DE10334843A1

DE10334843A1 - Verfahren zum Mediummanagement innerhalb einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10334843A1
Application number: DE10334843A
Authority: DE
Inventors: Robert Goldner; Jacob Schariot; Sven Dr. Jakubith
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben ein Verfahren zum Mediummanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle (11), wobei der wenigstens einen Brennstoffzelle (11) über wenigstens eine Zuleitung (15) wenigstens ein Mediumstrom zugeführt und über wenigstens eine Ableitung (16) der wenigstens eine Mediumstrom abgeführt wird, wobei die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle(n) (11) über den Mediumstrom beeinflusst wird und wobei die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(n) (11) hindurch zumindest zeitweilig umgekehrt wird. Um eine kontinuierliche Performance der Brennstoffzelle(n) (11) auch im Umschaltzeitpunkt zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in wenigstens einer Zuleitung (15) und/oder in wenigstens einer Ableitung (16) ein Fördereinrichtungs-System mit wenigstens einer Fördereinrichtung (21, 22) vorgesehen ist, welches mit veränderlicher Last betrieben werden kann, dass das Fördereinrichtungs-System im Normalbetrieb mit einer ersten Last betrieben wird und dass zumindest in einem Umschaltzeitpunkt, in dem die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms umgekehrt wird, das Fördereinrichtungs-System mit einer Umschaltlast betrieben wird, wobei die Umschaltlast unterschiedlich im Vergleich zur Last im Normalbetrieb ist. Weiterhin wird ein entpsrechend verbessertes Brennstoffzellensystem (10) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Mediummanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin ist die Erfindung gerichtet auf ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17.

Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.

Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Brennstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.

Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden.

Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Brennstoff wie etwa Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit mit Verdampfer, einem Reaktor für die Reformierung, beispielsweise für die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.

Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.

Während des Betriebs der Brennstoffzelle entsteht in dieser neben Strom und Wärme auch Wasser, das abgeführt werden muss. Würde das während des Brennstoffzellenbetriebs entstehende Prozesswasser nicht aus der Brennstoffzelle abgeführt, würde die Brennstoffzelle überflutet und damit ihre Leistungsfähigkeit zumindest stark reduziert. Weiterhin ist es erforderlich, dass in der Brennstoffzelle während des Betriebs stets ein bestimmtes Maß an Feuchtigkeit vorherrscht. Ohne eine gewisse Feuchtigkeit würde beispielsweise der Elektrolyt der Brennstoffzelle austrocknen, was wiederum zu Leistungseinbußen oder gar Beschädigungen der Brennstoffzelle führen würde.

Im Normalbetrieb eines Brennstoffzellensystems wird ein der Brennstoffzelle zuzuführender Mediumstrom zunächst in einer Befeuchtungseinrichtung befeuchtet und über eine Zuleitung anschließend der Brennstoffzelle zugeführt. Nach dem Durchströmen der Brennstoffzelle wird der Mediumstrom über eine Ableitung abgeleitet. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann die Situation auftreten, dass die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle ungleichmäßig verteilt ist. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Brennstoffzelle im Eintrittsbereich relativ trocken ist, während sie im Austrittsbereich relativ feucht ist. Beide Zustände sind unerwünscht. Würde nun das Brennstoffzellensystem weiterhin im Normalbetrieb gefahren, würde sich an der Feuchtigkeitsdifferenz innerhalb der Brennstoffzelle nichts ändern. Vielmehr bestünde die Gefahr, dass sich diese beiden Extremzustände weiter vergrößern, was nachteilig für die Brennstoffzellen-Performance ist.

Es besteht daher das Bedürfnis, dass Feuchtigkeitsmanagement für eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem derart zu gestalten, dass eine möglichst homogene Feuchtigkeitsverteilung in der/den Brennstoffzelle(n) realisierbar ist.

Diesbezüglich ist aus der WO 99/28985 bereits ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Zuführen von Wasser an eine Ionen-Austausch-Membran innerhalb einer Brennstoffzelle bekannt, bei der ein auf dieses Bedürfnis gerichtetes Feuchtigkeitsmanagement realisiert ist. Um ein Austrocknen der Brennstoffzellenmembran im Eintrittsbereich der Brennstoffzelle sowie ein Fluten der Brennstoffzelle in deren Austrittsbereich zu vermeiden, ist bei dieser bekannten Lösung vorgesehen, dass die Durchströmrichtung eines die Brennstoffzelle durchströmenden Mediumstroms, insbesondere eines Oxidationsmittelstroms, unter Verwendung eines Kompressors periodisch umgekehrt wird.

Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist jedoch, dass der Mediumstrom im Umschaltzeitpunkt beziehungsweise kurz danach kurzfristig zusammenbricht. Anschließend dauert es eine Weile, bis der Mediumstrom in der neuen Strömungsrichtung aufgebaut ist. Während dieses Umschaltzeitraums ist somit kein homogenes Feuchtigkeitsmanagement und keine ausreichende Brennstoff- beziehungsweise Oxidationsmittelversorgung gewährleistet, sodass während dieses Zeitraums auch keine konstante Performance der Brennstoffzelle sichergestellt ist.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, sodass die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, und jeweils umgekehrt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Mediummanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei der wenigstens einen Brennstoffzelle über wenigstens eine Zuleitung wenigstens ein Mediumstrom zugeführt und über wenigstens eine Ableitung der wenigstens eine Mediumstrom abgeführt wird, wobei die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle(n) über den Mediumstrom beeinflusst wird und wobei die Strömungsrichtung des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(n) hindurch zumindest zeitweilig umgekehrt wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Zuleitung und/oder in wenigstens einer Ableitung ein Fördereinrichtungs-System mit wenigstens einer Fördereinrichtung vorgesehen ist, welches mit veränderlicher Last betrieben werden kann, dass das Fördereinrichtungs-System im Normalbetrieb mit einer ersten Last betrieben wird und dass zumindest in einem Umschaltzeitpunkt, in dem die Strömungsrichtung des Mediumstroms umgekehrt wird, das Fördereinrichtungs-System mit einer Umschaltlast betrieben wird, wobei die Umschaltlast unterschiedlich im Vergleich zur Last im Normalbetrieb ist.

