WO2008028550A1 - Vorrichtung und verfahren zum befeuchten eines zu einer brennstoffzelle strömenden gasstroms - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum befeuchten eines zu einer brennstoffzelle strömenden gasstroms Download PDF

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Stefan M. Senft
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Definitions

  • the invention relates to a device for humidifying a gas flow flowing to a fuel cell with a humidifier and a bypass line leading to the humidifier according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1 and a method for humidifying a gas flow flowing to a fuel cell with a humidifier and a bypass line leading around the humidifier according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 3.
  • US Pat. No. 6,884,534 also describes how the supply air to a fuel cell is moistened. Again, a humidifier is present, which can be bypassed by means of a bypass line. In order to set the humidity to a predetermined value, the air is passed in an appropriate amount through the humidifier and / or the bypass line and mixed again before entering the cathode of the fuel cell. The regulation of the air volumes through / around the humidifier is done by means of a throttle valve or a proportional valve. This divides the air flow between the bypass line and the humidifier depending on the measured gas humidity.
  • the great advantage of the device according to the invention is that instead of a failure-prone, movable valve or a diaphragm, a comparatively simple and inexpensive valve can be used, which only knows the closed position and the open position. Due to the fact that this valve can be switched in a clocked manner, a quantity of gas corresponding to the cycle can pass through the valve, so that a predetermined time is achieved Volume flow can be set.
  • a digital control of the valve for example by means of a clocked signal, the clock frequency is set according to the desired flow rate, can be a very cost-effective and easy to implement on conventional digital control devices construction.
  • a method according to claim 3 solves the above object as well.
  • both a part of the dry to be humidified gas and a part of the moisture supplier can be performed in a bypass line to the humidifier.
  • the timing of the valve sets in the humidifier, a suitable flow rate, so that either by the mixture of humidified and non-humidified gas, or the deliberately passed through the humidifier amount of moisture, after the humidifier easily set the desired humidity in the mixed gas stream is.
  • both described variants of the bypass line can be combined with each other.
  • the clock frequency and / or the duty cycle ratio of the valve operation is set variable depending on a parameter.
  • This parameter may be, for example, the humidity of the gas stream or else a value characterizing the fuel cell itself, such as the power output or the like.
  • the humidification can So be set according to a variation of the clock frequency or via a pulse width modulated control of the clocked valve accordingly.
  • FIG. 1 is a relevant to the invention section of a fuel cell system. and FIG. 2 shows a humidifier with bypass line in an alternative embodiment.
  • FIG. 1 shows part of a fuel cell system 1.
  • the fuel cell 2 which is typically constructed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack.
  • the fuel cell 2 In the fuel cell 2 are substantially a cathode chamber 3 and an anode chamber 4, which are separated from each other in the example shown here by a proton-conducting membrane.
  • the cathode chamber 3 is supplied as the oxygen-containing medium air, the anode chamber 4, for example, hydrogen, which could originate from a hydrogen pressure tank.
  • hydrogen sources such as a gas generating system or the like, are conceivable.
  • the gas stream flowing to the fuel cell 2, air in the following example, is conducted by a corresponding air supply unit 6 to the fuel cell 2.
  • the air supply unit may consist, for example, of a filter device 7 and a compressor 8, which cleans ambient air accordingly and delivers it to the fuel cell 2.
  • the membrane 5 is correspondingly moistened, since drying out of the membrane 5 adversely affects its functionality and the performance of the fuel cell 2 deteriorates extremely. If the membranes 5 have dried out accordingly, permanent damage to the membrane 5 and thus to the fuel cell 2 can also occur.
  • the moisture contained in the fuel cell 2 must not exceed a certain level together with the product water produced in the reaction, since this leads to a "flooding" of the fuel cell 2, which also adversely affects their performance.
  • a humidifier 9 is located between the air supply unit 6 and the fuel cell 2.
  • the humidifier 9 can in principle be constructed as desired, for example in such a way that the air flows through a liquid tank or a porous wet sponge and absorbs the corresponding moisture.
  • humidification has become established in recent years in such a way that the humidifier 9 membrane humidifier is formed.
  • This membrane 12 which may be in the form of hollow fiber membranes, for example, is impermeable to gases and liquids, but allows water vapor to pass through.
  • the moist gas in the space 10 may be the moist exhaust gas leaving the fuel cell 2.
  • the air flow flowing from the air supply device 6 to the fuel cell 2 preferably absorbs moisture from the moist exhaust gas in the humidifier 9 in the fuel cell system 1 anyway.
  • the humidification of the air typically results from the present current conditions of the fuel cell system 1, such as from the temperature, from the flow, from the pressure, etc.
