DE102013021507A1

DE102013021507A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102013021507A1
Application number: DE102013021507.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Ralph Fischer; Ralf Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Kathodeneinlassleitung (3) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels zum Brennstoffzellenstapel (2), wobei in der Kathodeneinlassleitung (3) ein Befeuchter (6) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels angeordnet ist, wobei eine Bypassleitung (8) in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter (6) von der Kathodeneinlassleitung (3) abzweigt und nach dem Befeuchter (6) in die Kathodeneinlassleitung (3) mündet, wobei in der Kathodeneinlassleitung (3) in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach der Einmündung der Bypassleitung (8) eine Feuchtigkeitssensoreinheit (9) angeordnet ist und wobei in der Bypassleitung (8) ein mit der Feuchtigkeitssensoreinheit (9) in Wirkverbindung stehendes Bypassventil (10) angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist die Feuchtigkeitssensoreinheit (9) zur Betätigung des Bypassventils (10) mit dem Bypassventil (10) mechanisch gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2007 015 955 A1 beschrieben, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie auf, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels sowie eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist. In der Kathodeneinlassleitung und/oder in der Kathodenauslassleitung ist jeweils ein Feuchtigkeitssensor angeordnet. Zusätzlich ist ein Befeuchter zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels vorgesehen, wobei eine Bypassleitung zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters in Abhängigkeit der Sensorsignale des Feuchtigkeitssensors vorhanden ist.
In der DE 10 2005 014 249 A1 wird eine Vorrichtung für ein Messelement zur Ermittlung der Luftfeuchte beschrieben. Es ist ein aus Kunststoff bestehender Gehäuseabschnitt vorgesehen, an dem ein Spannelement zur Aufnahme von einem Ende des aus hygroskopischen Fasern bestehenden Messelementes und gegenüberliegend ein Schalthebel zur Aufnahme des anderen Endes des Messelementes angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels zum Brennstoffzellenstapel, wobei in der Kathodeneinlassleitung ein Befeuchter zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels angeordnet ist, wobei eine Bypassleitung in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter von der Kathodeneinlassleitung abzweigt und nach dem Befeuchter in die Kathodeneinlassleitung mündet, wobei in der Kathodeneinlassleitung in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach der Einmündung der Bypassleitung eine Feuchtigkeitssensoreinheit angeordnet ist und wobei in der Bypassleitung ein mit der Feuchtigkeitssensoreinheit in Wirkverbindung stehendes Bypassventil angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist die Feuchtigkeitssensoreinheit zur Betätigung des Bypassventils mit dem Bypassventil mechanisch gekoppelt. Diese erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auf einfache Weise eine präzise, zuverlässige und kostengünstige Regelung einer Befeuchtung des gasförmigen Oxidationsmittels, beispielsweise Luft. Eine derartige optimale Befeuchtung des Oxidationsmittels, vorteilhafterweise des Luftmassenstroms, ist für eine ordnungsgemäße Funktion des Brennstoffzellenstapels erforderlich. Mittels der Bypassleitung und des Ventils ist der Luftmassenstrom entweder vollständig durch den Befeuchter zu leiten oder vollständig durch die Bypassleitung hindurch am Befeuchter vorbeizuleiten oder in zwei Teile aufzuteilen, wobei ein Teil durch den Befeuchter hindurch geleitet wird und der andere Teil über die Bypassleitung am Befeuchter vorbeigeleitet wird. In Strömungsrichtung nach dem Befeuchter werden diese beiden Teilströme dann wieder vereinigt und dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.
Die Einstellung der Befeuchtung erfolgt durch die Steuerung der Ströme durch den Befeuchter hindurch und am Befeuchter vorbei mittels des Bypassventils, welches beispielsweise als Ventilklappe ausgebildet ist. Im Stand der Technik erfolgt diese Steuerung des Bypassventils mittels eines Kennfeldes, welches in einem Steuergerät hinterlegt ist, und mittels eines elektrischen Antriebs des Bypassventils. Dies ist jedoch nachteilig, da im Laufe einer Einsatzzeit des Befeuchters seine tatsächliche Befeuchtungsleistung von der dem Kennfeld zugrunde liegenden Befeuchtungsleistung abweichen kann, insbesondere nachlassen kann. Da es sich bei der Kennfeldsteuerung nur um eine Steuerung und nicht um eine automatische Regelung handelt, ist eine Anpassung an eine solche Veränderung nicht möglich. Daher kann es beispielsweise zu einer Unterbefeuchtung der Brennstoffzellen kommen. Dies führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit und kann auch zu Schädigungen beispielsweise von Membranen der Brennstoffzellen führen. Zudem erfordert die Entwicklung eines solchen Kennfeldes einen erheblichen Entwicklungsaufwand. Des Weiteren sind elektrisch angetriebene Ventilklappen sehr kostenintensiv und zudem störanfällig. Zudem ist zu deren Betrieb elektrische Energie erforderlich. Dies führt zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads der Brennstoffzellenanordnung. Des Weiteren ist eine entsprechende Verkabelung erforderlich und die Brennstoffzellenanordnung weist ein höheres Gewicht auf.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, welche auf dem Zusammenwirken der Sensoreinheit mit einem mechanischen Stellmechanismus beruht, werden die genannten Nachteile vermieden. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise eine stets optimale Anpassung der Befeuchtung des Luftstroms, welcher dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Eine mögliche Verminderung der Übertragungsleistung des Befeuchters im Laufe seiner Lebensdauer wird durch die mit der erfindungsgemäßen Lösung erreichte Regelung der Luftmassenströme durch den Befeuchter hindurch und über die Bypassleitung am Befeuchter vorbei ausgeglichen, so dass stets die optimale Befeuchtung des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms sichergestellt ist.