Vorteilhaft, jedoch nicht ausschließlich, kann die Umschaltlast größer als die Last im Normalbetrieb sein.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf das Management bestimmter Medientypen innerhalb der wenigstens einen Brennstoffzelle beschränkt. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Feuchtigkeitsmanagement und/oder zum Brennstoffmanagement und/oder zum Oxidationsmittelmanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. Im weiteren Verlauf wird die Erfindung im wesentlichen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem das Verfahren zum Feuchtigkeitsmanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, ohne dass die Erfindung auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere ein homogenes Mediummanagement, insbesondere ein homogenes Feuchtigkeitsmanagement auch während des Umschaltens und des Richtungswechsels der Strömungsrichtung des Mediumstroms gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass der Brennstoffzelle wenigstens ein Mediumstrom zugeführt wird. Dazu ist die Brennstoffzelle mit einer entsprechenden Zuleitung verbunden, über die der Mediumstrom der Brennstoffzelle zugeführt wird. Weiterhin verfügt die Brennstoffzelle über wenigstens eine Ableitung, über die dieser Mediumstrom nach seinem Aufenthalt in der Brennstoffzelle als Abluft-Mediumstrom von dieser abgeleitet wird.

Beispielsweise kann es sich bei dem Mediumstrom um den Kathodengasstrom für die Brennstoffzelle handeln. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder dergleichen handeln, der aus der Umgebungsluft entnommen werden kann. Ebenso ist es denkbar, dass der Mediumstrom als Anodengasstrom ausgebildet ist. In diesem Fall handelt es sich bei dem Mediumstrom beispielsweise um den Brennstoff für die Brennstoffzelle, etwa um ein wasserstoffreiches Gas oder dergleichen. Üblicherweise ist vorgesehen, dass der Brennstoffzelle zwei Mediumströme zugeführt werden, nämlich ein Anodengasstrom und ein Kathodengasstrom.

Ein grundlegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass in wenigstens einer Zuleitung und/oder in wenigstens einer Ableitung ein Fördereinrichtungs-System mit wenigstens einer Fördereinrichtung vorgesehen ist, wobei dieses Fördereinrichtungs-System derart ausgebildet ist, dass es mit veränderlicher Last betrieben werden kann. Das bedeutet, dass die Leistung des Fördereinrichtungs-Systems und damit die von dem Fördereinrichtungs-System zu bewältigende Fördermenge variabel ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten für das Fördereinrichtungs-System und die Fördereinrichtungen) beschränkt. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das Fördereinrichtungs-System aus wenigstens einer Fördereinrichtung besteht. In diesem Fall ist vorteilhaft vorgesehen, wenn die Fördereinrichtung mit veränderlicher Last betrieben werden kann. Das heisst, dass die Betriebslast der Fördereinrichtung variiert werden kann.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Last der Fördereinrichtung in Stufen verstellbar ist. Ebenso kann jedoch auch eine stufenlose Veränderbarkeit der Last, mit der die Fördereinrichtung betrieben wird, von Vorteil sein. Natürlich kann das Fördereinrichtungs-System auch zwei oder mehr Fördereinrichtungen aufweisen, die mit veränderlicher Last betrieben werden können.

Daneben soll gemäß der vorliegenden Erfindung auch folgende Konstellation möglich sein. Wenn in der Zuleitung und der Ableitung jeweils ein Fördereinrichtungs-System mit zwei oder mehr Fördereinrichtungen vorgesehen ist, könnte jede Fördereinrichtung an sich mit einer einzigen, unveränderlichen Last betrieben werden können. Der Zustand „veränderliche Last" wird bei einer solchen Konstellation dann dadurch realisiert, dass unterschiedlich viele Fördereinrichtungen pro Fördereinrichtungs-System gleichzeitig betrieben werden. Wenn beispielsweise nur eine einzige Fördereinrichtung betrieben wird, wird das Fördereinrichtungs-System in seiner Gesamtheit mit einer geringeren Last betrieben, als wenn beispielsweise gleichzeitig zwei oder mehr Fördereinrichtungen des Fördereinrichtungs-Systems betrieben werden.

Nicht ausschließliche Beispiele zu den vorgenannten Fallkonstellationen werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Des Weiteren ist die Erfindung auch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Fördereinrichtungen beschränkt. Grundsätzlich ist es ausreichend, dass nur eine einzige Fördereinrichtung vorgesehen ist. Diese ist dann bezüglich ihrer Fördereinrichtung vorteilhaft umschaltbar.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass der von der einen Fördereinrichtung erzeugte Mediumstrom beispielsweise durch Umschaltmittel, etwa ein Umschaltventil, – von der Zuleitung auf die Ableitung – umgeschaltet wird, oder umgekehrt. Dies hat, im Vergleich zu einem Richtungswechsel innerhalb der Fördereinrichtung, den Vorteil, dass das Abbremsen beziehungsweise Hochfahren der Fördereinrichtung entfallen kann und sofort die volle Förderleitung zur Verfügung steht.

Auch ist es denkbar, mehrerer solcher Fördereinrichtungen in der Zuleitung und/oder der Ableitung vorzusehen. Wenn mehrere Fördereinrichtungen vorgesehen sind, kann es ausreichend sein, dass diese in ihrer Förderrichtung nicht umschaltbar sind, dass aber deren Förderrichtungen innerhalb des Brennstoffzellensystems unterschiedlich sind. Einige nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Bei der Verwendung von zwei Fördereinrichtungen ist es auch denkbar, bei einer Richtungsumkehr die zweite Fördereinrichtung bereits kurz vor dem Ausschalten der ersten Fördereinrichtung einzuschalten. Dadurch kann die Phase mit stehendem Luftstrom beim Richtungswechsel verkürzt werden. Dies hängt insbesondere davon ab, wie lange es nach dem Einschalten dauert, bis die verwendete Fördereinrichtung ihre angestrebte – beispielsweise die maximale – Förderleistung erreicht, beziehungsweise wie lange es nach dem Ausschalten dauert, bis kein Medium mehr gefördert wird.

