WO2014139718A1 - Verfahren zum regeln einer feuchte eines kathodengases einer brennstoffzelle sowie brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Verfahren zum regeln einer feuchte eines kathodengases einer brennstoffzelle sowie brennstoffzellenanordnung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a humidity of a cathode gas of a fuel cell assembly, wherein the
  • Fuel cell assembly having at least one fuel cell with a cathode, a cathode gas inlet and a cathode gas outlet. Furthermore, the invention relates to a fuel cell assembly having at least one fuel cell with a cathode, a cathode gas supply, a
  • Kathodengasab grispham, a first pressure sensor in the cathode gas supply line, a second pressure sensor in the cathode gas discharge, an evaluation and means for influencing the humidity of the cathode gas.
  • Fuel cell arrangements with fuel cells, which are operable in particular with pure hydrogen, are valid due to the fact that they are considered as
  • Waste product essentially only emit pure water, as the drive of the future.
  • fuel cells often have a fuel cell membrane which, for optimum operation, also has a high fuel cell membrane
  • Fuel cell of the fuel cell assembly essential factors. Too low relative humidity of the cathode gas can lead to dehumidification of the membrane. At too high humidity of the cathode gas, however, significant amounts of liquid water in the cathode can occur.
  • Moisture sensors provide moisture to at least the
  • Moisture sensor over a not insignificant period of time can affect such that it can not provide a usable signal.
  • sensors for other measured variables can also be provided.
  • WO 2008/106992 A1 to provide a plurality of sensors for monitoring the fuel cell assembly, the measurement results in a
  • Evaluation unit can be combined combinatorially with each other, based on this variety of measurement results, the humidity of the
  • Fuel cell arrangements can be considered that either
  • Fuel cell arrangements at least partially correct.
  • the above object is achieved by a method for controlling a humidity of a cathode gas of a fuel cell assembly with the
  • the object is achieved by a method for controlling a humidity of a cathode gas of a fuel cell arrangement, wherein the fuel cell arrangement has at least one fuel cell with a cathode, a cathode gas supply and a cathode gas discharge.
  • a method according to the invention is characterized by the following
  • a method according to the invention is thus provided to determine the humidity of a cathode gas based on pressure measurements in the cathode gas.
  • the pressure sensors used in the process are simple sensors that are already available, especially for automotive use. Costly new developments can be avoided.
  • the use of moisture sensors, which in particular in the presence of liquid water or moisture near 100% have a high susceptibility to interference, can also be avoided by the method according to the invention.
  • the pressure of the cathode gas before and after the cathode is measured by such pressure sensors. From the measured pressures, the pressure loss of the cathode gas in the cathode can then be determined in a suitable evaluation unit.
  • the steps b) and c) of the method can also by the use of a differential pressure sensor, in the
  • Cathode gas discharge is arranged, and thereby be implemented the direct possibility of measuring the pressure loss of the cathode gas in the cathode.
  • the humidity of the cathode gas is essentially only dependent on the pressure loss of the cathode gas in the cathode. Based on the determined pressure loss of the cathode gas in the cathode can thus be determined according to the inventive method, the current humidity of the cathode gas.
  • an evaluation unit can be provided, to which the measurement data of the pressure sensors used are supplied.
  • such an evaluation unit can also contain data from other sensors already present in the fuel cell arrangement, such as
  • a temperature sensor or an air mass sensor are supplied. This is particularly advantageous if the
  • Fuel cell assembly is operated with varying mass flows or temperatures.
  • the evaluation unit can, of course, also include these additional sensor data in the determination of the moisture in such an embodiment.
  • the Humidity of the cathode gas adjusted based on the determined current humidity. A control of the humidity of the cathode gas is thereby possible based on the measured pressures. A drying out of the
  • step d) of the method a water mass flow evaporated in the cathode of the fuel cell is determined.
  • Fuel cell the produced water in operation vapor and / or liquid discharged from the cathode.
  • the evaporated water mass flow has a direct influence on the humidity of the cathode gas. This is due to the fact that liquid water generated by evaporation becomes gaseous and contributes to the humidity of the cathode gas.
  • a high mass flow of evaporated water in the cathode thus leads to an increased absolute moisture content of the cathode gas, a low mass flow to a reduced moisture content of the
  • Humidity of the cathode gas can be controlled so that operation of the fuel cell assembly can be guaranteed at an ideal humidity at any time.
  • a ratio of evaporated in the cathode in the Cathode generated water is determined.
  • the water generated in the cathode can be calculated directly using the Faraday equation.
  • the amount of water produced is proportional to the molar mass of water vapor multiplied by the current generated in the fuel cell and inversely proportional to twice the Faraday constant.
  • a statement can be made as to whether in the cathode liquid water in the region of a flow field of the cathode is present.
  • a calculated ratio ⁇ 1 more water is produced in the cathode than vaporized.
  • There is thus liquid water at the cathode outlet This may mean, on the one hand, that with constant operation at this ratio the risk of flooding of the cathode of the fuel cell exists.
  • fuel cells can also be operated with such humidification concept in which the presence of liquid water on
  • Cathode output is necessary. This may in particular be necessary, for example, in the case of a moistening concept whose operating principle is based to a great extent on internal moistening of the cathode gas by moisture exchange of the cathode and anode of the fuel cell.
  • a ratio> 1 means that less water is produced in the cathode than it evaporates there. There is thus no liquid water at the cathode outlet, in the cathode, but at least before. Since it can occur in fuel cells in particular that a membrane is used which requires a certain humidity, such a ratio> 1, therefore, the danger of dehydration of the cathode of the fuel cell suggest. Calculating such a ratio thus constitutes a particularly simple way of determining the moisture, in particular the presence of liquid water, in the cathode.
  • step d) the ratio is compared with a lower and / or upper limit.
  • limit value (s) may in particular be selected in such a way that it is possible to detect error states of the fuel cell when compared with the limit values.
  • Fuel cell assembly to the effect allows to prevent damage or even destruction of the fuel cell assembly.
  • the setting of the moisture is carried out based on a result of the comparison.
  • a regulation of the humidity of the cathode gas is made particularly simple.
  • the ratio is compared with an upper and a lower limit.
  • the ratio of water vaporized to vaporized in the cathode will switch between the limits.
  • Fuel cell assembly can thus be operated in a range of ideal humidity, as a stable water management is possible.
  • a safe and stable operation in which in particular the risk of dehydration or flooding of the cathode of the fuel cell is avoided, can thus be ensured. Furthermore, it can be provided in a method according to the invention that in
  • Fuel cell arrangement are driven and / or that a
  • the cathode outlet pressure is adjusted. It is
  • a humidifier may be arranged in the cathode gas supply line. This humidifier can be controlled to more or less moisten the cathode gas. The control of a humidifier also has a direct influence on the humidity of the humidifier
  • Cathode gas and thus a control of the humidity of the cathode gas possible.