Des Weiteren ist das rein mechanische Bypassventil relativ einfach in seinem Aufbau, leicht und kostengünstig, robust und wenig fehleranfällig. Dies ist besonders bei der bevorzugten Ausführungsform des Bypassventils der Fall, bei welcher das Bypassventil als eine Ventilklappe ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist auf besonders einfache Weise mechanisch mit der Feuchtigkeitssensoreinheit zu koppeln und zu betätigen, da lediglich die Ventilklappe aufzuschwenken bzw. zuzuschwenken ist.
Vorteilhafterweise weist die Feuchtigkeitssensoreinheit ein Sensorelement mit einer feuchtigkeitsabhängigen Länge auf. Dieses Sensorelement dehnt sich beispielsweise mit zunehmender Feuchtigkeit aus und zieht sich wieder zusammen, wenn es zunehmend trocknet. Bevorzugt ist dieses Sensorelement aus einem hydrophilen Material ausgebildet, so dass es dem vorbeiströmenden Luftmassenstrom Feuchtigkeit entzieht und in sich speichert. Die Längenänderung des Sensorelementes ist für die mechanische Betätigung des Bypassventils nutzbar. Beispielsweise ist das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil derart mit der Feuchtigkeitssensoreinheit mechanisch gekoppelt, dass es bei einer Verkürzung der Länge des Sensorelementes aufgrund dessen zunehmender Austrocknung in eine Schließposition gezogen wird, in welcher es die Bypassleitung schließt, so dass der gesamte Luftmassenstrom durch den Befeuchter strömt und durch diesen befeuchtet wird. Mit zunehmend höherer Feuchtigkeit im Luftmassenstrom wird auch das Sensorelement feuchter und dehnt sich aufgrund dessen zunehmend aus. Zweckmäßigerweise ist das Bypassventil in Richtung einer Öffnungsposition federbelastet, so dass, wenn sich das Sensorelement ausdehnt und somit der Federwirkung auf das Bypassventil nicht mehr entgegenwirkt, das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil in die Öffnungsposition schwenkt, in welcher die Bypassleitung geöffnet ist, so dass ein Anteil des Luftmassenstroms durch die Bypassleitung am Befeuchter vorbeiströmt und somit der Gesamtluftmassenstrom weniger Feuchtigkeit aufweist.
Somit ist vorzugsweise die Feuchtigkeitssensoreinheit derart mit dem Bypassventil mechanisch gekoppelt, dass eine feuchtigkeitsänderungsbedingte Längenänderung des Sensorelementes mechanisch auf das Bypassventil übertragen wird, wodurch eine Änderung einer Ventilstellung des Bypassventils bewirkt wird. Diese Längenänderung wird, wie beschrieben, mechanisch auf das Bypassventil, welches bevorzugt als Ventilklappe ausgebildet ist, übertragen, so dass das Bypassventil entsprechend einer jeweiligen tatsächlichen Feuchte am Sensorelement geöffnet oder geschlossen wird.
Vorteilhafterweise ist das Sensorelement als eine feuchtigkeitssensitive Membran ausgebildet. Das Material ist zweckmäßigerweise derart ausgewählt, dass seine Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften möglichst repräsentativ für die Feuchtigkeitsaufnahme des Brennstoffzellenstapels ist.
Bevorzugt ist das Sensorelement aus dem gleichen Material ausgebildet, aus welchem eine Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise sind die Protonenaustauschmembranen aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels aus dem gleichen Material ausgebildet. Vorteilhaft bei dieser Ausbildung des Sensorelements aus diesem Material ist, dass das Sensorelement dieselben oder zumindest ähnliche Speichereigenschaften von Feuchtigkeit bzw. Wasser aufweist, so dass die Zeitkonstanten bezüglich der Feuchtigkeitsänderungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels und des Sensorelements sehr ähnlich sind. Dies ist insbesondere für die Regelgüte bei dynamischen Vorgängen sehr vorteilhaft, d. h. die Regelgüte wird optimiert.