  • valve 14 now allows influencing the volume flow, depending on the arrangement either by the humidifier 9 or by the bypass line 13.
  • the valve 14 and the valves 14, 14' are in this case as a particularly simple valves 14, 14 ' formed, which only know an open position and a closed position.
  • solenoid valves can be selected for this purpose, which can be opened and closed electrically very easily.
  • valves 14, 14 ' In order to be able to adjust the volume flow flowing through the bypass line 13 or the humidifier 9, these valves 14, 14 'are opened and closed in a clocked manner. This pulsed activation alternately generates a volume flow and no volume flow. In terms of time, the volume flow in the bypass line 13 and / or the humidifier 9 can thus be influenced directly. Depending on in which of the sections the valve 14, 14 'is arranged. The frequency of the timing, ie how long the valves 14, 14 'are open or closed, plays a minor role, since the fuel cell 2 and the moisture exchange in their membranes 5 is sufficiently sluggish, even for a few seconds with dry air cope.
  • valves 14, 14 ' With regard to the possible actuation of the valves 14, 14 ', reference is also made to DE 101 60 477 A1, which shows such actuations of actuators.
  • valve 14 ' If only one valve 14, 14 'is present, a corresponding volume flow will set in the other branch.
  • the moisture in the after the bypass line 13 again mixed to the cathode 3 of the fuel cell 2 flowing gas flow can be ideally adjusted.
  • a corresponding sensor monitored directly or indirectly For the direct monitoring of humidity, all known types of humidity sensors are suitable. Such a sensor is shown by way of example in FIG. 1 and provided with the reference numeral 15. Such a direct moisture measurement can take place, for example, via one and / or several of the sensors briefly described below.
  • the moisture can be done for example by measuring the speed of sound in the wet gas.
  • Alternative is the evaporation measurement or the evaporation process conceivable. This is based on the principle that in dry ambient air more water evaporates than in accordance with humid ambient air. A possibility that uses this is a psychrometer. In doing so, one makes use of this property and measures the air temperature directly and once the temperature of a humidified temperature sensor.
  • Another alternative is hygroscopic methods. These methods are all based on the fact that a body (sensor) absorbs water when the humidity increases and releases it again when the humidity decreases. This changes the properties of the body, which are then measurable, for example, via capacitive or resistive sensors. In addition, spectral methods are conceivable.
  • the moisture content of the air in% by volume is determined directly by means of a zirconium oxide solid electrolyte sensor via oxygen displacement or substitution by water vapor present.
  • the humidity can also be determined indirectly or it can be indirectly concluded that the humidity. Such an indirect conclusion on the humidity allows, for example, the performance of the fuel cell 2, which is better with sufficiently humidified membranes 5, as when the membranes 5 start to dry out.
  • a temperature sensor can be attached in parallel, which very easily allows at least rough conclusions about the humidity via the mechanisms already explained above. Thus, when the two values are combined, a comparatively good conclusion about the humidity is easily possible.
  • Such an indirect monitoring device is shown here by way of example as an optional sensor with the reference numeral 16.
  • These directly and / or indirectly determined conclusions about the humidity of the fuel cell 2 supplied air then get into a corresponding control unit 17, which controls the two valves 14, 14 'or the one valve 14 or 14' accordingly.
  • this control can be adjusted via a pulse width modulation of the clock pause ratio or influencing the clock frequency so that the corresponding humidity in the re-mixed gas flow via the control unit 17 or regulate directly with appropriate sensors (eg with a PID controller) leaves.
  • the two valves 14, 14 ' if these two are present, in opposite directions to control so that the air flows alternately through the bypass line 13 or the humidifier 9, in a way that after the Bypass line 13 again mixed air on average has the desired humidity. If the cross sections are alternately opened in temporal change, the same cross section through which the humidifier 9 and the bypass line 13 are combined is always available. As a result, pressure pulsations in the lines after the merge can be minimized or largely avoided, so that the cathode chamber 3 of the fuel cell 2 is acted upon by a uniform gas flow and any pressure fluctuations do not affect the other components and / or the membrane.
  • valve 14 'in the humidifier 9 it is of course also possible to integrate the valve 14 'in the humidifier 9 or to arrange this behind the humidifier 9, so that the valve 14' between the humidifier 9 and the coincidence of coming from the humidifier 9 line the comes to rest with the bypass line 13.
  • FIG. 2 shows an alternative in a detail from the above FIG. 1.
  • This section shows only the humidifier 9 and the cathode compartment 3 of the fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 supplied gas passes here from an air supply unit 6, not shown here through the one space 11 of the humidifier 9 through to the cathode compartment 3 of the fuel cell 2.