  • the cathode stoichiometry i. H. in particular the ratio of actual oxygen amount to stoichiometric
  • Oxygen amount at the cathode inlet the amount of dry air, especially at the outlet of the cathode is directly influenced.
  • High cathode stoichiometries allow the air in the cathode to discharge a lot of water vaporous from the cathode and thus to dehumidify the fuel cell.
  • the air produced is vaporized, there is a risk that the air will deprive the membrane of water and increase membrane resistance. This results in a change in the humidity of the cathode gas.
  • the humidity of the cathode gas can also be influenced.
  • increasing the temperature causes more water to evaporate in the cathode gas.
  • the humidity of the cathode gas is increased.
  • a lowering of the temperature causes less evaporation of liquid water in the cathode gas, whereby the absolute moisture content of the cathode gas is reduced and there is a risk of flooding the cathode with liquid water.
  • Cathode gas is changed via the temperature of a coolant of the fuel cell and / or that the humidifier has a bypass in the fuel cell assembly, which is driven to adjust the humidity of the cathode gas.
  • a fuel cell assembly may be provided by a coolant cooling of the fuel cell to waste heat of the
  • a humidifier which is arranged in the cathode gas supply line of the fuel cell assembly, be controlled by a bypass.
  • cathode gas is conducted past the humidifier and is thus not humidified in the humidifier.
  • the bypassed cathode gas is brought together again after moistening with the moistened cathode gas.
  • the amount of non-humidified cathode gas thus the humidification of the entire cathode gas can be controlled.
  • Humidifier in particular the amount of moistened in the humidifier
  • the object is achieved by a
  • Fuel cell assembly having at least one fuel cell with a Cathode, a cathode gas supply, a Kathodengasabtechnisch, a first pressure sensor in the cathode gas supply, a second pressure sensor in the cathode gas discharge, an evaluation and means for influencing the humidity of the cathode gas, solved.
  • a fuel cell arrangement according to the invention is characterized in that the
  • Fuel cell assembly is designed for carrying out a method according to the first aspect of the invention. All the benefits to one
  • Cathode gases have a throttle valve of the fuel cell assembly and / or a humidifier and / or a bypass of a humidifier and / or a unit for changing the stoichiometry of the cathode gas and / or a unit for changing the temperature of the cathode gas.
  • the throttle valve of the fuel cell assembly and / or a humidifier and / or a bypass of a humidifier and / or a unit for changing the stoichiometry of the cathode gas and / or a unit for changing the temperature of the cathode gas.
  • Adapted cathode exit pressure d. H. especially increased or decreased.
  • the pressure loss of the cathode gas in the cathode of the fuel cell and thus indirectly changes the humidity in the
  • Cathode gas An increase in the cathode outlet pressure leads to an increase in the relative humidity, a decrease in the cathode outlet pressure to a reduction in the humidity. Furthermore, a
  • Fuel cell assembly having a humidifier having a humidifier.
  • Humidifier is arranged in the cathode gas supply line and is used to directly influence the humidity of the cathode gas.
  • Such a humidifier may have, for example, a bypass through which cathode gas can be conducted past the humidifier.
  • the amount of the passed past the humidifier cathode gas determines indirectly the humidity of the entire cathode gas.
  • the humidified and the unhumidified cathode gas stream are reunited. The ratio of the two parts determines the total moisture content of the
  • the cathode stoichiometry is the ratio of the amount of oxygen present and the stoichiometric
  • Oxygen amount and has a direct influence on the volume flow of dry air and thus in turn on the total amount of water evacuable amount of water from the cathode.
  • the humidity of the cathode gas can also be influenced thereby. This also applies to influencing the temperature of the cathode gas.
  • Temperature of the cathode gas may be, for example, a heating or cooling of the fuel cell or a coolant whose temperature can be selectively changed. A higher temperature of the coolant leads to a higher temperature of the cathode gas, which in turn can be evaporated in the cathode gas more water. This leads to an increase of
  • Fig. 3 shows a possible embodiment of a part of an inventive
  • FIG. 4 a shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 45 ° C.
  • FIG. 4 b shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 65 ° C.
  • FIG. 4 a shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 45 ° C.
  • FIG. 4 b shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 65 ° C.
  • FIG. 4 a shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 45 ° C.
  • FIG. 4 b shows moisture measurements on a fuel cell arrangement at 65 ° C.
  • Fig. 6 shows a possible humidity control of an inventive
  • FIG. 1 shows a typical cathode gas system of a fuel cell 10 of a fuel cell arrangement 1 according to the prior art. The anode part of the fuel cell assembly 1 is not shown.
  • the anode part of the fuel cell assembly 1 is not shown.
  • Cathode gas for example in this case air
  • an air filter 2 before entering the cathode 1 1. Subsequently, the pressure of the
  • the inlet moisture of the cathode gas is adjusted by an external control, in which case several sensors, in particular a first pressure sensor 20, a mass flow sensor 22 and a
  • Moisture sensor 23 for measuring the humidity of the cathode fluid are provided. With a throttle valve 7, the system pressure depending on
  • Mass flow can be adjusted.
  • the compressor 4 is embodied as a turbomachine, such as a centrifugal compressor, for example, a bypass with throttle valve 8 may be provided for reasons of component protection.
  • the means for influencing the humidity 14 is further designed as a humidifier 15 and has a humidifier bypass 16 with its own throttle valve 9. The humidity of the cathode gas is thus measured in the illustrated fuel cell assembly 1 according to the prior art, in particular via a humidity sensor 23.
  • Fig. 2 are series of measurements of the resistance of a fuel cell 10 over the
  • Fuel cell 10 corresponds to a high efficiency of the fuel cell 10, since losses within the fuel cell 10 are minimized. Further, a high resistance, which is visible in Fig. 2 corresponds to a low cathode humidity, with a high heat development of the fuel cell 10 is accompanied in operation, which optionally for
  • Fuel cell assembly 1 has.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of a part of a fuel cell arrangement 1 according to the invention.
  • the cathode 1 1 of a fuel cell 10 including parts of the cathode gas supply line 12 and the cathode gas discharge line 13 is shown.
  • the cathode gas supply line 12 is a first
  • Pressure sensor 20 and disposed in the cathode gas discharge line 13, a second pressure sensor 21.
  • the two pressure sensors 20, 21 each directly measure the pressure of the cathode gas.
  • the second pressure sensor 21 as
  • Differential pressure sensor is designed.
  • the pressure drop of the cathode gas in the cathode 11 of the fuel cell 10 can likewise be determined by the pressure measurement of the first pressure sensor 20 and the differential pressure measurement of the second pressure sensor 21.
  • Another alternative is the exclusive use of a differential pressure sensor 20, 21 with the advantage that a tolerance chain of multiple sensor inaccuracies in determining the Cathode pressure loss can be avoided. Based on this
  • Pressure drop can be drawn in a fuel cell assembly 1 according to the invention, in particular by an inventive method conclusions about the humidity of the cathode gas.