Da die Längenänderung durch Feuchtigkeitsaufnahme solcher Materialien meist nur klein ist, ist zweckmäßigerweise eine Übersetzung der Längenänderung zur Ventilstellung des Bypassventils vorgesehen, so dass aus einer relativ kleinen Längenänderung des Sensorelementes eine größere Bewegung, bei einer Ventilklappe entsprechend eine größere Schwenkbewegung, des Bypassventils resultiert. Daher ist in einer vorteilhaften Ausführungsform das Sensorelement über seine Längsausdehnung hinweg über eine Mehrzahl von Umlenkungselementen umgelenkt in der Kathodeneinlassleitung angeordnet, so dass eine größere Länge des Sensorelementes und somit auch eine größere Längenänderung des Sensorelementes erreicht ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorelement über seine Längsausdehnung hinweg an einer Biegefeder stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt, wobei die Biegefeder eine feuchtigkeitsunabhängige Länge aufweist. Dadurch weist die Feuchtigkeitssensoreinheit eine ähnliche Funktion wie ein Bimetallstreifen auf, wobei ein Bimetallstreifen auf Temperaturänderungen durch ein Verbiegen reagiert, während die Feuchtigkeitssensoreinheit auf eine Feuchtigkeitsänderung durch Verbiegen reagiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Biegefeder als eine Blattfeder ausgebildet, welche jedoch nur an einem Ende unbeweglich befestigt ist. Das andere Ende kann sich durch das Verbiegen der Biegefeder aufgrund Längenänderungen des Sensorelementes bewegen. Beispielsweise sind das Sensorelement und die Biegefeder, wenn das Sensorelement feucht ist, gerade ausgerichtet, als eine Art gerader Federnzunge, wobei die Biegefeder entspannt ist. Trocknet das Sensorelement zunehmend aus, so zieht es sich zusammen, d. h. es verkürzt seine Länge. Da die Länge der Biegefeder unverändert bleibt und das Sensorelement an der Biegefeder befestigt ist, biegt sich somit die Biegefeder aufgrund der Verkürzung des Sensorelementes und spannt sich somit. Dieses Biegen wird durch die mechanische Kopplung mit dem Bypassventil in eine entsprechende Öffnungs- oder Schließbewegung des Bypassventils umgesetzt.
Wird das Sensorelement wieder feucht, so dehnt es sich wieder aus, verlängert sich also. Dadurch kann sich die Biegefeder wieder entspannen und begradigen. Dieses Zurückbiegen aufgrund der Federkraft des Biegeelementes wird in eine entsprechende Schließ- bzw. Öffnungsbewegung des Bypassventils umgesetzt. Die Biegefeder kann alternativ auch im entspannten Zustand leicht gekrümmt sein, als eine Art gekrümmte Federzunge. Somit begradigt sich die Biegefeder durch das Austrocknen des Sensorelementes und dessen Längeverkürzung und biegt sich erneut in die entspannte Position, wenn das Sensorelement wieder Feuchtigkeit aufnimmt. Auch diese Biegebewegungen werden durch die mechanische Kopplung mit dem Bypassventil in eine entsprechende Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Bypassventils umgesetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Biegefeder als eine Spiralfeder ausgebildet. Durch diese spiralförmige Ausbildung sind eine größere Länge der Biegefeder und des Sensorelementes ermöglicht. Dadurch ist eine größere Längenänderung des Sensorelementes und somit größere Bewegungen der Biegefeder aufgrund dieser Längenänderungen erreicht. Da diese Bewegungen auf das mechanisch gekoppelte Bypassventils übertragen werden, sind somit auch größere Bewegungen des beispielsweise als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventils erreicht, so dass das Schwenken in die Schließposition und in die Öffnungsposition erreicht ist.
Zweckmäßigerweise umfasst die Brennstoffzellenanordnung einen weiteren Stellmechanismus zum Öffnen des Bypassventils oder eines weiteren Bypassventils einer weiteren in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter von der Kathodeneinlassleitung abzweigenden und nach dem Befeuchter in die Kathodeneinlassleitung einmündenden Bypassleitung bei Temperaturen geringer als 0°C. Durch die beschriebene Längenänderung des Materials des Sensorelementes durch Feuchtigkeitsaufnahme kann insbesondere die Regelung der Feuchtigkeit bei Temperaturen über 0°C sichergestellt werden. Bei Temperaturen unter 0°C kann diese Funktion durch Einfrieren beeinträchtigt sein. Dann ist diese Regelung durch den weiteren Stellmechanismus weiterhin sichergestellt. Für diesen weiteren Stellmechanismus ist beispielsweise ein entsprechendes Wachsthermostatelement geeignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Brennstoffzellenanordnung,
2 schematisch eine in einer Kathodeneinlassleitung angeordnete erste Ausführungsform einer Feuchtigkeitssensoreinheit,
3 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Feuchtigkeitssensoreinheit in einem ersten Zustand,
4 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Feuchtigkeitssensoreinheit in einem zweiten Zustand,
5 schematisch eine in einer Kathodeneinlassleitung angeordnete dritte Ausführungsform einer Feuchtigkeitssensoreinheit,
6 schematisch eine Kathodeneinlassleitung und eine Bypassleitung mit einem Bypassventil in einer geschlossenen Stellung,
7 schematisch eine Kathodeneinlassleitung und eine Bypassleitung mit einem Bypassventil in einer geöffneten Stellung,
8 schematisch eine Bypassleitung mit einem Bypassventil in einer geschlossenen Stellung,
9 schematisch eine Bypassleitung mit einem Bypassventil feuchtigkeitsbedingt in einer geöffneten Stellung, und
10 schematisch eine Bypassleitung mit einem Bypassventil temperaturbedingt in einer geöffneten Stellung,
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung 1, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung 1 für ein Fahrzeug. Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2 zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Kathodeneinlassleitung 3 zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels zum Brennstoffzellenstapel 2. Als gasförmiges Oxidationsmittel wird im dargestellten Beispiel komprimierte Luft verwendet, welche aus einer äußeren Umgebung entnommen, verdichtet und gekühlt wird. Hierzu ist in der Kathodeneinlassleitung 3 ein Verdichter 4 und im dargestellten Beispiel des Weiteren ein Ladeluftkühler 5 angeordnet. Der Verdichter 4 ist zweckmäßiger elektrisch betrieben. Er ist beispielsweise als ein Kompressor oder als ein Turbolader ausgebildet. Der Ladeluftkühler 5 ist in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Verdichter 4 in der Kathodeneinlassleitung 3 angeordnet.
