregelung, Druckerzeugung, Befeuchtung und Temperatureinstellung bekannter Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden und eine Lösung zu schaffen, die bei niedrigem Druck, Lärm und Energieaufwand; sowie niedrigem Gewicht und geringen Kosten eine optimierte Luftaufbereitung oder Luftkonditionierung und Membranbefeuchtung ermöglicht.
• Die Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 bis 9 gelöst. Erfindungsgemäß besteht die Regelstrecke für die Luftkonditionierung aus einem oder mehreren frequenzgeregelten Luftkolbengebläsen, die über Puffeispeicher miteinander verbunden sind, verbunden mit einem oder mehreren Kapillarmembranröhrchenaustauschern und den dem Brennstoffzellenstack zugehörigen Luftkanalsystem, wobei die Zuluft des Brennstoffzellenstacks durch die Kapillaren des oder der Befeuchter gedrückt wird und die Abluft außen an den Kapillaren vorbeiströmt.
• Durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit in den vielen hydraulisch parallel geschalteten Kapillarröhrchen und die Verwendung geeigneter Materialien für die Kapillarmembranröhrchen wird der Feuchtigkeitsaustausch begünstigt und ein kleines Volumen mit einer sehr großen und effektiv wirksamen Austauschfläche erreicht.
• Im Gegensatz dazu wird im Patent DE 42 01 632 A1 der Firma Siemens ein Membranbefeuchter mit schlauchförmigen Membranen beschrieben. Nachteilig erweist sich hier die viel kleinere Befeuchterfläche und das Fehlen der Kapillarwirkung. Soll die gleiche Befeuchterleistung wie in einem Membranbefeuchter mit Kapillaren erreicht werden, ist ein bedeutend größeres Befeuchtervolumen notwendig. Desweiteren lassen sich die Kapillarröhrchen auf Grund ihrer Größe besser miteinander verschalten als einfache schlauchförmige Membranen.
• Die Regelung und Prozesssteuerung ist dabei so ausgeführt, dass die Volumenstromregelung zusätzlich zu den allgemein bekannten Aufgaben neben der Regelung der jeweils stöchiometrisch für die Reaktion erforderlichen Luftmenge die Regelung so ausführt, dass gleichzeitig die prozeßzustandsbezogene optimale Menge an flüssigem und gasförmigen Wasser ausgetragen wird, wobei zur Beurteilung des Befeuchtungszustandes einer oder mehrerer Membranen eine neue Resonanzmeßmethode oder eine neue Gradientenmeßmethode in Verbindung mit der Zellspannungsmessung eingesetzt wird. Außerdem erfolgt die Regelung so, daß in Verbindung mit der speziellen Gestaltung des Kanalsystems im Brennstoffzellenstack und seiner senkrechten Aufstellung flüssiges Wasser über die Wasserfilmschichten an den Kanaloberflächen ausgeblasen wird bzw.
• abläuft.
• Der Kapillarbefeuchter besteht aus an den Stirnseiten mechanisch miteinander verbundenen Kapillarröhrchen, die über stirnseitige Anschlüsse mit Luftzu- und Luftabführungskanälen verbunden sind. Durch die Kapillareffekte und die Auswahl sehr preiswerter Matertalien sind diese Befeuchter bekannten Vorrichtungen wie Flächenmembranbefeuchtern oder Röhrenmembranbefeuchtern insbesondere in Verbindung mit der Luftversorgung über Luftkolbengebläse bezüglich der Effektivität und des spezifischen Volumens wert überlegen. Der höhere Druckabfall wird durch die Parallelschaltung sehr vieler Kapillarröhrchen wieder reduziert.
• Das Luftkolbengebläse mit Pufferspeicher und Frequenzregler vermeidet die Nachteile bekannter Gebläse, Lüfter oder Kompressoren. Die Vorteile dieser Vorrichtung sind die sehr einfache Volumenstromregelung über die Frequenz im Bereich zwischen 30 und 110%, die Beständigkeit gegen feuchte Luft durch die Ausführung des Kolbenraumes aus korrosionsbeständigem Material und die Möglichkeit der Parallel- und Serienschaffung einzelner Module zur Erhöhung des Druckes und des Volumens.
