WO2023094318A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2023094318A1
WO2023094318A1 PCT/EP2022/082616 EP2022082616W WO2023094318A1 WO 2023094318 A1 WO2023094318 A1 WO 2023094318A1 EP 2022082616 W EP2022082616 W EP 2022082616W WO 2023094318 A1 WO2023094318 A1 WO 2023094318A1
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water
fuel cell
path
valve unit
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PCT/EP2022/082616
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Martin Katz
Jochen Wessner
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system that is suitable for carrying out the method or can be operated according to the method.
  • Fuel cells convert a fuel, such as hydrogen, and oxygen into electrical energy, heat, and water.
  • Air in particular ambient air, can serve as the oxygen supplier.
  • the air is supplied to a cathode of the fuel cell via an air supply path. Since the energy conversion process requires a certain air mass flow and a certain pressure level, the air supplied on the cathode side is first compressed with the aid of an air compressor arranged in the supply air path. Before entering the fuel cells, the air is also humidified to prevent the membranes of the fuel cells from drying out. Otherwise there is a risk that the fuel cells will be damaged.
  • a gas-to-gas membrane humidifier can be used for humidification, which transports water, in particular product water, which occurs during operation of the fuel cells, from the outlet side to the inlet side of the fuel cells. Since the exchange surfaces must be large in order to transport the required water mass flow, the installation space required for such a humidifier is quite large. In addition, water can only be transferred if there is sufficient water on the outlet side. Since water always remains in the exchange regions, this can result in damage due to ice pressure during freezes. Furthermore, with such humidifiers, there is no way to directly control the water transfer. Typically this is a Bypass channel provided on one of the two sides, which allows adjustment of the humidity at the inlet of the fuel cells by means of a bypass flap. Regulating this concept precisely is difficult and therefore time-consuming.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a concept for humidifying the air in an air supply path of a fuel cell system that enables the inlet humidity and inlet temperature of the air to be set precisely and is also easy to implement.
  • the method according to the invention with the features of independent claim 1 and the fuel cell system according to the invention with the features of independent claim 7 have the advantage that it can be ensured at all operating points of the air compressor that the water evaporates when it is injected into the inlet air path.
  • the air in the supply air path is cooled at low load points. Furthermore, the method according to the invention avoids the air in the supply air path then having to be brought to the setpoint temperature in the heat exchanger. As there is no liquid water in the supply air path stands, it does not have to be evaporated in the heat exchanger in order to achieve the appropriate target humidity. This results in high energy savings. Furthermore, the heat exchanger in front of the fuel cell can be made smaller, so that costs and installation space can be saved.
  • the water for the injection is brought to a higher pressure so that the boiling point of the water is above the corresponding water in of the compressed air in the supply air path is downstream of the air compressor.
  • An air pressure above approx. 3 bar is particularly advantageous here.
  • the water is preferably conveyed from the tank to a pressure level for the injection that is above the gas pressure in the supply air path.
  • the water can thus be finely atomized when introduced into the supply air path with the aid of the at least one valve unit.
  • the compressed water in the first line can be brought to a temperature that is above the boiling point of the water in the compressed air in the supply air path downstream of the air compressor.
  • the compressed water is consequently heated in the first line to a temperature which is higher than the boiling point of water at a pressure which corresponds to the actual pressure of the compressed air in the supply air path downstream of the air compressor.
  • valve unit can dose hot, but liquid (and therefore easy to dose) water into the air of the supply air path.
  • the water evaporates as a result of the expansion via the valve unit, so that the moisture is supplied in the form of vapor.
  • the temperature in the cathode gas rises as a result of the vaporous supply.
  • a heater for heating the water is a simple and therefore advantageous alternative if the energy provided by the heat pipe is not sufficient.
  • the water can be introduced as a spray. This means that the water is introduced in the form of very fine droplets, which make it easier for the water to evaporate. At the same time, a good distribution of the water in the supply air path is achieved in this way. If the water is introduced immediately after compression, the swirl at the outlet of the air compressor can be used to optimally mix the water and air. At the same time, the air immediately downstream of the compressor is heated to such an extent that the water brought in with the help of the valve unit evaporates directly.
  • the compressed and humidified air is routed through a mixing section.
  • a mixing section between the at least one valve unit and the heat exchanger is preferably integrated into the supply air path. Any liquid water remaining in the air at the end of the mixing section can then evaporate as it flows through the heat exchanger.