  • the moisture is provided, which moisturizes through the permeable to water vapor membrane 12 through the gas flowing to the cathode compartment 3 of the fuel cell 2 gas stream.
  • This moisture can come from any source.
  • the exhaust gas of the cathode compartment 3 which can be passed as a moisture supplier through the space 10 of the humidifier 9 therethrough.
  • the air flow is not divided into two branches by the humidifier 9 and the humidifier 9, but the moist gas flow now experiences this division.
  • Fig. 2 so the principle alternative is shown, instead of the humidified air to offer the humidity offered in a bypass line 13 'to the humidifier 9 and thus not the humidification, but to influence the supply of moisture so that the desired values set in the guided to the fuel cell 2 air.
  • the structure of the fuel cell system 1 in each of the described types is particularly simple and efficient. It can be easily, easily and inexpensively performed by the clocked controllable valves, in particular solenoid valves. The control is possible simply and efficiently on the basis of measured values which are already present in the system. Thus, a very compact, lightweight and cost-effective design of a fuel cell system 1 can be realized, which always has the required humidity in the supply air.
  • the bypass line 13 to the humidifier 13 and / or the bypass line 13 'of the humid air 13 to the humidifier 9 can be provided for particularly cases, such as the switching on or off of the fuel cell system completely humidified air.
  • the system has further, not shown here components.
  • These can be, in particular, a heat exchanger which cools the compressed and thus typically heated air coming from the air supply device 6.
  • arrangements, such as droplet separators or the like may be present directly in front of the fuel cell, which prevent liquid water from entering the area of the cathode 3 of the fuel cell 2 with the air flow.

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Abstract

Eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren dient zum Befeuchten einer Brennstoff zelle (2) strömenden Gasstroms. Dabei ist ein Befeuchter (9) und eine um den Befeuchter führende Bypass-Leitung (13) vorhanden. Der Gasstrom wird teilweise um den Befeuchter und teilweise durch die Bypass-Leitung geführt, so dass sich in dem wieder gemischten Gasstrom eine entsprechende Feuchte einstellt. Um dies zu realisieren, ist entweder in der Bypass-Leitung und/oder im Bereich des Befeuchters wenigstens ein Ventil (14, 14', 14' ' ) angeordnet. Dieses Ventil ist getaktet zwischen zwei Stellungen, nämlich einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung, schaltbar.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms mit einem Befeuchter und einer um den Befeuchter führenden Bypass - leitung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie eine Verfahren zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms mit einem Befeuchter und einer um den Befeuchter führenden Bypass- leitung nach der im Oberbegriff von Anspruch 3 näher definierten Art.
Aus der gattungsgemäßen US 6,106,964 ist es bekannt, das zu einer Brennstoffzelle strömende Gas über einen Befeuchter, hier mittels des feuchten Abgases aus der Brennstoffzelle, zu Befeuchten. Um in bestimmten Betriebszuständen der Brennstoffzelle kein feuchtes Gas in die Brennstoffzelle einzuleiten, ist eine schaltbare Bypassleitung vorhanden, mittels welchem das zu befeuchtende Gas um den Befeuchter herum geleitet werden kann.
Nachteilig ist es dabei, dass immer nur entweder feuchtes oder trockenes Gas zur Verfügung steht. In der US 6,884, 534 ist ebenfalls beschreiben, wie die Zuluft zu einer Brennstoffzelle befeuchtet wird. Auch hier ist eine Befeuchter vorhanden, welcher mittels einer Bypassleitung umgangen werden kann. Um die Feuchte auf einen vorgegebenen Wert einzustellen zu können, wird die Luft in entsprechender Menge durch den Befeuchter und/oder die Bypassleitung geleitet und vor dem Eintritt in die Kathode der Brennstoffzelle wieder vermischt. Die Regelung der Luftmengen durch/um den Befeuchter erfolgt mittels einer Drosselklappe oder eines Proportionalventils. Durch dieses wird der Luftstrom in Abhängigkeit von der gemessenen Gasfeuchte zwischen Bypassleitung und Befeuchter aufgeteilt.
Nachteilig bei diesen Ansätzen ist es, dass die Verteilung der Luft über teuere, aufwändig zu betreibende und entsprechend störanfällige, im Wesentlichen mechanisch arbeitende Drosselelemente und/oder Proportionalventile erfolgt .