  • By controlling means for influencing the humidity 14 (not shown) can so directly the
  • Humidity of the cathode gas can be influenced and regulated.
  • a direct measurement of moisture by moisture sensors is no longer necessary by this pressure measurement or by the conclusions of the measured pressure drop to the humidity of the cathode gas. This is an advantage since such humidity sensors 23, in particular in the presence of liquid
  • FIGS. 4a, 4b and 4c respectively show measured values of a moisture measurement of a test setup with a fuel cell arrangement 1.
  • the pressure drop of the cathode gas in the cathode 11 of a fuel cell 10 of the fuel cell arrangement 1 is plotted against the mass flow of the water evaporated in the cathode 11.
  • the three FIGS. 4a, 4b and 4c are measurements at different temperatures of the fuel cell 10 of FIG.
  • Fuel cell assembly 1 at constant cathode stoichiometry ⁇ 2.0.
  • the measurement results from FIG. 4a have been measured at 45 ° Celsius, from FIG. 4b at 65 ° Celsius and from FIG. 4c at 75 ° Celsius.
  • Moisture represented by the various symbols (square: relative humidity 50%, triangle: relative humidity 70%, circle: relative humidity 90%), each between the mass flow and the pressure drop is a substantially linear relationship.
  • the slope of the linearity allows direct conclusions about the humidity of the cathode gas.
  • FIGS. 5a and 5b likewise show measured values of a moisture measurement of a test setup with a fuel cell arrangement 1.
  • the pressure drop of the cathode gas in the cathode 11 of a fuel cell 10 of the fuel cell arrangement 1 is plotted against the respective
  • Mass flow of the introduced into the cathode 1 1 dry air.
  • the measurements at a constant temperature of 65 ° C. of the fuel cell 10 are the
  • Humidity 70% circle: relative humidity 90%
  • a substantially linear relationship exists between the mass flow of the introduced dry air and the pressure drop.
  • the slope of the linearity allows here also direct conclusions about the humidity of the cathode gas.
  • Operating conditions such as temperature or cathode stoichiometry can therefore be used to determine the humidity of the cathode gas and optionally to control means for influencing the humidity 14 in order to regulate this moisture.
  • FIG. 6 shows a schematic decision diagram for controlling the humidity in a means for influencing the moisture 14 in a cathode gas.
  • a decision diagram can be processed in particular in an evaluation unit of a fuel cell arrangement 1 according to the invention.
  • N vap represents the ratio of water vaporized in the cathode 11 to water produced in the cathode 11.
  • the mass flow of evaporated water in the cathode 11 is substantially linear with respect to FIG Pressure drop of the cathode gas in the cathode 1 1.
  • This pressure loss can by the pressure sensors 20, 21, also known as a
  • Differential pressure sensor 20, 21 may be formed, are determined.
  • the mass flow of produced water can be easily determined from the molar mass of steam, the current generated in the fuel cell 10 and the Faraday constant via the Faraday equation.
  • N vap max and N vaPimin are each limit values which are in an evaluation unit of the invention
  • Fuel cell assembly 1 compared with the measured ratio N vap can be. If it is determined in a first step that the measured ratio N vap is greater than a maximum limit value N vap, max , it is assumed that the humidity in the cathode fluid is not sufficiently high. This is due to the fact that at such a ratio too much water evaporates compared to the produced water. This means a high or too high evaporation rate within the cathode 1 1.
  • the means for influencing the moisture 14 is thus controlled or regulated so that by the means 14, the humidity of the cathode gas is increased.
  • the means 14 can of course also be designed to affect the humidity additionally and / or alternatively by changing the operating parameters cathode stoichiometry, cathode pressure level and / or temperature.
  • the means for influencing the humidity 14 is controlled or regulated such that by means of the means 14 the humidity of the
  • a direct measurement of the humidity of the cathode gas by a fault-susceptible moisture sensor 23 can thus be dispensed with.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung (1), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) zumindest eine Brennstoffzelle (10) mit einer Kathode (11), eine Kathodengaszuleitung (12) und eine Kathodengasableitung (13) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung (1) aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (10) mit einer Kathode (11), eine Kathodengaszuleitung (12), eine Kathodengasableitung (13), einen ersten Drucksensor (20) in der Kathodengaszuleitung (12), einen zweiten Drucksensor (21) in der Kathodengasableitung (13), eine Auswerteeinheit sowie Mittel (14) zum Beeinflussen der Feuchte des Kathodengases.

Description

Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer
Brennstoffzellenanordnung sowie Brennstoffzellenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung, wobei die
Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodengasableitung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung, eine
Kathodengasableitung, einen ersten Drucksensor in der Kathodengaszuleitung, einen zweiten Drucksensor in der Kathodengasableitung, eine Auswerteeinheit sowie Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases.
STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellenanordnungen mit Brennstoffzellen, die insbesondere mit reinem Wasserstoff betreibbar sind, gelten aufgrund der Tatsache, dass sie als
Abfallprodukt im Wesentlichen nur reines Wasser emittieren, als Antrieb der Zukunft. Derartige Brennstoffzellen weisen dabei insbesondere oftmals eine Brennstoffzellenmembran auf, die für einen optimalen Betrieb auch eine hohe
Membranfeuchte benötigt. Wasser, insbesondere Wasserdampf, wird dabei dazu verwendet, eine genügend hohe Ionen-Leitfähigkeit innerhalb der Brennstoffzelle durch die Membran sicherzustellen. Für den ordnungsgemäßen und optimalen Betrieb einer derartigen Brennstoffzellenanordnung sind daher der
Wasserhaushalt und insbesondere die Feuchteregelung innerhalb der
Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung wesentliche Faktoren. Eine zu geringe relative Feuchte des Kathodengases kann zu einer Entfeuchtung der Membran führen. Bei zu hoher Feuchte des Kathodengases können jedoch erhebliche Mengen an flüssigem Wasser in der Kathode auftreten.
Beispielsweise kann bei einer unzureichenden Membranfeuchte der
Wirkungsgrad einer derartigen Brennstoffzelle deutlich vermindert sein, wodurch eine schlechtere Leistungsausbeute und eine hohe Abwärmeproduktion der Brennstoffzellenanordnung einhergehen können. Im schlechtesten Fall kann insbesondere bei einer zu geringen Feuchte auch eine Beschädigung der Brennstoffzelle durch Austrocknung nicht ausgeschlossen werden. Auf der anderen Seite kann sich bei einer zu hohen Feuchte, insbesondere beim Vorliegen von zu viel flüssigem Wasser innerhalb der Brennstoffzelle, ebenfalls eine schlechtere Leistungsausbeute der Brennstoffzelle einstellen.