Ebenso ist die Erfindung nicht auf besondere Typen von Fördereinrichtungen beschränkt. So ist es beispielsweise denkbar, dass die wenigstens eine Fördereinrichtung als Gebläse, als Kompressor, als Pumpe, als Turbine oder dergleichen ausgestaltet ist. Wenn nur eine Fördereinrichtung vorgesehen ist und es sich bei dem Mediumstrom um einen Gasstrom handelt, kann die Fördereinrichtung beispielsweise als umschaltbares Gebläse ausgestaltet sein. Wenn zwei oder mehr Fördereinrichtungen eingesetzt werden und der Mediumstrom als Gasstrom ausgebildet ist, können die Fördereinrichtungen beispielsweise in Form von Gebläsen ausgestaltet sein, die entweder saugend oder drückend betrieben werden und abwechselnd laufen. Natürlich sind diese Beispiele rein exemplarischer Natur, sodass auch andere Ausgestaltungsvarianten denkbar sind und vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung mit erfasst sind. Insbesondere ist es auch möglich, mehrerer Fördereinrichtungstypen miteinander zu kombinieren.

Bei dem Fördereinrichtungs-System beziehungsweise der Fördereinrichtung handelt es sich vorteilhaft um den Bestandteil einer Einrichtung zum Mediummanagement innerhalb einer Brennstoffzelle, die weiter unten im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem noch näher erläutert wird.

Eine solche Einrichtung zum Mediummanagement, beispielsweise zum Feuchtigkeitsmanagement, kann beispielsweise bezüglich wenigstens eines Mediumstroms vorgesehen sein. Wenn einem Brennstoffzellensystem mehrere Mediumströme zugeführt werden, ist der Einsatz einer solchen Einrichtung zum Mediummanagement, beispielsweise zum Feuchtigkeitsmanagement, beziehungsweise die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mediummanagement, beispielsweise zum Feuchtigkeitsmanagement, auch für mehrere Mediumströme möglich. Beispielsweise ist es denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der Kathodengaszufuhr/-abfuhr und/oder im Zusammenhang mit der Anodengaszufuhr/-abfuhr durchgeführt wird.

Das Verfahren sieht erfindungsgemäß weiterhin vor, dass das Fördereinrichtungs-System mit wenigstens zwei unterschiedlichen Lasten betrieben wird. Während des Normalbetriebs wird das Fördereinrichtungs-System mit einer ersten Last betrieben. Unter dem Begriff „Normalbetrieb" ist dabei jeglicher Betriebszustand zu verstehen, der außerhalb des eigentlichen Umschaltvorgangs liegt, während dem die Strömungsrichtung des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle hindurch umgekehrt wird.

Wenn das Verfahren im Zusammenhang mit einem Feuchtigkeitsmanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle betrieben wird, ist im Normalbetrieb, dass heißt bei einer ersten Last, der die Brennstoffzelle durchströmende Mediumstrom in Qualität und Quantität vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine definierte Menge an Feuchtigkeit durch den Mediumstrom ausgetragen wird. Während der Mediumstrom die Brennstoffzelle durchströmt, kann er eine gewisse Menge an Feuchtigkeit aufnehmen. Die Menge an aufgenommener Feuchtigkeit kann dabei durch die Größe und/oder Geschwindigkeit des die Brennstoffzelle durchströmenden Mediums eingestellt werden.

Um nun eine homogene Feuchtigkeitsverteilung innerhalb der Brennstoffzelle zu erreichen, wie dies weiter oben bereits angedeutet wurde, ist es erforderlich, dass die Strömungsrichtung des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle hindurch zumindest zeitweilig umgekehrt wird. Dadurch wird verhindert, dass der Eintrittsbereich der Brennstoffzelle zu sehr austrocknet, während der Austrittsbereich der Brennstoffzelle geflutet wird. Um diese Umkehrung möglichst rasch und ohne schädliche Konsequenzen durchführen zu können, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass zumindest in einem Umschaltzeitpunkt, in welchem die Strömungsrichtung des Mediumstroms umgekehrt wird, das Fördereinrichtungs-System mit einer Umschaltlast betrieben wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Umschaltlast von der ansonsten im Normalbetrieb vorherrschenden ersten Last abweicht. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Umschaltlast größer ist als die erste Last im Normalbetrieb.

Das bedeutet beispielsweise, dass das Fördereinrichtungs-System während des Umschaltvorgangs mit einer höheren Last betrieben wird, als dies im Normalbetrieb erforderlich ist, sodass sich die neue Mediumströmung, die nunmehr in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist, möglichst rasch und ohne Zeitverzögerung aufbaut. Je größer die Umschaltlast in Bezug auf die erste Last des Normalbetrieb ist, desto schneller kann dieser Vorgang abgeschlossen werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt insbesondere darin, dass sehr schnell ein neuer Mediumstrom mit den gewünschten Parametern, insbesondere mit der gewünschten Richtung aufgebaut wird. Dabei kommt es, wie bei dem im Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystem, so gut wie zu keinen Verzögerungen, da im Umschaltzeitpunkt kein beziehungsweise nur sehr kurz ein stehendes System vorherrscht, in dem kein Feuchtigkeitsmanagement innerhalb der Brennstoffzelle durchgeführt werden kann.

Damit der Mediumzustrom vor Eintritt in die Brennstoffzelle bereits eine gewünschte Feuchtigkeit aufweist, kann in der Zuleitung wenigstens eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des wenigstens einen Mediumstroms vorgesehen sein. Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltungsvariante für die Befeuchtungseinrichtung beschränkt. Denkbar ist jede Art von Befeuchtungseinrichtung, die es ermöglicht, einen Mediumstrom vor Eintritt in die Brennstoffzelle zu befeuchten, dass ein Austrocknen – insbesondere im Eintrittsbereich – der Brennstoffzelle verhindert wird.

Die Erfindung ist weiterhin nicht auf eine bestimmte Anzahl von Brennstoffzellen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, beschränkt. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem vorhanden sind, wobei diese Brennstoffzellen vorzugsweise hintereinander geschaltet sind und somit einen Brennstoffzellenstapel beziehungsweise einen Brennstoffzellenstack bilden.

