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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens
einer Brennstoffzelle und mit einer Einrichtung zum Feuchtigkeitsmanagement
innerhalb der Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle mit wenigstens
einer ersten Zuleitung für
wenigstens einen ersten Mediumstrom und wenigstens einer ersten
Ableitung für
den ersten Mediumstrom verbunden ist.
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Brennstoffzellensysteme
sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren
erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme
erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege,
wobei die einzelnen Recktanten kontinuierlich zugeführt und
die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
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Bei
einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder
Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen
Elektrolyten räumlich
getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil,
an den ein Brennstoff zugeführt
wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf,
an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden-
und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten
kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen
haben die Fähigkeit,
Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation
abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch
einen Verbraucher leiten.
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Als
gasförmige
Reaktionspartner für
die Brennstoffzelle können
beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet
werden.
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Will
man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden
Brennstoff wie etwa Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen
Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in
einer Vorrichtung zum Erzeugen beziehungsweise Aufbereiten eines
Brennstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in
ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten
eines Brennstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit
mit Verdampfer, einem Reaktor für
die Reformierung, beispielsweise die Wasserdampfreformierung, einer
Gasreinigung sowie häufig
auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der
Prozesswärme
für die
endothermen Prozesse, beispielsweise dem Reformierungsprozess.
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Ein
Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen,
die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein
können.
Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet,
beispielsweise sandwichartig übereinander
gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird
dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack
bezeichnet.
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Während des
Betriebs der Brennstoffzelle entsteht in dieser neben Wärme auch
Wasser, das abgeführt
werden muss. Würde
das während
des Brennstoffzellenbetriebs entstehende Wasser nicht aus der Brennstoffzelle
abgeführt,
würde die
Brennstoffzelle überflutet
und damit ihre Leistungsfähigkeit zumindest
stark reduziert.
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Weiterhin
ist es erforderlich, dass in der Brennstoffzelle während des
Betriebs stets ein bestimmtes Maß an Feuchtigkeit vorherrscht.
Ohne eine gewisse Feuchtigkeit würde
beispielsweise der Elektrolyt der Brennstoffzelle austrocknen, was
wiederum zu Leistungseinbußen
oder gar Beschädigungen
der Brennstoffzelle führen
würde.
Aus diesem Grund besteht das Bedürfnis,
ein Feuchtigkeitsmanagement innerhalb der Brennstoffzelle zu betreiben. Diesbezüglich sind
im Stand der Technik bereits diverse Lösungen bekannt geworden.
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Aus
der
DE 101 03 568
A1 , die ein Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts
von Brennstoffzellen beschreibt, ist bereits die Problematik bekannt,
dass die trockenen Reaktionsgase vor Eintritt in die Brennstoffzelle
vorbefeuchtet werden müssen, wodurch
verhindert wird, dass der Elektrolyt im Gaseintrittsbereich der
Brennstoffzelle austrocknet. Dazu kann gemäß der bekannten Lösung vorgesehen
sein, dass das Anoden- und das Kathodengas vor Eintritt in die Brennstoffzelle
jeweils in einer Befeuchtungseinrichtung vorbefeuchtet wird.
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Eine
andere Lösung
ist beispielsweise in der
DE
694 01 130 T2 beschrieben. Diese bekannte Lösung offenbart
eine Einrichtung zur Rückführung und Feuchtigkeitsregelung
von Kathodenluft einer Metall-Luft-Batterie. Ziel der in dieser
Druckschrift beschriebenen Lehre ist es, ein Luftmanager/Handhabungs-System
für eine
solche Metall-Luft-Zelle vorzusehen, welches eine effektive Verwendung
von Rückluft
und Frischluft vorsieht. Ein weiteres Ziel besteht darin, Frischluft
in ausreichender Menge zum Ersatz des von der Zelle verbrauchten
Sauerstoffs einzulassen. Ebenso soll eine Rückführung von Reaktionsluft von
der Kathode ermöglicht
werden, sodass eine vorgesehene Leistungsabgabe aufrecht erhalten
bleibt. Dazu ist gemäß der bekannten
Lehre ein Luftmanagersystem mit einem Umluftkanal für Reaktionsluft
von der Metall-Luft-Zelle vorgesehen. Die Zelle und der Umluftströmungskanal
bilden einen geschlossenen Strömungspfad
für die
im Kreislauf geführte
Luft. Der Umluftströmungsweg
verfügt
weiterhin über
einen Lufteinlass und einen Luftauslass, über die der umlaufenden Reaktionsluft
Umgebungsluft zugeführt
werden kann, sodass der während
des Betriebs der Zelle entnommene Sauerstoff ersetzt werden kann.
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Damit
die in die Zelle eintretende Luft immer ein gewisses Maß an Feuchtigkeit
aufweist, kann die in die Zelle eintretende Kathodenluft vor Eintritt
wahlweise mittels einer Befeuchtungseinrichtung vorbefeuchtet werden.
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Die
DE 694 01 130 T2 beschreibt
folglich ein System, bei der die Feuchtigkeit der Kathodenluft vor Eintritt
in die Zelle auf ein erforderliches Niveau gebracht wird. Die Steuerung
und Regelung der bekannten Lösung
ist jedoch sehr aufwendig. Um die Feuchtigkeit innerhalb der Zelle
auf einem bestimmten Level zu halten ist es nicht nur erforderlich,
die Befeuchtungseinrichtung wahlweise zuzuschalten oder abzuschalten.
Vielmehr ist es ebenso erforderlich, die Zufuhr und Abfuhr von Umgebungsluft
entsprechend zu steuern.