  • the proposed fuel cell system thus has all the components that are required to carry out the method according to the invention described above. Accordingly, the proposed fuel cell system can be operated using such a method. Accordingly, the same advantages can be achieved with the aid of the fuel cell system as with the aid of the method according to the invention described above.
  • a heat exchanger is preferably integrated in the supply air path downstream of the at least one valve unit. With the help of the heat exchanger, the air can be brought to a required target temperature before it enters the fuel cell. In addition, residual liquid water present in the air can evaporate as it flows through the heat exchanger. The heat exchanger thus supports complete evaporation of the water introduced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 1 shows a schematic topology of a fuel cell system 1 according to a first exemplary embodiment of the invention, having at least one fuel cell stack 2 with a cathode 11 and an anode 12. Air can be supplied to the cathode 11 via an air supply path 3.
  • the anode 12 can be supplied with a fuel, in particular hydrogen, via an anode circuit that is not shown in detail.
  • the fuel cell 2 also has a connection 13 to a cooling circuit, so that the waste heat from the fuel cell 2 can be dissipated here.
  • a connection 14 is provided for electrical components that are not shown in detail.
  • the air fed to the fuel cell 2 via the air inlet path 3 is taken from the environment and fed via an air filter 21 to an air compressor 4 integrated into the air inlet path 3 .
  • the air is compressed with the help of the air compressor 4, the air being heated.
  • a valve unit 5 arranged downstream of the air compressor 4 in the air supply path 3 water is then injected into the air supply path 3 in order to humidify the air.
  • the valve unit 5 is here connected via a first line 30 and a pump 6 to a tank 7 in which water is stored. This can in particular be deionized water. Because a valve unit 5 is used to humidify the air in the supply air path 3, the water can be very finely atomized when it is introduced. This means that the smallest droplets are formed, which evaporate easily in the heated air and are thus distributed evenly.
  • the supply air path 3 forms a mixing section 9 downstream of the valve unit 5 .
  • the mixing section 9 can be a simple tube.
  • built-in components (not shown) can be provided which lead to turbulence in the air flowing through.
  • Air or exhaust air exiting the fuel cell 2 is supplied to a turbine 16 via an exhaust air path 15 in order to recover part of the energy previously introduced during compression.
  • water can be extracted from it with the aid of a water separator 17 integrated into the exhaust air path 15 . This measure serves to protect the turbine 16.
  • valve unit 5 can also be arranged within the mixing section 9 .
  • the water which is finely atomized by means of the valve unit 5, is mixed with the air and turns into moist air.
  • the air cools down.
  • the first line 30 has a heating device 33 which is arranged between the pump 6 and the valve unit 5 .
  • the heater 33 serves to heat the water.
  • the heating device 33 can be designed as a heat pipe 31, the heat pipe 31 transporting thermal energy from a heat source into the water in the first line 30. According to one embodiment of the invention, it can The temperature level required for heating the water in the first line 30 can be provided by the air compressor 4 by means of the heat pipe 31 . Alternatively, the heat pipe 31 can be connected to other warm components within the fuel cell system 1 .
  • an auxiliary electric heater 32 may be positioned within the first conduit 30 to heat the water. This additional electrical heating can also be used to support the heat pipe 31 if the temperature level provided by the heat pipe 31 is not sufficient to heat the water in the first line 30 .
  • the heating device 33 can be embodied as a heat pipe 31 and/or as an electric heater 32 .
  • the water in the first line 30 is heated when the temperature of the compressed air in the supply air path 3 downstream of the air compressor 4 is below a required temperature level.
  • the temperature of the compressed air in the air supply path 3 downstream of the air compressor 4 can be determined using temperature sensors in the air supply path 3 . According to one embodiment of the invention, the temperature of the compressed air in the supply air path 3 downstream of the air compressor 4 is determined based on the load point of the air compressor 4 .
  • the water in the first line 30 is conveyed with the aid of the pump 6 to a pressure level which is above the gas pressure in the air supply path 3 downstream of the air compressor 4 .
  • the target humidity at the inlet of the fuel cell 2 can be regulated with the aid of a variably adjustable water mass flow at the valve unit 5 . In this way, water can be optimally dosed in every load condition and the respective target moisture can be set.
