DE10359952A1

DE10359952A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10359952A1
Application number: DE10359952A
Authority: DE
Inventors: Jong Hyun Seongnam Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: US20050008910A1; JP3706937B2; DE10359952B4; KR100534698B1; JP2005032696A; CN1577929A; US7267900B2; CN1307735C; KR20050007645A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem ist vorgesehen mit einem Brennstoffzellensatz beziehungsweise -stack, einer Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas, einer Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas, einer Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle, einem Befeuchter für Brennstoffgas, einem Befeuchter für Oxidationsgas und einer Steuereinrichtung. DOLLAR A Der Befeuchter für Brennstoffgas befeuchtet das von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas, indem er restliches Brennstoffgas verwendet, welches von dem Brennstoffzellensatz abgegeben wird. Der Befeuchter für Oxidationsgas befeuchtet das von der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas dem Brennstoffzellensatz zugeführte Oxidationsgas, indem er restliches Oxidationsgas verwendet, welches von dem Brennstoffzellendatz abgegeben wird.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, welches zur Befeuchtung eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases geeignet ist, die in einen Brennstoffzellensatz beziehungsweise Brennstoffzellen-Stack eingespeist werden, wobei Feuchtigkeit verwendet wird, die im von dem Brennstoffzellensatz beziehungsweise -stapel abgegebenen restlichen Brennstoffgas und restlichen Oxidationsgas enthalten ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Protonen-Austauscher-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist eine Gerätschaft zum Umwandeln von chemischer Energie von Brennstoff (Brennstoffgas) in elektrische Energie.

Eine PEMFC beinhaltet ein festes Polymer als eine Elektrolytmembran (eine Ionen-Austauscher-Membran). Auf der einen Seite der Membran ist eine Anode und auf der anderen Seite der Membran ist eine Kathode angeordnet. Allgemein wird eine Anordnung mit der Membran, der Anode und der Kathode als eine MEA (Membran- und Elekroden-Anordnung) bezeichnet.

Eine übliche Arbeitstemperatur der PEMFC liegt bei weniger als 100 Grad Celsius, und PEMFC wird allgemein als eine Energiequelle für ein Fahrzeug oder als eine kleine elektrische Energiequelle verwendet.

In der PEMFC wird der Anode (Brennstoffelektrode) Wasserstoff und der Kathode (als Luftelektrode) Oxidationsgas (Luft) zugeführt. Der der Anode zugeführte Wasserstoff wird durch einen Katalysator in Wasserstoff-Ionen H⁺ und Elektronen e^– zerlegt. Die Wasserstoff-Ionen werden zur Kathode durch die Membran hindurch geleitet, und die Elektronen werden zur Kathode durch eine Trennplatte aus einem leitenden Material übertragen. Die der Kathode zugeführten Wasserstoff-Ionen und die Elektronen reagieren mit dem der Kathode zugeführten Oxidationsgas unter Erzeugung von Wasser. Zu dieser Zeit bildet der Elektronenfluß von der Anode zur Kathode einen elektrischen Strom, und Wärme und Wasser werden bei der Reaktion auch erzeugt.

Eine solche Reaktion verläuft in der PEMFC wie folgt:

[Reaktion in der Anode] 2H₂ → 4H⁺ + 4e^–
[Reaktion in der Kathode] O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O
[Gesamtreaktion] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + elektrische Energie + thermische Energie

Für einen gleichmäßigen Fluß von Wasserstoff-Ionen von der Anode zur Kathode muß die Membran, durch welche die Wasserstoff-Ionen hindurch fließen, mit ausreichender Feuchtigkeit versorgt werden. Eine Vorrichtung zur Versorgung der Membran mit Feuchtigkeit wird gewöhnlich Befeuchter genannt, und verschiedene Arten von Befeuchtern werden entwickelt.

Wenn die Membran nicht ausreichend befeuchtet wird, wird die Feuchtigkeit auf einer Oberfläche der Membran durch die Gase verdampft, mit denen die Membran beschickt wird.

Dementsprechend fehlt der Membran Feuchtigkeit für die Übertragung der Wasserstoff-Ionen, und die Wasserstoff-Ionen werden nicht übertragen. Dieses verschlechtert eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle.

Wenn andererseits von dem Befeuchter übermäßiges Wasser geliefert wird, oder wenn die Brennstoffzelle unter hoher Belastung arbeitet, so daß in der Brennstoffzelle überschüssiges Wasser erzeugt wird, kann die Membran überschüssiges Wasser erhalten. Wenn die Membran überhöht mit Wasser versorgt wird, wird der Katalysator für die Reaktion der Wasserstoff-Ionen, der Elektronen und des Oxidationsgases von Wasser umspült. Dementsprechend wird der Zugang der Wasserstoff-Ionen und des Oxidationsgases zum Katalysator behindert, so daß die Abgabeleistung der Brennstoffzelle abfällt.

Deshalb muß für einen Betrieb der Brennstoffzelle bei optimalem Wirkungsgrad die zugeführte Feuchtigkeit und das erzeugte Wasser entsprechend der Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, um die vom Befeuchter gelieferte Wassermenge zu regulieren.

Ein herkömmlicher für die PEMFC verwendeter Befeuchter befeuchtet den Wasserstoff und das Oxidationsgas mit Kühlwasser der Brennstoffzelle, das in dem Brennstoffzellensatz zirkuliert.

Bei der Verwendung eines solchen integrierten Befeuchters kann ein Volumen des Brennstoffzellensystems verkleinert werden. Es kann jedoch keine Sicherheit gewährleistet werden, wenn ein Zusammenbaufehler oder ein Stoß von außen auftritt.