Es ist aus diesem Grund notwendig, die Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle zu überwachen gegebenenfalls zu beeinflussen. So ist beispielsweise aus der
DE 102 46 168 A1 bekannt, im Gassystem der Brennstoffzelle mehrere
Feuchtesensoren vorzusehen, um die Feuchtigkeit zumindest des
Kathodengases der Brennstoffzelle zu überwachen. Nachteilig an derartigen Feuchtesensoren ist jedoch, dass diese Feuchtesensoren insbesondere bei gesättigten Messbedingungen, d. h. bei Feuchten des Kathodengases von etwa
100 %, sehr ungenau sind. Bei Vorliegen von flüssigem Wasser im Kathodengas können beispielsweise zudem Tropfen auftreten, die einen derartigen
Feuchtesensor über einen nicht unerheblichen Zeitraum derart beinträchtigen können, dass dieser kein verwertbares Signal liefern kann. Alternativ dazu können auch Sensoren für andere Messgrößen vorgesehen sein. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 010 312 A1 bekannt, zumindest je einen Sensor für Massenfluss, Temperatur und Druck des Kathodengases in der Kathodengaszuleitung vorzusehen. Basierend auf den Messwerten dieser Vielzahl von verschiedenen Sensoren wird die Brennstoffzellenanordnung dahingehend betrieben, dass die relative Feuchte innerhalb eines vorgegebenen
Bereichs gehalten wird. Auch ist bekannt, beispielsweise aus der
WO 2008/106992 A1 , eine Vielzahl von Sensoren zur Überwachung der Brennstoffzellenanordnung vorzusehen, deren Messergebnisse in einer
Auswerteeinheit kombinatorisch miteinander verknüpft werden können, um basierend auf dieser Vielzahl von Messergebnissen die Feuchte der
Brennstoffzellenanordnung zu regeln.
Als Nachteil bei bekannten Verfahren zum Steuern der Feuchte eines
Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie bei bekannten
Brennstoffzellenanordnungen kann dabei angesehen werden, dass entweder
Sensoren, insbesondere Feuchtesensoren, eingesetzt werden, die fehleranfällig sind oder dass eine Vielzahl von Sensoren benötigt wird, um die Feuchte in der Kathodengaszuleitung der Brennstoffzellenanordnung zu ermitteln. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend
beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie bekannter
Brennstoffzellenanordnungen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie eine
Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, welche in einfacher und
kostengünstiger Weise den Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung mit einer idealen Feuchte des Kathodengases ermöglichen, wobei zur Regelung möglichst wenig und dabei einfache und robuste Sensoren verwendet werden.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine
Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
In einem ersten Aspekt der Erfindung die die Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung, wobei die Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodengasableitung aufweist, gelöst. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durch folgende
Schritte gekennzeichnet:
a) Messen eines Drucks des Kathodengases vor der Kathode, b) Messen eines Drucks des Kathodengases nach der Kathode, c) Ermitteln des Druckverlustes des Kathodengases in der Kathode aus den Messergebnissen, d) Bestimmen der aktuellen Feuchte des Kathodengases basierend auf dem ermittelten Druckverlust,
e) Einstellen der Feuchte des Kathodengases basierend auf der
bestimmten aktuellen Feuchte.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit vorgesehen, die Feuchte eines Kathodengases basierend auf Druckmessungen im Kathodengas zu ermitteln. Die beim Verfahren eingesetzten Drucksensoren sind einfache Sensoren, die bereits, insbesondere auch für den automobilen Einsatz, vorhanden sind. Kostenaufwendige Neuentwicklungen können dadurch vermieden werden. Insbesondere kann der Einsatz von Feuchtesensoren, welche insbesondere beim Vorliegen von flüssigem Wasser oder Feuchte nah 100% eine hohe Störanfälligkeit aufweisen, durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vermieden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch derartige Drucksensoren der Druck des Kathodengases vor und nach der Kathode gemessen wird. Aus den gemessenen Drücken kann anschließend in einer geeigneten Auswerteeinheit der Druckverlust des Kathodengases in der Kathode ermittelt werden. Selbstverständlich können die Schritte b) und c) des Verfahrens auch durch den Einsatz eines Differenzdrucksensors, in der
Kathodengasableitung angeordnet ist, und die dadurch direkte Möglichkeit der Messung des Druckverlusts des Kathodengases in der Kathode realisiert sein. Bei ansonsten konstanten Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenanordnung ist die Feuchte des Kathodengases im Wesentlichen nur vom Druckverlust des Kathodengases in der Kathode abhängig. Basierend auf dem ermittelten Druckverlust des Kathodengases in der Kathode kann somit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktuelle Feuchte des Kathodengases bestimmt werden. Dafür kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, der die Messdaten der verwendeten Drucksensoren zugeführt werden.
Selbstverständlich können einer derartigen Auswerteeinheit auch Daten weiterer bereits in der Brennstoffzellanordnung vorhandener Sensoren, wie
beispielsweise eines Temperatursensors oder eines Luftmassensensors, zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die
Brennstoffzellenanordnung mit variierenden Massenströmen oder Temperaturen betrieben wird. Die Auswerteeinheit kann bei einer derartigen Ausgestaltung selbstverständlich diese zusätzlichen Sensordaten ebenfalls in die Bestimmung der Feuchte mit einbeziehen. Im letzten Schritt e) des Verfahrens wird die Feuchte des Kathodengases basierend auf der bestimmten aktuellen Feuchte eingestellt. Eine Regelung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch basierend auf den gemessenen Drücken möglich. Ein Austrocknen der
Brennstoffzelle, bei zu geringer Feuchte oder ein Fluten der Brennstoffzelle bei zu hoher Feuchte kann so sicher vermieden werden. Desweiteren ist ein
Betreiben der Brennstoffzellenanordnung in einem Bereich ideale Feuchte des Kathodengases ermöglicht. Durch die Feuchtebestimmung des Kathodengases basierend auf Druckmessungen kann eine besonders einfache und
kostengünstige Art und Weise bereitgestellt werden, die Feuchte eines
Kathodengases zu ermitteln. Insbesondere kann der Einsatz von störanfälligen und wartungsintensiven Feuchtesensoren vermieden werden.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Schritt d) des Verfahrens ein in der Kathode der Brennstoffzelle verdampfter Wassermassenstrom bestimmt wird. Abhängig von den Betriebsbedingungen der