  • FIG. 2 shows a schematic topology of a fuel cell system 1 according to a second exemplary embodiment of the invention. That in the The fuel cell system 1 shown in FIG. 2 corresponds to the topology of FIG. 1 except for the differences explained below.
  • a second valve unit 51 is arranged downstream of the air compressor 4 in the supply air path 3 .
  • Supply air path 3 are injected to humidify the air.
  • the valve unit 50 is connected to the pump 6 and the tank 7 via a second line 35 .
  • a second valve unit 51 which can be closed and opened can be arranged in the second line 35 .
  • the second valve unit 51 is used to meter water that is not heated into the supply air path 3 at high load points of the compressor 4 .

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (2), der über einen Zuluftpfad (3) Luft zugeführt wird, die vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle (2) mit Hilfe eines in den Zuluftpfad (3) integrierten Luftverdichters (4) verdichtet und mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters (4) in den Zuluftpfad (3) integrierten Ventileinheit (5), der mittels einer Pumpe (6) Wasser aus einem Tank (7) über eine erste Leitung zugeführt wird, befeuchtet wird. Das Wasser in der ersten Leitung wird erwärmt, wenn die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad (3) unterhalb eines geforderten Temperaturniveaus liegt.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
Stand der Technik
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant kann Luft, insbesondere Umgebungsluft, dienen. Die Luft wird über einen Zuluftpfad einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen wird die Luft zudem befeuchtet, um ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Brennstoffzellen beschädigt werden.
Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran- Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transportiert. Da die Austauschflächen groß sein müssen, um den geforderten Wassermassenstrom zu transportieren, ist der Bauraumbedarf eines solchen Befeuchters recht groß. Zudem kann nur dann Wasser transferiert werden, wenn auf der Austrittsseite ausreichend Wasser vorhanden ist. Da immer Wasser in den Austauschregionen verbleibt, kann dies bei Frost zu Schäden aufgrund von Eisdruck führen. Darüber hinaus gibt es bei derartigen Befeuchtern keine Eingriffsmöglichkeit, die Wasserübertragung direkt zu kontrollieren. Typischerweise ist hierfür ein Bypasskanal auf einer der beiden Seiten vorgesehen, welcher mittels einer Bypassklappe eine Einstellung der Feuchtigkeit am Eintritt der Brennstoffzellen erlaubt. Dieses Konzept genau einzuregeln, ist schwierig und demzufolge aufwendig.
Als Alternative kann auch mittels Spraydosierung befeuchtet werden. Dabei ist aber zu beachten, dass die Luft ausreichend erwärmt ist. Bei hohen Lastpunkten geschieht das durch die Verdichtungsarbeit des Kompressors. Bei niedrigen Lastpunkten reicht diese Wärme nicht aus, die Luft wird durch das zusätzliche Wasser abgekühlt und muss anschließend wieder in einem Wärmeübertrager auf die Solltemperatur gebracht werden. Dabei muss auch flüssiges Wasser verdampft werden, um die dazu passende Soll-Feuchte zu erreichen. Dieser Kondi- tionierer benötigt viel Bauraum und ist schwierig in der Auslegung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Befeuchten der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, dass eine genaue Einstellung der Eintrittsfeuchte und Eintrittstemperatur der Luft ermöglicht und zudem einfach umzusetzen ist.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 7 haben den Vorteil, dass bei allen Betriebspunkten des Luftverdichters sichergestellt werden kann, dass das Wasser bei der Einspritzung in den Zuluftpfad verdampft.
Es wird vermieden, dass bei niedrigen Lastpunkten die Luft im Zuluftpfad abgekühlt wird. Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, dass die Luft im Zuluftpfad anschließend im Wärmeübertrager auf die Solltemperatur gebracht werden muss. Da kein flüssiges Wasser im Zuluftpfad ent- steht, muss dieses auch nicht im Wärmetauscher verdampft werden, um die dazu passende Soll- Feuchte zu erreichen. Dies resultiert in einer hohen Energieeinsparung. Des Weiteren kann der Wärmetauscher vor der Brennstoffzelle kleiner ausgelegt werden, so dass Kosten und Bauraum eingespart werden können.
Um sicherzustellen, dass das Wasser in bestimmten Betriebspunkten, insbesondere bei einem niedrigen Lastpunkt des Luftverdichters, dampfförmig eingespritzt wird bzw. bei der Einspritzung verdampft, wird das Wasser für die Einspritzung auf einen höheren Druck gebracht, sodass der Siedepunkt des Wassers oberhalb des entsprechenden Wassers in der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichters liegt. Hier ist ein Luftdruck oberhalb von ca. 3 bar besonders vorteilhaft.