Außerdem wird bei der PEMFC mit dem herkömmlichen Befeuchter Wasser für die Befeuchtung von dem Kühlwasser des Brennstoffzellensatzes zugeführt, welches aus deionisiertem Wasser (DI-Wasser) zusammengesetzt ist. Deshalb kann der Befeuchter der PEMFC nicht unterhalb des Gefrierpunktes arbeiten.

Die in diesem Abschnitt über den Hintergrund der Erfindung offenbarten Informationen dienen nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sollen keine Anerkenntnis oder irgendeine Form von Andeutung sein, daß diese Informationen den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann schon bekannt ist.

ZUSAMMENFASSSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, in welchem einem Brennstoffzellensatz zugeführtes Brennstoffgas und Oxidationsgas mit Wasser befeuchtet werden, das im von dem Brennstoffzellensatz beziehungsweise -stapel abgegebenen restlichen Brennstoffgas und restlichen Oxidationsgas enthalten ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem folgendes auf:
einen Brennstoffzellensatz beziehungsweise -stack,
eine Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas,
eine Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas,
eine Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle,
einen Befeuchter für Brennstoffgas,
einen Befeuchter für Oxidationsgas, und
eine Steuereinrichtung.

Die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas führt dem Brennstoffzellensatz Brennstoffgas zu. Die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas führt dem Brennstoffzellensatz Oxidationsgas zu. Die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle läßt Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz zirkulieren, um den Brennstoffzellensatz zu kühlen. Der Befeuchter für Brennstoffgas befeuchtet das von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas, indem er restliches Brennstoffgas verwendet, welches von dem Brennstoffzellensatz abgegeben wird. Der Befeuchter für Oxidationsgas befeuchtet das von der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas dem Brennstoffzellensatz zugeführte Oxidationsgas, indem er restliches Oxidationsgas verwendet, welches von dem Brennstoffzellensatz abgegeben wird. Die Steuereinrichtung steuert die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas, die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas und die Kühlvorrichtung.

Vorzugsweise beinhaltet der Befeuchter für Brennstoffgas ein Paar von Trennplatten und eine Befeuchtermembran. Die Trennplatten sind so angeordnet, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das von dem Brennstoffzellensatz abgegebene Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt. Die Befeuchtermembran ist auf einer Seite der Trennplatten angeordnet, so daß das restliche Brennstoffgas, das von dem Brennstoffzellensatz abgegeben wird, an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und ein von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas dem Brennstoffzellensatz zugeführtes Brennstoffgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt. In dem Kühlmittel, das zwischen dem Paar von Trennplatten hindurch fließt, enthaltene Wärme und die Wärme, die in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, wird auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas übertragen, und das in dem restlichen Brennstoffgas enthaltene Wasser wird dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Brennstoffgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt.

Es ist bevorzugt, daß der Befeuchter für Oxidationsgas ein Paar von Trennplatten und eine Befeuchtermembran aufweist. Die Trennplatten sind so angeordnet, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt. Die Befeuchtermembran ist auf einer Seite der Trennplatten angeordnet, so daß das restliche Oxidationsgas, das von dem Brennstoffzellensatz abgegeben wird, an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und von der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas an den Brennstoffzellensatz zugeführtes Oxidationsgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt. Die in dem Kühlmittel, das zwischen dem Paar von Trennplatten hindurch fließt, enthaltene Wärme und die Wärme, die in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, wird auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas übertragen, und das in dem restlichen Oxidationsgas enthaltene Wasser wird dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Oxidationsgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt.

Vorzugsweise beinhaltet die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle einen Kühler, einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels und eine Kühlmittelpumpe. Der Kühler ist zur Ableitung der Wärme ausgelegt, die im Kühlmittel enthalten ist, nachdem es durch den Brennstoffzellensatz geströmt ist. Der Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels verbindet den Brennstoffzellensatz und den Kühler, so daß das Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz und den Kühler zirkuliert. Die Kühlmittelpumpe ist in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet und pumpt das Kühlmittel dergestalt, so daß das vom Kühler gekühlte Kühlmittel dem Brennstoffzellensatz wieder zugeführt wird, und daß das Kühlmittel, das Wärme im Brennstoffzellensatz aufgenommen hat, wieder dem Kühler zugeführt wird.

Es ist bevorzugt, daß die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle außerdem einen Kühlmittel-Bypass-Durchlauf und einen Kühlmittelfilter aufweist. Der Kühlmittel-Bypass-Durchlauf überbrückt den Brennstoffzellensatz. Der Kühlmittelfilter ist in dem Kühlmittel-Bypass-Durchlauf angeordnet und filtert das Kühlmittel.

Vorzugsweise ist das Kühlmittel eine Frostschutzlösung.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß das Brennstoffzellensystem einen von der Steuereinrichtung gesteuerten Hilfsbefeuchter beinhaltet, wobei der Hilfsbefeuchter Wasser auffängt, welches in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist, und welches in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist, und wobei der Hilfsbefeuchter das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas und das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas befeuchtet.

Vorzugsweise enthält der Hilfsbefeuchter eine Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas, eine Wasserspeichervorrichtung, einen ersten Injektor und einen zweiten Injektor. Die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas kondensiert das durch den Befeuchter für Brennstoffgas strömende restliche Brennstoffgas und das durch den Befeuchter für Oxidationsgas strömende restliche Oxidationsgas. Die Wasserspeichervorrichtung erhält und speichert das Wasser, welches durch die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas gebildet wird. Der erste Injektor spritzt Wasser aus der Wasserspeichervorrichtung in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas ein, während der zweite Injektor Wasser aus der Wasserspeichervorrichtung in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugefühte Oxidationsgas einspritzt.