Brennstoffzelle wird das produzierte Wasser im Betrieb dampfförmig und/oder flüssig aus der Kathode abgeführt. Ein Kühlkreislauf der Kathode durch die Verdampfungskühlung bei der Verdampfung, insbesondere des produzierten, Wassers entlastet werden. Durch Messungen konnte gezeigt werden, dass zwischen dem Druckverlust des Kathodengases in der Kathode und dem verdampften Wassermassenstrom ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Der verdampfte Wassermassenstrom hat einen direkten Einfluss auf die Feuchte des Kathodengases. Dies liegt darin begründet, da erzeugtes flüssiges Wasser durch Verdampfen gasförmig wird und zur Feuchte des Kathodengases beiträgt. Ein hoher Massenstrom verdampften Wassers in der Kathode führt somit zu einem erhöhten absoluten Feuchtegehalt des Kathodengases, ein niedriger Massenstrom zu einem verringerten Feuchtegehalt des
Kathodengases. Da durch die Messung des Druckverlusts direkt auf den
Massenstrom des verdampften Wassers in der Kathode geschlossen werden kann, kann basierend auf diesen Rückschlüssen, in Schritt e) des Verfahrens die
Feuchte des Kathodengases dahin gehend geregelt werden, dass ein Betrieb der Brennstoffzellenanordnung bei idealer Feuchte zu jeder Zeit gewährleistet werden kann.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Schritt d) ein Verhältnis von in der Kathode verdampftem zu in der Kathode erzeugtem Wasser bestimmt wird. Das in der Kathode erzeugte Wasser kann direkt über die Faraday-Gleichung berechnet werden. Die Menge des erzeugten Wassers ist proportional zur molaren Masse von Wasserdampf multipliziert mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom und umgekehrt proportional zum Doppelten der Faraday-Konstanten. Über dieses Verhältnis kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob in der Kathode flüssiges Wasser im Bereich eines Strömungsfeldes der Kathode vorliegt. Bei einem berechneten Verhältnis <1 wird in der Kathode mehr Wasser produziert als verdampft. Es liegt somit flüssiges Wasser am Kathodenausgang vor. Dies kann zum einen bedeuten, dass bei ständigem Betrieb bei diesem Verhältnis die Gefahr einer Flutung der Kathode der Brennstoffzelle besteht. Andererseits können Brennstoffzellen auch mit einem derartigen Befeuchtungskonzept betrieben werden, bei dem das Vorliegen von flüssigem Wasser am
Kathodenausgang nötig ist. Dies kann insbesondere beispielsweise bei einem Befeuchtungskonzept notwendig sein, dessen Wirkprinzip stark auf einer inneren Befeuchtung des Kathodengases durch Feuchteaustausch Kathode und Anode der Brennstoffzelle beruht. Ein Verhältnis >1 bedeutet, dass weniger Wasser in der Kathode produziert wird als dort verdampft. Es liegt somit kein flüssiges Wasser am Kathodenausgang, in der Kathode, zumindest jedoch vor. Da es bei Brennstoffzellen insbesondere vorkommen kann, dass eine Membran verwendet wird, die eine gewisse Feuchte benötigt, kann ein derartiges Verhältnis >1 daher die Gefahr einer Austrocknung der Kathode der Brennstoffzelle andeuten. Das Berechnen eines derartigen Verhältnisses stellt somit eine besonders einfache Art und Weise dar, die Feuchte, insbesondere das Vorliegen von flüssigem Wasser, in der Kathode zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in Schritt d) das Verhältnis mit einem unteren und/oder einem oberen Grenzwert verglichen wird. Der oder die
Grenzwert(e) können dabei insbesondere bevorzugt derart gewählt sein, dass bei einem Vergleich mit den Grenzwerten ein Erkennen von Fehlerzuständen der Brennstoffzelle möglich ist. Durch ein, insbesondere frühzeitiges, Erkennen derartiger Fehlerzustände ist ein Eingreifen in den Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung dahingehend ermöglicht, eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Brennstoffzellenanordnung zu verhindern. Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt e) das Einstellen der Feuchte basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs vorgenommen wird. Eine Regelung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch besonders einfach ermöglicht. Bevorzugt wird dabei das Verhältnis mit einem oberen und einem unteren Grenzwert verglichen.
Durch das Einstellen der Feuchte basierend auf den Vergleich kann
insbesondere das Verhältnis aus in der Kathode verdampften zu erzeugten Wasser zwischen den Grenzwerten schalten werden. Die
Brennstoffzellenanordnung kann somit in einem Bereich idealer Feuchte betrieben werden, da dadurch ein stabiles Wassermanagement ermöglicht ist.
Ein sicherer und stabiler Betrieb, bei dem insbesondere die Gefahr einer Austrocknung oder einer Flutung der Kathode der Brennstoffzelle vermieden wird, kann so sichergestellt werden. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im
Schritt e) zum Einstellen der Feuchte eine Drosselklappe der
Brennstoffzellenanordnung und/oder ein Befeuchter der
Brennstoffzellenanordnung angesteuert werden und/oder dass eine
Stöchiometrie und/oder eine Temperatur des Kathodengases verändert werden. Um die Feuchte des Kathodengases einzustellen, sind viele verschiedene
Möglichkeiten denkbar. Bei einer verstellbaren Ausführung der Drosselklappe wird beispielsweise der Kathodenaustrittsdruck angepasst. Dabei ist
selbstverständlich sowohl eine Erhöhung als auch eine Erniedrigung des Kathodenaustrittsdrucks möglich. Durch eine derartige Anpassung des
Kathodenaustrittsdrucks ergibt sich direkt auch eine Veränderung des
Druckverlustes des Kathodengases in der Kathode. Wie oben bereits
beschrieben, hat dies einen direkten Einfluss auf die Feuchte des
Kathodengases. Ferner kann in der Kathodengaszuleitung ein Befeuchter angeordnet sein. Dieser Befeuchter kann dahin gehend angesteuert werden, das Kathodengas mehr oder weniger zu befeuchten. Auch durch die Ansteuerung eines Befeuchters ist somit ein direkter Einfluss auf die Feuchte des
Kathodengases und somit eine Regelung der Feuchte des Kathodengases möglich. Durch eine Änderung der Kathodenstöchiometrie, d. h. insbesondere des Verhältnisses von Ist-Sauerstoffmenge zur stöchiometrischen
Sauerstoffmenge am Kathodeneintritt, wird direkt die Menge trockener Luft, insbesondere am Austritt der Kathode beeinflusst. Hohe Kathodenstöchiometrien ermöglichen der Luft in der Kathode viel Wasser dampfförmig aus der Kathode auszutragen und damit die Brennstoffzelle zu entfeuchten. Wenn das gesamte produzierte Wasser dampfförmig ausgetragen wird, dann besteht jedoch die Gefahr, dass die Luft der Membran Wasser entzieht und der Membranwiderstand ansteigt. Dadurch ergibt sich eine Änderung der Feuchte des Kathodengases.
Durch eine Veränderung der Temperatur kann ebenfalls die Feuchte des Kathodengases beeinflusst werden. So bewirkt eine Erhöhung der Temperatur, dass mehr Wasser im Kathodengas verdampft. Dadurch wird die Feuchte des Kathodengases erhöht. Umgekehrt bewirkt eine Absenkung der Temperatur ein geringeres Verdampfen von flüssigem Wasser im Kathodengas, wodurch die absolute Feuchtemenge des Kathodengases verringert wird und die Gefahr einer Flutung der Kathode mit flüssigem Wasser besteht.
Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Weiterentwicklung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Temperatur des
Kathodengases über die Temperatur eines Kühlmittels der Brennstoffzelle verändert wird und/oder dass der Befeuchter in der Brennstoffzellenanordnung einen Bypass aufweist, welcher zur Einstellung der Feuchte des Kathodengases angesteuert wird. Bei einer Brennstoffzellenanordnung kann eine Kühlung der Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel vorgesehen sein, um Abwärme der
Brennstoffzelle von der Brennstoffzelle abzutransportieren. Durch Veränderung der Temperatur des Kühlmittels kann dabei besonders einfach direkt auf die Temperatur des Kathodengases Einfluss genommen werden. Ebenfalls besonders einfach kann ein Befeuchter, der in der Kathodengaszuleitung der Brennstoffzellenanordnung angeordnet ist, durch einen Bypass geregelt werden.
Durch einen derartigen Bypass wird Kathodengas am Befeuchter vorbeigeleitet und wird somit im Befeuchter nicht befeuchtet. Das vorbeigeleitete Kathodengas wird nach dem Befeuchten mit dem befeuchteten Kathodengas wieder zusammengeführt. Durch die Menge an nicht befeuchtetem Kathodengas kann somit die Befeuchtung des gesamten Kathodengases gesteuert werden. Ein
Bypass stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, einen
Befeuchter, insbesondere die Menge von im Befeuchter befeuchteten
Kathodengases, zu regeln.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine
Brennstoffzellenanordnung aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung, eine Kathodengasableitung, einen ersten Drucksensor in der Kathodengaszuleitung, einen zweiten Drucksensor in der Kathodengasableitung, eine Auswerteeinheit sowie Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases, gelöst. Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoffzellenanordnung zur Ausführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem
erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass die Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des
Kathodengases eine Drosselklappe der Brennstoffzellenanordnung und/oder einen Befeuchter und/oder einen Bypass eines Befeuchters und/oder eine Einheit zur Änderung der Stöchiometrie des Kathodengases und/oder eine Einheit zur Änderung der Temperatur des Kathodengases aufweisen. Dabei kann beispielsweise durch eine, insbesondere variable, Drosselklappe der
Kathodenaustrittsdruck angepasst, d. h. insbesondere erhöht bzw. erniedrigt werden. Dadurch ändert sich der Druckverlust des Kathodengases in der Kathode der Brennstoffzelle und damit auch indirekt die Feuchte im
Kathodengas. Eine Erhöhung des Kathodenaustrittsdrucks führt dabei zu einer Erhöhung der relativen Feuchte, eine Erniedrigung des Kathodenaustrittsdrucks zu einer Verminderung der Feuchte. Ferner kann eine
Brennstoffzellenanordnung einen Befeuchter aufweisen. Ein derartiger
Befeuchter ist in der Kathodengaszuleitung angeordnet und wird zur direkten Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases verwendet. Eine direkte
Erhöhung bzw. Verminderung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch ermöglicht. Ein derartiger Befeuchter kann dabei beispielsweise einen Bypass aufweisen, durch den Kathodengas am Befeuchter vorbeigeleitet werden kann. Die Menge des am Befeuchter vorbeigeleiteten Kathodengases bestimmt dabei indirekt die Feuchte des gesamten Kathodengases. Nach dem Befeuchter werden der befeuchtete und der unbefeuchtete Kathodengasstrom wieder vereinigt. Das Verhältnis der beiden Teile bestimmt die Gesamtfeuchte des
Kathodengases. Durch ein mehr oder weniger starkes Öffnen des Bypasses des Befeuchters kann somit die Feuchte des Kathodengases auf besonders einfache Art und Weise eingestellt werden. Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Beeinflussung der Feuchte kann eine Änderung der
Stöchiometrie des Kathodengases darstellen. Die Kathodenstöchiometrie ist das Verhältnis aus der vorhanden Sauerstoffmenge und der stöchiometrischen
Sauerstoffmenge und hat direkten Einfluss auf den Volumenstrom trockener Luft und damit wiederum auf die insgesamt dampfförmig abführbare Wassermenge aus der Kathode. Wie oben bereits dargelegt, kann dadurch auch die Feuchte des Kathodengases beeinflusst werden. Dies gilt auch für eine Beeinflussung der Temperatur des Kathodengases. Eine derartige Einheit zur Änderung der
Temperatur des Kathodengases kann beispielsweise eine Heizung oder Kühlung der Brennstoffzelle oder ein Kühlmittel sein, dessen Temperatur gezielt verändert werden kann. Eine höhere Temperatur des Kühlmittels führt dabei zu einer höheren Temperatur des Kathodengases, wodurch wiederum im Kathodengas mehr Wasser verdampft werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung der
Verdampfungsrate und zu einer Verkleinerung der relativen Feuchte, sobald kein flüssiges Wasser mehr in der Kathode vorhanden ist. Umgekehrt führt eine Erniedrigung der Temperatur des Kathodengases zu einer Verminderung der Verdampfungsrate, wodurch die Dampfmenge des Kathodengases vermindert werden kann und tendenziell mehr flüssiges Wasser in der Kathode vorhanden ist.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie deren
Vorteile sowie die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 Widerstandsmessungen an einer Brennstoffzellenanordnung,
Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltungsform eines Teils einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung,
Fig. 4a Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 45° Celsius, Fig. 4b Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius,
Fig. 4c Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 75° Celsius Fig. 5a Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius und = 2,0,
Fig. 5b Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius und λ = 3,5 und
Fig. 6 eine mögliche Feuchteregelung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Fig. 1 , 2, 3, 4a, 4b, 4c, 5a, 5b und 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein typisches Kathodengassystem einer Brennstoffzelle 10 einer Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Anodenteil der Brennstoffzellenanordnung 1 ist nicht mit abgebildet. Das
Kathodengas, beispielsweise in diesem Fall Luft, wird vor dem Eintritt in die Kathode 1 1 durch einen Luftfilter 2 gereinigt. Anschließend wird der Druck der
Luft durch einen mit einem Verdichtermotor 5 angetriebenen Verdichter 4 erhöht. Durch einen Wärmetauscher 3 und einem Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 wird das Kathodengas anschließend dahin gehend konditioniert, dass es die nötigen Eintrittsbedingungen für den Eintritt durch die Kathodengaszuführung 12 in die Kathode 1 1 aufweist. Durch die Kathodengasabführung 13 wird