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Aus
der
EP 0 654 182 B1 ist
eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Befeuchtung des Elektrolyten
der Brennstoffzelle bekannt. Diese Druckschrift betrifft ein Brennstoffzellensystem
mit einer Brennstoffzelle, einem Luftstrahlverdichter sowie einer
aus einem Einstellglied, einer Rezirkulationsleitung und einem Gasverdichter
bestehenden stellbaren Verbindungsanordnung, die eine Abgasleitung
mit einer Luftzuführungsleitung
verbindet. Bei der Brennstoffzelle kann Wasserstoff, welcher aus
der Brennstoffzelle austritt, über
eine Rückführleitung
der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden, aber der anodenseitig
austretende Wasserstoff kann nicht für die Befeuchtung der kathodenseitig
zugeführten
Luft genutzt werden. Daher sieht die
EP 0 654 182 B1 vor, wenn das kathodenseitig
aus der Brennstoffzelle austretende Abgas nicht ausreichend feucht
ist, um eine genügende
Befeuchtung der kathodenseitig zugeführten Luft zu gewährleisten,
einen zusätzlichen Luftbefeuchter
vorzusehen, was erhöhte
Kosten produziert.
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Aus
der
WO 01/97307 A2 sind
Brennstoffzellensysteme bekannt, mit Trockner, die als Befeuchter für Zuluft
oder für
Wasserstoff dienen können.
Durch geeignetes Schalten von Ventilen bzw. Dreiwegeventilen kann
der Strömungsverlauf
von Medienströmen beeinflusst
und die Befeuchtung der Medienströme reguliert werden.
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Die
US 2001/0021468 A1 offenbart
ein Brennstoffzellensystem mit Befeuchtern und einer Rückführung von
Abgas in eine Medium-Zufuhrleitung.
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Ausgehend
vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, dass in besonders einfacher Weise und
ohne konstruktiven oder steuerungstechnischen Aufwand ein Feuchtigkeitsmanagement
innerhalb einer Brennstoffzelle realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
das Brennstoffzellensystem gemäß dem Schutzanspruch
1. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den
Zeichnungen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle
und mit einer Einrichtung zum Feuchtigkeitsmanagement innerhalb
der Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle mit einer ersten
Zuleitung für einen
ersten Mediumstrom und mit einer ersten Ableitung für den ersten
Mediumstrom verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Feuchtigkeitsmanagement
wenigstens eine erste Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des
ersten Mediumstroms aufweist, die in der ersten Zuleitung des ersten
Mediumstroms angeordnet ist. Weiterhin ist die Ableitung des ersten
Mediumstroms über
eine stellbare Verbindungsanordnung strömungstechnisch mit der ersten
Zuleitung verbunden. Schließlich ist
auch vorgesehen, dass bei entsprechender Stellung der Verbindungsanordnung
ein geschlossener Strömungsweg
des ersten Mediumstroms gebildet ist oder wird, sodass zumindest
eine Teilmenge des abgeleiteten Mediumstroms dem zugeleiteten Mediumstrom
zugeführt
werden kann oder wird.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird ein
einfaches System zum Feuchtigkeitsmanagement innerhalb der Brennstoffzelle
bereitgestellt, bei dem zumindest zeitweilig auch eine Art Bypass
um die erste Befeuchtungseinrichtung herum erzeugt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Brennstoffzelle wenigstens ein erster Mediumstrom zugeführt wird.
Dazu ist die Brennstoffzelle mit einer entsprechenden ersten Zuleitung
verbunden, über die
der erste Mediumstrom der Brennstoffzelle zugeführt wird. Weiterhin verfügt die Brennstoffzelle über wenigstens
eine ersten Ableitung, über
die dieser Mediumstrom nach seinem Aufenthalt in der Brennstoffzelle
als abgeleiteter Mediumstrom von dieser abgeleitet wird.
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Beispielsweise
kann es sich bei dem ersten Mediumstrom um den Kathoden-Gasstrom für die Brennstoffzelle
handeln. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Oxidationsmittel
wie Sauerstoff handeln, der aus der Umgebungsluft entnommen werden
kann. Ebenso ist es denkbar, dass der erste Mediumstrom als Anoden-Gasstrom
ausgebildet ist. In diesem Fall handelt es sich bei dem ersten Mediumstrom
beispielsweise um den Brennstoff für die Brennstoffzelle, etwa
um ein wasserstoffreiches Gas. Üblicherweise
ist es vorgesehen, dass der Brennstoffzelle zwei Mediumströme zugeführt werden, nämlich ein
Anoden-Gasstrom sowie ein Kathoden-Gasstrom.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Einrichtung zum Feuchtigkeitsmanagement wenigstens eine
erste Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des wenigstens einen
ersten Mediumstroms aufweist. Im einfachsten Fall ist eine einzige erste
Befeuchtungseinrichtung vorgesehen, die zur Befeuchtung eines einzigen
ersten Mediumstroms ausgebildet ist. Natürlich können auch mehrere Befeuchtungseinrichtungen
vorgesehen sein, die zur Befeuchtung von mehreren Mediumströmen eingesetzt
werden.
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Dies
soll anhand eines konkreten Beispiels verdeutlicht werden. So ist
es denkbar, dass eine Befeuchtungseinrichtung für einen als Kathoden-Gasstrom
ausgebildeten Mediumstrom oder aber für einen als Anoden-Gasstrom
ausgebildeten Mediumstrom vorgesehen ist. Natürlich ist es auch denkbar, dass
eine Befeuchtungseinrichtung sowohl für den Kathoden-Gasstrom als
auch für
den Anoden-Gasstrom vorgesehen ist.
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Grundsätzlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten
für die Befeuchtungseinrichtung
beschränkt.
Denkbar ist jede Art von Befeuchtungseinrichtung, die es ermöglicht,
einen Mediumstrom vor Eintritt in die Brennstoffzelle zu befeuchten,
dass ein Austrocknen – insbesondere
im Eintrittsbereich – der
Brennstoffzelle verhindert wird. Einige nicht ausschließliche Beispiele für geeignete
Befeuchtungseinrichtungen werden im weiteren Verlauf der Beschreibung
näher erläutert.
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Weiterhin
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die erste Ableitung des wenigstens einen ersten Mediumstroms über eine
stellbare Verbindungsanordnung strömungstechnisch mit der ersten
Zuleitung verbunden ist.
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Beispielsweise
kann die Verbindungsanordnung in Strömungsrichtung des Mediums nach
der Befeuchtungseinrichtung und vor der Brennstoffzelle mit der
ersten Zuleitung des Mediumstroms verbunden sein.