Bevorzugt wird mit Hilfe der Pumpe das Wasser aus dem Tank auf ein Druckniveau für die Einspritzung gefördert, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad liegt. Das Wasser kann somit beim Einbringen in den Zuluftpfad mit Hilfe der mindestens einen Ventileinheit fein zerstäubt werden.
Des Weiteren kann das verdichtete Wasser in der ersten Leitung auf eine Temperatur gebracht werden, die oberhalb der Siedetemperatur des Wassers in der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichters liegt. Das verdichtete Wasser wird folglich in der ersten Leitung auf eine Temperatur erwärmt, welche höher ist, als die Siedetemperatur von Wasser bei einem Druck, der dem aktuellen Druck der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichter entspricht.
Auf diese Weise kann die Ventileinheit heißes, aber flüssiges (und daher gut zu dosierendes) Wasser in die Luft der Zuluftpfades dosieren. Durch die Entspannung über die Ventileinheit verdampft das Wasser, sodass die Feuchtigkeitszuführung dampfförmig erfolgt. Durch die dampfförmige Zuführung steigt die Temperatur im Kathodengas an.
Bei hohen Lastpunkten kann weiterhin nicht erhitztes Wasser zudosiert werden.
Es ist von Vorteil, wenn die zur Erwärmung des Wassers benötigte Energie mittels einer Heatpipe vom Luftverdichter bereitgestellt wird, da auf diese Weise be- reits vorhandene Wärmeenergie kostengünstig zum Erwärmen des Wassers genutzt werden kann.
Eine Heizung zum Erwärmen des Wassers ist eine einfache und deshalb vorteilhafte Alternative, falls die durch die Heatpipe zur Verfügung gestellte Energie nicht ausreicht.
Mit Hilfe der Ventileinheit kann das Wasser als Spray eingebracht werden. Das heißt, dass das Wasser in Form feinster Tröpfchen eingebracht wird, die ein Verdampfen des Wassers erleichtern. Zugleich wird auf diese Weise eine gute Verteilung des Wassers im Zuluftpfad erreicht. Sofern das Wasser unmittelbar nach dem Verdichten eingebracht wird, kann der Drall am Austritt des Luftverdichters zur optimalen Vermischung des Wassers und der Luft genutzt werden. Zugleich ist unmittelbar nach dem Verdichter die Luft so stark erwärmt, dass das mit Hilfe der Ventileinheit eingebrachte Wasser direkt verdampft.
Vorteilhafterweise wird zur Optimierung der Feuchteverteilung die verdichtete und befeuchtete Luft über eine Mischstrecke geführt. Je nach Länge der Mischstrecke kann auf diese Weise zugleich sichergestellt werden, dass am Ende der Mischstrecke der verbliebene Flüssigwasseranteil auf ein tolerierbares Niveau abgesunken ist. Bevorzugt ist die Mischstrecke zwischen der mindestens einen Ventileinheit und dem Wärmetauscher in den Zuluftpfad integriert. Ein in der Luft verbliebener Flüssigwasseranteil am Ende der Mischstrecke kann dann beim Durchströmen des Wärmetauschers verdunsten.
Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem weist somit alle Komponenten auf, die zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind. Dementsprechend kann das vorgeschlagene Brennstoffzellen- system nach einem solchen Verfahren betrieben werden. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems sind demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbar.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn eine zweite Ventileinheit über eine zweite Leitung mit der Pumpe und dem Tank verbunden ist, da Wasser über die zweite Ventileinheit bei hohen Lastpunkten des Luftverdichters, in denen das Wasser nicht erwärmt werden muss, über die zweite Ventileinheit eingespritzt werden kann.
Bevorzugt ist stromabwärts der mindestens einen Ventileinheit ein Wärmetauscher in den Zuluftpfad integriert. Mit Hilfe des Wärmetauschers kann die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle auf eine geforderte Solltemperatur gebracht werden. Zudem kann beim Durchströmen des Wärmetauschers restliches in der Luft vorhandenes Flüssigwasser verdampfen. Der Wärmetauscher unterstützt somit ein vollständiges Verdampfen des eingebrachten Wassers.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 2 mit einer Kathode 11 und einer Anode 12. Der Kathode 11 ist über einen Zuluftpfad 3 Luft zuführbar. Die Anode 12 ist über einen nicht näher dargestellten Anodenkreis mit einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgbar. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner einen Anschluss 13 an einen Kühlkreis auf, so dass hierüber die Abwärme der Brennstoffzelle 2 abführbar ist. Darüber hinaus ist ein Anschluss 14 für nicht näher dargestellte elektrische Komponenten vorgesehen.
