WO2014056811A1 - Ermittlung der brennstoffzellen-eingangsfeuchte über drucksensoren und eine massenstromabhängige steuerung des befeuchter-bypasses - Google Patents

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Daniel Zirkel
David KNIES
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell assembly according to the preamble of claim 1 and a method for controlling the humidity of a reactant for a fuel cell assembly according to the preamble of claim 6.
  • Fuel cells in particular operated with pure hydrogen
  • Fuel cells are now regarded as the drive of the future due to the fact that they only emit pure water. Such fuel cells have in particular a fuel cell membrane, which also requires water in the form of steam for optimum operation. The water vapor is used to ensure a sufficiently high ion conductivity within the fuel cell through the membrane.
  • DE 10 2008 020 102 A1 discloses a control or regulating arrangement for controlling or regulating the quantity of water of at least one reactant fed to the fuel cells.
  • a dew point measuring sensor and a temperature sensor are provided, which are used to determine the humidity of the at least one reactant.
  • a dew point measuring sensor can be included
  • Input parameters also prone to interference, especially in case of failure or malfunction of only one of the sensors.
  • the object of the present invention at least partially to remedy the above-described disadvantages of known fuel cell arrangements.
  • the above object is achieved by a fuel cell assembly having the features of independent claim 1 and by a method having the features of claim 6. Further features and details of
  • a first aspect of the invention comprises a fuel cell assembly, at least one fuel cell having a cathode and an anode, wherein both the cathode and the anode each have a reactant supply and a reactant discharge, wherein provided at at least one of the reactant feeds a humidifier and sensors are.
  • a fuel cell arrangement is characterized characterized in that the sensors are at least one fluid mass sensor and two pressure sensors, wherein the fluid mass sensor and one of the pressure sensors are arranged before the moistening device and one of the pressure sensors downstream of the moistening device, and the moistening device is controllably operable based on the measurements of the sensors.
  • a fuel cell which is used in a fuel cell arrangement according to the invention may in particular be a fuel cell which is operated with pure hydrogen.
  • the fluids used as reactants are in this case preferably pure hydrogen and air.
  • the sensors provided in a fuel cell arrangement according to the invention are simple and already known sensors for the physical quantities
  • Mass flow and pressure In particular, for an automotive use of a fuel cell assembly according to the invention thus not additional, new sensors must be developed, which development costs can be saved.
  • the fluid mass sensor By the fluid mass sensor, the amount of reactant supplied per unit time is determined.
  • This reactant which can be configured as a fluid, in particular as a gas, is designed according to the fluid mass sensor
  • Moistening device moisturizes.
  • the pressure sensors which are arranged before and after the moistening device, the pressure of the reactant is measured just before and after the moistening device. From a resulting pressure difference, which can be calculated from the two pressure measurements, together with the likewise determined mass flow rate, it is possible to infer the moisture added to the reactant in the moistening device. Thus, it is possible to reliably conclude the moisture in the reactant based on these measurements.
  • the use of only one fluid mass sensor and two pressure sensors thereby represents a particularly simple, robust and, moreover, cost-effective manner, which
  • the invention Based on this moisture measurement, the invention provides that the moistening device can be operated in a controlled manner. Thus, it is possible to adjust or regulate the humidity directly by controlling the humidifying device. An operation of Fuel cell assembly with optimum humidity can thus be ensured.
  • a fuel cell arrangement according to the invention it may preferably be provided that the sensors and the moistening device are arranged in the reactant feed of the cathode.
  • the cathode of a fuel cell arrangement according to the invention can be operated in particular with air as a reactant. This way it is possible to have one
  • Fuel cell assembly which can also be more robust and thus less susceptible to interference.
  • Humidifying completely and / or partially bypassed Humidifying completely and / or partially bypassed.
  • dry reactant in particular, for example, dry air is passed to the moistening device.
  • the humidifier is a gas-gas humidifier.
  • a gas-gas humidifier has an air-impermeable but water-permeable membrane.
  • the driving force for humidification in a gas-to-gas humidifier is the partial pressure difference of water vapor between the two sides of the membrane.