Ebenso ist es die Erfindung nicht auf den Einsatz im Zusammenhang mit bestimmten Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise kann die wenigstens eine Brennstoffzelle als sogenannte PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer solchen Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Protonen leitenden Membran. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, andere Brennstoffzellentypen zu verwenden.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Fördereinrichtungs-System im Umschaltzeitpunkt sowie während eines bestimmten Umschaltzeitraums danach mit einer Umschaltlast betrieben wird. Als Umschaltzeitpunkt ist in diesem Fall der diskrete Zeitpunkt zu verstehen, zu dem der eigentliche Umschaltvorgang stattfindet. Bei dem Umschaltzeitraum handelt es sich um einen in seiner Länge je nach Anwendungsfall frei definierbaren Zeitraum, der sich an den eigentlichen Umschaltzeitpunkt anschließt. Der Umschaltzeitraum ist in der Regel so lange bemessen, bis der eigentliche Umschaltvorgang abgeschlossen ist und der Mediumstrom in der neuen Strömungsrichtung vollständig aufgebaut ist.

Vorzugsweise kann das Fördereinrichtungs-System nach dem Umschaltzeitpunkt oder nach dem Umschaltzeitraum im Normalbetrieb mit der ersten Last betrieben werden. Nachdem der Umschaltvorgang abgeschlossen worden ist (das heißt, wenn der Mediumstrom in seiner Strömungsrichtung umgekehrt und in der neuen Strömungsrichtung erneut vollständig aufgebaut worden ist), was durch den Betrieb des Fördereinrichtungs-Systems mit Umschaltlast im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung erheblich verkürzt werden konnte, wird der die Brennstoffzelle durchströmende Mediumstrom wieder in solch einer Weise eingestellt, dass eine definierte Menge an Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden kann. Aus diesem Grund ist es nicht mehr erforderlich, das Fördereinrichtungs-System mit der im Vergleich zur ersten Last erhöhten Umschaltlast zu betreiben.

Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die nach dem Umschaltvorgang eingestellte erste Last den gleichen Wert aufweist, wie diejenige Erstlast, mit der das Fördereinrichtungs-System vor dem eigentlichen Umschaltvorgang betrieben wurde. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass sich die beiden ersten Lasten in ihrem Wert voneinander unterscheiden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nur erforderlich, dass die erste Last einen geringeren Wert aufweist, als die Umschaltlast während des Umschaltvorgangs. Diese Ausgestaltung lässt jedoch auch eine Situation zu, bei der die erste Last vor und nach dem Umschaltvorgang einen anderen Wert aufweist. Sie muss in beiden Fällen nur geringer als die Umschaltlast während des Umschaltvorgangs sein. Denn selbstverständlich ist es möglich, dass die Lasten des Fördereinrichtungs-Systems, mit denen dieses betrieben wird, vor und nach dem Umschaltvorgang unterschiedlich sein können. Ebenso ist es möglich, dass die erste Last von ihrem Wert her während des Normalbetriebs des Fördereinrichtungs-Systems variiert wird.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nur eine einzige Fördereinrichtung vorgesehen ist, die in der Zuleitung oder der Ableitung des wenigstens einen Mediumstroms angeordnet ist. In diesem Fall ist die Fördereinrichtung vorzugsweise in ihrer Förderrichtung umschaltbar ausgebildet, sodass die Strömungsrichtung des Mediumstroms über die umschaltbare Fördereinrichtung zumindest zeitweilig umgekehrt werden kann. Durch die Umschaltung der Förderrichtung kann somit erreicht werden, dass der Mediumstrom entweder in die eine oder aber die andere Strömungsrichtung transportiert werden kann. Diese Fördereinrichtung kann dann vorteilhaft mit veränderlicher Last betrieben werden. Das Fördereinrichtungs-System besteht dann nur aus dieser einen Fördereinrichtung.

In anderer Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass in der Zuleitung und in der Ableitung des wenigstens einen Mediumstroms je eine Fördereinrichtung angeordnet ist. Diesbezüglich kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung in ihrer Förderrichtung umschaltbar ausgebildet sind und dass die Strömungsrichtung des Mediumstroms über die umschaltbaren Fördereinrichtungen zumindest zeitweilig umgekehrt wird. Durch die Verwendung von zwei Fördereinrichtungen kann der Umschaltvorgang, dass heißt der Zeitraum, in dem die Strömungsrichtung des Mediumstroms umgekehrt wird, weiter reduziert werden. Diese Fördereinrichtungen werden dann vorteilhaft mit veränderlicher Last betrieben. In der Zuleitung sowie in der Ableitung befindet sich dann jeweils eine Fördereinrichtungs-System mit jeweils einer Fördereinrichtung.

Bezüglich der beiden vorstehend genannten Ausgestaltungsvarianten kann vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtungen) im Normalbetrieb in einer ersten Förderrichtung mit der ersten Last betrieben wird/werden und dass bei Umkehrung der Strömungsrichtung des Mediumstroms die Förderrichtung der Fördereinrichtungen) umgekehrt und die Fördereinrichtungen) zunächst mit Umschaltlast betrieben wird/werden. Der Einsatz mehrerer Fördereinrichtungen hat den Vorteil, dass der eigentliche Umschaltvorgang schneller abgeschlossen werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass jeweils in der Zuleitung und in der Ableitung wenigstens eine Fördereinrichtung mit vorgegebener, nicht veränderlicher Förderrichtung vorgesehen ist und dass je nach Strömungsrichtung des Mediumstroms eine der Fördereinrichtungen in Betrieb ist. Diese Fördereinrichtungen werden vorteilhaft mit veränderlicher Last betrieben. In der Zuleitung sowie in der Ableitung befindet sich dann jeweils ein Fördereinrichtungs-System mit jeweils einer solchen Fördereinrichtung.

