DE102020103071A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit zwei Befeuchtern sowie Verfahren zum Betreiben und Kraftfahrzeug mit einer solchen - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung mit zwei Befeuchtern sowie Verfahren zum Betreiben und Kraftfahrzeug mit einer solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), mit einer dem Brennstoffzellenstapel (3) zugeordneten Anodenversorgung und einer dem Brennstoffzellenstapel (3) zugeordneten Kathodenversorgung, wobei in die Kathodenversorgung ein erster Befeuchter (2) zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft und ein zweiter Befeuchter (6) zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft eingebunden sind. Die Kathodenversorgung ist derart verstellbar, dass wahlweise ausschließlich einer der Befeuchter (2, 6) oder der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) zur Befeuchtung der Zuluft genutzt sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, mit einer dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Anodenversorgung und einer dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Kathodenversorgung, wobei in die Kathodenversorgung ein erster Befeuchter zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft und ein zweiter Befeuchter zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft eingebunden sind. Unter „zuluftseitig“ wird derjenige Strömungspfad des Kathodengases verstanden, der stromauf und in Richtung des Brennstoffzellenstapels gerichtet vorliegt, und welcher dem Brennstoffzellenstapel an einem Stapeleintritt zugeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen.
  • Bisher wurde ein einziger und damit großer Befeuchter in der Kathodenversorgung eingesetzt, der für viele Betriebssituationen oder für viele Lastanforderungen an die Brennstoffzellenvorrichtung überdimensioniert ist. Dies kann sich negativ auf die übertragene Wassermenge auswirken und zu unerwünschten Druckverlusten führen. Außerdem altert der Befeuchter über die Zeit betriebsabhängig, insbesondere in Abhängigkeit der wirkenden Drücke, der vorherrschenden Druckdifferenzen, der wirkenden Temperaturen oder des eingebrachten Staubs oder Schmutzes.
  • In der DE 100 36 916 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, bei dem in die Versorgungsleitungen für Brennstoff und in die Versorgungsleitung für Luft jeweils eine poröse Flüssigkeitsleitung integriert ist, um die Reaktanten zu befeuchten.
  • In der DE 10 2008 008 871 A1 wird eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, die zur verbesserten Konditionierung der Zuluft eine Mehrzahl von kathodenseitig eingesetzten Kühleinrichtungen aufweist.
  • Eine eingangs erwähnte Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der DE 10 2012 020 130 A1 beschrieben. Hierbei werden zur Effizienzsteigerung zwei parallel zueinander verschaltete Flüssigkeitsspeicher mit einer jeweils zugehörigen Befeuchtungseinrichtung im Wechsel geschaltet. Eine geeignete Skalierung der Befeuchtungsleistung in Abhängigkeit der Lastanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung oder in Abhängigkeit der Alterung der Befeuchtungseinrichtung ist dabei nur eingeschränkt möglich.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug anzugeben, die zumindest einem der vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kathodenversorgung derart verstellbar ist, dass wahlweise ausschließlich einer der beiden Befeuchter oder der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter zur Befeuchtung der Zuluft genutzt sind.
  • Auf diese Weise ist die Möglichkeit eröffnet, dass der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter gegenüber einer Lösung eines Brennstoffzellensystems mit lediglich einem (großen) Befeuchter kleiner ausgelegt werden können. Bei niederen oder bei den am häufigsten vorkommenden Lastanforderungen kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit ausschließlich einem der Befeuchter betrieben werden. In Abhängigkeit der Befeuchtungsanforderung und/oder in Abhängigkeit der Lastanforderung und/oder in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur kann dann der weitere Befeuchter zugeschaltet werden, um die Zuluft mit der Leistung von mehreren Befeuchtern vorkonditionieren zu können. Zusätzlich ist durch die Verwendung von zwei Befeuchtern ein redundantes System geschaffen, das die Ausfallsicherheit der Brennstoffzellenvorrichtung insgesamt verbessert. Ein defekter Befeuchter kann durch den Betrieb des anderen Befeuchters kompensiert werden, wobei auf diese Weise ein Limp-home-Betrieb für ein die Brennstoffzellenvorrichtung verwendendes Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
  • Die einzelnen Befeuchter können sich hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und/oder hinsichtlich ihrer Dimensionen voneinander unterscheiden. Auf diese Weise lassen sie sich an die Bauraumgegebenheiten und die Gegebenheit des Einsatzes der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug entsprechend anpassen. In diesem Zusammenhang kann es also von Vorteil sein, dass der erste Befeuchter eine vom zweiten Befeuchter abweichende Auslegung aufweist. Zudem kann der erste Befeuchter in einer ersten Technologie ausbildet sein, wobei der zweite Befeuchter in einer sich von der ersten Technologie unterscheidenden zweiten Technologie ausgestaltet sein. Unter „Technologie“ ist beispielsweise die Bildung des Befeuchters als ein Hohlfasermembranbefeuchter, als ein Planarbefeuchter oder als ein Speicherbefeuchter zu verstehen. Andere Befeuchtertechnologien sind ebenfalls denkbar.