  • a gas-gas humidifier is constructed without pumps or other mechanical parts, a gas-gas humidifier is a particularly simple and robust moistening device.
  • Fuel cell assembly according to the invention can be provided that the gas-gas humidifier is also connected to the corresponding Reaktantenab Entry the fuel cell.
  • the fuel cell especially in a pure hydrogen fuel cell, water is produced as
  • Fuel cell assembly wherein the fuel cell assembly is configured according to the first aspect of the invention solved.
  • a method according to the invention is characterized in that the humidity of the reactant in the at least one reactant feed based on the
  • a method according to the invention for regulating the humidity of the reactant for a fuel cell arrangement thus represents a particularly simple, robust and cost-effective method for regulating the humidity of the reactant for a fuel cell arrangement.
  • a method according to the invention for regulating the humidity of a reactant for a fuel cell arrangement can be configured such that the calculated humidity is linearly dependent on a measured one
  • Fluid mass flow rate and is calculated linearly dependent on a difference of the measured pressures.
  • a linear dependence of the humidity of measured quantities represents a particularly simple dependency and is therefore easy to calculate. This particularly affects the speed with which such a calculation can be carried out.
  • the calculated humidity can be calculated in particular, for example, with an accuracy of +/- 20%. This accuracy is sufficient for optimal operation of the fuel cell assembly.
  • Another advantage of a linear dependence of the calculated humidity is given by the fact that the calculation can also be carried out in an analog circuit. Complicated, complex and therefore expensive digital electronics for calculating the humidity in the reactant is not necessary.
  • a bypass line through which the moistening device is completely and / or partially bypassed and which is controlled by a valve the valve is controlled based on the measured fluid mass flow rate and the measured pressures.
  • Moistening device moisturizes. After the moistening device, both reactant parts are brought together again, resulting in a total moisture in the reactant.
  • This total moisture in the reactant can be calculated by the method according to the invention, in particular approximately, from the measured fluid mass flow rate and the measured pressures. Based on this calculation, a control of the valve is possible such that one for optimum operation of the
  • Fuel cell assembly ideal humidity in the reactant can be achieved.
  • the control is thus particularly simple and robust as well as the calculation of the humidity in the reactant.
  • a method according to the invention for regulating the humidity of a reactant for a fuel cell arrangement can be designed such that the valve is regulated by means of a control voltage and that the
  • Control voltage is calculated only from the measured fluid mass flow rate.
  • the relative amount of humidification of an amount of reactant flowing through the humidifier is independent of this amount. For this reason, at a higher mass flow rate of the reactant in the
  • Fuel cell arrangement may be provided that the control voltage is calculated linearly dependent on the measured fluid mass flow rate.
  • a linear dependence in turn represents a particularly simple dependency that can be calculated very quickly.
  • the achievable accuracy of set humidity in the reactant may be particularly advantageously +/- 10%. This accuracy is sufficient for optimum operation of a fuel cell assembly according to the invention. In this way, therefore, a particularly simple, robust and cost-effective way is provided to regulate the humidity of a reactant for a fuel cell assembly.
  • FIG. 1 shows a fuel cell assembly according to the invention.
  • a part of a fuel cell assembly 1 according to the invention is shown schematically.
  • the fuel cell assembly 1 in this case has a fuel cell 2, of which only the cathode 3 is shown.
  • the cathode 3 is connected to a reactant supply 4 and a Reaktantenab Installation 5.
  • a reactant for the cathode 3 is shown in FIG.
  • Embodiment uses air.
  • other fluids such as pure oxygen, as a reactant conceivable.
  • Reactant supply 4 is a fluid mass sensor 12.
  • this fluid mass sensor 12 the mass per unit of time in the
  • Reactant supply 4 of the fuel cell 2 supplied air measured.
  • a humidifying device 10 is further arranged. This serves for humidifying the reactant, in particular the air, since for optimum operation of the fuel cell 2 at least one of the two reactants, in this case the air supplied to the cathode 3 of the fuel cell 2, must have a certain humidity.
  • the illustrated humidifying device 10 is designed in particular as a gas-gas humidifier.