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges System zur Befeuchtung von zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasen zu schaffen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung erreicht.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass anstelle eines störanfälligen, beweglichen Ventils oder einer Blende ein vergleichsweise einfaches und billiges Ventil eingesetzt werden kann, welches lediglich die Geschlossenstellung und die Offenstellung kennt. Dadurch, dass dieses Ventil getaktet schaltbar ist, kann eine dem Takt entsprechende Menge an Gas durch das Ventil hindurch gelangen, so dass sich im zeitlichen Mittel ein vorgegebener Volumenstrom einstellen lässt. Mit einer derartigen digitalen Ansteuerung des Ventils, beispielsweise mittels eines getakteten Signals, dessen Taktfrequenz entsprechend der gewünschten Durchflussmenge vorgegeben wird, lässt sich ein sehr kostengünstiger und über herkömmliche digitale Steuergeräte leicht zu realisierender Aufbau darstellen.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 löst die oben genannte Aufgabe ebenfalls.
Die oben genannten Ausführungen gelten für das Verfahren entsprechend. Dabei kann sowohl ein Teil des trockenen zu befeuchtenden Gases als auch eine Teil des Feuchtelieferanten in einer Bypassleitung um den Befeuchter geführt werden. Entsprechend der Taktung des Ventils stellt sich im Befeuchter dann eine geeignete Durchflussmenge ein, so dass entweder durch die Mischung aus befeuchtetem und nicht befeuchtetem Gas, oder die gezielt durch den Befeuchter geleitetet Feuchtigkeitsmenge, nach dem Befeuchter die gewünschte Feuchtigkeit in dem Mischgasstrom ohne weiteres einfach einzustellen ist.
Prinzipiell sind auch beide beschrieben Varianten der Bypassleitung miteinander kombinierbar.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Taktfrequenz und/oder das Taktpausen-Verhältnis des Ventilbetriebs in Abhängigkeit eines Parameters veränderlich vorgegeben.
Dieser Parameter kann beispielsweise die Feuchte des Gasstroms oder auch ein die Brennstoffzelle selbst charakterisierender Wert, wie beispielsweise die Leistungsabgabe oder dergleichen, sein. Die Befeuchtung kann also über eine Variation der Taktfrequenz oder über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des getakteten Ventils entsprechend vorgegeben werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele verdeutlicht. Diese Ausführungsbeispiele sind nachfolgend anhand der Figuren dargestellt.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen für die Erfindung relevanten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem; und Fig. 2 einen Befeuchter mit Bypassleitung in einer alternativen Ausgestaltung.
In der Figur 1 ist ein Teil eines Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Dieses umfasst diverse Komponenten, von welchen hier nur die explizit dargestellt sind, welche für die hier vorliegende Erfindung relevant sind. Dies ist insbesondere die Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als so genannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. In der Brennstoffzelle 2 befinden sich im wesentlichen ein Kathodenraum 3 und ein Anodenraum 4, welche im hier dargestellten Beispiel von einer Protonen leitenden Membran voneinander getrennt sind. Dem Kathodenraum 3 wird dabei als sauerstoffhaltiges Medium Luft zugeführt, dem Anodenraum 4 beispielsweise Wasserstoff, welcher aus einem Wasserstoffdrucktank stammen könnte. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Wasserstoffquellen, wie beispielsweise ein Gaserzeugungssystem oder dergleichen, denkbar.
Um die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle 2, welche aus den ihr zugeführten Edukten elektrische Leistung generiert, sicherzustellen, ist für eine entsprechende Befeuchtung der zuströmenden Gase zu sorgen. Diese Befeuchtung ist im hier dargestellten Beispiel anhand des zu der Kathode 3 .strömenden Gasstroms, beispielsweise Luft, erläutert. Im Prinzip ist jedoch auch die Befeuchtung des Gasstroms zu der Anode 4 in ähnlicher Art und Weise denkbar.
Der zu der Brennstoffzelle 2 strömende Gasstrom, im nachfolgenden Beispiel jeweils Luft, wird von einer entsprechenden Luftversorgungseinheit 6 zu der Brennstoffzelle 2 geleitet. Die Luftversorgungseinheit kann beispielsweise aus einer Filtereinrichtung 7 und einem Kompressor 8 bestehen, welche Umgebungsluft entsprechend reinigt und zu der Brennstoffzelle 2 fördert. Wie bereits oben beschrieben, ist es für die Funktion der Brennstoffzelle 2 von entscheidender Bedeutung, dass die Membran 5 entsprechend befeuchtet wird, da ein Austrocknen der Membran 5 deren Funktionalität nachteilig beeinflusst und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 sich extrem verschlechtert. Bei • entsprechend ausgetrockneten Membranen 5 kann es auch zu einer dauerhaften Schädigung der Membran 5 und somit der Brennstoffzelle 2 kommen. Andererseits darf die in der Brennstoffzelle 2 befindliche Feuchte zusammen mit dem bei der Reaktion anfallende Produktwasser auch ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, da dies zu einem "Fluten" der Brennstoffzelle 2 führt, welches deren Leistungsfähigkeit ebenfalls nachteilig beeinflusst.