Gemäß einer anderen Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass sowohl in der Zuleitung als auch in der Ableitung jeweils zwei oder mehr Fördereinrichtungen mit vorgegebener, nicht veränderlicher Förderrichtung vorgesehen sind. Diese Fördereinrichtungen können entweder mit veränderlicher Last, oder aber auch mit nicht variabler, fest vorgegebener Last betrieben werden. In der Zuleitung sowie in der Ableitung befindet sich dann jeweils ein Fördereinrichtungs-System mit jeweils zwei oder mehr solcher Fördereinrichtungen. Während des Normalbetriebs ist beispielsweise eine der Fördereinrichtungen in der Ableitung in Betrieb, sodass ein Mediumstrom mit definierten Charakteristika durch die Brennstoffzelle hindurchgeleitet wird. In diesem Fall ist die Fördereinrichtung saugend ausgebildet. Die Betätigung nur . einer einzigen Fördereinrichtung entspricht somit dem Normalbetrieb mit der ersten Last. Wenn nun eine Umkehr der Strömungsrichtung des Mediumstroms erzeugt werden soll, bedeutet dies, dass die Fördereinrichtungen in der Zuleitung, die eine andere Fördereinrichtung als die Fördereinrichtungen in der Ableitung aufweisen, aktiviert werden müssen. Da zum Zwecke der Strömungsumkehr die Fördereinrichtungen mit Umkehrlast betrieben werden müssen, wobei die Umkehrlast abweichend von der ersten Last im Normalbetrieb (beispielsweise größer) ist, kann dies dadurch erreicht werden, dass während des Umschaltzeitraums zwei oder mehr Fördereinrichtungen in der Zuleitung aktiviert werden. Der Unterschied „erste Last" zu „Umschaltlast" besteht folglich darin, dass bei Betrieb mit „Umschaltlast" zwei oder mehr Fördereinrichtungen aktiviert sind, während beim Betrieb mit „erster Last" nur eine Fördereinrichtung – oder zumindest eine Fördereinrichtung weniger als die Anzahl der in der Leitung insgesamt befindlichen Fördereinrichtungen – in Betrieb ist. Sobald die zwei oder mehr Fördereinrichtungen in der Zuleitung aktiviert worden sind, wird die Fördereinrichtung in der Ableitung abgeschaltet. Nachdem die Strömungsrichtung des Mediumstroms umgekehrt und der Mediumstrom stabilisiert worden ist, kann eine oder mehrere der beiden Fördereinrichtungen in der Zuleitung abgeschaltet werden, sodass danach nur noch eine einzige Fördereinrichtung in der Zuleitung aktiv ist. Das System wird folglich erneut im Normalbetrieb gefahren. Die erneute Umkehr der Strömungsrichtung kann dann in analoger Weise erfolgen.

Wenn in der Zuleitung und in der Ableitung jeweils nur eine Fördereinrichtung mit vorgegebener, nicht veränderlicher Fördereinrichtung vorgesehen ist, die jedoch mit veränderlicher Last betrieben werden kann, kann im Normalbetrieb eine der Fördereinrichtungen mit der ersten Last betrieben werden, während die andere Fördereinrichtung ausgeschaltet ist. Im Umschaltzeitpunkt und/oder in einem bestimmten Zeitraum vor dem Umschaltzeitpunkt und/oder in einem bestimmten Umschaltzeitraum danach, kann dann die diejenige Fördereinrichtung, in deren Förderrichtung die Strömungsrichtung des Mediumstroms umgeschaltet werden soll, mit einer Umschaltlast betrieben werden, wobei dann danach die andere Fördereinrichtung abgeschaltet wird. Die beiden Fördereinrichtungen sind in diesem Fall vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie mit veränderlicher Last betrieben werden können.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Fördereinrichtungs-System im Umschaltzeitpunkt und/oder im Umschaltzeitraum danach und/oder in dem bestimmten Zeitraum vor dem Umschaltzeitpunkt mit höherer Last als im Normalbetrieb betrieben wird. Auf diese Weise kann der erforderliche Zeitraum, innerhalb dessen die Umkehr der Strömungsrichtung abgeschlossen werden kann, weiter reduziert werden. Im Rahmen eines nicht ausschließlichen Beispiels kann zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Fördereinrichtung während des Umschaltvorgangs mit einer Umschaltlast betrieben wird, bei der es sich beispielsweise um die Maximallast von 100% handelt. Während des Normalbetriebs kann die Fördereinrichtung dann mit der ersten Last gefahren werden, bei der es sich beispielsweise im Durchschnitt um 50% der Maximallast handelt.

In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, wobei die wenigstens eine Fördereinrichtung über die Steuereinrichtung gesteuert wird. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise über geeignete Programmmittel verfügen.

Vorzugsweise kann in der wenigstens einen Zuleitung und/oder der wenigstens einen Ableitung und/oder der wenigstens einen Brennstoffzelle wenigstens ein Sensorelement zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts und/oder der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder anderer charakteristischer Größen des Mediumstroms innerhalb des Mediumstroms angeordnet sein, wobei über das wenigstens eine Sensorelement jeweils der aktuelle Wert innerhalb des Mediumstroms gemessen wird.

Die von dem wenigstens einen Sensorelement ermittelten Messwerte können vorteilhaft zu der Steuereinrichtung übertragen werden, wobei anschließend die wenigstens eine Fördereinrichtung von der Steuereinrichtung auf der Basis der ermittelten Messwerte gesteuert wird. Da die Steuereinrichtung vorzugsweise auch mit der wenigstens einen Fördereinrichtung verbunden ist, ist es aufgrund der gemessenen, tatsächlichen Werte dann möglich, die Fördereinrichtungen) so zu betreiben, dass ein optimales Mediummanagement in der wie weiter oben beschriebenen Weise realisierbar ist. Beispielsweise kann über die Steuereinrichtung die wenigstens eine Fördereinrichtung so gesteuert werden, dass das wenigstens eine Sensorelement immer einen bestimmten, vorgegebenen Feuchtigkeitswert anzeigt.

Um den Steuerungsvorgang innerhalb der Steuereinrichtung durchführen zu können, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in dieser Referenzwerte oder Referenzkurven bezüglich der jeweils gemessenen Werte abgelegt sind. Die von dem Sensorelement erfassten und an die Steuereinrichtung übertragenen Messwerte werden mit diesen Referenzwerten beziehungsweise Referenzkurven verglichen. Sobald ein vorgegebener Schwellenwert überschritten oder unterschritten wird beziehungsweise die ermittelten Werte von der Referenzkurve abweichen, kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Fördereinrichtungen) aktiviert werden.