• Der hier besonders interessierende Druckbereich von 1,1 bis 1,8 bar wird mit dieser Vorrichtung energieoptimal realisiert.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert: Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle mit der Vorrichtung zur Luftkonditionierung,
• 2 eine Darstellung einer Schaltungsvariante von parallelen, geregelten Luftkolbengebläsen mit Pufferspeicher.
• Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Problemlösung zeigt 1.
• Mit dem Luftkolbengebläse 1 wird die über ein Filter 5 angesaugte Zuluft auf die erste Druckstufe gebracht und im ersten Luftpufferspeicher 6 zwischengepuffert. Von dem Luftkolbengebläse 2 wird die zwischengepufferte Frischluft angesaugt, auf die zweite Druckstufe gebracht und dem zweiten Luftpufferspeicher 6 zugeführt.
• Am Ausgang des zweiten Luftpufferspeichers 6 ist der Einlass des Kapillarröhrenbefeuchters 4 angeschlossen. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird die Zuluft am Einlass des Kapillarröhrenbefeuchters auf viele parallel geschaltete Kapillarröhrchen verteilt, in denen die Befeuchtung und Temperaturanpassung an die Brennstoffzellenstacktemperatur erfolgt. Vom Auslass des Kapillarröhrenbefeuchters wird die Zuluft direkt an den Brennstoffzellenstackeingang geführt. Im Brennstoffzellenstack 7 erfüllt die Zuluft zwei Funktionen. Sie versorgt den Brennstoffzellenstack mit der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Sauerstoff bzw. Luft, und sie sorgt für die Be- und Entfeuchtung des Brennstoffzellenstacks bezüglich des in der Dampfphase vorliegenden Wassers sowie des Transportes des entstehenden flüssigen Wassers, das durch die Schwerkraft und die entsprechend geregelte Luftströmung ausgetragen wird. Gleichzeitig belädt sich die Luft beim Brennstoffzellenstackdurchgang mit Feuchtigkeit, wobei die Abluftfeuchte am Brennstoffzellenstackausgang nahe 100% liegt. Die feuchte, erwärmte und sauerstoffreduzierte Abluft wird zum Ablufteinlass des Kapillarröhrenbefeuchters 4 geleitet, wo sie ihre Feuchte und Temperatur teilweise auf die Zuluft in den Kapillarröhrchen 9 überträgt. Um die optimale Membranfeuchte einzustellen, wird über eine Meßeinrichtung 11 nach dem Prinzip der Resonanzmeßmethode oder der Gradientenmeßmethode und die Einzelzellspannungsmessung 10 der Istzustand der Membranfeuchte gemessen, bewertet und der Steuer- und Regeleinrichtung 12 zugeführt. Diese Steuer- und Regeleinrtchtung ermittelt über ein integriertes selbstlernendes Modell die optimale Steuergröße für den Frequenzumrichter 3, der über die Drehzahl der Luftkolbengebläse 1 u. 2 und den Pufferspeicher 6 den optimalen Volumenstrom einstellt.
• Durch das integrierte selbstlernende Modell können nach einer bestimmten Lernphase die Meßeinrichtungen 10 und 11 auch wieder entfernt werden, und die Prozeßregelung erfolgt trotzdem aufgrund ihrer im integrierten selbstlernenden Modell gesammelten Erfahrungen optimal bezüglich der Luftkonditionierung.
• Nicht extra dargestellt in dem Ausführungsbeispiel ist ein optional eingesetzter Luftionisierer, der direkt vor dem Frischluftzufuhranschluß des Brennstoffzellenstacks angeordnet ist. In diesem ionisierer wird zum Beispiel mit ultraviolettem Licht oder einem elektrischen Feld die Zuluft vor dem Brennstoffzellenstack ionisiert und damit die Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion verbessert.
• Eine zweite Ausführungsvariante der Verschaltung von zwei Luftkolbengebläsen 1 und 2 mit Pufferspeichern 6 und Rückschlagventilen 13 sowie der zugehörigen Ansteuerung 3 zeigt 2. Durch die Parallelschaltung kann die Luftmenge auf etwa den doppelten Wert erhöht werden, gleichzeitig ist es aber möglich, durch die Zu- und Abschaltung je eines Gebläses das System zweistufig zu regeln und so in einfacher Weise die Luftmenge und den Hilfsenergiebedarf zu optimieren.