Die Befeuchtung der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Gase, insbesondere die der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft, ist daher von entscheidender Bedeutung. Zwischen der Luftversorgungseinheit 6 und der Brennstoffzelle 2 befindet sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel daher ein Befeuchter 9. Der Befeuchter 9 kann dabei im Prinzip beliebig aufgebaut sein, beispielsweise in der Art, dass die Luft einen Flüssigkeitstank oder einen porösen feuchten Schwamm durchströmt und dabei die entsprechende Feuchtigkeit aufnimmt. Bei BrennstoffZeilensystemen 1 hat sich in den vergangenen Jahren jedoch eine Befeuchtung in der Art durchgesetzt, dass der Befeuchter 9 Membranbefeuchter ausgebildet ist. Dieser weist zwei Räume 10, 11 auf, welche von einer Membran 12 voneinander getrennt sind. Diese Membran 12, welche beispielsweise in Form von Hohlfasermembranen ausgebildet sein kann, ist für Gase und Flüssigkeiten undurchlässig, lässt jedoch Wasserdampf passieren. Dadurch, dass auf der einen Seite der Membran 12 in dem Raum 10 nun eine feuchte Atmosphäre, z.B. in Form eines feuchten Gases, vorhanden ist, kommt es durch die Membran 12 hindurch zu einer Befeuchtung des trockenen Gases, hier der Luft, welche den Raum 11 durchströmt. Insbesondere kann das feuchte Gas in dem Raum 10, wie hier optional dargestellt, das feuchte, aus der Brennstoffzelle 2 austretende Abgas sein.
Der von der Luftversorgungseinrichtung 6 zu der Brennstoffzelle 2 strömende Luftstrom nimmt in dem Befeuchter 9 vorzugsweise ohnehin im Brennstoffzellensystem 1 anfallende Feuchte aus dem feuchten Abgas auf. Die Befeuchtung der Luft ergibt sich dabei typischerweise aus den vorliegenden aktuellen Rahmenbedingungen des Brennstoffzellensystems 1, wie beispielsweise aus der Temperatur, aus dem Volumenstrom, aus dessen Druck etc. Um die Feuchtigkeit der Zuluft in allen denkbaren Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 von vollkommen trocken, beispielsweise beim An- oder Abfahren des Systems, bis vergleichsweise feucht, bei entsprechend hohen Leistungen der Brennstoffzelle 2, einstellen zu können, weist der Befeuchter 9 bzw. die Luftleitung eine Bypassleitung 13 auf, welche so angeordnet ist, dass die Luft durch die Bypassleitung 13 um den Befeuchter 9 herum geleitet werden kann . Damit ergibt sich die Möglichkeit, einen Teil der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft zu befeuchten und einen anderen Teil unbefeuchtet durch die Bypassleitung 13 zu führen. Vor dem Eintritt in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 werden diese beiden Gasströme wieder vermischt, so dass sich beim Eintritt in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 ein Gasstrom der gewünschten Feuchtigkeit einstellt. Um nun die Gasströme sowohl durch den Befeuchter 9 als auch durch die Bypassleitung 13 in geeigneter Weise regeln zu können, ist entweder in der Bypassleitung 13 oder in dem Leitungsbereich, welcher von der Bypassleitung 13 umgangen wird, wenigstens ein Ventil 14, 14' angeordnet. Grundsätzlich ist ein Ventil 14 oder 14' ausreichend, es können bei Bedarf jedoch auch beide Ventile 14 und 14' vorhanden sein. Dieses wenigstens eine Ventil 14, 14' erlaubt nun die Beeinflussung des Volumenstroms, je nach Anordnung entweder durch den Befeuchter 9 oder durch die Bypassleitung 13. Das Ventil 14 bzw. die Ventile 14, 14' sind dabei als besonders einfache Ventile 14, 14' ausgebildet, welche lediglich eine Offenstellung und eine Geschlossenstellung kennen. Insbesondere können hierzu Magnetventile gewählt werden, welche elektrisch angesteuert sehr einfach geöffnet und geschlossen werden können.