Die der Brennstoffzelle 2 über den Zuluftpfad 3 zugeführte Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Luftfilter 21 einem in den Zuluftpfad 3 integrierten Luftverdichters 4 zugeführt. Mit Hilfe des Luftverdichters 4 wird die Luft verdichtet, wobei sich die Luft erwärmt. Mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters 4 im Zuluftpfad 3 angeordneten Ventileinheit 5 wird anschließend Wasser in den Zuluftpfad 3 eingedüst, um die Luft zu befeuchtet. Die Ventileinheit 5 ist hier- zu über eine erste Leitung 30 und eine Pumpe 6 mit einem Tank 7 verbunden, in dem Wasser bevorratet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um deionisiertes Wasser handeln. Dadurch, dass eine Ventileinheit 5 zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad 3 verwendet wird, kann das Wasser beim Einbringen sehr fein zerstäubt werden. Das heißt, dass kleinste Tröpfchen gebildet werden, die in der erwärmten Luft leicht verdampfen und somit gleichmäßig verteilen.
Um die Durchmischung zu fördern, bildet der Zuluftpfad 3 stromabwärts der Ventileinheit 5 eine Mischstrecke 9 aus. Diese führt zu einem Wärmetauscher 8, mit dessen Hilfe die Temperatur der verdichteten und befeuchteten Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle 2 eingestellt werden kann.
Die Mischstrecke 9 kann in der einfachsten Ausführung ein einfaches Rohr sein. Um die Verteilung der Wassertropfen zu fördern, können Einbauten (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zu einer Verwirbelung der hindurchströmenden Luft führen.
Aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft wird über einen Abluftpfad 15 einer Turbine 16 zugeführt, um einen Teil der zuvor beim Verdichten eingebrachten Energie zurückzugewinnen. Vor dem Eintritt der Abluft in die Turbine 16 kann ihr mit Hilfe eines in den Abluftpfad 15 integrierten Wasserabscheiders 17 Wasser entzogen. Diese Maßnahme dient dem Schutz der Turbine 16.
Alternativ zur Darstellung der Figur 1 kann die Ventileinheit 5 auch innerhalb der Mischstrecke 9 angeordnet werden.
Das mittels der Ventileinheit 5 fein zerstäubte Wasser wird der Luft zugemischt und geht in feuchte Luft über. Dabei kühlt die Luft ab.
Die erste Leitung 30 weist eine Heizvorrichtung 33 auf, welche zwischen der Pumpe 6 und der Ventileinheit 5 angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 33 dient dazu, dass Wasser zu erwärmen.
Die Heizvorrichtung 33 kann als Heatpipe 31 ausgebildet sein, wobei die Heat- pipe 31 thermische Energie von einer Wärmequelle in das Wasser der ersten Leitung 30 transportiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das zur Erhitzung des Wassers in der ersten Leitung 30 notwendige Temperaturniveau mittels der Heatpipe 31 vom Luftverdichter 4 bereitgestellt werden. Alternativ kann die Heatpipe 31 mit anderen warmen Bauteilen innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 verbunden sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine elektrische Zusatzheizung 32 innerhalb der ersten Leitung 30 angeordnet sein, um das Wasser zu erwärmen. Diese elektrische Zusatzheizung kann auch zur Unterstützung der Heatpipe 31 dienen, falls das zur Verfügung gestellte Temperaturniveau durch die Heatpipe 31 nicht zum Erhitzen des Wassers in der ersten Leitung 30 ausreicht.
Folglich kann die Heizvorrichtung 33 als Heatpipe 31 und/oder als elektrische Heizung 32 ausgebildet sein.
Dass Wasser in der ersten Leitung 30 wird erwärmt, wenn die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 unterhalb eines geforderten Temperaturniveaus liegt.
Die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 kann mit Hilfe von Temperatursensoren im Zuluftpfad 3 bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 anhand des Lastpunktes des Luftverdichters 4 bestimmt wird.