unverbrauchtes Kathodengas zusammen mit in der Brennstoffzelle 10
entstandenen Reaktionsprodukten, insbesondere Wasser, wieder aus der Brennstoffzelle 10 ausgeleitet. Die Eintrittsfeuchte des Kathodengases wird dabei durch eine externe Regelung eingestellt, wobei hier mehrere Sensoren, insbesondere ein erster Drucksensor 20, ein Massenstromsensor 22 und ein
Feuchtesensor 23 zur Messung der Feuchte des Kathodenfluids, vorgesehen sind. Mit einer Drosselklappe 7 kann der Systemdruck abhängig vom
Massenstrom eingestellt werden. Falls beispielsweise der Verdichter 4 als eine Turbomaschine, wie beispielsweise ein Radialverdichter, ausgeführt ist, kann ferner aus Gründen des Komponentenschutzes ein Bypass mit Drosselklappe 8 vorgesehen sein. Das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 ist ferner als Befeuchter 15 ausgebildet und weist einen Befeuchterbypass 16 mit einer eigenen Drosselklappe 9 auf. Die Feuchte des Kathodengases wird in der gezeigten Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik somit insbesondere über einen Feuchtesensor 23 gemessen. Diese Feuchtesensoren
23 sind jedoch, insbesondere beim Vorliegen von flüssigem Wasser, wenig robust und insbesondere störanfällig. Dies ist insbesondere darin begründet, dass ein Feuchtesensor 23, der von einem Wassertropfen getroffen wird, über eine nicht zu vernachlässigende Zeit keine Daten liefern kann. In Fig. 2 sind Messreihen des Widerstands einer Brennstoffzelle 10 über die
Stromdichte für verschiedene Kathodenfeuchten aufgetragen. Dabei sind insbesondere Messreihen für die Kathodenfeuchte 100% 30, Kathodenfeuchte 70% 31 , Kathodenfeuchte 50% 32 und Kathodenfeuchte 33% 33 aufgenommen worden. Deutlich sichtbar ist, dass mit zunehmender Kathodenfeuchte 30, 31 ,32, 33 der Widerstand der Brennstoffzelle 10 sinkt. Ein geringerer Widerstand der
Brennstoffzelle 10 korrespondiert dabei mit einem hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 10, da Verluste innerhalb der Brennstoffzelle 10 minimiert werden. Ferner geht ein hoher Widerstand, der, sichtbar ist in Fig. 2 mit einer niedrigen Kathodenfeuchte korrespondiert, mit einer hohen Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle 10 in Betrieb einher, welche gegebenenfalls zur
Beschädigung der Brennstoffzelle 10 führen kann. Dies macht deutlich, dass eine Steuerung bzw. insbesondere eine Regelung der Feuchte zumindest des Kathodengases einen großen Einfluss auf die Leistungsausbeute und die Lebensdauer einer Brennstoffzelle 10 und einer gesamten
Brennstoffzellenanordnung 1 hat.
In Fig. 3 ist eine mögliche Ausgestaltung eines Teils einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt. Insbesondere ist die Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 inklusive Teilen der Kathodengaszuleitung 12 und der Kathodengasableitung 13 gezeigt. In der Kathodengaszuleitung 12 ist ein erster
Drucksensor 20 und in der Kathodengasableitung 13 ein zweiter Drucksensor 21 angeordnet. Dadurch ist es möglich, den Druck des Kathodengases vor und nach der Kathode 1 1 der Brennstoffzelle 10 zu messen. Dabei können die beiden Drucksensoren 20, 21 jeweils direkt den Druck des Kathodengases messen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor 21 als
Differenzdrucksensor ausgestaltet ist. In diesem Fall kann ebenfalls durch die Druckmessung des ersten Drucksensors 20 und die Differenzdruckmessung des zweiten Drucksensors 21 der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 der Brennstoffzelle 10 ermittelt werden. Eine weitere Alternative ist die ausschließliche Verwendung eines Differenzdrucksensors 20, 21 mit dem Vorteil, dass eine Toleranzkette mehrerer Sensorungenauigkeiten bei der Ermittlung des Kathodendruckverlusts vermieden werden kann. Basierend auf diesem
Druckabfall kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 , insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases gezogen werden. Durch das Ansteuern von Mitteln zur Beeinflussung der Feuchte 14 (nicht mit abgebildet) kann so direkt die
Feuchte des Kathodengases beeinflusst und geregelt werden. Insbesondere ist durch diese Druckmessung bzw. durch die Rückschlüsse von dem gemessenen Druckabfall auf die Feuchte des Kathodengases eine direkte Feuchtemessung durch Feuchtesensoren nicht mehr nötig. Dies stellt einen Vorteil dar, da derartige Feuchtesensoren 23, insbesondere beim Vorliegen von flüssigem
Wasser, wenig robust und insbesondere störanfällig sind.
Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen jeweils Messwerte einer Feuchtemessung eines Versuchsaufbaus mit einer Brennstoffzellenanordnung 1. Aufgetragen ist jeweils der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 der Brennstoffzellenanordnung 1 gegen den Massenstrom des in der Kathode 1 1 verdampften Wassers. Die drei Fig. 4a, 4b und 4c sind dabei Messungen bei verschiedenen Temperaturen der Brennstoffzelle 10 der
Brennstoffzellenanordnung 1 bei konstanter Kathodenstöchiometrie λ = 2,0. So sind die Messergebnisse aus Fig. 4a bei 45° Celsius, aus Fig. 4b bei 65° Celsius und aus Fig. 4c bei 75° Celsius gemessen worden. Für alle drei
Temperaturbereiche ist deutlich sichtbar, dass für verschiedene relative
Feuchten, repräsentiert durch die verschiedenen Symbole (Quadrat: relative Feuchte 50%. Dreieck: relative Feuchte 70%, Kreis: relative Feuchte 90%), jeweils zwischen dem Massenstrom und dem Druckabfall ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Die Steigung der Linearität lässt dabei direkte Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases zu.
Die Fig. 5a und 5b zeigen ebenfalls jeweils Messwerte einer Feuchtemessung eines Versuchsaufbaus mit einer Brennstoffzellenanordnung 1. Aufgetragen ist in diesen Figuren jeweils der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 der Brennstoffzellenanordnung 1 gegen den
Massenstrom der in die Kathode 1 1 eingeleiteten trockenen Luft. Im Gegensatz zu den Messungen in Fig. 4a, 4b und 4c sind dabei die Messungen bei einer konstanten Temperatur von 65° Celsius der Brennstoffzelle 10 der
Brennstoffzellenanordnung 1 durchgeführt worden. Verändert wurde hingegen die Kathodenstöchiometrie. Sie betrug λ = 2,0 bei der Messung für Fig. 5a beziehungsweise λ = 3,5 bei der Messung für Fig. 5b. Für beide
Kathodenstöchiometrien ist auch bei diesen Messungen deutlich sichtbar, dass für verschiedene relative Feuchten, repräsentiert durch die gleichen Symbole wie in den Fig. 4a, 4b und 4c (Quadrat: relative Feuchte 50%. Dreieck: relative
Feuchte 70%, Kreis: relative Feuchte 90%), jeweils zwischen dem Massenstrom der eingeleiteten trockenen Luft und dem Druckabfall ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Die Steigung der Linearität lässt dabei auch hier direkte Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases zu.