Als Verschlusselement für den durchströmbaren Querschnitt sind dabei verschiedenen Formen von Schiebern, Blenden, Klappen etc. denkbar, welche durch (z.B. magnetische) Aktuatoren bewegt werden. Die Bewegung erfolgt dabei immer von der Geschlossenstellung in die Offenstellung und umgekehrt. Zwischenstellungen werden währen der Bewegung zwar zwangsläufig durchschritten, diese sind bare nicht gezielt ansteuerbar, noch kann das Ventil 14, 14' in einer solchen Zwischenstellung gehalten werden. Damit sind einfach zu betätigende Aktuatoren ausreichend, welche nur zwei digitale Stellungen (Offen, Geschlossen) kennen.
Um nun den durch die Bypassleitung 13 bzw. den Befeuchter 9 strömenden Volumenstrom einstellen zu können, werden diese Ventile 14, 14' getaktet geöffnet und geschlossen. Durch diese getaktete Ansteuerung werden abwechselnd ein Volumenstrom und kein Volumenstrom erzeugt. Im zeitlichen Mittel kann somit der Volumenstrom in der Bypassleitung 13 und/oder dem Befeuchter 9 direkt beeinflusst werden. Je nachdem, in welchem der Abschnitte das Ventil 14, 14' angeordnet ist. Die Frequenz der Taktung, also wie lange die Ventile 14, 14' offen oder geschlossen sind, spielt dabei eine untergeordnete Rolle, da die Brennstoffzelle 2 bzw. der Feuchteaustausch in ihren Membranen 5 ausreichend träge ist, um auch für einginge Sekunden problemlos mit trockener Luft zurechtzukommen.
Hinsichtlich der Möglichen Ansteuerung der Ventile 14, 14' wird außerdem auf die DE 101 60 477 Al verwiesen, welche derartige Ansteuerungen von Stellgliedern zeigt.
Falls lediglich ein Ventil 14, 14' vorhanden ist, wird sich in dem anderen Zweig ein dementsprechender Volumenstrom einstellen. Durch die entsprechende Ansteuerung der Ventile 14 und 14' bzw. im Falle des einen Ventils 14 oder 14' kann somit die Feuchtigkeit in dem nach der Bypassleitung 13 wieder gemischten zu der Kathode 3 der Brennstoffzelle 2 strömenden Gasstrom ideal eingestellt werden.
Grundsätzlich könnte dies über eine einfache Steuerung erfolgen, welche entsprechend von Betriebsvorgaben jeweils einen vorgegebenen Feuchtewert am Eintritt in den Kathodenraum 3 einstellt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn diese Feuchte über eine entsprechende Sensorik direkt oder indirekt überwacht wird. Für die direkte Überwachung der Feuchte bieten sich alle bekannten Arten von Feuchtigkeitssensoren an. Ein solcher Sensor ist in Fig. 1 exemplarisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 15 versehen. Eine derartige direkte Feuchtemessung kann beispielsweise über einen und/oder mehrere der nachfolgend kurz dargestellten Sensoren erfolgen.
Die Feuchte kann beispielsweise durch die Messung der Schallgeschwindigkeit in den feuchten Gas erfolgen. Alternative ist die Verdunstungsmessung bzw. das Verdunstungsverfahren denkbar. Dieses basiert auf dem Prinzip, dass bei trockener Umgebungsluft mehr Wasser verdunstet als bei entsprechend feuchter Umgebungsluft. Eine dies nutzende Möglichkeit ist ein Psychrometer. Dabei macht man sich diese Eigenschaft zu Nutze und misst einmal die Lufttemperatur direkt und einmal die Temperatur eines befeuchteten Temperaturfühlers. Eine weitere Alternative stellen hygroskopische Verfahren dar. Diese Verfahren beruhen alle darauf, das ein Körper (Sensor) bei steigender Feuchtigkeit Wasser aufnimmt und bei fallender Feuchtigkeit dieses wieder abgibt. Dabei Ändern sich die Eigenschaften des Körpers, welche dann messbar sind, beispielsweise über kapazitive oder Ohmsche Sensoren. Außerdem sind spektrale Verfahren denkbar. Diese machen sich die „optischen" Dämpfungseigenschaften der Wassermoleküle bei bestimmten Spektralbereichen zu Nutze. Diese Dämpfung ist abhängig von der der Dichte der Wassermoleküle. Die Absorptionsbande liegen im Bereich von 0,7-6,2 μm. Eine zusätzliche Variante können Sauerstoff-Komplementär Verfahren sein. Hierbei wird mittels eines Zirkonoxid-Festelektrolyt-Sensors über SauerstoffVerdrängung bzw. -Substitution durch vorhandenen Wasserdampf direkt der Feuchtegehalt der Luft in Vol-% bestimmt. Alternativ dazu kann die Feuchte auch indirekt ermittelt werden bzw. es kann indirekt auf die Feuchte zurück geschlossen werden. Einen derartigen indirekten Rückschluss auf die Feuchte lässt beispielsweise die Leistungs- Performance der Brennstoffzelle 2 zu, welche bei ausreichend befeuchteten Membranen 5 besser ist, als wenn die Membranen 5 beginnen auszutrocknen. Um eventuelle Effekte einer Leistungsminderung durch zu feuchte Membranen 5 zu verhindern kann parallel ein Temperatursensor angebracht werden, welcher über die oben bereits erläuterten Mechanismen sehr einfach zumindest grobe Rückschlüsse auf die Feuchte zulässt. Damit ist bei Kombination der beiden Werte ein vergleichsweise guter Rückschluss auf die Feuchte einfach möglich.