1

erstes Luftkolbengebläse

2

zweites Luftkolbengebläse

3

Frequenzumrichter (oder Stufenschalter)

4

Kapillarröhrenbefeuchter

5

Filter

6

Puffer

7

Brennstoffzelle schematisch

8

Ventil

9

Prinzip der Kapillarröhre

10

Einzelzellenspannungsmessung

11

Membranfeuchtemessung

12

Steuer- und Regeleinrichung

13

Rückschlagventile

Claims (9)

1. Verfahren zur Luftkonditionierung für Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennstoffzellen zuzuführende Luft über ein oder mehrere Luftkolbengebläse (1 u. 2) mit nachgeschaltetem Pufferspeicher (6) über die Primärseite eines Kapillarröhrenbefeuchter (4) bestehend aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Kapillarröhrchen (9) geregelt angesaugt, befeuchtet, auf etwa Brennstoffzellenstacktemperatur erwärmt und mit optimierter Geschwindigkeit durch die Brennstoffzelle gedrückt wird, wobei über die Sekundärseite des Kapillarröhrenbefeuchter (4) gleichzeitig die Abluft der Brennstoffzelle geleitet wird und diese einen Teil ihrer Feuchte und Temperatur im Kapillarröhrenbefeuchter (4) auf die Zuluft überträgt, des werteren enthält die Regelung der Zuluft ein selbstlernendes Modell, welches aus einer kombinierten Messung von Membranfeuchte (11) und Zellspannung (10) die Werte für das Modell zur Optimierung der Membranfeuchte erhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle ionisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Luft bezüglich Druck, Temperatur, Feuchte und Luftmenge so geregelt wird, dass sie zusätzlich zur stöchiometrtsch ausreichenden Zuführung von in der Luft enthaltenem Sauerstoff über entsprechende Algorithmen auch das Eintragen von Wasserdampf und das Austragen von Wasser in Dampfform und in flüssiger Form so realisiert, dass bei optimierter Energiebilanz der Feuchtezustand des Brennstoffzellenstacks bei stabiler Funktion optimal ist und überschüssiges Wasser über den Abluftausgang des Brennstoffzellenstacks abgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das als Film oder Tropfen im Brennstoffzellenstack befindliche flüssige Wasser in dem senkrecht eingebauten Brennstoffzellenstack mit unten liegendem Luftausgang durch den Luftstrom und die Gravitationskraft zum Luftausgang transportiert und dort abgeleitet wird.
5. Anordnung zur Luftkonditionierung bei Niederdruck-Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelstrecke für die Zuluft des Brennstoffzellenstacks ein oder mehrere parallel oder in Reihe geschaltete geregelte Luftkolbengebläse (1 u. 2) mit nachgeschaltetem Pufferspeicher (6) mit der Primärseite eines oder mehrerer Kapillarröhrenbefeuchter (4) in Reihe geschaltet sind, wobei die Kapillarröhrenbefeuchter (4) selbst alle parallel angeordnet sind und die Kapillarröhrenbefeuchter (4) aus sehr vielen eng beieinanderliegenden pneumatisch parallelgeschalteten Kapillarröhrchen (9) bestehen, und der Sekundärkreis des Kapillarröhrenbefeuchter (4) eingangsseitig unmittelbar an den Abluftanschluß der Brennstoffzelle angeschlossen und ausgangsseitig über ein Luftauslassventil (8) mit der Umgebung verbunden ist, und daß die Luftkolbengebläse (1 u. 2) über einen als Frequenzumrichter (3) oder als Stufenschalter (3) ausgeführten Aktor verbunden sind und dieser Aktor mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (12) verbunden ist, und diese aus dem Regler und jeweils einer Einrichtung zur Messung der Membranfeuchte (11) und der Zellspannung (10) besteht.
6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftförderer aus einem oder mehreren pneumatisch in Reihe oder parallel geschalteten Luftpuffern (6) und Luftkolbengebläsen (1 u. 2) besteht, die einen oder mehrere elektromagnetisch angetriebene Kolben sowie einen Frequenzumrichter (3) oder einen Massflowcontroller und zusätzlich oder wahlweise einen Luftmengenstufenschalter (3) enthalten.
7. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Massflowcontroller in ein Stellglied und ein Messglied gesplittet ist , wobei die Messung entweder unmittelbar vor dem Brennstoffzellenstack erfolgt, oder durch eine in Mikrosystemtechnik ausgeführte Messanordnung, die sich im Einströmkanal des Brennstoffzellenstacks in den Endplatten befindet oder die Volumenstromregelung nur über das Luftkolbengebläse (1 u. 2) und das Volumenstrommeßglied erfolgt.
8. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kapillarröhrenbefeuchter (4) aus einem Kunststoffgehäuse, z. B. aus Polycarbonat besteht, in das sehr viele Kapillarröhrchen (9) parallel so eingeschweißt oder eingeklebt sind, dass sie parallel zu den Anschlussstutzen für die Luftzuführung zum Brennstoffzellenstack miteinander verbunden sind und über wertere Anschlussstutzen gemeinsam mit der feuchten warmen Abluft aus dem Brennstoffzellenstack umspült werden.
9. Anordnung gemäß Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstack senkrecht eingebaut wird, auf der Luftausgangsseite mit einem speziellen gasverlustfreien Schwimmerkondensatableiter ohne Hilfsenergie zur Wasserauskopplung versehen ist, und dass die Luftkanäle im Brennstoffzellenstack so angeordnet sind, dass sich flüssiges Reaktionswasser durch die Wirkung der Schwerkraft und Luftströmung unten am Luftausgangsstutzen sammelt und spezielle gasverlustfreie Schwimmerkondensatableiter ohne Hilfsenergie die Entfernung des flüssigen Reaktionswassers aus dem Brennstoffzellenstack ermöglichen.