Vorzugsweise enthält der Hilfsbefeuchter außerdem eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen des in der Wasserspeichervorrichtung gespeicherten Wassers, und es ist bevorzugt, daß die elektrische Heizvorrichtung so gesteuert wird, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer in Betrieb ist, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als eine vorherbestimmte Temperatur.

Der erste und zweite Injektor ist vorzugsweise eine Ultraschall-Einspritzdüse, und diese werden vorzugsweise so gesteuert, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensatzes in Betrieb sind.

Es ist bevorzugt, daß die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas folgendes aufweist:
eine erste Kondensationsvorrichtung,
eine zweite Kondensationsvorrichtung,
einen Kühler,
einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, und
eine Kühlmittelpumpe.

Die erste Kondensationsvorrichtung kondensiert das restliche Brennstoffgas, nachdem es durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist, während die zweite Kondensationsvorrichtung das restliche Oxidationsgas kondensiert, nachdem es durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist. Der Kühler kühlt das Kühlmittel, nachdem es durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung geströmt ist. Der Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels verbindet die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler, so daß das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und dem Kühler zirkuliert. Die Kühlmittelpumpe ist in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet und pumpt das Kühlmittel dergestalt, daß das Kühlmittel nach dem Durchlauf des Kühlers in den Brennstoffzellensatz, danach durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und dann wieder zurück in den Kühler fließt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen, die mit der Beschreibung zusammenhängen und einen Teil der Beschreibung ausmachen, stellen eine Ausgestaltungsform der Erfindung dar, und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Hierbei zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild, welches das Brennstoffzellensystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 einen Befeuchter für Brennstoffgas für das Brennstoffzellensystems nach 1; und
3 einen Befeuchter für Oxidationsgas für das Brennstoffzellensystems nach 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 11 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welches folgendes enthält: einen Brennstoffzellensatz 13, eine Vorrichtung 15 zur Versorgung mit Brennstoffgas, eine Vorrichtung 17 zur Versorgung mit Oxidationsgas, eine Kühlvorrichtung 19 für die Brennstoffzelle, einen Befeuchter 21 für Brennstoffgas, einen Befeuchter 23 für Oxidationsgas, und eine Steuereinrichtung 25.
Die Steuereinrichtung 25 kann einen Prozessor und zugehörige Hardware beinhalten, wie sie basierend auf der Lehre der vorliegenden Erfindung von einem Fachmann ausgewählt und programmiert werden kann.
Der Brennstoffzellensatz 13 enthält eine Vielzahl von Brennstoffzellen, und jede Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine Protonen-Austauscher-Membran-Brennstoffzelle. Der Brennstoffzellensatz 13 erzeugt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoffgas und Oxidationsgas.
In dem Brennstoffzellensystem 11 entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das Brennstoffgas Wasserstoff und das Oxidationsgas Sauerstoff sein. Das Oxidationsgas kann dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt werden, indem Luft einschließlich Sauerstoff dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird.
Die Vorrichtung 15 zur Versorgung mit Brennstoffgas führt den Brennstoffzellensatz Brennstoffgas durch eine Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas zu, und die Vorrichtung 17 zur Versorgung mit Oxidationsgas führt dem Brennstoffzellensatz 13 Oxidationsgas durch eine Versorgungsleitung 29 für Oxidationsgas zu. Die Vorrichtung 15 zur Versorgung mit Brennstoffgas kann ein Brennstoffgastank zum Speichern von Brennstoffgas sein, und die Vorrichtung 17 zur Versorgung mit Oxidationsgas kann ein Gebläse sein, welches Oxidationsgas (genauer: Luft einschließlich Sauerstoff) dem Brennstoffzellensatz 13 zuführt.
Das Oxidationsgas und das Brennstoffgas, die dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt werden, reagieren miteinander, und als Ergebnis dieser Reaktion wird elektrische Energie erzeugt.
Teile des dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführten Oxidationsgases und Brennstoffgases verbleiben als Rest, ohne miteinander reagiert zu haben. Das restliche Brennstoffgas wird von dem Brennstoffzellensatz 13 mittels einer Abgasleitung 31 für restliches Brennstoffgas abgegeben, und das restliche Oxidationsgas wird von dem Brennstoffzellensatz 13 durch eine Abgasleitung 33 für restliches Oxidationsgas abgegeben.
Die Kühlvorrichtung 19 für die Brennstoffzelle gibt Wärme, die in dem Brennstoffzellensatz 13 erzeugt wurde, in die Atmosphäre ab, und verhindert damit, daß die Temperatur des Brennstoffzellensatzes 13 zu hoch ansteigt. Die Kühlvorrichtung 19 für die Brennstoffzelle beinhaltet einen Kühler 35. Anstelle des Kühlers 35 kann irgendein Wärmeaustauscher verwendet werden.