In der Kathodeneinlassleitung 3 ist zudem ein Befeuchter 6 zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels angeordnet, in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Ladeluftkühler 5. Dieser Befeuchter 6 ist im dargestellten Beispiel zudem mit einer Kathodenauslassleitung 7 des Brennstoffzellenstapels 2 gekoppelt, über welche das Herausführen eines Kathodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 2 erfolgt. Der Befeuchter 6 ist beispielsweise als ein so genannter Gas-zu-Gas-Befeuchter ausgebildet, bei welchem ein wasserdampfhaltiges Befeuchtergas entlang einer hydrophilen bzw. selektiven Membran, beispielsweise aus Polyphenylsulfon (PPSU) oder Nafion, im Gegenstrom zu dem zu befeuchtenden gasförmigen Oxidationsmittel geleitet wird. Als Befeuchtergas wird bei dem dargestellten Befeuchter 6 das über die Kathodenauslassleitung 7 herausgeführte wasserdampfgesättigte Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 2 verwendet, welches nach dem Befeuchter 6 in eine äußere Umgebung abgelassen wird.
Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist des Weiteren eine Bypassleitung 8 auf, welche in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter 6 von der Kathodeneinlassleitung 3 abzweigt und nach dem Befeuchter 6 in die Kathodeneinlassleitung 3 mündet. In Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach der Einmündung der Bypassleitung 8 ist in der Kathodeneinlassleitung 3 eine Feuchtigkeitssensoreinheit 9 angeordnet. In der Bypassleitung 8 ist ein mit der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 in Wirkverbindung stehendes Bypassventil 10 angeordnet, welches zweckmäßigerweise als eine Ventilklappe ausgebildet ist. Dieses Bypassventil 10 wird hierbei in Abhängigkeit einer an der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 auftretenden Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, d. h. des Luftstroms, zunehmend geschlossen oder zunehmend geöffnet. Ist das Oxidationsmittel zu trocken, d. h. weist es eine zu geringe Feuchtigkeit auf, schließt sich das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10, so dass der Luftstrom der als Oxidationsmittel aus der äußeren Umgebung entnommenen Luft noch stärker oder vollständig durch den Befeuchter 6 geführt wird, so dass sich die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, d. h. der Luft, erhöht.
Für eine optimale Funktion des Brennstoffzellenstapels 2 bzw. der Brennstoffzellen in diesem Brennstoffzellenstapel 2 ist es erforderlich, die den Brennstoffzellen als gasförmiges Oxidationsmittel zugeführte Luft ideal zu befeuchten. Die optimale Befeuchtung des Luftmassenstroms unter den unterschiedlichsten Randbedingungen, wie zum Beispiel Hochtemperaturbetrieb, Gefrierstarts, aber auch bei Betrieb im mittleren, d. h. im normalen, Temperaturbereich, ist eine wesentliche Herausforderung für den Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung 1. Mit der im Folgenden näher beschriebenen Lösung wird eine solche optimale Befeuchtung des zugeführten Luftstroms erreicht, wobei diese Lösung zudem robust und kostengünstig ist.
Im Gegensatz zu dieser im Folgenden näher beschriebenen Lösung wird bei anderen Brennstoffzellensystemen die Befeuchtung des Luftmassenstroms lediglich gesteuert, d. h. aufgrund bestimmter Parameter, zum Beispiel aufgrund der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2, wird eine Bypassklappe mehr oder weniger geöffnet und damit ein bestimmter Luftstrom durch den Befeuchter 6 bzw. an demselben vorbeigeführt. Die Steuerung der Bypassklappe, welche die Aufteilung der Luftströme übernimmt, erfolgt hierbei elektrisch angetrieben. Die Bypassklappe wird über ein Kennfeld, welches in einem Steuergerät hinterlegt ist, angesteuert. Nachteilig hierbei ist, dass es sich lediglich um eine Steuerung und keine Regelung handelt, d. h. es kann zwar anhand des Kennfeldes die Aufteilung des Luftstroms durch den Befeuchter 6 hindurch bzw. an demselben vorbei gesteuert werden, jedoch ist damit keineswegs immer sichergestellt, dass die optimale Befeuchtung eingestellt ist. So kann es zum Beispiel sein, dass eine Übertragungsleistung des Befeuchters 6 im Laufe seiner Lebensdauer rückläufig ist und die Befeuchtung des Luftstromes, welcher der Kathode der jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt wird, somit nicht mehr optimal ist. Daraus resultiert eine Unterbefeuchtung der jeweiligen Brennstoffzelle. Dies führt zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit und möglicherweise auch zu Schädigungen beispielsweise einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle. Da diese Alterung des Befeuchters 6 und die daraus resultierende reduzierte Übertragungsleistung nicht vorhersagbar ist, da der Befeuchter 6 je nach Einsatzumgebung unterschiedliche Alterungsraten aufweist, kann dies im Kennfeld nicht berücksichtigt werden. Zudem gibt es in den Membranen des Brennstoffzellenstapels 2 stets eine gewisse Feuchtigkeitsspeicherkapazität, so dass eine Totzeit in der Feuchtigkeitssteuerung vorteilhaft wäre, die jedoch in diesem Kennfeld ebenfalls nicht berücksichtigt werden kann. Daher ist bei diesen aus der Praxis bekannten Brennstoffzellensystemen keine optimale Befeuchtung der als Oxidationsmittel verwendeten Luft möglich. Nachteilig bei diesen bekannten Brennstoffzellensystemen ist des Weiteren, dass die Kennfelder, welche für die Steuerung der Bypassklappe entwickelt werden müssen, einen erheblichen Entwicklungsaufwand bedeuten und dennoch die oben beschriebenen Defizite aufweisen.