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Dabei
sind wiederum keine speziellen Ausgestaltungsformen der Verbindungsanordnung
vorgeschrieben. Die grundsätzliche
Funktion der Verbindungsanordnung besteht darin, eine derart gestaltete Verbindung
zwischen der ersten Ableitung des ersten Mediumstroms sowie dessen
erster Zuleitung herzustellen, sodass über diese Verbindung Medium
von der ersten Ableitung zur ersten Zuleitung strömen kann.
Es ist folglich aus strömungstechnischer
Sicht ausreichend, dass über
die Verbindungsanordnung zumindest zeitweilig eine Leitung von der
ersten Ableitung zur ersten Zuleitung entsteht, sodass das Medium
von der ersten Ableitung über
die Verbindungsleitung zur ersten Zuleitung strömen kann.
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Erfindungsgemäß soll diese
Verbindungsanordnung stellbar sein. „Stellbar" heißt im vorliegenden Fall, dass
die Strömungscharakteristika
des die Verbindungsanordnung durchströmenden Mediums eingestellt
werden können.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Stellbarkeit der Verbindungsanordnung
von einem Minimalwert hin zu einem Maximalwert möglich ist. Der Minimalwert
kann beispielsweise durch eine Situation vorgegeben werden, in dem
die Verbindungsanordnung geschlossen ist, sodass kein Medium durch
die Verbindungsanordnung strömen
kann. Ein Maximalwert kann beispielsweise dann erreicht werden,
wenn die Verbindungsanordnung soweit wie möglich geöffnet ist, sodass eine maximale
Menge an Medium durch die Verbindungsanordnung strömen kann.
Einige nicht ausschließliche
Beispiele für
geeignete Ausgestaltungsformen der stellbaren Verbindungsanordnung werden
im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Wie weiter unten noch
im Detail beschrieben wird, kann die Verbindungsanordnung beispielsweise
in Stufen – im
einfachsten Fall in zwei Stufen – oder aber auch stufenlos
geöffnet
beziehungsweise geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß ist schließlich auch
vorgesehen, dass bei entsprechender Stellung der Verbindungsanordnung
ein geschlossener Strömungsweg des
ersten Mediumstroms gebildet ist oder wird, der zumindest von einer
Teilmenge des abgeleiteten Mediumstroms durchströmt werden kann oder wird. Der abgeleitete
Mediumstrom wird dem zugeleiteten Mediumstrom zugeführt. In
diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem im Umluftbetrieb gefahren.
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Beispielsweise
kann bei entsprechender Stellung beziehungsweise Betätigung der
Verbindungsanordnung ein Bypass um die erste Befeuchtungseinrichtung
herum erzeugt werden.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass bei entsprechender Stellung der Verbindungsanordnung
ein geschlossener Strömungsweg
des ersten Mediumstroms durch die erste Zuleitung, die Brennstoffzelle(n),
die erste Ableitung und die Verbindungsanordnung gebildet ist oder
wird.
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Im
Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wird ein der Brennstoffzelle
zuzuführender
erster Mediumstrom zunächst
in der Befeuchtungseinrichtung befeuchtet und über die erste Zuleitung anschließend der
Brennstoffzelle zugeführt.
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Nach
dem Durchströmen
der Brennstoffzelle wird der Mediumstrom über die erste Ableitung abgeleitet.
Während
des Betriebs der Brennstoffzelle kann die Situation auftreten, dass
die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle ungleichmäßig verteilt
ist. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Brennstoffzelle
im Eintrittsbereich relativ trocken ist, während sie im Austrittsbereich
relativ feucht ist. Beide Zustände sind
unerwünscht.
Würde nun
das Brennstoffzellensystem weiterhin im Normalbetrieb gefahren,
würde sich
an der Feuchtigkeitsdifferenz innerhalb der Brennstoffzelle nichts ändern. Vielmehr
bestünde
die Gefahr, dass sich diese beiden Extremzustände weiter vergrößern, was
nachteilig für
die Brennstoffzellen-Performance
ist.
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Wenn
nun die Verbindungsanordnung in einer Weise gestellt wird, dass
sich ein geschlossener Strömungsweg
bildet, hat dies den Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem zumindest
eine Zeit lang, dass heißt
solange die Verbindungsanordnung in entsprechender Weise gestellt
ist, im Umluftbetrieb gefahren wird. Das bedeutet für das vorstehend
genannte Beispiel, dass die Feuchtigkeit in Bereichen mit erhöhten Feuchtigkeitswerten
aus der Brennstoffzelle ausgetragen und ohne Verlassen des Brennstoffzellensystems
direkt wieder in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
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Somit
wird eine passive Befeuchtungseinrichtung für die Brennstoffzelle geschaffen.
Die in der Brennstoffzelle vorhandene Feuchtigkeit kann während des
Umluftbetriebs homogen in der Brennstoffzelle verteilt werden. Sobald
dies geschehen ist, kann die stellbare Verbindungsanordnung erneut
umgestellt werden, sodass das Brennstoffzellensystem in seinen ursprünglichen
Normalbetrieb zurückkehrt.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Brennstoffzellen
im Brennstoffzellensystem beschränkt.
Vielmehr kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Brennstoffzellen
im Brennstoffzellensystem vorhanden sind, wobei diese Brennstoffzellen
vorzugsweise hintereinandergeschaltet sind und somit einen Brennstoffzellenstapel
beziehungsweise einen Brennstoffzellenstack bilden.
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Die
vorliegende Erfindung ist des Weiteren auch nicht auf den Einsatz
im Zusammenhang mit bestimmten Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise
kann die wenigstens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems
als sogenannte PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer solchen
Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Protonen leitenden
Membran. Ebenso ist es natürlich auch
denkbar, im Brennstoffzellensystem andere Brennstoffzellentypen
zu verwenden.