  • Moistening device 10 has for this purpose a membrane 11 which the
  • Moistening device 10 in particular shown schematically divides into two sides.
  • air on the cathode side 3 reacts with pure hydrogen on the anode side.
  • the reaction product is water, which is produced by the reactant removal 5 is discharged from the fuel cell 2 again. This water is supplied to one of the two sides of the moistening device 10.
  • the air flowing in the reactant feed 4 has little or no moisture. This air will be the second side of the reactant feed 4
  • air-impermeable but permeable membrane 11 is configured, thus allowing, driven by the partial pressure difference of the water on the two sides of the membrane 11, a diffusion of water from the
  • Pressure sensor 13, 14 arranged.
  • the pressure difference which can be calculated from the measurements of the first pressure sensor 13 and the second pressure sensor 14, together with the measurement of the fluid mass sensor 12, allows, in particular approximately, calculation of the moisture supplied to the humidifier 10 to the reactant.
  • the size of this moisture can be particularly easily via a bilinear dependence of the measurements of all three sensors 12, 13, 14, in particular in each case linearly dependent on
  • dry reactant in particular dry air, can be guided past the moistening device 10.
  • the ratio of dry air in the bypass line 16 and humidified air that has flowed through the humidifying device 10 gives the total moisture content of the reactant entering the fuel cell 2.
  • the valve 15 may be preferred, in particular linear, depending on the measurement of
  • Fluid mass sensor 12 are operated. This makes a particularly easy
  • Fuel cell assembly 1 is a particularly simple, robust and cost-effective way, optimal operation of a

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode, wobei sowohl die Kathode (3) als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung (4) und eine Reaktantenabführung (5) aufweisen, wobei zumindest an einer der Reaktantenzuführungen (4) eine Befeuchtungsvorrichtung (10) und Sensoren (12, 13, 14) vorgesehen sind, und wobei insbesondere vorgesehen ist dass die Sensoren (12, 13, 14) zumindest ein Fluidmassensensor (12) und zwei Drucksensoren (13, 14) sind, wobei der Fluidmassensensor (12) und einer der Drucksensoren (13) vor der Befeuchtungsvorrichtung (10) und einer der Drucksensoren (14) nach der Befeuchtungsvorrichtung (10) angeordnet sind, und dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) basierend auf den Messungen der Sensoren (12, 13, 14) gesteuert betreibbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine derartige Brennstoffzellenanordnung (1).

Description

Ermittlung der Brennstoffzellen-Eingangsfeuchte über Drucksensoren und eine massenstromabhängige Steuerung des Befeuchter-Bypasses
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.
STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellen, insbesondere mit reinem Wasserstoff betriebene
Brennstoffzellen, gelten heute aufgrund der Tatsache, dass sie nur reines Wasser emittieren, als Antrieb der Zukunft. Derartige Brennstoffzellen weisen insbesondere eine Brennstoffzellenmembran auf, die für einen optimalen Betrieb auch Wasser in Form von Dampf benötigt. Der Wasserdampf wird dabei dazu verwendet, eine genügend hohe lonen-Leitfähigkeit innerhalb der Brennstoffzelle durch die Membran sicherzustellen.
Dieser Wasserdampf kann bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen in den Brennstoffzellen mit zumindest einem der beiden Reaktanten, die in der Brennstoffzelle miteinander reagieren, zugeführt werden. Um einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung zu ermöglichen, ist es nötig, diese Feuchte zu überwachen und insbesondere zu regeln beziehungsweise einzustellen. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 020 102 A1 eine Steuerbeziehungsweise Regelanordnung zum Steuern beziehungsweise Regeln der Wassermenge zumindest eines der Brennstoffzellen zugeführten Reaktanten bekannt. Es ist dabei ein Taupunktmesssensor und ein Temperatursensor vorgesehen, die verwendet werden, um die Feuchte des zumindest einen Reaktanten zu bestimmen. Ein Taupunktmesssensor kann dabei
bekanntermaßen als Halbleitersensor ausgeführt sein und ist dabei, wie auch andere Feuchtesensoren, störanfällig bei Tropfenbildung im Reaktant.