Ein Auslaß des Kühlers 35 ist an einen Einlaß des Brennstoffzellensatzes 13 über eine Zirkulationsleitung 37 für Kühlmittel angeschlossen, und ein Auslaß des Brennstoffzellensatzes 13 ist mit einem Einlaß des Kühlers 35 durch die Zirkulationsleitung 37 für Kühlmittel über die Befeuchter 21 und 23 für Brennstoffgas und Oxidationsgas verbunden.
Eine Kühlmittelpumpe 39 ist in der Zirkulationsleitung 37 für Kühlmittel angeordnet. Die Kühlmittelpumpe 39 pumpt das Kühlmittel in der Zirkulationsleitung 37 für Kühlmittel zur Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühler 35, den Brennstoffzellensatz 13 und durch die Befeuchter 21 und 23 für Brennstoffgas und Oxidationsgas.
Dadurch wird die von dem Brennstoffzellensatz 13 erzeugte Wärme durch das Kühlmittel aufgenommen, und die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme wird im wesentlichen an die Atmosphäre durch den Kühler 35 abgegeben, so daß der Brennstoffzellensatz 13 gekühlt wird.
Bei dem Brennstoffzellensystem 11 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kühlmittel vorzugsweise eine Frostschutzlösung.
Bei dem Brennstoffzellensystem 11 nach der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform wird das Brennstoffgas und das Oxidationsgas, das dem Brennstoffzellensatz 13 jeweils zugeführt wird, befeuchtet, indem das Wasser verwendet wird, welches in dem restlichen Brennstoffgas und dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, welche von dem Brennstoffzellensatz 13 abgegeben werden. Da das Brennstoffgas und das Oxidationsgas nicht durch das Kühlmittel befeuchtet werden, ist es nicht notwendig, daß das Kühlmittel deionisiertes Wasser (DI-Wasser) ist.
Da die Frostschutzlösung als Kühlmittel verwendet wird, kann die Kühlvorrichtung 19 für die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 11 nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur (z.B. bei einer Temperatur unter Null) arbeiten als die eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems.
Zum Beispiel kann das Kühlmittel der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 11 eine Mischung aus Ethylenglycol und reinem Wasser sein (z.B. 50 % Ethylenglycol und 50 % reines Wasser)
Ein Teil des Kühlmittels (z.B. 10 % des Kühlmittels) fließt durch eine Bypass-Leitung 41 für Kühlmittel, welche den Brennstoffzellensatz 13, den Befeuchter 21 für Brennstoffgas und den Befeuchter 23 für Oxidationsgas überbrückt, und durch einen Kühlmittelfilter 43, der in der Bypass-Leitung 41 für Kühlmittel angeordnet ist. Ethylen kann Bauteile korrodieren, durch welche das Kühlmittel hindurch fließt, wobei Verunreinigungen entstehen, die sich dann im Kühlmittel befinden und eine Fehlfunktion des Brennstoffzellensatzes 13 verursachen können. Der Kühlmittelfilter 43 entfernt solche Verunreinigungen aus dem Kühlmittel.
Der Befeuchter 21 für Brennstoffgas befeuchtet das Brennstoffgas, welches dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird.
In den 1 und 2 ist gezeigt, daß Brennstoffgas dem Brennstoffzellensatz 13 durch eine Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas zugeführt wird, und daß restliches Brennstoffgas von dem Brennstoffzellensatz durch die Abgasleitung 31 für Brennstoffgas und den Befeuchter 21 für Brennstoffgas abgegeben wird. Das von dem Brennstoffzellensatz 13 abgegebene Kühlmittel strömt auch durch den Befeuchter 21 für Brennstoffgas.
Der Befeuchter 21 für Brennstoffgas beinhaltet ein Paar von Trennplatten 45 und 47, die so angeordnet sind, daß sie sich gegenüberstehen, und mindestens eine Befeuchtermembran 49 (oder 51). Die Trennplatten 45 und 47 können aus einem Polymer, beispielsweise Polycarbonat, oder Graphit hergestellt sein. Die Befeuchtermembran 49 (oder 51) ist eine Art von Ionen-Austauscher-Membran, und es kann irgendeine Membran sein, welche wasserdurchlässig ist. Wie in 2 gezeigt, ist die Befeuchtermembran 49 außerhalb der Trennplatten 45 und 47 angeordnet.
Das vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebene Kühlmittel strömt zwischen dem Paar von Trennplatten 45 und 47 hindurch.
Das vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebene restliche Brennstoffgas strömt auf einer Seite der Befeuchtermembran 49 (oder 51), und das Brennstoffgas, welches dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird, strömt auf der anderen Seite der Befeuchtermembran 49.
Da das Kühlmittel zwischen den Trennplatten 45 und 47 hindurch fließt, ist die Strömung des Kühlmittels von den Strömungen des Brennstoffgases getrennt, welches dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt und von ihm abgegeben wird.
Da das von dem Brennstoffzellensatz 13 abgegebene restliche Brennstoffgas an einer Seite der Befeuchtermembran 49 vorbei strömt, und das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Brennstoffgas auf der anderen Seite der Befeuchtermembran 49 vorbei strömt, wird Wasser, welches in dem vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebenen restlichen Brennstoffgas enthalten ist, auf das Brennstoffgas durch die Befeuchtermembran 49 übertragen, welches dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird, wobei das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Brennstoffgas befeuchtet wird. Außerdem wird die in dem Kühlmittel und dem von dem Brennstoffzellensatz 13 abgegebenen restlichen Brennstoffgas enthaltene Wärme auf das Brennstoffgas übertragen, welches dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird.