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Vorteilhaft
kann vorgesehen sein, dass die Ableitung für den ersten Mediumstrom mit
der ersten Befeuchtungseinrichtung verbunden ist. Auf diese Weise
sind sowohl die erste Ableitung als auch die erste Zuleitung des
ersten Mediumstroms mit der Befeuchtungseinrichtung verbunden. Das
hat den Effekt, dass das aus der Brennstoffzelle austretende, feuchte
Abgas des ersten Mediumstroms seine Feuchtigkeit an den der Brennstoffzelle
zugeführten ersten
Mediumstrom abgeben kann. Damit wird ein Fluten der Brennstoffzelle,
beispielsweise der Anode, mit Feuchtigkeit, beispielsweise mit Kondensat,
sicher vermieden. Darüber
hinaus kann zusätzlich auch
noch erreicht werden, dass die Temperaturen in der Brennstoffzelle
beziehungsweise im Brennstoffzellensystem homogenisiert werden.
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Vorteilhaft
kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine zweite Zuleitung
sowie eine zweite Ableitung für
einen zweiten Mediumstrom aufweist und dass auch die zweite Zuleitung
und/oder die zweite Ableitung des zweiten Mediumstroms mit der ersten
Befeuchtungseinrichtung verbunden ist. Eine solche Lösung wird
vorteilhaft dann realisiert, wenn die Brennstoffzelle im sogenannten
Reformatbetrieb gefahren wird. In einem solchen Fall besteht nicht
nur anodenseitig sondern auch kathodenseitig das Bedürfnis, das
der Brennstoffzelle zugeführte Gas
vor Eintritt in die Zelle zunächst
zu befeuchten. In anderer Ausgestaltung kann es denkbar sein, einem
zugeführten,
feuchten Reformat vor dessen Eintritt in die Brennstoffzelle Feuchtigkeit
zu entziehen. Wenn nun beide der Brennstoffzelle zugeführten Mediumströme zunächst durch
die Befeuchtungseinrichtung hindurchgeleitet werden, kann das von
der Brennstoffzelle abgeleitete, feuchte Abgas, das ebenfalls durch
die Befeuchtungseinrichtung hindurchgeleitet wird, seine Feuchtigkeit
auf beide Mediumströme übertragen.
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Ebenso
ist es denkbar, dass beide die Brennstoffzelle verlassenden Mediumströme derart
feucht sind, dass die Feuchtigkeit auf einen noch trockenen, der
Brennstoffzelle zuzuführenden
Mediumstrom übertragen
werden könnte.
Dies ist mit der wie vorstehend beschriebenen Ausgestaltung ebenfalls
realisierbar.
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Wie
weiter oben bereits ausgeführt
wurde, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten
für die
erste Befeuchtungseinrichtung beschränkt. Beispielsweise ist es
denkbar, dass die Befeuchtung des der Brennstoffzelle zugeführten Mediumstroms
innerhalb der Befeuchtungseinrichtung mittels aktiver Befeuchtung
durchgeführt
wird. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, könnte eine aktive Befeuchtung
mittels direkter Eindüsung
von Feuchtigkeit in den Mediumstrom oder mittels Rieselbefeuchtung
realisiert werden.
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Weiterhin
ist es denkbar, dass die Übertragung
der Feuchtigkeit auf den Mediumstrom in einer Befeuchtungseinrichtung
vorgenommen wird, die in Form eines Feuchtigkeits-Übertragungsrades,
auch Enthalpie-Rad genannt, ausgebildet ist.
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Besonders
vorteilhaft ist die erste Befeuchtungseinrichtung jedoch zur Übertragung
von Feuchtigkeit aus wenigstens einem Mediumstroms auf wenigstens
einen anderen Mediumstrom ausgebildet. In diesem Fall wird es möglich, die
während
des Betriebs der Brennstoffzelle entstehende Feuchtigkeit sinnvoll
weiterzuverwerten, in dem diese auf den zu befeuchtenden Mediumstrom übertragen
wird.
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Dazu
kann die erste Befeuchtungseinrichtung beispielsweise als sogenannter
Membranbefeuchter ausgebildet sein. Ein solcher Membranbefeuchter
weist in der Regel eine Membran auf, die für Feuchtigkeit durchlässig ist,
andere Bestandteile der Mediumströme jedoch zurückhält. Typische
Mebranen zur Befeuchtung können
gereckte PTFE-Membranen oder Ionomermembranen wie Nafion® sein. Der
zu befeuchtende Mediumstrom wird an einer Seite der Membran vorbeigeführt, während der
die Feuchtigkeit abgebende Mediumstrom an der anderen Seite der
Membran vorbeigeführt
wird. Während die
beiden Mediumströme
aneinander vorbeiströmen,
kann die Feuchtigkeit des einen Mediumstroms die Membran durchdringen
und auf die Seite des zu befeuchtenden Mediumstroms gelangen, wodurch dieser
befeuchtet wird.
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Vorteilhaft
ist die Befeuchtungseinrichtung dabei in einer Weise ausgebildet,
dass die beiden Mediumströme
im Gegenstromprinzip aneinander vorbeigeführt werden. Natürlich sind
auch Realisierungen denkbar, bei denen die Mediumströme im Kreuzstromprinzip
aneinander vorbeigeführt
werden. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Mediumströme durch
entsprechende Kanäle
geleitet werden, wobei die Kanäle
mit ihren offenliegenden Seiten jeweils gegenüberliegen und durch die Membran
getrennt werden.
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Neben
der Feuchtigkeit kann über
eine solche Membran beispielsweise auch Wärme ausgetauscht werden.
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Eine
wie vorstehend beschriebene Befeuchtungseinrichtung eignet sich
insbesondere für
den Einsatz bei reformatbetriebenen Brennstoffzellen. Wenn die Befeuchtungseinrichtung
in einem als Kathoden-Gasstrom ausgebildeten Mediumstrom integriert
ist, kann die Membran vorteilhaft in einer Weise ausgestaltet sein,
dass sie sowohl Wärme
und Feuchte zwischen der Kathodenluftzufuhr (Raumtemperatur und
trocken) und der Kathodenabluft (feucht und heiß) austauscht.
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In
weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsanordnung
in Strömungsrichtung
des ersten Mediumstroms nach der Brennstoffzelle und vor der ersten
Befeuchtungseinrichtung mit der ersten Ableitung des ersten Mediumstroms
verbunden ist. Auf diese Weise wird die Funktion einer Bypassregelung
um die erste Befeuchtungseinrichtung herum unterstützt, sodass
das Brennstoffzellensystem wirkungsvoll im Umluftbetrieb gefahren
werden kann.