Insbesondere kann eine Anlagerung von flüssigem Wasser zu Fehlmessungen führen.
Aus der WO 2008/034253 A1 ist ebenfalls ein Kontra II System für die Feuchte eines Reaktanten in einer Brennstoffzellenanordnung bekannt. Hierbei werden je ein Druck- und ein Temperatursensor verwendet, um über eine aufwendige Berechnung die Feuchte des Reaktanten zu bestimmen. Es ist ferner für diese Berechnung nötig, auch den Massenfluss des Reaktanten und den Massenfluss von einer Befeuchtungseinrichtung zugeführten Wassers in die Berechnung mit einzubeziehen. Damit wird diese Berechnung durch die Vielzahl von
Eingabeparametern auch anfällig für Störungen, insbesondere bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion von nur einem der Sensoren.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Brennstoffzellenanordnungen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, bei dem möglichst wenige physikalische Größen zur Bestimmung der Feuchte des Reaktanten herangezogen werden, die darüber hinaus messtechnisch einfach und kostengünstig erfasst werden können. Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere Merkmale und Details der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten die Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
In einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Brennstoffzellenanordnung, zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode auf, wobei sowohl die Kathode als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung und eine Reaktantenabführung aufweisen, wobei zumindest an einer der Reaktanten- Zuführungen eine Befeuchtungsvorrichtung und Sensoren vorgesehen sind.
Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zumindest ein Fluidmassensensor und zwei Drucksensoren sind, wobei der Fluidmassensensor und einer der Drucksensoren vor der Befeuchtungsvorrichtung und einer der Drucksensoren nach der Befeuchtungsvorrichtung angeordnet sind, und das die Befeuchtungsvorrichtung basierend auf den Messungen der Sensoren gesteuert betreibbar ist.
Eine Brennstoffzelle, die in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung verwendet wird, kann dabei insbesondere eine Brennstoffzelle sein, die mit reinem Wasserstoff betrieben wird. Die als Reaktanten verwendeten Fluide sind in diesem Fall dabei bevorzugt reiner Wasserstoff und Luft. Die bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehenen Sensoren sind einfache und bereits bekannte Sensoren für die physikalischen Größen
Massendurchfluss und Druck. Insbesondere für einen automobilen Einsatz einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung müssen somit nicht zusätzliche, neue Sensoren entwickelt werden, wodurch Entwicklungskosten eingespart werden können.
Durch den Fluidmassensensor wird die Menge des zugeführten Reaktanten pro Zeiteinheit bestimmt. Dieser Reaktant, der als Fluid, insbesondere als ein Gas, ausgestaltet sein kann, wird nach dem Fluidmassensensor durch die
Befeuchtungsvorrichtung befeuchtet. Durch die Drucksensoren, die vor und nach der Befeuchtungsvorrichtung angeordnet sind, wird der Druck des Reaktanten eben vor und nach der Befeuchtungsvorrichtung gemessen. Aus einer sich ergebenen Druckdifferenz, die aus den beiden Druckmessungen berechnet werden kann, kann zusammen mit dem ebenfalls bestimmten Massendurchfluss auf die in der Befeuchtungsvorrichtung dem Reaktanten zugesetzte Feuchtigkeit geschlossen werden. Somit ist es möglich, basierend auf diesen Messungen auf die Feuchte im Reaktanten zuverlässig zu schließen. Die Verwendung nur eines Fluidmassensensors und zwei Drucksensoren stellt dabei eine besonders einfache, robuste und darüber hinaus kostengünstige Art und Weise dar, die
Feuchte eines Reaktanten zu bestimmen.
Basierend auf dieser Feuchtemessung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Befeuchtungsvorrichtung gesteuert betreibbar ist. Somit ist es möglich, die Feuchte durch die Steuerung der Befeuchtungsvorrichtung auch direkt einzustellen beziehungsweise zu regeln. Ein Betrieb der Brennstoffzellenanordnung mit einer optimalen Feuchte kann somit sichergestellt werden.
Bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass die Sensoren und die Befeuchtungsvorrichtung in der Reaktantenzuführung der Kathode angeordnet sind. Die Kathode einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung kann insbesondere mit Luft als Reaktant betrieben werden. Auf diese Weise ist es somit möglich, eine
Befeuchtung insbesondere ausschließlich des Reaktanten Luft zu realisieren. Für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist dies ausreichend, da durch die in der Brennstoffzelle vorhandene Membran die Feuchtigkeit auch auf die Anodenseite diffundieren kann. Eine Befeuchtung nur auf einer Seite, insbesondere auf der Kathodenseite, ist somit vorteilhaft, da nur ein Reaktant befeuchtet wird beziehungsweise werden muss. Somit stellt dies eine besonders einfache Ausführung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung dar, die auch robuster und somit weniger störanfällig sein kann.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung
vorgesehen sein, dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung eine durch ein Ventil steuerbare Umgehungsleitung vorgesehen ist, durch die die
Befeuchtungsvorrichtung ganz und/oder teilweise umgehbar ist. Durch die Umgehungsleitung wird trockener Reaktant, insbesondere beispielsweise trockene Luft, an der Befeuchtungsvorrichtung vorbeigeführt. Nach der
Befeuchtungsvorrichtung wird dieser trockene Reaktantenteil mit dem in der Befeuchtungsvorrichtung befeuchteten Reaktantenteil wieder zusammengeführt. Das Gemisch der beiden Reaktantenteile wird im Anschluss der Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung zugeführt. Das Verhältnis aus trockenem und befeuchteten Reaktantenteil ergibt die Gesamtfeuchte im Reaktanten. Für die Veränderung bzw. Steuerung der Gesamtfeuchte muss somit nur das Ventil angesteuert werden, das den Fluss des Reaktantenteils durch die
Umgehungsleitung steuert. Eine besonders einfache Regelung und Einstellung der Gesamtfeuchte der Brennstoffzelle zugeführten Reaktanten ist somit möglich. Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung
vorgesehen sein, dass die Befeuchtungseinrichtung ein Gas-Gas-Befeuchter ist. Ein derartiger Gas-Gas-Befeuchter weist eine luftundurchlässige aber wasserdurchlässige Membran auf. Die treibende Kraft zur Befeuchtung in einem Gas-Gas-Befeuchter bildet der Partialdruckunterschied von Wasserdampf zwischen den beiden Seiten der Membran. Wrd ein trockener Reaktant durch die eine Seite des Gas-Gas-Befeuchters geleitet so diffundiert Wasser durch die
Membran hindurch und befeuchtet diesen Reaktanten. Da somit insbesondere ein Gas-Gas-Befeuchter ohne Pumpen oder sonstige mechanische Teile aufgebaut ist, stellt ein Gas-Gas-Befeuchter eine besonders einfache und robuste Befeuchtungsvorrichtung dar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung kann vorgesehen sein, dass der Gas-Gas-Befeuchter auch mit der entsprechenden Reaktantenabführung der Brennstoffzelle verbunden ist. In der Brennstoffzelle, insbesondere in einer mit reinem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle, entsteht Wasser als
Reaktionsprodukt. Dieses Wasser wird über die Reaktantenabführung aus der Brennstoffzelle wieder abgeleitet. Durch die Verbindung des Gas-Gas- Befeuchters mit der Reaktantenabführung ist somit eine Wederverwendung dieses in der Brennstoffzelle erzeugten Wassers zur Befeuchtung des
Reaktanten in der Reaktantenzuführung möglich. Die Notwendigkeit einer externen Wasserversorgung für einen derartigen Gas-Gas-Befeuchter kann somit verhindert oder zumindest vermindert werden. Auch ein autarker Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist dadurch denkbar. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein
Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung, wobei die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgestaltet ist, gelöst. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchte des Reaktanten in der zumindest einen Reaktantenzuführung basierend auf den
Messwerten der Sensoren, insbesondere näherungsweise, berechnet wird. Sämtliche Vorteile, die zu einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschriebene worden sind, ergeben sich somit