Durch Regulierung der Flächen und Anzahl der Trennplatten 45 und 47 und der Befeuchtermembranen 49 und 51 kann das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Brennstoffgas geeignet befeuchtet werden. Vorzugsweise wird das Brennstoffgas durch den Befeuchter 21 für das Brennstoffgas so befeuchtet, daß der Wert der relativen Feuchte des zugeführten Brennstoffgases 75 ± 10 % relativer Feuchte beträgt.
Wie 3 darstellt, hat der Befeuchter 23 für das Oxidationsgas einen ähnlichen Aufbau wie der Befeuchter 21 für das Brennstoffgas.
Der Befeuchter 23 für das Oxidationsgas beinhaltet ein Paar von Trennplatten 53 und 55, die gegenüberliegend angeordnet sind, und mindestens eine Befeuchtermembran 57 (oder 59).
Das vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebene Kühlmittel strömt zwischen dem Paar der Trennplatten 53 und 55 hindurch. Das vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebene restliche Oxidationsgas strömt auf einer Seite der Befeuchtermembran 57, und das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Oxidationsgas strömt auf der anderen Seite der Befeuchtermembran 57 (oder 59).
Die Trennplatten 53 und 55 können aus dem gleichen Material hergestellt werden wie die Trennplatten 45 und 47 des Befeuchters 21 für das Brennstoffgas, und die Befeuchtermembran 57 kann auch aus dem gleichen Werkstoff hergestellt werden wie die Befeuchtermembran 49 des Befeuchters 21 für das Brennstoffgas.
Deshalb wird Wasser, welches in dem vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebenen restlichen Oxidationsgas enthalten ist, durch die Befeuchtermembran 57 auf das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Oxidationsgas übertragen. Dementsprechend wird das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Oxidationsgas befeuchtet.
Zusätzlich wird Wärme, welche in dem Kühlmittel und in dem vom Brennstoffzellensatz abgegebenen restlichen Oxidationsgas enthalten ist, auf das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Oxidationsgas übertragen.
Ähnlich wie beim Befeuchter 21 für das Brennstoffgas kann das dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführte Oxidationsgas durch Regulierung der Flächen und Anzahl von Trennplatten 53 und 55 und der Befeuchtermembranen 57 und 59 geeignet befeuchtet werden.
Es ist bevorzugt, daß das Oxidationsgas durch den Befeuchter 23 für das Oxidationsgas so befeuchtet wird, daß die relative Feuchte des zugeführten Oxidationsgases einen Wert von 35 ± 10 % relativer Feuchte aufweist.
Das Brennstoffzellensystem 11 nach der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Rückführungseinheit 61 für Brennstoffgas zum Rückführen eines Teils des vom Brennstoffzellensatz 13 abgegebenen restlichen Brennstoffgases.
Die Rückführungseinheit 61 für Brennstoffgas ist in einer Rückführungsleitung 63 für Brennstoffgas angeordnet, welche die Abgasleitung 31 für Brennstoffgas und die Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas verbindet, und sie zwingt einen Teil des abgegebenen Brennstoffgases in die Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas, so daß das Brennstoffgas dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt wird. Zum Beispiel kann die Rückführungseinheit 61 für Brennstoffgas ein Kompressor sein.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 11 enthält außerdem einen Hilfsbefeuchter 65 zur Befeuchtung des Brennstoffgases und des Oxidationsgases, welche dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt werden. Der Hilfsbefeuchter 65 fängt Wasser von dem restlichen Brennstoffgas auf, weiches durch den Befeuchter 27 für das Brennstoffgas geströmt ist, sowie von dem restlichen Oxidationsgas, welches durch den Befeuchter 29 für das Oxidationsgas geströmt ist, und befeuchtet unter Verwendung des aufgefangenen Wassers das Oxidationsgas und das Brennstoffgas, welche dem Brennstoffzellensatz 13 zugeführt werden.
Der Hilfsbefeuchter 65 beinhaltet eine Kondensationsvorrichtung 67 für Abgas zur Kondensierung von Wasser, welches in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, das durch den Befeuchter 21 für Brennstoffgas hindurch geströmt ist, und welches in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, das durch den Befeuchter 23 für Oxidationsgas hindurch geströmt ist. Es beinhaltet eine erste Kondensationsvorrichtung 69 zum Kondensieren des restlichen Brennstoffgases, das durch den Befeuchter 21 für Brennstoffgas hindurch geströmt ist, und eine zweite Kondensationsvorrichtung 71 zum Kondensieren des restlichen Oxidationsgases, das durch den Befeuchter 23 für Oxidationsgas hindurch geströmt ist.
Die erste und zweite Kondensationsvorrichtung 69 und 71 ist über eine Zirkulationsleitung 73 für Kühlmittel an einen Kühler 75 angeschlossen.
Eine Kühlmittelpumpe 77 ist in der Zirkulationsleitung 73 für Kühlmittel angeordnet, und die Kühlmittelpumpe 77 pumpt das Kühlmittel derart, daß das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung 69 und 71 und durch den Kühler 75 über die Zirkulationsleitung 73 für Kühlmittel zirkuliert.