Geeignete Feuchtesensoren für solche elektrisch angetriebenen Bypassklappen eignen sich zudem meist nur für einen eingeschränkten Feuchtigkeitsbereich. Zudem sind sie sehr fehleranfällig, wenn Flüssigkeitströpfchen darauf gelangen. Des Weiteren sind diese Feuchtesensoren teuer und müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. Auch die darin enthaltene Messelektronik ist fehleranfällig.
Des Weiteren sind die elektrisch angetriebenen Bypassklappen teuer und die darin enthaltene Elektrik/Elektronik ist anfällig. Außerdem benötigen diese elektrisch angetrieben Bypassklappen elektrische Energie, die bereitgestellt werden muss, was letztendlich zu einer Minimierung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems und zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs führt. Des Weiteren muss am Steuergerät, welches die Bypassklappe ansteuert, ein entsprechender Ausgang zur Verfügung gestellt werden und es ist ein Verkabelungsaufwand notwendig. Elektrisch angetriebene Bypassklappen weisen außerdem den Nachteil auf, dass sie relativ schwer sind, da zusätzliche Bauteile für den elektrischen Antrieb erforderlich sind.
In der im Folgenden beschriebenen Lösung wird, um eine optimale Befeuchtung der als gasförmiges Oxidationsmittel verwendeten Luft sicherzustellen, das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 nicht lediglich gesteuert, sondern geregelt. Diese Regelung erfolgt rein mechanisch. In allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 zur Betätigung des Bypassventils 10 mit dem Bypassventil 10 mechanisch gekoppelt, d. h. die Wirkverbindung zwischen der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 und dem Bypassventil 10 ist als eine rein mechanische Wirkverbindung ausgebildet, so dass insbesondere kein elektrischer Antrieb zur Betätigung des Bypassventils 10 erforderlich ist. Die mechanische Kopplung 11 zwischen dem Bypassventil 10 und der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 ist in 1 schematisch stark vereinfacht gezeigt. In den 6 und 7 ist diese mechanische Kopplung 11 anhand einer möglichen Ausführungsform verdeutlicht.
Die mechanische Kopplung 11 ist als ein Mechanismus ausgebildet, welcher aufgrund einer Längenänderung eines Sensorelementes 12 der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 zunehmend schließt oder zunehmend öffnet. Eine für die Betätigung des als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventils 10 erforderliche Kraft wird durch die Längenänderung eines Materials des Sensorelementes 12 erzeugt, welches direkt im Luftstrom in der Kathodeneinlassleitung 3 vor dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet ist und dadurch mit der wirklich am Brennstoffzellenstapel 2 ankommenden befeuchteten Luft beaufschlagt wird. Die Längenänderung aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme oder Feuchtigkeitsabgabe dieses Materials wird dazu verwendet, eine Klappenstellung des als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventils 10 zu verändern und so stets ein optimal befeuchtetes Oxidationsmittel für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitzustellen.
Das Material des Sensorelementes 12 ist dabei derart ausgewählt, dass seine Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften möglichst repräsentativ für die Feuchtigkeitsaufnahme des Brennstoffzellenstapels 2 sind. Da die Längenänderung durch Feuchtigkeitsaufnahme solcher Materialien meist nur klein ist, wird zweckmäßigerweise eine Übersetzung geschaffen, wie beispielsweise in 2 gezeigt. Das Sensorelement 12 ist beispielsweise als eine feuchtigkeitssensitive Membran ausgebildet, zum Beispiel aus dem gleichen Material, aus welchem die Protonenaustauschmembranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 ausgebildet sind, wobei die Protonenaustauschmembranen aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material ausgebildet sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Sensorelement 12 dieselben oder zumindest ähnliche Speichereigenschaften von Feuchtigkeit bzw. Wasser aufweist, so dass Zeitkonstanten bezüglich der Feuchtigkeitsänderungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 und des Sensorelements 12 sehr ähnlich sind, was insbesondere die Regelgüte bei dynamischen Vorgängen erheblich verbessert.
Durch diese Lösung ist somit eine einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, die Befeuchtung des Luftstromes, welcher dem Brennstoffzellenstapel 2 als gasförmiges Oxidationsmittel zugeführt wird, stets optimal anzupassen. Dadurch wird auch eine mögliche Verminderung der Übertragungsleistung des Befeuchters 6 im Laufe seiner Lebensdauer ausgeglichen, so dass stets die optimale Befeuchtung des zugeführten Luftstromes erfolgt. Des Weiteren ist das rein mechanisch betätigte als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 relativ einfach in seinem Aufbau, leicht und kostengünstig, robust und wenig fehleranfällig.