selbstverständlich auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren, durch das eine derartige Brennstoffzellenanordnung betrieben wird. Die im Verfahren eingesetzten Massenfluss- beziehungsweise Drucksensoren sind einfache Sensoren, die bereits, insbesondere auch für den automobilen Einsatz, vorhanden sind. Kostenaufwendige Neuentwicklungen können dadurch vermieden werden. Insbesondere kann auch der Einsatz von Feuchtesensoren, welche insbesondere beim Vorliegen von flüssigem Wasser eine hohe
Störanfälligkeit aufweisen, durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vermieden werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der Feuchte des Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung stellt somit ein besonders einfaches, robustes und kostengünstiges Verfahren zum Regeln der Feuchte des Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung dar.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung derart ausgestaltet sein, dass die berechnete Feuchte linear abhängig von einem gemessenen
Fluidmassendurchsatz und linear abhängig von einer Differenz der gemessenen Drücke berechnet wird. Eine lineare Abhängigkeit der Feuchte von gemessenen Größen stellt eine besonders einfache Abhängigkeit dar und ist deshalb einfach zu berechnen. Dies wirkt sich insbesondere auf die Schnelligkeit aus, mit der eine derartige Berechnung durchgeführt werden kann. Die berechnete Feuchte kann dabei insbesondere beispielsweise mit einer Genauigkeit von +/- 20% berechnet werden. Diese Genauigkeit ist ausreichend für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung. Ein weiterer Vorteil einer linearen Abhängigkeit der berechneten Feuchte ist dadurch gegeben, dass die Berechnung auch in einer analogen Schaltung durchgeführt werden kann. Komplizierte, aufwendige und dadurch kostspielige digitale Elektronik zur Berechnung der Feuchte im Reaktanten ist dadurch nicht nötig.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung eine Umgehungsleitung vorgesehen ist, durch die die Befeuchtungsvorrichtung ganz und/oder teilweise umgangen wird und die durch ein Ventil gesteuert wird, wobei das Ventil basierend auf den gemessenen Fluidmassendurchsatz und den gemessenen Drücken geregelt wird. Durch das Ventil wird der Durchfluss durch die
Umgehungsleitung geregelt. Der Teil des Reaktanten, der durch die
Umgehungsleitung fließt wird somit, im Gegensatz zu dem Teil des Reaktanten der durch die Befeuchtungsvorrichtung fließt, nicht in der
Befeuchtungsvorrichtung befeuchtet. Nach der Befeuchtungsvorrichtung werden beide Reaktantenteile wieder zusammengeführt, wobei sich eine Gesamtfeuchte im Reaktant einstellt. Diese Gesamtfeuchte im Reaktanten kann durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere näherungsweise, aus dem gemessenen Fluidmassendurchsatz und den gemessenen Drücken berechnet werden. Basierend auf dieser Berechnung ist auch eine Steuerung des Ventils derart möglich, dass eine für einen optimalen Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung ideale Feuchte im Reaktanten erreicht werden kann. Die Steuerung ist damit wie die Berechnung der Feuchte im Reaktanten besonders einfach und robust.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung dahingehend ausgestaltet sein, dass das Ventil über eine Steuerspannung geregelt wird und dass die
Steuerspannung nur von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz berechnet wird. Das relative Maß der Befeuchtung einer durch die Befeuchtungsvorrichtung fließenden Menge an Reaktant ist unabhängig von dieser Menge. Aus diesem Grund wird bei einem höheren Massendurchfluss des Reaktanten in der
Reaktantenzuführung, bei konstant zu haltender Gesamtfeuchte des Reaktanten beim Eintritt in die Brennstoffzelle, auch ein höherer Fluss durch die
Umgehungsleitung benötigt. Eine Steuerung des Ventils allein abhängig vom Fluidmassendurchsatz kann daher ausreichend sein, um eine gleichbleibende Befeuchtung des in die Brennstoffzelle einfließenden Reaktanten sicherzustellen. Durch die Abhängigkeit von nur einer Eingangsgröße ist eine derartige
Steuerung besonders einfach und robust gegen Einwirkungen anderer
Zustandsgrößen der Brennstoffzellenanordnung.