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Vorteilhaft
ist vorgesehen, dass die Verbindungsanordnung wenigstens eine Stelleinrichtung aufweist.
Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen
für die
Stelleinrichtung beschränkt.
Vielmehr muss die Stelleinrichtung lediglich in der Lage sein, den
Volumenstrom, der die Verbindungsanordnung durchströmt, regulieren
beziehungsweise einstellen zu können.
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Die
Stelleinrichtung kann vorteilhaft zur stufenlosen Stellung oder
zur Stellung in Stufe ausgebildet sein. Bei der Stufen-Variante
existieren im einfachsten Fall zwei Stufen, nämlich „geschlossen" und „geöffnet". Natürlich sind
auch Zwischenstufen denkbar, über
die der Volumenstrom in seiner Charakterisktik variiert werden kann.
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Vorteilhaft
kann wenigstens eine der Stelleinrichtungen als Umschaltventil und/oder
als Strömungsteiler
und/oder als Mischventil und/oder als Einmündung ausgebildet sein. Natürlich sind
auch andere Ausgestaltungsvarianten möglich.
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In
einem konkreten Beispiel kann ein Stellelement beispielsweise als
Umschaltventil oder Strömungsteiler
ausgebildet sein, während
ein anderes Stellelement als Umschaltventil oder Mischventil ausgebildet
sein kann.
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Beispielsweise
kann die Stelleinrichtung in Form einer Ventileinrichtung ausgestaltet
sein. Beispielsweise ist denkbar, dass die Stelleinrichtung über eine
oder mehrere Stellklappen verfügt, über die der
freie und durchströmbare
Querschnitt der Verbindungsanordnung, die in diesem Bereich vorzugsweise
als Verbindungsleitung ausgebildet ist, in seiner Größer veränderbar
eingestellt werden kann. Wenn die Stellklappen senkrecht zur Strömungsrichtung des
die Verbindungsanordnung durchströmenden Mediums eingestellt
sind, ist die Verbindungsanordnung geschlossen, sodass vorzugsweise
kein Medium von der ersten Ableitung hin zur ersten Zuleitung des
ersten Mediumstroms strömen
kann. Wenn jedoch die Stellklappen parallel zur Strömungsrichtung des
die Verbindungsanordnung durchströmenden ersten Mediumstroms
ausgerichtet sind, kann die maximale Menge an Medium die Verbindungsanordnung
durchströmen.
Das Stellelement könnte
aber auch als entsprechend ausgestaltetes Verzweigungselement – beispielsweise
als T-Stück – ausgebildet
sein.
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Wenn
es sich bei dem ersten Mediumstrom um das einer Brennstoffzelle
zugeführte
Oxidationsmittel handelt und die Stelleinrichtung in einer Weise gestellt
wird, dass ein Teil des ersten Mediumstroms in die Verbindungsanordnung
geleitet wird, während ein
anderer Teil des ersten Mediumstroms in die erste Befeuchtungseinrichtung
geleitet wird, kann man die Brennstoffzelle über einen längeren Zeitraum im Umluftbetrieb
fahren. Andernfalls wäre
nur ein begrenzter Zeitraum für
den Umluftbetrieb möglich,
da ansonsten der Sauerstoffgehalt im Oxidationsmittelstrom absinkt,
was für
den Betrieb der Brennstoffzelle schädlich ist.
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In
weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in die erste Zuleitung
des ersten Mediumstroms in dessen Strömungsrichtung nach der ersten Befeuchtungseinrichtung
eine weitere Zuleitung für einen
Mediumstrom einmündet.
Hierbei kann es sich um eine weitere Zuleitung für denselben Mediumstrom oder
aber auch für
einen anderen Mediumstrom handeln. Dadurch wird, bei zumindest teilweiser Öffnung der
Verbindungsanordnung, eine Homogenisierung der Feuchte in der Brennstoffzelle
ermöglicht,
ohne dass der im geschlossenen Umluftsystem befindliche Mediumstrom,
beispielsweise der Oxidationsmittelstrom, vollständig aufgebraucht wird. Durch
eine entsprechende Stellung der Verbindungsanordnung ist es so möglich, während der
Homogenisierung sowohl die Feuchte als auch den Gehalt des Mediums
im Umluftstrom zu regulieren.
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Um
den Transport des ersten Mediumstroms innerhalb des Brennstoffzellensystems
zu erleichtern beziehungsweise besser regulieren zu können, kann vorteilhaft
in der ersten Zuleitung und/oder ersten Ableitung des ersten Mediumstroms
wenigstens eine Fördereinrichtung
vorgesehen sein. Je nach Art und Weise der Förderung beziehungsweise der
einzustellenden Förderrichtung
kann die Fördereinrichtung
als Pumpe, Gebläse
oder Kompressor ausgebildet sein.
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Vorteilhaft
kann vorgesehen sein, dass in der ersten Zuleitung für den ersten
Mediumstrom wenigstens eine weitere Befeuchtungseinrichtung vorgesehen
ist. Diese Befeuchtungseinrichtung kann in der wie weiter oben im
Zusammenhang mit der ersten Befeuchtungseinrichtung beschriebenen
Weise ausgestaltet sein.
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In
weiterer Ausgestaltung kann schließlich auch vorgesehen sein,
dass in der ersten Zuleitung für
den ersten Mediumstrom und/oder in der ersten Ableitung für den ersten
Mediumstrom und/oder in der Brennstoffzelle wenigstens ein Sensorelement zur
Bestimmung der Feuchtigkeit vorgesehen ist. Mittels dieses Sensorelements
kann die aktuelle Feuchtigkeit des ersten Mediumstroms an der jeweils
betrachteten Stelle genau untersucht und bestimmt werden. Die gemessenen
Feuchtigkeitswerte können an
eine mit dem Feuchtigkeitssensor zumindest zeitweilig in Kontakt
stehende Steuereinrichtung weitergeleitet und in dieser weiter verarbeitet
werden.