In 2 ist ein solches Sensorelement 12 dargestellt, welches eine feuchtigkeitsabhängige Länge aufweist. Das Sensorelement 12 ist beispielsweise aus Fasern oder, wie bereits beschrieben, als eine feuchtigkeitssensitive Membran ausgebildet, bevorzugt aus dem gleichen Material, aus welchem die Protonenaustauschmembranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 ausgebildet sind. Die Feuchtigkeitssensitivität des Sensorelementes 12 wirkt sich hierbei so aus, dass das feuchtigkeitssensitive Material des Sensorelementes 12 durch die Aufnahme von Feuchtigkeit eine Längenausdehnung erfährt. Das Sensorelement 12 ist hierbei mit einem Ende an einem Fixpunkt FP, beispielsweise an einem Stift, fest eingespannt. Um ein möglichst langes Sensorelement 12 verwenden zu können, so dass ein möglichst großer Unterschied zwischen einer Länge des Sensorelementes 12 im trockenen Zustand und im feuchten Zustand besteht, ist das Sensorelement 12 über seine Längsausdehnung hinweg über eine Mehrzahl von Umlenkungselementen 13 umgelenkt in der Kathodeneinlassleitung 3 angeordnet. D. h. das Sensorelement 12 ist, ausgehend vom Fixpunkt FP, über mehrere Umlenkungselemente 13 geführt, welche beispielsweise jeweils als ein Stift oder als eine Welle oder Achse ausgebildet sind, so dass eine möglichst große Länge des feuchtigkeitssensitiven Materials des Sensorelementes 12 in dem dargestellten Rohrleitungsquerschnitt der Kathodeneinlassleitung 3 angeordnet ist.
Das vom Fixpunkt FP abgewandte andere Ende des Sensorelementes 12 ist an einem beweglichen Aufnahmepunkt AP befestigt. Dieser bewegliche Aufnahmepunkt AP ist in einer Führung 14 geführt und beispielsweise mit einer Feder gekoppelt, durch welche der bewegliche Aufnahmepunkt AP im entspannten Zustand der Feder in einer vorgegebenen Position angeordnet ist, beispielsweise in der in 2 dargestellten Position. Er ist in dieser Position durch die Feder gehalten, denn er ist nur durch Spannen der Feder und somit entgegen deren Federkraft aus dieser Position herauszubewegen. Verändert sich die Länge des Sensorelementes 12 aufgrund von Feuchtigkeitsaufnahme oder -abgabe, so verändert sich die Position des beweglichen Aufnahmepunktes AP und bewegt einen entsprechenden Hebelmechanismus, welcher die mechanische Kopplung 11 zwischen der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 und dem Bypassventil 10 bildet und welcher dann die Position der hier nicht dargestellten Ventilklappe, welche das Bypassventil 10 in der Bypassleitung 8 bildet, entsprechend ändert und somit die Luftströme durch den Befeuchter 6 bzw. an demselben vorbei regelt, wodurch stets die optimale Feuchtigkeit des in den Brennstoffzellenstapel 2 eintretenden Oxidationsmittels eingestellt wird. Im hier dargestellten Beispiel ist das Sensorelement 12 feucht und dadurch vollständig gelängt. Das Bypassventil 10 ist dadurch geöffnet, so dass ein relativ großer Luftstrom über die Bypassleitung 8 strömt und unbefeuchtet in die Kathodeneinlassleitung 3 einströmt. Hierdurch trocknet das Sensorelement 12 zunehmend und zieht sich, entgegen der Federkraft der Feder, zunehmend zusammen, wodurch sich das Bypassventil 10 schließt.
Dadurch gelangt mehr Luft über den Befeuchter 6 und wird befeuchtet, wodurch auch das Sensorelement 12 wieder Feuchtigkeit aufnimmt und sich verlängert, so dass der Aufnahmepunkt AP durch die Federwirkung der Feder wieder in die in 2 dargestellte Position nach unten gezogen wird und sich das Bypassventil 10 wieder öffnet. Auf diese Weise werden die Luftströme durch den Befeuchter 6 hindurch und durch die Bypassleitung 8 hindurch geregelt.
Prinzipiell kann anstatt des Hebelmechanismus auch ein Kraftsensor, beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen oder ein Piezoelement, angeordnet sein, welcher aufgrund der Zug- bzw. Druckkraft, die sich aus der Längenänderung des feuchtigkeitssensitiven Sensorelementes 12 ergibt, ein elektrisches Signal erzeugt, welches entsprechend verstärkt werden kann und dann eine elektrisch betätigbare Ventilklappe ansteuert, doch die rein mechanische Lösung ist, wie bereits beschrieben, wesentlich vorteilhafter, da sie kostengünstiger und weniger fehleranfällig ist, ein geringeres Gewicht aufweist und keine elektrische Energieversorgung erfordert.
Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Feuchtigkeitssensoreinheit 9. Diese Ausführungsform stellt eine weitere Möglichkeit dar, die sich aufgrund der Feuchtigkeit einstellende Längenänderung des feuchtigkeitssensitiven Sensorelementes 12 für eine Bewegung zur Ansteuerung des als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventils 10 zu verwenden. Dieses Prinzip ist praktisch identisch zum Bimetall-Prinzip. Hierbei ist das aus dem feuchtigkeitssensitiven Material ausgebildete Sensorelement 12 über seine Längsausdehnung hinweg an einer Biegefeder 15 stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt, wobei die Biegefeder 15 eine feuchtigkeitsunabhängige Länge aufweist. Die Biegefeder 15 ist beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, der über eine entsprechende Federeigenschaft verfügt. In der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist die Biegefeder 15 als eine Blattfeder oder Federzunge ausgebildet. Die Biegefeder 15 und das Sensorelement 12 sind mit einem Ende am Fixpunkt FP befestigt. Am anderen, beweglichen Ende greift die hier nicht dargestellte mechanische Kopplung 11 am Aufnahmepunkt AP der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 an.