Besonders bevorzugt kann in einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass die Steuerspannung von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz linear abhängig berechnet wird. Eine lineare Abhängigkeit stellt wiederum eine besonders einfache Abhängigkeit dar, die besonders schnell berechnet werden kann. Auch hier ist eine Realisierung in der Berechnung in rein analoger Elektronik denkbar, wodurch wiederum aufwendige digitale Elektronik vermieden werden kann. Die erreichbare Genauigkeit der eingestellten Feuchte im Reaktanten kann insbesondere vorteilhafterweise +/- 10% betragen. Diese Genauigkeit ist ausreichend für einen optimalen Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. Auf diese Weise ist somit eine besonders einfache, robuste und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, die Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung zu regeln.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine
Weiterbildungen sowie dessen Vorteile werden nachfolgend anhand von einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
In Fig. 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist dabei eine Brennstoffzelle 2 auf, von der nur die Kathode 3 abgebildet ist. Die Kathode 3 ist dabei mit einer Reaktantenzuführung 4 und einer Reaktantenabführung 5 verbunden. Als Reaktant für die Kathode 3 wird im gezeigten
Ausführungsbeispiel Luft verwendet. Selbstverständlich sind auch andere Fluide, wie beispielsweise reiner Sauerstoff, als Reaktant denkbar. In der
Reaktantenzuführung 4 befindet sich ein Fluidmassensensor 12. Durch diesen Fluidmassensensor 12 wird die Masse pro Zeiteinheit der in der
Reaktantenzuführung 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft gemessen. In der Reaktantenzuführung 4 ist ferner eine Befeuchtungsvorrichtung 10 angeordnet. Diese dient zum Befeuchten des Reaktanten, insbesondere der Luft, da für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle 2 zumindest einer der beiden Reaktanten, in diesem Fall die der Kathode 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführte Luft, eine gewisse Feuchte aufweisen muss. Die dargestellte Befeuchtungsvorrichtung 10 ist dabei insbesondere als Gas-Gas-Befeuchter ausgestaltet. Die
Befeuchtungsvorrichtung 10 weist dafür eine Membran 11 auf, die die
Befeuchtungsvorrichtung 10, insbesondere schematisch gezeigt, in zwei Seiten teilt. In der Brennstoffzelle 2 reagiert in der dargestellten Ausführungsform Luft auf der Kathodenseite 3 mit reinem Wasserstoff auf der Anodenseite. Als Reaktionsprodukt entsteht dabei Wasser, das durch die Reaktantenabführung 5 aus der Brennstoffzelle 2 wieder abgeführt wird. Dieses Wasser wird einer der beiden Seiten der Befeuchtungsvorrichtung 10 zugeführt.
Die in der Reaktantenzuführung 4 fließende Luft weist keine oder nur eine geringe Feuchte auf. Diese Luft wird der zweiten Seite der
Befeuchtungsvorrichtung 10 zugeführt. Die Membran 11 , die als
luftundurchlässige aber wasserdurchlässige Membran 11 ausgestaltet ist, erlaubt somit, getrieben durch den Partialdruckunterschied des Wassers auf den beiden Seiten der Membran 11 , ein Diffundieren des Wassers von der der
Reaktantenabführung 5 zugewandten Seite der Befeuchtungsvorrichtung 10 zu der der Reaktantenzuführung 4 5 zugewandten Seite der
Befeuchtungsvorrichtung 10. Somit ist in der Befeuchtungsvorrichtung 10 eine Befeuchtung des Reaktanten der Reaktantenzuführung 4 möglich. Eine externe Wasserzuführung zur Befeuchtungsvorrichtung 10 ist nicht nötig. Vor bzw. nach der Befeuchtungsvorrichtung 10 ist an der Reaktantenzuführung 4 jeweils ein
Drucksensor 13, 14 angeordnet. Der Druckunterschied, der aus den Messungen des ersten Drucksensors 13 und des zweiten Drucksensors 14 errechnet werden kann, ermöglicht, zusammen mit der Messung des Fluidmassensensors 12, eine, insbesondere näherungsweise, Berechnung der in der Befeuchtungsvorrichtung 10 dem Reaktanten zugeführten Feuchte. Die Größe dieser Feuchte kann dabei besonders einfach über eine bilineare Abhängigkeit aus den Messungen aller drei Sensoren 12, 13, 14, insbesondere jeweils linear abhängig vom