Zusammenfassend lässt sich somit aus den Messungen der Fig. 4a, 4b, 4c, 5a und 5b folgern, dass bei konstantem Massenstrom des in der Kathode 1 1 verdampften Wassers beziehungsweise der in die Kathode 1 1 eingeleiteten trockenen Luft sich somit ein Druckverlust bei ansonsten konstanten
Betriebsbedingungen im Wesentlichen abhängig von der Feuchte der Kathode
1 1 einstellt. Diese Zusammenhänge, auch die Abhängigkeiten von den
Betriebsbedingungen wie Temperatur oder Kathodenstöchiometrie, können daher genutzt werden, um die Feuchte des Kathodengases zu bestimmen und gegebenenfalls Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 anzusteuern, um diese Feuchte zu regeln.
In Fig. 6 ist ein schematisches Entscheidungsdiagramm zur Steuerung der Feuchte in einem Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 in einem Kathodengas gezeigt. Ein derartiges Entscheidungsdiagramm kann dabei insbesondere in einer Auswerteeinheit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 abgearbeitet werden. Dabei stellt Nvap das Verhältnis von in der Kathode 1 1 verdampftem zu in der Kathode 1 1 erzeugtem Wasser dar. Wie in den Fig. 4a, 4b und 4c gezeigt, ist der Massenstrom an verdampftem Wasser in der Kathode 1 1 im Wesentlichen linear zum Druckverlust des Kathodengases in der Kathode 1 1. Dieser Druckverlust kann durch die Drucksensoren 20, 21 , die auch als ein
Differenzdrucksensor 20, 21 ausgebildet sein können, ermittelt werden. Der Massenstrom an produziertem Wasser kann einfach über die Faraday-Gleichung aus der molaren Masse von Dampf, den in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Strom und der Faraday-Konstanten ermittelt werden. Nvap max und NvaPimin sind jeweils Grenzwerte, die in einer Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung 1 mit dem gemessenen Verhältnis Nvap verglichen werden können. Wird in einem ersten Schritt festgestellt, dass das gemessene Verhältnis Nvap größer ist als ein maximaler Grenzwert Nvap,max, so wird angenommen, dass die Feuchte im Kathodenfluid nicht ausreichend hoch ist. Dies ist darin begründet, da bei einem derartigen Verhältnis im Vergleich zum produzierten Wasser zu viel Wasser verdampft. Dies bedeutet eine hohe beziehungsweise zu hohe Verdunstungsrate innerhalb der Kathode 1 1. Das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 wird somit dahin gehend angesteuert bzw. geregelt, dass durch das Mittel 14 die Feuchte des Kathodengases erhöht wird. Die Mittel 14 können dabei selbstverständlich auch dahingehend ausgebildet sein, die Feuchte zusätzlich und/oder alternativ durch Veränderung der Betriebsgrößen Kathodenstöchiometrie, Kathodendruckniveau und/oder Temperatur zu beeinflussen. Ist das ermittelte Verhältnis Nvap kleiner oder gleich als der obere Grenzwert Nvap max, so wird in einem nächsten Schritt verglichen, ob das ermittelte Verhältnis Nvap kleiner ist als ein minimaler Grenzwert Nvap min. Ist dies der Fall, so wird das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 dahin gehend angesteuert bzw. geregelt, dass durch das Mittel 14 die Feuchte des
Kathodengases reduziert wird. Fällt der zweite Vergleich negativ aus, und ist somit das ermittelte Verhältnis Nvap zwischen den beiden Grenzwerten Nvap max und Nvap min, so wird angenommen, dass die Feuchte des Kathodengases sich in einem Bereich befindet, in dem ein idealer bzw. im Wesentlichen idealer Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 möglich ist. Es ergeht in diesem Fall keine Regelung bzw. Ansteuerung des Mittels zur Beeinflussung der Feuchte 14 und die bestehende Feuchte im Kathodengas wird beibehalten. Auf diese Art ist es möglich, insbesondere bei ansonsten konstanten
Betriebsbedingungen, allein durch zwei Druckmessungen durch den ersten Drucksensor 20 und den zweiten Drucksensor 21 oder durch eine
Differenzdruckmessung durch einen Differenzdrucksensor 20, 21 , auf die Feuchte des Kathodengases zurückzuschließen. Auf eine direkte Messung der Feuchte des Kathodengases durch einen störanfälligen Feuchtesensor 23 kann somit verzichtet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer
Brennstoffzellenanordnung (1 ), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1 ) zumindest eine Brennstoffzelle (10) mit einer Kathode (1 1 ), eine
Kathodengaszuleitung (12) und eine Kathodengasableitung (13) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Messen eines Drucks des Kathodengases vor der Kathode (1 1 ), b) Messen eines Drucks des Kathodengases nach der Kathode (1 1 ), c) Ermitteln des Druckverlustes des Kathodengases in der Kathode (1 1 ) aus den Messergebnissen,
d) Bestimmen der aktuellen Feuchte des Kathodengases basierend auf dem ermittelten Druckverlust,
e) Einstellen der Feuchte des Kathodengases basierend auf der
bestimmten aktuellen Feuchte.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) des Verfahrens ein in der Kathode (1 1 ) der Brennstoffzelle (10) verdampfter Wassermassenstrom bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) ein Verhältnis (Nvap) von in der Kathode (1 1 ) verdampftem zu in der Kathode (1 1 ) erzeugtem Wasser bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) das Verhältnis (Nvap) mit einem unteren (NvaPimin) und/oder einem oberen Grenzwert (Nvap,max) verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) das
Einstellen der Feuchte basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) zum Einstellen der Feuchte eine Drosselklappe (7) der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) und/oder ein Befeuchter (15) der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) angesteuert werden und/oder dass eine Stöchiometrie und/oder eine Temperatur des Kathodengases verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kathodengases über die Temperatur eines Kühlmittels der
Brennstoffzelle (10) verändert wird und/oder dass der Befeuchter (15) der Brennstoffzellenanordnung (1 ) einen Bypass (16) aufweist, welcher zur Einstellung der Feuchte des Kathodengases angesteuert wird.
Brennstoffzellenanordnung (1 ) aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (10) mit einer Kathode (1 1 ), eine Kathodengaszuleitung (12), eine
Kathodengasableitung (13), einen ersten Drucksensor (20) in der
Kathodengaszuleitung (1 1 ), einen zweiten Drucksensor (21 ) in der
Kathodengasableitung (13), eine Auswerteeinheit sowie Mittel (14) zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (1 ) zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14) zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases eine Drosselklappe (7) der Brennstoffzellenanordnung (1 ) und/oder einen
Befeuchter (15) und/oder einen Bypass (16) eines Befeuchters (15) und/oder eine Einheit zur Änderung der Stöchiometrie des Kathodengases und/oder eine Einheit zur Änderung der Temperatur des Kathodengases aufweisen.
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