Während das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung 69 und 71 strömt, kondensiert die erste und zweite Kondensationsvorrichtung Wasser, was im restlichen Brennstoffgas und im restlichen Oxidationsgas enthalten ist, wobei es ermöglicht wird, daß Wasser vom restlichen Abgas aufgefangen wird. Das von der ersten und zweiten Kondensationsvorrichtung 69 und 71 aufgefangene Wasser wird in einer Wasserspeichervorrichtung 79 gespeichert.
In dieser Zeit kann vorzugsweise ein Motor 89 und eine Motorsteuereinrichtung 91 durch Verwendung des Kühlmittels, welches durch die Kondensationsvorrichtung 67 für Abgas zirkuliert, gekühlt werden.
Zusätzlich beinhaltet der Hilfsbefeuchter 65 einen ersten Injektor 81 für Wasser, welcher in der Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas angeordnet ist, um Wasser in das Brennstoffgas in der Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas einzuspritzen, und einen zweiten Injektor 83 für Wasser, welcher in der Versorgungsleitung 29 für Oxidationsgas angeordnet ist, um Wasser in das Oxidationsgas in der Versorgungsleitung 29 für Oxidationsgas einzuspritzen.
Der erste und zweite Injektor 81 und 83 für Wasser kann jeweils eine Ultraschall-Mikroeinspritzdüse sein. Eine Ultraschall-Mikroeinspritzdüse ist ein Bauteil zum Einspritzen von Flüssigkeiten unter Verwendung von Ultraschall. Die Ultraschall-Mikroeinspritzdüse ist gut bekannt, so daß weitere Erläuterungen derselben ausgelassen werden.
Jeder Injektor 81 und 83 für Wasser wird mit Wasser versorgt. Der erste Injektor 81 für Wasser spritzt das ihm zugeführte Wasser in die Versorgungsleitung 27 für Brennstoffgas ein, und der zweite Injektor 83 für Wasser spritzt das ihm zugeführte Wasser in die Versorgungsleitung 29 für Oxidationsgas ein.
Die Steuereinrichtung 25 steuert den Betrieb des ersten Injektors 81 und des zweiten Injektors 83 für Wasser. Es ist bevorzugt, daß der erste Injektor 81 und der zweite Injektor 83 für Wasser so gesteuert werden, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer (z.B. 10 Sekunden) nach dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 11 arbeiten. Da in einem anfänglichen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 11 in dem restlichen Oxidationsgas und in dem restlichen Brennstoffgas Wasser nicht ausreichend enthalten ist, wird das zugeführte Brennstoffgas und das zugeführte Oxidationsgas durch den Hilfsbefeuchter 65 im anfänglichen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 11 befeuchtet.
Zu diesem Zeitpunkt ist es bevorzugt, daß das Brennstoffgas auf eine relative Feuchte von 75 ± 10 % relativer Feuchte und das Oxidationsgas auf eine relative Feuchte von 35 ± 10 % relativer Feuchte befeuchtet wird.
Vorzugsweise besitzt die Wasserspeichervorrichtung 79 eine geeignete Größe zum Speichern einer Wassermenge zur Befeuchtung des Oxidationsgases und des Brennstoffgases für ungefähr 10 Sekunden.
Das Brennstoffzellensystem 11 nach der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform beinhaltet weiterhin eine Heizeinrichtung 85, die in der Wasserspeichervorrichtung 79 angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 85 kann irgendein beliebiges Gerät zur Erzeugung von Wärme durch elektrische Energie sein, die von einer externen Energiequelle zur Verfügung gestellt wird (z.B. einer Batterie). Wenn das in der Wasserspeichervorrichtung 79 gespeicherte Wasser gefroren ist, kann die Heizvorrichtung 85 dieses schmelzen.
Die Steuereinrichtung 25 steuert den Betrieb der Heizvorrichtung 85. Es ist bevorzugt, daß die Steuereinrichtung 25 die Heizvorrichtung 85 so steuert, daß sie im Betrieb ist, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als eine vorher festgelegte Temperatur ist (z.B. 4°). Die Umgebungstemperatur kann durch einen Temperatursensor (nicht dargestellt) ermittelt werden.
Das Brennstoffzellensystem 11 beinhaltet eine Speichervorrichtung 87 für Kühlmittel zum Speichern des Kühlmittels, welches durch die Kühlvorrichtung 19 für die Brennstoffzelle und durch die Kondensationsvorrichtung 67 für Abgas zirkuliert.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben detailliert beschrieben sind, sollte es klar verständlich sein, daß viele Variationen und/oder Modifikationen des grundlegenden erfindungsmäßigen Konzepts, dessen Lehre hier aufgeführt ist, welche sich für den Fachmann zeigen, sich noch im Gedanken und im Bereich der vorliegenden Erfindung befinden, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Oxidationsgas und das Brennstoffgas durch das Wasser befeuchtet, welches im restlichen Oxidationsgas und restlichen Brennstoffgas enthalten ist, welches vom Brennstoffzellensatz abgegeben ist, so daß es möglich ist, eine Frostschutzlösung als Kühlmittel zu verwenden. Deshalb kann das Brennstoffzellensystem bei Temperaturen unter Null arbeiten.
Da das Brennstoffzellensystem entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Hilfsbefeuchter beinhaltet, kann außerdem das Brennstoffgas und das Oxidationsgas in dem anfänglichen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems befeuchtet werden.