Mit dem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist es beispielsweise möglich, dass die Strömungsrichtung des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(en) hindurch periodisch umgekehrt wird. Dies soll anhand eines nicht ausschließlichen Beispiels erläutert werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Umkehr der Strömungsrichtung des Mediumstroms in bestimmten Zeitabständen vorgenommen wird, beispielsweise alle 25 Sekunden. Um den Umschaltvorgang möglichst rasch abzuschließen ist dann vorgesehen, dass das Fördereinrichtungs-System während des Umkehrvorgangs mit einer Umschaltlast betrieben wird. Auch der Betrieb des Fördereinrichtungs-Systems mit Umschaltlast kann über einen festgelegten Umschaltzeitraum erfolgen, beispielsweise für 1 Sekunde.

Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Umkehr der Strömungsrichtung des Mediumstroms immer symmetrisch verlaufen muss. Ebenso ist es denkbar, dass die Strömungsrichtung des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(en) hindurch aperiodisch umgekehrt wird. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann vorgesehen sein, dass der Mediumstrom für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise 20 Sekunden in eine bestimmte Strömungsrichtung gerichtet ist, und dass der Mediumstrom nach Abschluss des Umkehrvorgangs für einen kürzeren oder längeren Zeitraum, beispielsweise für 30 Sekunden, in die andere Strömungsrichtung gerichtet wird.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit einer Einrichtung zum Mediummanagement innerhalb der Brennstoffzelle(n), wobei die Brennstoffzelle(n) mit wenigstens einer Zuleitung für wenigstens einen Mediumstrom und mit wenigstens einer Ableitung für den Mediumstrom verbunden ist/sind. Das Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Mediummanagement Mittel zur Durchführung des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Diesbezüglich wird daher auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, mittels dessen das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist; und
2: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
In 1 ist zunächst ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das aus einem Brennstoffzellenstack mit einer Anzahl von Brennstoffzellen 11 besteht. Der besseren Übersicht halber ist in 1 jedoch nur eine einzige Brennstoffzelle 11 dargestellt. Die Brennstoffzelle 11 verfügt zunächst über eine Anode 12, der ein geeigneter Brennstoff, beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, zugeführt werden kann. Weiterhin verfügt die Brennstoffzelle 11 über eine Kathode 13, die mit einer Oxidationsmittelzuleitung 15 und einer Oxidationsmittelableitung 16 verbunden ist. Bei dem Oxidationsmittel kann es sich beispielsweise um Sauerstoff handeln, der der Kathode 13 über die Umgebungsluft zugeführt wird. Die Kathode 13 sowie die Anode 12 sind im vorliegenden Beispiel über eine Membran 14 voneinander getrennt. Wenn es sich bei der Membran 14 um eine Protonen leitende Membran handelt, wird die Brennstoffzelle 11 auch als sogenannte PEM-Brennstoffzelle bezeichnet.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 11 kann die Situation auftreten, dass die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 11 unterschiedlich verteilt ist. So ist es denkbar, dass die Brennstoffzelle 11 im Eintrittsbereich (das heißt im Bereich der Zuleitung 15) relativ trocken ist, während sie im Austrittsbereich (das heißt im Bereich der Ableitung 16) relativ feucht ist. Sowohl eine übermäßige Trockenheit als auch eine übermäßige Feuchte sind unerwünscht, da diese Zustände die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 11 herabsetzen und diese im schlimmsten Fall schädigen oder unbrauchbar machen.
Um diese negativen Zustände zu vermeiden und um innerhalb der Brennstoffzelle 11 eine homogene Feuchtigkeitsverteilung beziehungsweise ein homogenes Feuchtigkeitsmanagement zu gewährleisten, ist in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß 1 eine Einrichtung 20 zum Mediummanagement vorgesehen. Die Einrichtung 20 verfügt zunächst über eine als umschaltbares Gebläse ausgebildete Fördereinrichtung 21, die im vorliegenden Beispiel in der Oxidationsmittelableitung 16 angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Einrichtung 20 als Einrichtung zum Feuchtigkeitsmanagement ausgebildet.
Die Fördereinrichtung 21 kann sowohl als saugendes, als auch als drückendes Gebläse betrieben werden, was bedeutet, dass über die Fördereinrichtung 21 zwei Förderrichtungen für den Mediumstrom einstellbar sind. Dies ist durch den mit M markierten Doppelpfeil dargestellt. Zum einen kann die Fördereinrichtung 21 in einer Weise betrieben werden, dass der Mediumstrom von der Zuleitung 15 über die Kathode 13 sowie die Ableitung 16 zur Fördereinrichtung 21 hin angesaugt wird. Wenn die Fördereinrichtung 21 in die andere Förderrichtung umgestellt wird, kann der Mediumstrom über die Ableitung 16, durch die Kathode 13 hindurch und in die Zuleitung 15 gedrückt werden. Die Fördereinrichtung 21 ist so ausgebildet, dass sie mit veränderlicher Last betrieben werden kann.
Weiterhin weist die Einrichtung 20 zum Feuchtigkeitsmanagement eine Steuereinrichtung 23 auf, die über eine entsprechende Signalleitung 27 mit der Fördereinrichtung 21 verbunden ist. Darüber hinaus ist in der Ableitung 16, vorzugsweise in nächster Umgebung zum Austrittsbereich der Brennstoffzelle 11, ein Sensorelement 24 vorgesehen, über welches der aktuelle Feuchtigkeitsgehalt im Mediumstrom gemessen werden kann. Die gemessenen Werte können von dem Sensorelement 24 zur Steuereinrichtung 23 übertragen werden, wozu die beiden Elemente über eine Signalleitung 26 miteinander verbunden sind.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 10 beschrieben. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle wird die Fördereinrichtung 21 mit einer ersten Last betrieben, sodass der die Kathode 13 durchströmende Mediumstrom, der von der Fördereinrichtung 21 angesaugt wird, eine definierte Menge an Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 11 austragen kann. Dieser Feuchtigkeitsgehalt des Mediumstroms wird mittels des Sensorelements 24 gemessen. Die gemessenen Werte werden über die Signalleitung 26 an die Steuereinrichtung 23 übertragen und dort ausgewertet, beispielsweise indem sie mit entsprechenden Referenzwerten verglichen werden.
Wenn nun die gemessenen Feuchtigkeitswerte ergeben, dass ein homogenes Feuchtigkeitsmanagement innerhalb der Brennstoffzelle 11 nicht mehr vorliegt, kann es erforderlich werden, die Strömungsrichtung M des Mediumstroms zumindest zeitweilig umzukehren.
Zu diesem Zweck steuert die Steuereinrichtung 23 die Fördereinrichtung 21 über die Signalleitung 27 an. Dazu kann zunächst vorgesehen sein, dass die Förderrichtung innerhalb der Fördereinrichtung 21 umgekehrt wird, sodass der Mediumstrom nunmehr über die Ableitung 16 durch die Brennstoffzelle 12 hindurchgedrückt wird.