  • Beim Einsatz mehrerer Befeuchter ist es von Vorteil, wenn die Kathodenversorgung derart schaltbar ist, dass wahlweise ausschließlich der erste Befeuchter, ausschließlich der zweite Befeuchter oder der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter zur Befeuchtung der Zuluft nutzbar oder genutzt sind. Somit kann insbesondere alterungsabhängig oder betriebsdauerabhängig der eine oder der andere Befeuchter bei niederen Lastanforderungen an die Brennstoffzellenvorrichtung zur Befeuchtung der Zuluft genutzt werden, die einen Schwellenwert nicht überschreiten. Entsprechendes kann gelten, wenn eine bestimmte Befeuchtungsanforderung vorliegt, für die der Betrieb lediglich eines der beiden Befeuchter ausreichend ist. Diese Gestaltung führt zu einer verlängerten Lebensdauer der beiden Befeuchter.
  • Eine vereinfachte Gestaltung der Verschaltung der beiden Befeuchter in der Kathodenversorgung lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter zuluftseitig parallel geschaltet sind.
  • Eine vereinfachte Gestaltung der Verschaltung der beiden Befeuchter lässt sich alternativ oder ergänzend dadurch erzielen, dass der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter abluftseitig mit dem Brennstoffzellenstapel strömungsmechanisch verbunden sind, und dass der erste Befeuchter und der zweite Befeuchter abluftseitig miteinander in Reihe geschaltet sind. Unter „abluftseitig“ wird derjenige Strömungspfad des Kathodenabgases verstanden, der stromab und aus dem Brennstoffzellenstapel heraus gerichtet vorliegt, und welcher den Brennstoffzellenstapel an einem Stapelaustritt verlässt.
  • Wenn die Feuchtebeladung durch die Abluft nur bei einem der beiden Befeuchter gewünscht ist, so ist die Möglichkeit gegeben, dass abluftseitig ein mit einem verstellbaren Bypassstellglied versehener Bypass zur Umgehung des weiter stromab gelegenen Befeuchters vorhanden ist. Die Umgehung des weiter stromab gelegenen Befeuchters kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung bei tiefen Temperaturen betrieben wird und die Abluft bereits eine zu große Abkühlung erfahren hat, die wegen potentieller Eisbildung zu Schädigungen am weiter stromab gelegenen Befeuchters führen könnte. Außerdem werden durch die abluftseitige Umgehung des ferner vom Brennstoffzellenstapel gelegenen Befeuchter die Druckverluste reduziert, wodurch sich Verdichterleistung einsparen lässt. In Abhängigkeit der Anforderung lässt sich über die Turbine des Verdichters auch Energie rückgewinnen.
  • Durch die Auswahlmöglichkeit des Betriebs von nur einem Befeuchter oder von mehreren Befeuchtern gleichzeitig lassen sich aber auch andere, sonst typischerweise vorhandene Bauteile und damit Bauraum einsparen. In diesem Zuge ist es deshalb von Vorteil, wenn die Kathodenversorgung zuluftseitig bypassfrei gebildet ist.
  • Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung erläuterten Vorteile und technischen Effekte gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen. Es umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    1. a. Erfassen einer Lastanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung,
    2. b. Bestimmung einer aktuellen Befeuchtungsanforderung,
    3. c. Prüfen, ob die Befeuchtungsanforderung einen Schwellenwert überschritten hat, und
    4. d. Befeuchten der Zuluft ausschließlich mittels eines der beiden Befeuchter, wenn festgestellt wird, dass die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert nicht überschritten hat, oder
    5. e. Befeuchten der Zuluft mittels des ersten Befeuchters und mittels des zweiten Befeuchters, wenn festgestellt wird, dass die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert überschritten hat.