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Dazu
kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung
mit der stellbaren Verbindungsanordnung verbunden ist. Aufgrund
der gemessenen, tatsächlichen
Feuchtigkeitswerte ist es dann möglich,
die Verbindungsanordnung so zu stellen, dass ein optimales Feuchtigkeitsmanagement
in der wie weiter oben beschriebenen Weise realisierbar ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 in
schematischer Ansicht den Teil einer Verbindungsanordnung; und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer im Brennstoffzellensystem vorgesehenen Befeuchtungseinrichtung.
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In 1 ist
zunächst
ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das aus einem
Brennstoffzellenstack mit einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht.
Der besseren Übersicht
halber ist in 1 nur eine einzige Brennstoffzelle 12 dargestellt.
Die Brennstoffzelle 12 verfügt zunächst über eine Anode 13,
die mit einer Brennstoffzuleitung 14 sowie einer Brennstoffableitung 15 verbunden
ist. Über
die Brennstoffzuleitung 14 wird der Anode 13 ein
geeigneter Brennstoff, beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas,
zugeführt.
Weiterhin verfügt
die Brennstoffzelle 12 über
eine Kathode 17, die mit einer Oxidationsmittel-Zuleitung 18 sowie
einer Oxidationsmittel-Ableitung 19 verbunden ist. Bei
dem Oxidationsmittel kann es sich beispielsweise um Sauerstoff handeln,
der der Kathode 17 über
die Umgebungsluft zugeführt
wird. Die Kathode 17 sowie die Anode 13 sind im
vorliegenden Beispiel über
eine Membran 16 voneinander getrennt. Wenn es sich bei
der Membran 16 um eine Protonen leitende Membran handelt,
wird die Brennstoffzelle 12 auch als sogenannte PEM-Brennstoffzelle
bezeichnet.
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Im
Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 ist es erforderlich,
dass der Brennstoffzelle 12 zumindest das Oxidationsmittel
mit einer gewissen Feuchtigkeit zugeführt wird. Dazu ist im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 eine
Einrichtung 30 zum Feuchtigkeitsmanagement innerhalb der
Brennstoffzelle 12 vorgesehen.
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Die
Einrichtung 30 zum Feuchtigkeitsmanagement weist zunächst eine
erste Befeuchtungseinrichtung 31 auf, die als sogenannter
Membranbefeuchter ausgebildet ist. Die Befeuchtungseinrichtung 31 verfügt dazu über eine
Membran 32, die zwei Kammern voneinander trennt. Die Membran 32 ist dabei
derart ausgestaltet, dass sie durchlässig für Feuchtigkeit ist, andere
Bestandteile der an ihr vorbeiströmenden Medien jedoch zurückhält.
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Die
Befeuchtungseinrichtung 31 ist sowohl mit der Oxidationsmittel-Zuleitung 18 als
auch mit der Oxidationsmittel-Ableitung 19 verbunden. Während des
Betriebs der Brennstoffzelle 12 wird in dieser Feuchtigkeit
erzeugt, sodass das aus der Brennstoffzelle 12 austretende
und die Oxidationsmittel-Ableitung 19 durchströmende Oxidationsmittel-Abgas feucht
ist. Dieses feuchte Oxidationsmittel-Abgas durchströmt nun die Befeuchtungseinrichtung 31. Gleichzeitig
wird die Befeuchtungseinrichtung 31 auch von dem noch trockenen,
jedoch zu befeuchtenden Oxidationsmittel – das der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird – durchströmt. Während die
beiden Mediumströme
innerhalb der Befeuchtungseinrichtung 31 aneinander vorbeiströmen, was
vorzugsweise im Gegenstromprinzip erfolgt, wird die Feuchtigkeit
des Oxidationsmittel-Abgases über
die Membran 32 auf das zu befeuchtende Oxidationsmittel übertragen,
was dadurch einen gewissen Feuchtigkeitsgrad erhält. Das nunmehr befeuchtete
Oxidationsmittel wird über
die Oxidationsmittel-Zuleitung 18 weiter zur Kathode 17 der
Brennstoffzelle 12 transportiert. Um diesen Transport genauer
steuern zu können,
ist in der Oxidationsmittel-Zuleitung 18 wenigstens eine Fördereinrichtung 22 vorgesehen,
die beispielsweise als Pumpe, Gebläse oder Kompressor ausgestaltet sein
kann.
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Während des
Betriebs der Brennstoffzelle 12 kann die Situation auftreten,
dass die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 12 unterschiedlich
verteilt ist. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Brennstoffzelle
im Eintrittsbereich relativ trocken ist, während sie im Austrittsbereich
relativ feucht ist. Sowohl eine übermäßige Trockenheit
als auch eine übermäßige Feuchte
sind unerwünscht,
da diese Zustände die
Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 12 herabsetzen und diese im schlimmsten
Fall sogar schädigen
oder unbrauchbar machen.
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Um
diese negativen Zustände
zu vermeiden und um innerhalb der Brennstoffzelle 12 eine
homogene Feuchtigkeitsverteilung beziehungsweise ein homogenes Feuchtigkeitsmanagement
zu gewährleisten,
ist in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß 1 zunächst vorgesehen,
dass die Oxidationsmittel-Zuleitung 18 sowie die Oxidationsmittel-Ableitung 19 über eine
stellbare Verbindungsanordnung 33 miteinander verbunden
sind.
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Dabei
ist die stellbare Verbindungsanordnung 33 in Strömungsrichtung
M des Oxidationsmittels nach der Befeuchtungseinrichtung 31 und
vor der Brennstoffzelle 12 mit der Oxidationsmittel-Zuleitung 18 verbunden.
Weiterhin ist die stellbare Verbindungsanordnung 33 in
Strömungsrichtung
M des Oxidationsmittels nach der Brennstoffzelle 12 und
vor der Befeuchtungseinrichtung 31 mit der Oxidationsmittel-Ableitung 19 verbunden.
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Die
Verbindung der Verbindungsanordnung 33 mit der Zuleitung 18 beziehungsweise
der Ableitung 19 erfolgt zum einen über entsprechende Stellelemente 34, 35,
die beispielsweise als entsprechend ausgestaltete Ventilelemente
ausgebildet sein können.