3 zeigt einen Zustand, bei welchem das Sensorelement 12 befeuchtet ist und dadurch entsprechend ausgedehnt ist, d. h. eine entsprechend größere Länge aufweist. 4 zeigt den Zustand, bei welchem dem Sensorelement 12 Feuchtigkeit entzogen wurde, wodurch es sich verkürzt hat. Da sich die Biegefeder 15 nicht verkürzt, verbiegt sie sich aufgrund der verkürzten Länge des an ihr befestigten Sensorelementes 12, 50 dass sich die gesamte Feuchtigkeitssensoreinheit 9 krümmt. Dabei wird die Biegefeder 15 entgegen ihrer Federkraft gespannt, so dass sie aufgrund ihrer Federcharakteristik und Biegesteifigkeit das Bestreben hat, der Krümmung entgegenzuwirken.
Durch die hier nicht dargestellte mechanische Kopplung 11 des als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventils 10 mit dem sich bewegenden freien Ende der Biegefeder 15 wird die Ventilklappe somit durch das Verkürzen des Sensorelementes 12 aufgrund dessen Austrocknung und das daraus resultierende zunehmende Verbiegen der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 zunehmend geschlossen, so dass sich der Luftmassenstrom durch die Bypassleitung 8 hindurch verringert und über den Befeuchter 6 erhöht. Mit zunehmender Feuchtigkeit nimmt auch das Sensorelement 12 Feuchtigkeit auf und verlängert sich, wodurch sich die Biegefeder 15 zunehmend entspannt und sich die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 zunehmend begradigt bis zu dem in 3 dargestellten Zustand. Dadurch öffnet sich das als Ventilklappe ausgebildete und mit der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 mechanisch gekoppelte Bypassventil 10 wieder und es strömt zunehmend mehr Luft durch die Bypassleitung 8 hindurch um den Befeuchter 6 herum. Auf diese Weise wird die optimale Feuchtigkeit des über die Kathodeneinlassleitung 3 in den Brennstoffzellenstapel 2 einströmenden Oxidationsmittels, hier in Form der Luft, geregelt.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der in der Kathodeneinlassleitung 3 angeordneten Feuchtigkeitssensoreinheit 9. Diese Ausführungsform ist ähnlich der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform, nur ist hier die Biegefeder 15 als eine Spiralfeder ausgebildet. Dadurch ist eine größere Länge des an der Biegefeder 15 angeordneten Sensorelementes 12 erreicht. Auf diese Weise ist eine größere Längenänderung des Sensorelementes 12 zwischen dessen feuchtem und trockenem Zustand und somit eine größere Auslenkung der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 erreicht. Auch hier sind die Biegefeder 15 und das Sensorelement 12 mit einem Ende am Fixpunkt FP unbeweglich befestigt und das andere Ende ist beweglich, so dass daran über den Aufnahmepunkt AP die mechanische Kopplung 11 angreift. Durch die Längenänderung in Abhängigkeit des Feuchtigkeitszustandes des feuchtigkeitssensitiven Materials öffnet sich die Spirale bzw. zieht sich zusammen, so dass ein an derem äußeren Ende angeordneter Hebelmechanismus, welcher die mechanische Kopplung 11 bildet, das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 entsprechend bewegt, d. h. mit zunehmender Trocknung zieht sich das Sensorelement 12 zusammen, wodurch sich die als Spiralfeder ausgebildete Biegefeder 15 weitet und dabei spannt, der Aufnahmepunkt AP nach außen schwenkt und dadurch das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 schließt. Dadurch strömt mehr Luft durch den Befeuchter 6 und wird befeuchtet, wodurch das Sensorelement 12 Feuchtigkeit aufnimmt und sich ausdehnt. Aufgrund der Spannung der als Spiralfeder ausgebildeten Biegefeder 15 zieht sich diese zusammen, wodurch sich der Aufnahmepunkt AP nach innen bewegt und das als Ventilklappe ausgebildete Bypassventil 10 wieder öffnet, so dass wieder mehr Luft über die Bypassleitung 8 strömt, den Befeuchter 6 umgehend. Auf diese Weise wird die optimale Feuchtigkeit des über die Kathodeneinlassleitung 3 in den Brennstoffzellenstapel 2 einströmenden Oxidationsmittels, hier in Form der Luft, geregelt.