Das Wasser in der ersten Leitung 30 wird mit Hilfe der Pumpe 6 auf ein Druckniveau gefördert, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 liegt.
Die Regelung der Sollfeuchte am Eintritt der Brennstoffzelle 2 kann mit Hilfe eines variabel einstellbaren Wassermassenstroms an der Ventileinheit 5 realisiert werden. Auf diese Weise kann in jedem Lastzustand optimal Wasser zudosiert und die jeweilige Sollfeuchte eingestellt werden.
In der Figur 2 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das in der Fi- gur 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 entspricht der Topologie der Figur 1 bis auf die im Folgenden erläuterten Unterschiede.
Es ist eine zweite Ventileinheit 51 stromabwärts des Luftverdichters 4 im Zuluft- pfad 3 angeordneten. Über die zweite Ventileinheit 51 kann auch Wasser in den
Zuluftpfad 3 eingedüst werden, um die Luft zu befeuchten. Die Ventileinheit 50 ist hierzu über eine zweite Leitung 35 mit der Pumpe 6 und dem Tank 7 verbunden.
In der zweiten Leitung 35 kann eine zweite Ventileinheit 51 angeordnet sein, welche geschlossen und geöffnet werden kann. Die zweite Ventileinheit 51 dient dazu Wasser, welches nicht erwärmt ist, bei hohen Lastpunkten des Verdichters 4 in den Zuluftpfad 3 einzudosieren.

Claims

- 9 - Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (2), der über einen Zuluftpfad (3) Luft zugeführt wird, die vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle (2) mit Hilfe eines in den Zuluftpfad (3) integrierten Luftverdichters (4) verdichtet und mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters (4) in den Zuluftpfad (3) integrierten Ventileinheit (5), der mittels einer Pumpe (6) Wasser aus einem Tank (7) über eine erste Leitung (30) zugeführt wird, befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in der ersten Leitung (30) erwärmt wird, wenn die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad (3) stromabwärts des Luftverdichters (4) unterhalb eines geforderten Temperaturniveaus liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Pumpe (6) das Wasser auf ein Druckniveau gefördert wird, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad (3) stromabwärts des Luftverdichters (4) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad (3) stromabwärts des Luftverdichters (4) anhand des Lastpunktes des Luftverdichters (4) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erwärmung des Wassers benötigte Energie mittels einer Heatpipe (31) vom Luftverdichter (4) bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekezeichnet, dass eine Heizung (32) zum Erwärmen des Wassers eingesetzt wird, insbesondere falls die durch die Heatpipe (31) zur Verfügung gestellte Energie nicht ausreicht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Feuchteverteilung die verdichtete und befeuchtete Luft über eine Mischstrecke (9) geführt wird, die vor- zugsweise zwischen der Ventileinheit (5) und einem Wärmetauscher (8) in den Zuluftpfad (3) integriert ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in der ersten Leitung (30) auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Siedetemperatur von Wassers bei einem Druck, der dem Druck der verdichteten Luft im Zuluftpfad (3) stromabwärts des Luftverdichters (4) entspricht, liegt.
8. Brennstoffzellensystem (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (2), der über einen Zuluftpfad (3) Luft zuführbar ist, wobei in den Zuluftpfad (3) ein Luftverdichter (4) zum Verdichten der Luft und stromabwärts des Luftverdichters (4) mindestens eine Ventileinheit (5) zum Befeuchten der Luft integriert sind und wobei eine erste Ventileinheit (5) über eine erste Leitung (30) und eine Pumpe (6) mit einem Tank (7) zur Bevorratung von Wasser verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (30) eine Heizvorrichtung (33) aufweist, welche das Wasser erwärmen kann.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Heizvorrichtung (33) als Heatpipe (31) und/oder als elektrische Heizung (32) ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Ventileinheit (5) eine Mischstrecke (9) in den Zuluftpfad (3) integriert ist, wobei vorzugsweise die Mischstrecke (9) zwischen der Ventileinheit (5) und dem Wärmetauscher (8) angeordnet ist.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Ventileinheit (51) über eine zweite Leitung (35) mit der Pumpe (6) und dem Tank (7) verbunden ist, wobei Wasser über die zweite Ventileinheit (51) bei hohen Lastpunkten des Luftverdichters (4) eingespritzt wird.
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