  • Bei niederen oder bei den am häufigsten vorkommenden Befeuchtungsanforderungen kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit ausschließlich einem der beiden Befeuchter betrieben werden. Die Befeuchtungsanforderung kann eine Sollvorgabe darstellen, wobei der Ist-Wert der relative Feuchte unmittelbar gemessen oder modellbasiert bestimmt werden kann. In Abhängigkeit der Befeuchtungsanforderung und/oder in (mittelbarer) Abhängigkeit der Lastanforderung und/oder in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur kann dann der weitere Befeuchter zugeschaltet werden, um die Zuluft mit der Leistung von mehreren Befeuchtern vorkonditionieren zu können.
  • Es ist auch von Vorteil, wenn in niedrigen Lastpunkten oder bei niedrigen Lastanforderungen der zweite Befeuchter auf der Abluftseite mit Hilfe eines Bypasses umgangen wird, weil dann die Druckverluste im System geringer ausfallen. Auf diese Weise kann die Leistung der Verdichters reduziert werden. Durch eine geeignete Verschaltung des Bypasses des zweiten Befeuchters kann das Turbinenrad des Verdichters noch besser angeströmt und damit angetrieben werden, womit eine verbesserte Energierückgewinnung erfolgt.
  • Für eine gleichmäßigere Alterung der beiden Befeuchter ist es von Vorteil, dass im Falle eines Nicht-Überschreitens des Schwellenwerts durch die Lastanforderung ausschließlich derjenige der Befeuchter zur Befeuchtung der Zuluft ausgewählt und genutzt wird, der die geringste Alterung aufweist. Somit kann also stets zunächst der Befeuchter genutzt werden, der eine geringere Alterung aufweist, so dass das System insgesamt gleichmäßiger altert und damit eine insgesamt längere Lebensdauer vorweist.
  • Es ist alternativ oder ergänzend auch die Möglichkeit gegeben, dass die Nutzung des ersten Befeuchters und die Nutzung des zweiten Befeuchters im steten Wechsel erfolgen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn sie eine ungefähr gleiche Alterung aufweisen.
  • Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erläuterten Vorteile und technischen Effekte gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung. Es zeichnet sich aufgrund seines redundanten Systems durch eine verbesserte Ausfallsicherheit aus. Der Ausfall eines der Befeuchter führt nämlich nicht zum Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs. Ein Limp-Home-Betrieb ist möglich. Zudem liegt eine verbesserte Effizienz und damit ein geringerer Verbrauch vor. Durch den Einsatz von zwei Befeuchtern in der Kathodenversorgung lässt sich diese insgesamt kleiner auslegen, so dass der vom Kraftfahrzeug gegebene Bauraum besser ausgenutzt werden kann.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer einen ersten Befeuchter und einen zweiten Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, und
    • 2 eine Rampe einer Befeuchtungsanforderung und/oder Lastanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung von Null bis hin zur Volllast, wobei der für durch einen großen Befeuchter strömende Massestrom dargestellt ist, der erfindungsgemäß von den beiden kleineren Befeuchtern anteilig (insbesondere 50/50) geleistet wird, sobald der vertikal strichlierte Schwellenwert überschritten wird.
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 4 umfasst.
  • Jede der Brennstoffzellen 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über einen Anodenraum kann der Anode mittels einer Anodenversorgung Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2→4H++ 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über einen Kathodenraum kann der Kathode mittels einer Kathodenversorgung das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2+4H++4e-→2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 4 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 5 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Temperatur, erfolgt in einem dem Verdichter 5 nachgelagerten Ladeluftkühler 7.
  • Zur Steigerung der Effizienz der Brennstoffzellenreaktion werden die Membranen der Brennstoffzellen 4 befeuchtet, da dies den Protonentransport begünstigt. Hierzu wird die Zuluft stromab des Ladeluftkühlers 7 hinsichtlich ihres Feuchtegehalts konditioniert. Dazu weist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in ihrer Kathodenversorgung einen ersten Befeuchter 2 zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft und einen zweiten Befeuchter 6 zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft auf. Der erste Befeuchter 2 und der zweite Befeuchter 6 sind zuluftseitig parallel geschaltet. Der erste Befeuchter 2 und der zweite Befeuchter 6 sind abluftseitig mit dem Brennstoffzellenstapel strömungsmechanisch verbunden, wobei der erste Befeuchter 2 und der zweite Befeuchter 6 abluftseitig in Reihe geschaltet sind.