Die 6 und 7 zeigen die in die Kathodeneinlassleitung 3 nach dem Befeuchter 6 mündende Bypassleitung 8 mit dem als Ventilklappe ausgebildeten Bypassventil 10 in der Bypassleitung 8 und der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 in der Kathodeneinlassleitung 3, wobei in 6 das Bypassventil 10 in einem geschlossenen Zustand dargestellt ist und in 7 in einem geöffneten Zustand. Hier ist auch die mechanische Kopplung 11 zwischen dem Bypassventil 10 und der Feuchtigkeitssensoreinheit 9 verdeutlicht. Die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 ist hier ebenfalls analog einem Bimetallstreifen ausgebildet, d. h. mit der als Blattfeder ausgebildeten Biegefeder 15 und dem daran befestigten Sensorelement 12. Allerdings ist hier die Biegefeder 15 in einem entspannten Zustand, wenn sie, wie in 7 gezeigt, gekrümmt ist. Hierbei weist das Sensorelement 12 aufgrund hoher Feuchtigkeit eine große Länge auf. Dadurch ist das Bypassventil 10 geöffnet, so dass trockene Luft über die Bypassleitung 8 in die Kathodeneinlassleitung 3 einströmt. Trocknet das Sensorelement 12 daraufhin zunehmend aus, so zieht es sich zunehmend zusammen und verkürzt somit seine Länge, wodurch sich die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 zunehmend begradigt, entgegen der Federkraft der Biegefeder 15, wie in 6 gezeigt. Dadurch wird das Bypassventil 10 geschlossen, so dass nun mehr Luft durch den Befeuchter 6 strömt und befeuchtet wird. Wird das Sensorelement 12 erneut feucht, so verlängert es sich wieder, so dass sich die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 aufgrund der Federkraft der Biegefeder 15 erneut biegt und das Bypassventil 10 wieder geöffnet wird, wie in 7 gezeigt. Durch diese Regelung lässt sich dem Brennstoffzellenstapel 2 stets die optimale Feuchtigkeit zuführen, wodurch die bereits erwähnten Vorteile erreicht werden.
Die 8 bis 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung 1, in welcher die Brennstoffzellenanordnung 1 die Feuchtigkeitssensoreinheit 9 und zudem einen weiteren Stellmechanismus 16 zum Öffnen des Bypassventils 10 bei Temperaturen geringer als 0°C aufweist. Durch die Längenänderung des Materials des Sensorelementes 12 durch Feuchtigkeitsaufnahme kann insbesondere die Regelung der Feuchtigkeit bei Temperaturen von größer als 0°C sichergestellt werden, wie in 9 gezeigt. Diese Regelung wird durch den weiteren Stellmechanismus 16 ergänzt, der bei Temperaturen von kleiner als 0°C die Bypassleitung 8 um den Befeuchter 6 herum öffnet, wie in 10 gezeigt. Hierfür ist beispielsweise ein entsprechendes Wachsthermostatelement geeignet. Durch die beschriebene Längenänderung des Materials des Sensorelementes 12 durch Feuchtigkeitsaufnahme kann insbesondere die Regelung der Feuchtigkeit bei Temperaturen über 0°C sichergestellt werden. Bei Temperaturen unter 0°C kann diese Funktion durch Einfrieren beeinträchtigt sein. Dann ist diese Regelung durch den weiteren Stellmechanismus 16 weiterhin sichergestellt, wie in 10 dargestellt. Beispielsweise wird bei Temperaturen unter 0°C die Bypassleitung 8 mittels des weiteren Stellmechanismus 16 stets geöffnet, um bei diesen Temperaturen die in den Brennstoffzellenstapel 2 einströmende Luft möglichst wenig zu befeuchten.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenanordnung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Kathodeneinlassleitung
4: Verdichter
5: Ladeluftkühler
6: Befeuchter
7: Kathodenauslassleitung
8: Bypassleitung
9: Feuchtigkeitssensoreinheit
10: Bypassventil
11: mechanische Kopplung
12: Sensorelement
13: Umlenkungselement
14: Führung
15: Biegefeder
16: weiterer Stellmechanismus
AP: Aufnahmepunkt
FP: Fixpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007015955 A1 [0002]
DE 102005014249 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Kathodeneinlassleitung (3) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels zum Brennstoffzellenstapel (2), wobei in der Kathodeneinlassleitung (3) ein Befeuchter (6) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels angeordnet ist, wobei eine Bypassleitung (8) in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter (6) von der Kathodeneinlassleitung (3) abzweigt und nach dem Befeuchter (6) in die Kathodeneinlassleitung (3) mündet, wobei in der Kathodeneinlassleitung (3) in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach der Einmündung der Bypassleitung (8) eine Feuchtigkeitssensoreinheit (9) angeordnet ist und wobei in der Bypassleitung (8) ein mit der Feuchtigkeitssensoreinheit (9) in Wirkverbindung stehendes Bypassventil (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitssensoreinheit (9) zur Betätigung des Bypassventils (10) mit dem Bypassventil (10) mechanisch gekoppelt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (10) als eine Ventilklappe ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitssensoreinheit (9) ein Sensorelement (12) mit einer feuchtigkeitsabhängigen Länge aufweist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitssensoreinheit (9) derart mit dem Bypassventil (10) mechanisch gekoppelt ist, dass eine feuchtigkeitsänderungsbedingte Längenänderung des Sensorelementes (12) mechanisch auf das Bypassventil (10) übertragen wird und dadurch eine Änderung einer Ventilstellung des Bypassventils (10) bewirkt wird.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) als eine feuchtigkeitssensitive Membran ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) aus dem gleichen Material ausgebildet ist, aus welchem eine Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) über seine Längsausdehnung hinweg über eine Mehrzahl von Umlenkungselementen (13) umgelenkt in der Kathodeneinlassleitung (3) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) über seine Längsausdehnung hinweg an einer Biegefeder (15) stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt ist, wobei die Biegefeder (15) eine feuchtigkeitsunabhängige Länge aufweist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefeder (15) als Blattfeder oder als Spiralfeder ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen weiteren Stellmechanismus (16) zum Öffnen des Bypassventils (10) oder eines weiteren Bypassventils einer weiteren in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Befeuchter (6) von der Kathodeneinlassleitung (3) abzweigenden und nach dem Befeuchter (6) in die Kathodeneinlassleitung (3) einmündenden Bypassleitung bei Temperaturen geringer als 0°C.