Eine derartige indirekte Überwachungseinrichtung ist hier exemplarisch als optionaler Sensor mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt. Diese direkt und/oder indirekt ermittelten Rückschlüsse auf die Feuchte der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft gelangen dann in eine entsprechende Regelungseinheit 17, welche die beiden Ventile 14, 14' oder das eine Ventil 14 oder 14' entsprechend ansteuert. Wie bereits erwähnt, kann diese Ansteuerung über eine Pulsweitenmodulation des Taktpausenverhältnisses oder eine Beeinflussung der Taktfrequenz so angepasst werden, dass sich die entsprechende Feuchtigkeit in dem wieder gemischten Gasstrom über die Regelungseinheit 17 steuern oder bei entsprechenden Sensoren direkt (z.B. mit einem PID-Regler) regeln lässt.
Im Prinzip ist es auch möglich, die beiden Ventile 14, 14', wenn diese beiden vorhanden sind, gegenläufig so anzusteuern, dass die Luft abwechselnd durch die Bypassleitung 13 oder den Befeuchter 9 strömt, in einer Art, dass die nach der Bypassleitung 13 wieder gemischte Luft im Mittel die gewünschte Feuchte aufweist. Werden die Querschnitte dabei im zeitlichen Wechsel abwechselnd geöffnet, so steht immer der selbe durchströmbare Querschnitt in der Kombination aus Befeuchter 9 und Bypassleitung 13 zur Verfügung. Dadurch können Druckpulsationen in den Leitungen nach der Zusammenführung minimiert oder weitgehend vermieden werden, so dass der Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 mit einem gleichmäßigen Gasstrom beaufschlagt wird und eventuelle Druckschwankungen die weiteren Komponenten und/oder die Membran nicht beeinflussen.
Neben dem hier dargestellten Aufbau ist es selbstverständlich auch möglich, das Ventil 14 ' in den Befeuchter 9 zu integrieren oder dieses hinter dem Befeuchter 9 anzuordnen, so dass das Ventil 14' zwischen dem Befeuchter 9 und dem Zusammentreffen der aus dem Befeuchter 9 kommenden Leitung der mit der Bypassleitung 13 zu liegen kommt.
Neben dieser oben beschriebenen grundsätzlich Variante ist in Fig. 2 eine Alternative in einem Ausschnitt aus der obigen Fig. 1 dargestellt.
Dieser Ausschnitt zeigt lediglich den Befeuchter 9 sowie den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2. Das der Brennstoffzelle 2 zugeführte Gas gelangt auch hier von einer hier nicht dargestellten Luftversorgungseinheit 6 durch den einen Raum 11 des Befeuchters 9 hindurch zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2. In dem anderen Raum 10 des Befeuchters 9 wird die Feuchtigkeit bereitgestellt, welche durch die für Wasserdampf durchlässige Membran 12 hindurch den zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 strömenden Gasstrom befeuchtet. Diese Feuchte kann aus beliebigen Quellen stammen. Sie kann insbesondere, wie hier optional angedeutet, wiederum aus dem Abgas des Kathodenraums 3 kommen, welches als Feuchtelieferant durch den Raum 10 des Befeuchters 9 hindurch geleitet werden kann.
Um die Feuchte des zu der Brennstoffzelle 2 strömenden Luftstroms zu beeinflussen, wird hier nicht der Luftstrom in zwei Zweige durch den Befeuchter 9 und um den Befeuchter 9 aufgeteilt, sondern der feuchte Gasstrom erlebt nun diese Aufteilung. Über die hier dargestellten Bypassleitung 13' wird also ein Teil des feuchten Abgases um den Befeuchter herumgeleitet, so dass in dem Befeuchter 9 nur die notwendige Feuchtigkeit angeboten wird. Dementsprechend wird der zu der Brennstoffzelle 2 strömende Gasstrom nur dem entsprechende entsprechend befeuchtet. Auch hier ist in dem Bypassleitung 13' wieder ein getaktetes Ventil 14" angeordnet, welches von der Regelungseinrichtung 17 entsprechend gesteuert oder analog den zu Fig. 1 gemachten Ausführungen geregelt wird.