  • Vorliegend ist stromab des Verdichters 5, stromab des Ladeluftkühlers 7 und stromauf des ersten Befeuchters 2 ein Ventil 8 vorhanden, welches als optionales Ventil 8 in einer anderen Ausgestaltung auch entfallen kann. Wenn sich dieses Ventil 8 in Offenstellung befindet, so strömt die vom Verdichter 5 geförderte Zuluft - gegebenenfalls anteilig - durch den ersten Befeuchter 2 bevor sie befeuchtet an den Brennstoffzellenstapel 3 gelangt.
  • Außerdem liegt vorliegend stromab des Verdichters 5, stromab des Ladeluftkühlers 7 und stromauf des zweiten Befeuchters 6 ein Ventil 9 vor. Wenn sich dieses Ventil 9 in Offenstellung befindet, so strömt die vom Verdichter 5 geförderte Zuluft - gegebenenfalls anteilig - durch den zweiten Befeuchter 6 bevor sie befeuchtet an den Brennstoffzellenstapel 3 gelangt.
  • Befindet sich das Ventil 8 des ersten Befeuchters 2 in Schließstellung und befindet sich das Ventil 9 des zweiten Befeuchters 6 in Offenstellung, so wird die vom zweiten Befeuchter 6 ausschließlich befeuchtete Zuluft dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt.
  • Befindet sich das Ventil 8 des ersten Befeuchters 2 in Offenstellung und befindet sich das Ventil 9 des zweiten Befeuchters 6 in Schließstellung, so wird die vom ersten Befeuchter 2 ausschließlich befeuchtete Zuluft dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt.
  • Befindet sich das Ventil 8 des ersten Befeuchters 2 in Offenstellung und befindet sich das Ventil 9 des zweiten Befeuchters 6 in Offenstellung, so wird die vom ersten Befeuchter 2 teilweise befeuchtete Zuluft und die vom zweiten Befeuchter 6 teilweise befeuchtete Zuluft dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt.
  • Mit anderen Worten ist Kathodenversorgung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 also derart schaltbar, dass wahlweise ausschließlich der erste Befeuchter 2, ausschließlich der zweite Befeuchter 6 oder der erste Befeuchter 2 und der zweite Befeuchter 6 zur Befeuchtung der Zuluft genutzt sind. Aufgrund des Einsatzes der beiden Befeuchter 2, 6 ist die Kathodenversorgung zuluftseitig vorliegend bypassfrei gebildet.
  • Abluftseitig ist vorliegend ein mit einem verstellbaren Bypassstellglied oder Ventil 12 versehener Bypass zur Umgehung des weiter stromab gelegenen Befeuchters, welches vorliegend der zweite Befeuchter 6 ist, vorhanden, wenn sich das Ventil in Offenstellung befindet. Wird das Ventil 12 in Schließstellung verstellt, so tritt die Abluft zunächst durch den ersten Befeuchter 2 und anschließend durch den mit dem ersten Befeuchter 2 abluftseitig in Reihe geschalteten zweiten Befeuchter 6, bevor die Abluft aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ausgeleitet wird.
  • In 2 ist der von einem einzigen, großen Befeuchter tretende Massenstrom der Zuluft von einer Lastanforderung mit Nulllast (0 Prozent) bis zur Volllast (100 Prozent) aufgetragen. Bis zu einem durch eine vertikale Linie angedeuteten Schwellenwert, wäre es dabei ausreichend, wenn ausschließlich einer der beiden, kleiner dimesionierten Befeuchter 2, 6 betrieben wird, um einer Befeuchtungsanforderung gerecht zu werden. Erst beim Überschreiten dieses Schwellenwerts wird dann erfindungsgemäß der weitere der beiden Befeuchter 2, 6 hinzugeschaltet.