Die beiden Stellelemente 34, 35 sind vorzugsweise über eine
Verbindungsleitung 36 miteinander verbunden.
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Bei
einer entsprechenden Stellung der Verbindungsanordnung 33,
das heisst bei einer bestimmten Betätigung der Stellelemente 34, 35 wird ein
geschlossener Strömungsweg 45 des
Oxidationsmittels geschaffen, der im Bypass um die erste Befeuchtungseinrichtung 31 herumgeführt wird.
Der geschlossene Strömungsweg 45 wird
dabei durch die erste Zuleitung 18, die Brennstoffzelle 12,
die erste Ableitung 19 sowie die Verbindungsanordnung 33 gebildet.
Wenn die Einrichtung 30 zum Feuchtigkeitsmanagement in
entsprechender Weise gestellt wird, wird das Brennstoffzellensystem 10 im
Umluftbetrieb gefahren, was bedeutet, dass das die Brennstoffzelle verlassende
Oxidationsmittel-Abgas erneut und direkt kathodenseitig der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich innerhalb der Brennstoffzelle 12 eine
homogene Feuchtigkeitsverteilung einstellt.
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Wenn
das gewünschte
Resultat erreicht ist, werden die Stellelemente 34, 35 in
entsprechender Weise gestellt, beispielsweise derart, dass die Verbindungsanordnung 33 und
hier insbesondere die Verbindungsleitung 36 geschlossen
wird. Das Brennstoffzellensystem 10 kann danach wieder
im Normalbetrieb gefahren werden.
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Zusätzlich kann
eine weitere Zuleitung 18a für unbefeuchtetes Oxidationsmittel
vorgesehen sein, die in Strömungsrichtung
M des Oxidationsmittels nach der nach der Befeuchtungseinrichtung 31 in die
erste Zuleitung 18 mündet.
Dies kann über
ein geeignetes Stellelement 23, beispielsweise eine Ventileinrichtung,
oder auch, im einfachen Fall, durch ein strömungstechnisch geeignet dimensioniertes T-Stück, realisiert
werden.
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Durch
die Positionen der Stellelemente 34, 35 und/oder 23 ist
es so möglich,
während
der Homogenisierung sowohl die Feuchte als auch den Oxidationsmittelgehalt
im Umluftstrom zu regeln, wobei das Stellelement 35 indirekt
das Mischungsverhältnis zwischen
befeuchtetem und unbefeuchtetem Oxidationsmittelstrom regelt und
Stellvorrichtung 34 regelt, welcher Anteil des feuchten,
aber oxidationsmittelarmen Stroms der ersten Ableitung 19 wieder über die Verbindungsanordnung 33 zur
Brennstoffzelle 12 zurückgeführt wird.
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Um
zu verhindern, dass bei geöffnetem
Stellelement 35 unbeabsichtigt trockenes Oxidationsmittel
ins System gelangt, kann in der Zuleitung 18a beispielsweise
ein 2-Wege-Ventil 23 angebracht
werden oder der Strömungswiderstand
in der Zuleitung 18a und/oder die Leitungsdimensionen an
der Einmündung
so gewählt
werden, dass dieser Effekt minimiert wird.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 weist zunächst einen ähnlichen
Aufbau sowie eine ähnliche
Funktionsweise wie das Brennstoffzellensystem gemäß 1 auf,
sodass diesbezüglich
auf die vorstehenden Ausführungen
im Zusammenhang mit 1 Bezug genommen und hiermit
verwiesen wird. Zu diesem Zweck sind gleiche Bauteile mit identischen
Bezugziffern versehen worden.
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Im
Unterschied zu 1 ist in 2 zunächst ein
Brennstoffzellenstack 11 ersichtlich, der aus einer Anzahl
einzelner Brennstoffzellen 12 besteht, die hintereinander
angeordnet sind. Um eine bessere Druckverteilung über die
Kathodenkanäle am
Brennstoffzellenstack 11 zu erreichen, ist zunächst eine
Verteilereinrichtung 20 vorgesehen, die mit der Oxidationsmittel-Zuleitung 18 verbunden
ist. Weiterhin ist eine zweite Verteilereinrichtung 21 vorgesehen,
die zur besseren Druckverteilung im Saugbetrieb über die Fördereinrichtung 22 eingesetzt wird.
Diese zweite Verteilereinrichtung 21 ist mit der Oxidationsmittel-Ableitung 19 verbunden.
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Die
Verbindungsanordnung 33 besteht wiederum zunächst aus
einer ersten Befeuchtungseinrichtung 31, die wie bei 1 als
Membranbefeuchter ausgebildet ist.
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Weiterhin
weist die Verbindungsanordnung 33 ein erstes Stellelement 34 auf,
das in der Oxidationsmittel-Ableitung 19 angeordnet ist
und zwischen verschiedenen Zuständen
hin und her schaltbar ist. Zum einen kann das Stellelement 34 so
eingestellt werden, dass das den Brennstoffzellenstack 11 über die
Oxidationsmittel-Ableitung 19 verlassene
Oxidationsmittel-Abgas direkt zur Befeuchtungseinrichtung 31 geleitet
wird, wo es seine Feuchtigkeit auf das den Brennstoffzellenstack 11 zuzuführende Oxidationsmittel übertragen
kann.
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Die
weiteren Schaltungszustände
des Stellelements 34 ermöglichen die Aktivierung einer
Bypassleitung um die erste Befeuchtungseinrichtung 31 herum.
In diesen Schaltungszuständen
wird das Oxidationsmittel-Abgas über
die Verbindungsleitung 36 zu einem zweiten Stellelement 35 und über dieses
in die Oxidationsmittel- Zuleitung 18 eingespeist,
sodass es in der wie im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Weise zurück
in den Brennstoffzellenstack 11 eingespeist werden kann.
Vorteilhaft kann über
die einzelnen Schaltungszustände
der die Verbindungsanordnung 33 durchströmende Mediumstrom
variiert werden.