In Fig. 2 ist also die prinzipielle Alternative dargestellt, anstelle der zu befeuchteten Luft die angebotene Feuchte in einer Bypassleitung 13' um den Befeuchter 9 zu führen und damit nicht die Befeuchtung, sondern das Angebot an Feuchte so zu beeinflussen, dass sich die gewünschten Werte in der zur Brennstoffzelle 2 geführten Luft einstellen.
Selbstverständlich sind bei der Ausführung gemäß Fig. 2 alle oben gemachten Ausführungen analog anwendbar, so können beispielsweise auch hier zwei Ventile in der Bypassleitung 13' und/oder im Befeuchter bzw. vor oder nach dem Befeuchter 9 vorgesehen sein, welche entsprechend den oben gemachten Ausführungen gesteuert oder geregelt als Taktventile betrieben werden. Prinzipiell sind auch beide beschrieben Varianten der Bypassleitung 13, 13' miteinander in einem Aufbau kombinierbar .
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in jeder der beschriebenen Arten ist dabei besonders einfach und effizient. Er kann durch die getaktet ansteuerbaren Ventile, insbesondere Magnetventile, einfach, leicht und kostengünstig ausgeführt werden. Die Ansteuerung ist aufgrund von im System ohnehin vorhandenen Messwerten einfach und effizient möglich. Damit kann ein sehr kompakter, leichter und kostengünstiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 realisiert werden, welches immer die erforderliche Feuchtigkeit im Bereich der Zuluft aufweist. Durch die Bypassleitung 13 um den Befeuchter 13 und/oder die Bypassleitung 13' der feuchten Luft 13 um den Befeuchter 9 kann für besonders Fälle, wie beispielsweise das Ein- oder Abschalten des Brennstoffzellensystems auch vollkommen unbefeuchtete Luft zur Verfügung gestellt werden.
Selbstverständlich weist das System weitere, hier nicht dargestellte Komponenten auf. Diese können insbesondere ein Wärmetauscher sein, welcher die von der Luftversorgungseinrichtung 6 kommende, komprimierte und damit typischerweise erhitzte Luft kühlt. Auch können unmittelbar vor der Brennstoffzelle Anordnungen, wie Tröpfchenabscheider oder dergleichen, vorhanden sein, welche verhindern, dass flüssiges Wasser mit dem Luftstrom in den Bereich der Kathode 3 der Brennstoffzelle 2 gelangt. Diese Elemente sind aber bei derartigen Systemen mittlerweile üblich, so dass hier nicht näher darauf eingegangen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms mit einem Befeuchter und einer um den Befeuchter führenden Bypassleitung, mit wenigstens einem Ventil zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung und/oder einer Zu- oder Ableitung des Befeuchters zwischen dem Befeuchter und der Bypassleitung, und mit Mitteln zum Schalten des Ventils zwischen einer Offenstellung und eine Geschlossenstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Ventil (14, 14' , 14' ' ) getaktet zwischen den Stellungen schaltbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Ventil (14 , 14 ' , 14 ' ' ) als Magnetventil ausgebildet ist.
3. Verfahren zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms mit einem Befeuchter und einer um den Befeuchter führenden Bypassleitung, mit wenigstens einem Ventil zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung und/oder einer Zu- oder Ableitung des Befeuchters zwischen dem Befeuchter und der Bypassleitung, und mit
Mitteln wobei Schalten des Ventils zwischen einer
Offenstellung und eine Geschlossenstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Ventil (14 , 14' , 14 ' ' ) getaktet zwischen den Stellungen geschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Taktfrequenz und/oder das Puls-Pausen-Verhältnis des Ventilbetriebs in Abhängigkeit eines Parameters veränderlich vorgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das der Parameter mit dem Feuchtegehalt des befeuchteten Gases in einem Zusammenhang steht .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ventil (14, 14") in der Bypassleitung (13, 13') vorhanden ist und ein weiteres getaktetes Ventil (14, 14') im Bereich des Befeuchter (9) vorhanden ist und dass die beiden Ventile gegenläufig zueinander getaktet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Leitungen mit den Ventilen (14, 14") zusammen zu jedem Zeitpunkt der gegenläufigen Taktung in etwa derselbe durchströmbare Querschnitt zur Verfügung steht.
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