  • Der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst also insbesondere die folgenden Schritte:
    1. a. Erfassen einer Lastanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 1,
    2. b. Bestimmen einer aktuellen Befeuchtungsanforderung,
    3. c. Prüfen, ob die Lastanforderung und/oder die Befeuchtungsanforderung einen Schwellenwert überschritten hat, und
    4. d. Befeuchten der Zuluft ausschließlich mittels eines der beiden Befeuchter 2, 6, wenn festgestellt wird, dass die Lastanforderung und/oder die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert nicht überschritten hat, oder
    5. e. Befeuchten der Zuluft mittels des ersten Befeuchters 2 und mittels des zweiten Befeuchters 6, wenn festgestellt wird, dass die Lastanforderung und/oder die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert überschritten hat.
  • Wenn jedoch die Befeuchtungsanforderung oder zumindest indirekt die Lastanforderung den Schwellenwert nicht überschritten hat, so wird vorliegend vorzugsweise derjenige der Befeuchter 2, 6 zur Befeuchtung der Zuluft ausgewählt und genutzt, der die geringste Alterung aufweist, was zu einer verbesserten Laufzeit und zur Verlängerung von Wartungsintervallen führt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug lassen sich die Ausfallsicherheit erhöhen, da mit der Einsatzmöglichkeit der beiden Befeuchter 2, 6 ein redundantes System vorliegt. Sie weisen allesamt eine verbesserte Effizienz auf und erhöhen die Lebensdauer der einzelnen Konstituenten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    erster Befeuchter
    3
    Brennstoffzellenstapel
    4
    Brennstoffzelle
    5
    Verdichter
    6
    zweiter Befeuchter
    7
    Ladeluftkühler
    8
    Ventil (Einlass des ersten Befeuchters)
    9
    Ventil (Einlass des zweiten Befeuchters)
    10
    Kathodenabgasleitung
    11
    Kathodenzufuhrleitung
    12
    Ventil (Auslass des ersten Befeuchters)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10036916 A1 [0004]
    • DE 102008008871 A1 [0005]
    • DE 102012020130 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), mit einer dem Brennstoffzellenstapel (3) zugeordneten Anodenversorgung und einer dem Brennstoffzellenstapel (3) zugeordneten Kathodenversorgung, wobei in die Kathodenversorgung ein erster Befeuchter (2) zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft und ein zweiter Befeuchter (6) zur zuluftseitigen Befeuchtung der Zuluft eingebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung derart verstellbar ist, dass wahlweise ausschließlich einer der Befeuchter (2, 6) oder der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) zur Befeuchtung der Zuluft genutzt sind.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung derart schaltbar ist, dass wahlweise ausschließlich der erste Befeuchter (2), ausschließlich der zweite Befeuchter (6) oder der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) zur Befeuchtung der Zuluft nutzbar sind.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) zuluftseitig parallel geschaltet sind.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) abluftseitig mit dem Brennstoffzellenstapel (3) strömungsmechanisch verbunden sind, und dass der erste Befeuchter (2) und der zweite Befeuchter (6) abluftseitig in Reihe geschaltet sind.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass abluftseitig ein mit einem verstellbaren Bypassstellglied versehener Bypass zur Umgehung des weiter stromab gelegenen Befeuchters (2, 6) vorhanden ist.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung zuluftseitig bypassfrei gebildet ist.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Befeuchter (2) eine vom zweiten Befeuchter (6) abweichende Auslegung aufweist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: a. Erfassen einer Lastanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung (1), b. Bestimmen einer aktuellen Befeuchtungsforderung, c. Prüfen, ob die Befeuchtungsanforderung einen Schwellenwert überschritten hat, und d. Befeuchten (2, 6) der Zuluft ausschließlich mittels eines der beiden Befeuchter, wenn festgestellt wird, dass die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert nicht überschritten hat, oder e. Befeuchten der Zuluft mittels des ersten Befeuchters (2) und mittels des zweiten Befeuchters (6), wenn festgestellt wird, dass die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert überschritten hat.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Befeuchtungsanforderung den Schwellenwert nicht überschritten hat, derjenige der Befeuchter (2, 6) zur Befeuchtung der Zuluft ausgewählt und genutzt wird, der die geringste Alterung aufweist.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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DE102022210747A1 (de) 2022-10-12 2024-04-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Verbessern eines Degradationsverhaltens eines Feuchteübertragers in einem Brennstoffzellenaggregat

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