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Im
Unterschied zu 1 ist in der Oxidationsmittel-Zuleitung 18 gemäß 2 eine
weitere Befeuchtungseinrichtung 40 vorgesehen, die ebenfalls in
Form eines Membranbefeuchters mit einer entsprechenden Membran 41 ausgestaltet
ist. Auf der einen Seite der Membran 41 wird der zu befeuchtende
Oxidationsmittelstrom vorbeigeleitet. Auf der anderen Seite der
Membran 41 wird ein die Feuchtigkeit übertragender Mediumstrom 42 vorbeigeleitet,
sodass dieser seine Feuchtigkeit über die Membran 41 auf
das Oxidationsmittel übertragen
kann. Bei dem die Feuchtigkeit übertragenden
Mediumstrom 42 kann es sich beispielsweise um Reformat
oder Kühlwasser
für die
Brennstoffzellen 12 handeln. Natürlich sind auch andere feuchtigkeitsübertragende
Mediumströme
denkbar.
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In 3 ist
ein Beispiel für
ein Stellelement 34 einer wie in den 1 und 2 dargestellten Verbindungsanordnung 33 dargestellt.
Das Stellelement 34 besteht zunächst aus der Oxidationsmittel-Ableitung 19,
von der eine Verbindungsleitung 36 abzweigt. Um den das
Stellelement 34 durchströmenden Oxidationsmittelstrom
steuern zu können,
ist weiterhin eine bewegliche Stellklappe 37 vorgesehen.
Je nach Stellung der Stellklappe 37 kann der Oxidationsmittelstrom
entweder in die Oxidationsmittel-Ableitung 19 (dieser Zustand
ist in 3 dargestellt) oder in die Verbindungsleitung 36 geleitet
werden.
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In 4 ist
schließlich
ein weiteres Beispiel für
eine Befeuchtungseinrichtung dargestellt. Die in 4 dargestellte
Befeuchtungseinrichtung 50 könnte beispielsweise anstelle
der in den 1 und 2 dargestellten
Befeuchtungseinrichtungen 31 und/oder 40 eingesetzt
werden. Die Befeuchtungseinrichtung 50 gemäß 4 wird
vorzugsweise dann eingesetzt, wenn das Brennstoffzellensystem 10 im Reformatbetrieb
gefahren wird.
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Die
Befeuchtungseinrichtung 50 weist zunächst drei Kammern 54, 56, 58 auf,
die von verschiedenen Mediumströmen
durchströmt
werden. Die einzelnen Kammern sind durch Membranen 51, 52 voneinander
getrennt. Die Membranen 51, 52 sind jeweils in
einer Weise ausgestaltet, dass sie Feuchtigkeit hindurchlassen,
andere Bestandteile der Mediumströme jedoch zurückhalten.
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Bei
einem der Mediumströme,
dem Mediumstrom 53, handelt es sich um einen zu befeuchtenden Mediumstrom.
Dies kann beispielsweise ein noch trockener Oxidationsmittel-Gasstrom
sein. Dieser Mediumstrom 53 durchströmt die Kammer 54 und
kann dort Feuchtigkeit über
die Membranen 51 und 52 in die Kammern 56 und 58 aufnehmen.
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Durch
die Kammer 56 wird ein feuchter Mediumstrom 55 hindurchgeleitet,
bei dem es sich beispielsweise um den aus der Brennstoffzelle beziehungsweise
dem Brennstoffzellenstack austretenden Oxidationsmittel-Abgasstrom
handelt. Bei dem anderen feuchten Mediumstrom 57, der die
Kammer 58 durchströmt,
kann es sich beispielsweise um das der Anode der Brennstoffzelle
zuzuführende
Reformat handeln, das beispielsweise Wasserstoff, Wasser, Dampf
und Kohlendioxid aufweisen kann.
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Insbesondere
dann, wenn das Brennstoffzellensystem 10 im Reformatbetrieb
gefahren wird, kann das der Anode zugeführte Reformat, bei dem es sich
um den Brennstoff der Brennstoffzelle handelt, Feuchtigkeit beinhalten,
die vor Eintritt in die Brennstoffzelle abgegeben werden muss, um
ein Fluten der Anode mit Kondensat zu vermeiden. In dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
wird es möglich, dass
das Anodengas seine Feuchtigkeit an den zunächst trockenen Mediumstrom 53,
bei dem es sich beispielsweise um das Oxidationsmittel handelt,
abgibt.
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Neben
einem einfachen Austausch von Feuchtigkeit ist es mit den Befeuchtungseinrichtungen 31, 40, 50 gemäß den 1, 2 und 4 auch
möglich, dass
die in den Mediumströmen
und damit in den Brennstoffzellen herrschenden Temperaturen homogenisiert
werden können.
-
- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzellenstack
- 12
- Brennstoffzelle
- 13
- Anode
- 14
- Brennstoffzuleitung
- 15
- Brennstoffableitung
- 16
- Membran
- 17
- Kathode
- 18
- Oxidationsmittel-Zuleitung
- 18a
- Oxidationsmittel-Zuleitung
- 19
- Oxidationsmittel-Ableitung
- 20
- Verteilereinrichtung
- 21
- Verteilereinrichtung
- 22
- Fördereinrichtung
- 23
- Stellelement
- 30
- Einrichtung
zum Feuchtigkeitsmanagement
- 31
- Befeuchtungseinrichtung
- 32
- Membran
- 33
- Verbindungsanordnung
- 34
- Stellelement
- 35
- Stellelement
- 36
- Verbindungsleitung
- 37
- Stellklappe
- 40
- Befeuchtungseinrichtung
- 41
- Membran
- 42
- Feuchtigkeit übertragender
Mediumstrom
- 45
- geschlossener
Strömungsweg
- 50
- Befeuchtungseinrichtung
- 51
- Membran
- 52
- Membran
- 53
- zu
befeuchtender Mediumstrom
- 54
- Kammer
- 55
- Feuchtigkeit übertragender
Mediumstrom
- 56
- Kammer
- 57
- Feuchtigkeit übertragender
Mediumstrom
- 58
- Kammer
- M
- Strömungsrichtung
des Mediumstroms