Claims

Brennstoffzellensyttem mit: einem Brennstoffzellensatz; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Brennstoffgas; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Oxidationsgas; einer Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle zur Zirkulation von Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz zur Kühlung des Brennstoffzellensatzes; einem Befeuchter für Brennstoffgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführten Brennstoffgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Brennstoffgas verwendet wird; einem Befeuchter für Oxidationsgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführten Oxidationsgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Oxidationsgas verwendet wird; und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas, der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas und der Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle, wobei der Befeuchter für Brennstoffgas folgendes beinhaltet: ein Paar von Trennplatten, welche so angeordnet sind, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das von dem Brennstoffzellensatz abgegebene Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt; und eine Befeuchtermembran, welche auf einer Seite der Trennplatten angeordnet ist, so daß restliches von dem Brennstoffzellensatz abgegebenes Brennstoffgas an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas an den Brennstoffzellensatz zugeführtes Brennstoffgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt, und wobei in dem zwischen dem Paar Trennplatten hindurch fließenden Kühlmittel enthaltene Wärme und in dem restlichen Brennstoffgas enthaltene Wärme auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas übertragen und in dem restlichen Brennstoffgas enthaltenes Wasser dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Brennstoffgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle folgendes aufweist: einen Kühler, ausgelegt zur Ableitung der Wärme, die im Kühlmittel enthalten ist, das durch den Brennstoffzellensatz geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, welcher den Brennstoffzellensatz und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist, und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das vom Kühler gekühlte Kühlmittel dem Brennstoffzellensatz zugeführt wird, und daß das Kühlmittel mit im Brennstoffzellensatz aufgenommener Wärme dem Kühler zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle weiterhin folgendes aufweist: einen Kühlmittel-Bypass-Durchlauf, welcher den Brennstoffzellensatz überbrückt; und einen Kühlmittelfilter, welcher in dem Kühlmittel-Bypass-Durchlauf angeordnet ist und das Kühlmittel filtert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: das Kühlmittel eine Frostschutzlösung ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, welches weiterhin einen von der Steuereinrichtung gesteuerten Hilfsbefeuchter beinhaltet, wobei der Hilfsbefeuchter Wasser auffängt, welches in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist, und welches in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist, und wobei der Hilfsbefeuchter das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas und das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas befeuchtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei der Hilfsbefeuchter folgendes beinhaltet: eine Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas zur Kondensation des durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmten restlichen Brennstoffgases und des durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmten restlichen Oxidationsgases; eine Wasserspeichervorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wasser, welches durch die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas gebildet wird; einen ersten Injektor zum Einspritzen von in der Wasserspeichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas; einen zweiten Injektor zum Einspritzen von in der Wasser speichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Hilfsbefeuchter weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen des in der Wasserspeichervorrichtung gespeicherten Wassers aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die elektrische Heizvorrichtung so gesteuert wird, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer in Betrieb ist, wenn eine Umgebungstemperatur niedriger ist als eine vorherbestimmte Temperatur.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der erste und zweite Injektor Ultraschall-Einspritzdüsen sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der erste und zweite Injektor so gesteuert werden, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensatzes im Betrieb sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas folgendes aufweist: eine erste Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Brennstoffgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist; eine zweite Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Oxidationsgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist; einen Kühler, welcher ein Kühlmittel kühlt, das durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, der die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das Kühlmittel, welches durch den Kühler geströmt ist, in den Brennstoffzellensatz, in die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und dann wieder zurück in den Kühler fließt.
Brennstoffzellensyttem mit: einem Brennstoffzellensatz; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Brennstoffgas; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Oxidationsgas; einer Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle zur Zirkulation von Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz zur Kühlung des Brennstoffzellensatzes; einem Befeuchter für Brennstoffgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführten Brennstoffgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Brennstoffgas verwendet wird; einem Befeuchter für Oxidationsgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführten Oxidationsgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Oxidationsgas verwendet wird; und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas, der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas und der Kühlvorrichtung für die Brennstoffzellen, wobei der Befeuchter für Oxidationsgas folgendes beinhaltet: ein Paar von Trennplatten, welche so angeordnet sind, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das von dem Brennstoffzellensatz abgegebene Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt; und eine Befeuchtermembran, welche auf einer Seite der Trennplatten angeordnet ist, so daß restliches von dem Brennstoffzellensatz abgegebenes Oxidationsgas an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und von der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas an den Brennstoffzellensatz zugeführtes Oxidationsgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt, und wobei in dem zwischen dem Paar Trennplatten hindurch fließenden Kühlmittel enthaltene Wärme und in dem restlichen Oxidationsgas enthaltene Wärme auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Oxidationsgas übertragen und in dem restlichen Oxidationsgas enthaltenes Wasser dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Oxidationsgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle folgendes aufweist: einen Kühler, ausgelegt zur Ableitung der Wärme, die im Kühlmittel enthalten ist, das durch den Brennstoffzellensatz geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, welcher den Brennstoffzellensatz und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist, und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das vom Kühler gekühlte Kühlmittel dem Brennstoffzellensatz zugeführt wird, und daß das Kühlmittel mit im Brennstoffzellensatz aufgenommener Wärme dem Kühler zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle weiterhin folgendes aufweist: einen Kühlmittel-Bypass-Durchlauf, welcher den Brennstoffzellensatz überbrückt; und einen Kühlmittelfilter, welcher in dem Kühlmittel-Bypass-Durchlauf angeordnet ist und das Kühlmittel filtert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei: das Kühlmittel eine Frostschutzlösung ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, welches weiterhin einen von der Steuereinrichtung gesteuerten Hilfsbefeuchter beinhaltet, wobei der Hilfsbefeuchter Wasser auffängt, welches in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist, und welches in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist, und wobei der Hilfsbefeuchter das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas und das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas befeuchtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei der Hilfsbefeuchter folgendes beinhaltet: eine Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas zur Kondensation des durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmten restlichen Brennstoffgases und des durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmten restlichen Oxidationsgases; eine Wasserspeichervorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wasser, welches durch die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas gebildet wird; einen ersten Injektor zum Einspritzen von in der Wasserspeichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas; einen zweiten Injektor zum Einspritzen von in der Wasserspeichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei der Hilfsbefeuchter weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen des in der Wasserspeichervorrichtung gespeicherten Wassers aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei die elektrische Heizvorrichtung so gesteuert wird, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer im Betrieb ist, wenn eine Umgebungstemperatur niedriger ist als eine vorherbestimmte Temperatur.