Massendurchfluss und von der Druckdifferenz, ermittelt werden. Um eine Regelung der Feuchte des Reaktanten ausführen zu können, ist die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 in der gezeigten
Ausgestaltungsform mit einer die Befeuchtungsvorrichtung 10 umgehende Umgehungsleitung 16 ausgestattet, die über ein Ventil 15 gesteuert werden kann. Über die Umgehungsleitung 16 kann trockener Reaktant, insbesondere trockene Luft, an der Befeuchtungsvorrichtung 10 vorbeigeführt werden. Das
Verhältnis aus trockener Luft in der Umgehungsleitung 16 und befeuchteter Luft, die durch die Befeuchtungsvorrichtung 10 geströmt ist, ergibt die Gesamtfeuchte des Reaktanten beim Eintritt in die Brennstoffzelle 2. Das Ventil 15 kann dabei bevorzugt, insbesondere linear, abhängig von der Messung des
Fluidmassensensors 12 betrieben werden. Dadurch ist eine besonders einfach
Regelung der Eintrittsfeuchte des Reaktanten in die Brennstoffzelle 2 ermöglicht. Da sämtliche Komponenten, insbesondere der Fluidmassensensor 12 und die Drucksensoren 13, 14 auch für einen Einsatz im Automobilbereich bereits vorhanden sind, stellt eine derartige erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanordnung 1 eine besonders einfache, robuste und kostengünstige Art und Weise dar, einen optimalen Betrieb einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 mit optimaler Feuchte des Reaktanten sicherzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung (1), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode, wobei sowohl die Kathode (3) als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung (4) und eine
Reaktantenabführung (5) aufweisen, wobei zumindest an einer der
Reaktantenzuführungen (4) eine Befeuchtungsvorrichtung (10) und Sensoren (12, 13, 14) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensoren (12, 13, 14) zumindest ein Fluidmassensensor (12) und zwei Drucksensoren (13, 14) sind, wobei der Fluidmassensensor (12) und einer der Drucksensoren (13) vor der Befeuchtungsvorrichtung (10) und einer der Drucksensoren (14) nach der Befeuchtungsvorrichtung (10) angeordnet sind, und dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) basierend auf den
Messungen der Sensoren (12, 13, 14) gesteuert betreibbar ist.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensoren (12, 13, 14) und die Befeuchtungsvorrichtung (10) in der Reaktantenzuführung (4) der Kathode (3) angeordnet sind.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) eine durch ein Ventil (15) steuerbare Umgehungsleitung (16) vorgesehen ist, durch die die Befeuchtungsvorrichtung (10) ganz und/oder teilweise umgehbar ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) ein Gas-Gas-Befeuchter ist. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gas-Gas-Befeuchter auch mit der entsprechenden
Reaktantenabführung (5) der Brennstoffzelle (2) verbunden ist.
Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung (1), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Feuchte des Reaktanten in der zumindest einen
Reaktantenzuführung (4) basierend auf den Messwerten der Sensoren (12, 13, 14), insbesondere näherungsweise, berechnet wird.
Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die berechnete Feuchte linear abhängig von einem gemessenen Fluidmassendurchsatz und linear abhängig von einer Differenz der gemessenen Drücke berechnet wird.
Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) eine
Umgehungsleitung (16) vorgesehen ist, durch die die
Befeuchtungsvorrichtung (10) ganz und/oder teilweise umgangen wird und die durch ein Ventil (15) gesteuert wird, wobei das Ventil (15) basierend auf dem gemessenen Fluidmassendurchsatz und den gemessenen Drücken geregelt wird.
Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ventil (15) über eine Steuerspannung geregelt wird und dass die Steuerspannung nur von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz berechnet wird.
10. Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine
Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerspannung von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz linear abhängig berechnet wird.
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