Um nun zu gewährleisten, dass der in neuer Strömungsrichtung entstehende Mediumstrom möglichst schnell aufgebaut wird und die gewünschten Parameter aufweist, ist nunmehr vorgesehen, dass während des Umschaltzeitraums die Fördereinrichtung 21 mit einer Umschaltlast betrieben wird. Diese Umschaltlast zeichnet sich dadurch aus, dass sie größer ist als die Last der Fördereinrichtung 21 in deren Normalbetrieb. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung 21 mit ihrer Maximallast als Umschaltlast betrieben wird, während die Last im Normalbetrieb im Durchschnitt nur 50 Prozent dieser Maximallast beträgt.
Nachdem sich der Mediumstrom in der neuen Strömungsrichtung aufgebaut hat, das heißt nach Abschluss des Umschaltzeitraums, wird die Fördereinrichtung 21 über die Steuereinrichtung 23 auf die für den Normalbetrieb erforderliche Last eingestellt.
In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dargestellt. Das in 2 dargestellte Brennstoffzellensystem entspricht in seinem Grundaufbau jedoch demjenigen aus 1, sodass diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird. Weiterhin sind baugleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen worden. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß 2 zwei Fördereinrichtungen 21, 22 vorgesehen, wobei eine Fördereinrichtung 21 in der Oxidationsmittelableitung 16 und eine Fördereinrichtung 22 in der Oxidationsmittelzuleitung 15 vorgesehen ist. Beide Fördereinrichtungen 21, 22 sind über entsprechende Signalleitungen 27, 29 mit der Steuereinrichtung 23 der Einrichtung 20 zum Feuchtigkeitsmanagement verbunden und können über diese gesteuert werden. Im Unterschied zu dem Beispiel aus 1 weisen die Fördereinrichtungen 21, 22 eine vorgegebene, nicht veränderliche Fördereinrichtung auf, können jedoch mit veränderlicher Last betrieben werden.
Sowohl im Eintrittsbereich der Brennstoffzelle 11 als auch in deren Austrittsbereich ist jeweils ein Sensorelement 24, 25 zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb des Mediumstroms vorgesehen. Beide Sensorelemente 24, 25 sind über Signalleitungen 26, 28 mit der Steuereinrichtung 23 verbunden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses Brennstoffzellensystems 10 beschrieben. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Oxidationsmittel die Zuleitung 15, die Kathode 13 sowie die Ableitung 16 in Strömungsrichtung M1 durchströmt. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Fördereinrichtung 22 ausgeschaltet ist und dass nur die Fördereinrichtung 21 – im vorliegenden Fall im Saugbetrieb – arbeitet. Dabei wird die Fördereinrichtung 21 mit der für den Normalbetrieb erforderlichen Last betrieben.
Über die Sensorelemente 24 und 25 werden die Feuchtigkeitswerte im Oxidationsmittelstrom gemessen und an die Steuereinrichtung 23 überfragen.
Wenn nun zum Zwecke eines homogenen Feuchtigkeitsmanagements innerhalb der Brennstoffzelle 11 eine Umkehr der Strömungsrichtung M1 des Oxidationsmittelstroms hin zu einer Strömungsrichtung M2 erforderlich wird, wird zunächst die Fördereinrichtung 22 mit einer Umschaltlast, bei der es sich beispielsweise um die Maximallast der Fördereinrichtung 22 handelt, aktiviert. Gleichzeitig oder kurz danach wird die Fördereinrichtung 21 abgestellt.
Durch den Betrieb der Fördereinrichtung 22 mit der Umschaltlast, die. wesentlich höher ist als diejenige Last, mit der die Fördereinrichtung 22 im Normalbetrieb gefahren wird, wird erreicht, dass sich die Strömungsrichtung M des Oxidationsmittelstrom sehr schnell ändert und ebenso sehr schnell der Oxidationsmittelstrom in der neuen Strömungsrichtung M2 aufgebaut wird.
Sobald dies geschehen ist, wird die Fördereinrichtung 22 über die Steuereinrichtung 23 auf die gewünschte Last für den Normalbetrieb eingestellt. Eine erneute Umkehr der Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstroms hin in eine Strömungsrichtung M1 erfolgt dann in analoger Weise.
Eine andere Variante dieses Ausführungsbeispiels sieht vor, dass die Fördereinrichtungen 21, 22 eine veränderliche, das heißt umkehrbare Förderrichtung aufweisen, jedoch nicht mit einer variablen Last, sondern lediglich mit einer fest vorgegebenen, unveränderlichen Last, betrieben werden können. In diesem Fall wird das Fördereinrichtungs-System durch zwei Fördereinrichtungen gebildet, die sich allerdings in unterschiedlichen Leitungen befinden, nämlich einmal in der Zuleitung und einmal in der Ableitung.
Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 kann wiederum vorgesehen sein, dass das Oxidationsmittel die Zuleitung 15, die Kathode 13 sowie die Ableitung 16 in Strömungsrichtung M1 durchströmt. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Fördereinrichtung 22 ausgeschaltet ist und dass nur die Fördereinrichtung 21 – im vorliegenden Fall im Saugbetrieb – arbeitet. Dabei wird die Fördereinrichtung 21 mit der sie charakterisierenden Last betrieben.
Über die Sensorelemente 24 und 25 werden die Feuchtigkeitswerte im Oxidationsmittelstrom gemessen und an die Steuereinrichtung 23 übertragen.
Wenn nun zum Zwecke eines homogenen Feuchtigkeitsmanagements innerhalb der Brennstoffzelle 11 eine Umkehr der Strömungsrichtung M1 des Oxidationsmittelstroms hin zu einer Strömungsrichtung M2 erforderlich wird, wird zunächst die Fördereinrichtung 22 aktiviert. Gleichzeitig wird die Förderrichtung der Fördereinrichtung 21 umgekehrt. Diese arbeitet nun im „drückenden" Betrieb, was bedeutet, dass der Mediumstrom mittels der Fördereinrichtung 21 durch die Ableitung 16 und die Brennstoffzelle 11 hindurch in die Zuleitung 15 hinein gedrückt wird. Gleichzeitig arbeitet die Fördereinrichtung 22 im „Saugbetrieb", wodurch der Mediumstrom durch die Ableitung 16 und die Brennstoffzelle 11 hindurch in die Zuleitung 15 hineingezogen wird. Beide Betriebszustände der Fördereinrichtungen 21, 22 überlagern sich, so dass in Summe eine größere Gesamtlast des Fördereinrichtungs-Systems, bestehend aus den beiden Fördereinrichtungen 21, 22, realisierbar ist.
Die Addition der beiden Betriebslasten der Fördereinrichtungen 21, 22 führt zu einer größeren Gesamtlast (der Umschaltlast), als wenn nur eine der Fördereinrichtungen aktiv ist (Last im Normalbetrieb). Auch mit Fördereinrichtungen ohne Betriebsmöglichkeit mit variabler Last ist somit eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
Durch den Betrieb der beiden Fördereinrichtungen 21, 22 in einer Weise, dass deren Förderrichtungen während des Umschaltvorgangs identisch sind, wird erreicht, dass sich die Strömungsrichtung M des Oxidationsmittelstrom sehr schnell ändert und ebenso sehr schnell der Oxidationsmittelstrom in der neuen Strömungsrichtung M2 aufgebaut wird.
Sobald dies geschehen ist, wird die Fördereinrichtung 21 abgeschaltet, so dass nur noch die Fördereinrichtung 22 aktiv ist. Das Brennstoffzellensystem 10 kann nunmehr wieder im Normalbetrieb gefahren werden. Eine erneute Umkehr der Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstroms hin in eine Strömungsrichtung M1 erfolgt dann in analoger Weise.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf einfache Weise möglich, die Strömungsrichtung eines Mediumstroms besonders schnell umzukehren, sodass es im Umschaltzeitpunkt beziehungsweise im Umschaltzeitraum nicht beziehungsweise nur sehr kurz zu einem stehenden System kommen kann, in dem keine Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 11 ausgetragen werden kann. Dadurch wird die Performance und insbesondere die Kontinuität der Brennstoffzelle 11 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems 10 weiter verbessert.