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei der erste und zweite Injektor Ultraschall-Einspritzdüsen sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei der erste und zweite Injektor so gesteuert werden, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensatzes im Betrieb sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas folgendes aufweist: eine erste Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Brennstoffgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist; eine zweite Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Oxidationsgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist; einen Kühler, welcher ein Kühlmittel kühlt, das durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, der die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das Kühlmittel, welches durch den Kühler geströmt ist, in den Brennstoffzellensatz, in die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und dann wieder zurück in den Kühler fließt.
Brennstoffzellensyttem mit: einem Brennstoffzellensatz; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Brennstoffgas; einer Vorrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellensatzes mit Oxidationsgas; einer Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle zur Zirkulation von Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz zur Kühlung des Brennstoffzellensatzes; einem Befeuchter für Brennstoffgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführten Brennstoffgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Brennstoffgas verwendet wird; einem Befeuchter für Oxidationsgas zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführten Oxidationsgas, indem vom Brennstoffzellensatz abgegebenes restliches Oxidationsgas verwendet wird; und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas, der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas und der Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle, wobei der Befeuchter für Brennstoffgas folgendes beinhaltet: ein Paar von Trennplatten, welche so angeordnet sind, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das von dem Brennstoffzellensatz abgegebene Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt; und eine Befeuchtermembran, welche auf einer Seite der Trennplatten angeordnet ist, so daß restliches von dem Brennstoffzellensatz abgegebenes Brennstoffgas an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas an den Brennstoffzellensatz zugeführtes Brennstoffgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt, wobei in dem zwischen dem Paar Trennplatten hindurch fließenden Kühlmittel enthaltene Wärme und in dem restlichen Brennstoffgas enthaltene Wärme auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Brennstoffgas übertragen und in dem restlichen Brennstoffgas enthaltenes Wasser dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Brennstoffgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt wird, wobei der Befeuchter für Oxidationsgas folgendes beinhaltet: ein Paar von Trennplatten, welche so angeordnet sind, daß sie sich gegenüberstehen, so daß das von dem Brennstoffzellensatz abgegebene Kühlmittel zwischen diesen hindurch fließt; und eine Befeuchtermembran, welche auf einer Seite der Trennplatten angeordnet ist, so daß restliches von dem Brennstoffzellensatz abgegebenes Oxidationsgas an einer Seite der Befeuchtermembran strömt, und von der Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas an den Brennstoffzellensatz zugeführtes Oxidationsgas an der anderen Seite der Befeuchtermembran strömt, und wobei in dem zwischen dem Paar Trennplatten hindurch fließenden Kühlmittel enthaltene Wärme und in dem restlichen Oxidationsgas enthaltene Wärme auf das dem Brennstoffzellensatz zugeführte Oxidationsgas übertragen und in dem restlichen Oxidationsgas enthaltenes Wasser dem dem Brennstoffzellensatz zugeführten Oxidationsgas durch die Befeuchtungsmembran zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle Folgendes aufweist: einen Kühler, ausgelegt zur Ableitung der Wärme, die im Kühlmittel enthalten ist, das durch den Brennstoffzellensatz geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, welcher den Brennstoffzellensatz und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch den Brennstoffzellensatz und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist, und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das vom Kühler gekühlte Kühlmittel dem Brennstoffzellensatz zugeführt wird, und daß das Kühlmittel mit im Brennstoffzellensatz aufgenommener Wärme dem Kühler zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei die Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle weiterhin folgendes aufweist: einen Kühlmittel-Bypass-Durchlauf, welcher den Brennstoffzellensatz überbrückt; und einen Kühlmittelfilter, welcher in dem Kühlmittel-Bypass-Durchlauf angeordnet ist und das Kühlmittel filtert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei: das Kühlmittel eine Frostschutzlösung ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, welches weiterhin einen von der Steuereinrichtung gesteuerten Hilfsbefeuchter beinhaltet, wobei der Hilfsbefeuchter Wasser auffängt, welches in dem restlichen Brennstoffgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist, und welches in dem restlichen Oxidationsgas enthalten ist, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist, und wobei der Hilfsbefeuchter das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas und das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas befeuchtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, wobei der Hilfsbefeuchter folgendes beinhaltet: eine Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas zur Kondensation des durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmten restlichen Brennstoffgases und des durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmten restlichen Oxidationsgases; eine Wasserspeichervorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wasser, welches durch die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas gebildet wird; einen ersten Injektor zum Einspritzen von in der Wasserspeichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas zugeführte Brennstoffgas; einen zweiten Injektor zum Einspritzen von in der Wasserspeichervorrichtung gespeichertem Wasser in das dem Brennstoffzellensatz durch die Vorrichtung zur Versorgung mit Oxidationsgas zugeführte Oxidationsgas
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, wobei der Hilfsbefeuchter weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen des in der Wasserspeichervorrichtung gespeicherten Wassers aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei die elektrische Heizvorrichtung so gesteuert wird, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer im Betrieb ist, wenn eine Umgebungstemperatur niedriger ist als eine vorherbestimmte Temperatur.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, wobei der erste und zweite Injektor Ultraschall-Einspritzdüsen sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, wobei der erste und zweite Injektor so gesteuert werden, daß sie für eine vorherbestimmte Zeitdauer nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensatzes im Betrieb sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, wobei die Kondensationsvorrichtung für restliches Abgas folgendes aufweist: eine erste Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Brennstoffgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Brennstoffgas geströmt ist; eine zweite Kondensationsvorrichtung, welche das restliche Oxidationsgas kondensiert, das durch den Befeuchter für Oxidationsgas geströmt ist; einen Kühler, welcher ein Kühlmittel kühlt, das durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung geströmt ist; einen Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels, der die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler verbindet, so daß das Kühlmittel durch die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und den Kühler zirkuliert; und eine Kühlmittelpumpe, welche in dem Durchlauf für die Zirkulation des Kühlmittels angeordnet ist und das Kühlmittel dergestalt pumpt, daß das Kühlmittel, welches durch den Kühler geströmt ist, in den Brennstoffzellensatz, in die erste und zweite Kondensationsvorrichtung und dann wieder zurück in den Kühler fließt.