10: Brennstoffzellensystem
11: Brennstoffzelle
12: Anode
13: Kathode
14: Brennstoffzellenmembran
15: Mediumzuleitung (Oxidationsmittelzuleitung)
16: Mediumableitung (Oxidationsmittelableitung)
20: Einrichtung zum Mediummanagement (etwa Feuchtigkeitsmanagement)
21: Fördereinrichtung
22: Fördereinrichtung
23: Steuereinrichtung
24: Sensorelement
25: Sensorelement
26: Signalleitung
27: Signalleitung
28: Signalleitung
29: Signalleitung
M: Strömungsrichtung des Mediumstroms
M1: erste Strömungsrichtung des Mediumstroms
M2: zweite Strömungsrichtung des Mediumstroms

Claims

Verfahren zum Mediummanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle, wobei der wenigstens einen Brennstoffzelle (11) über wenigstens eine Zuleitung (15) wenigstens ein Mediumstrom zugeführt und über wenigstens eine Ableitung (16) der wenigstens eine Mediumstrom abgeführt wird, wobei die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle(n) (11) über den Mediumstrom beeinflusst wird und wobei die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(n) (11) hindurch zumindest zeitweilig umgekehrt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Zuleitung (15) und/oder in wenigstens einer Ableitung (16) ein Fördereinrichtungs-System mit wenigstens einer Fördereinrichtung (21, 22) vorgesehen ist, welches mit veränderlicher Last betrieben werden kann, dass das Fördereinrichtungs-System im Normalbetrieb mit einer ersten Last betrieben wird und dass zumindest in einem Umschaltzeitpunkt, in dem die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms umgekehrt wird, das Fördereinrichtungs-System mit einer Umschaltlast betrieben wird, wobei die Umschaltlast unterschiedlich im Vergleich zur Last im Normalbetrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltlast größer ist als die Last im Normalbetrieb.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zum Feuchtigkeitsmanagement und/oder zum Brennstoffmanagement und/oder zum Oxidationsmittelmanagement innerhalb wenigstens einer Brennstoffzelle eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördereinrichtungs-System im Umschaltzeitpunkt sowie während eines bestimmten Umschaltzeitraums danach mit einer Umschaltlast betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördereinrichtungs-System nach dem Umschaltzeitpunkt oder nach dem Umschaltzeitraum im Normalbetrieb mit der ersten Last betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Fördereinrichtung (21) vorgesehen ist, die in der Zuleitung (15) oder der Ableitung (16) des wenigstens einen Mediumstroms angeordnet ist, dass die Fördereinrichtung (21) in ihrer Förderrichtung umschaltbar ausgebildet ist und mit veränderlicher Last betrieben werden kann und dass die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms über die umschaltbare Fördereinrichtung (21) zumindest zeitweilig umgekehrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (15) und in der Ableitung (16) des wenigstens einen Mediumstroms je eine Fördereinrichtung (21, 22) angeordnet ist, dass die Fördereinrichtungen (21, 22) in ihrer Förderrichtung umschaltbar ausgebildet sind und mit veränderlicher Last betrieben werden können und dass die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms über die umschaltbaren Fördereinrichtungen (21, 22) zumindest zeitweilig umgekehrt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtungen) (21, 22) im Normalbetrieb in einer ersten Förderrichtung mit der ersten Last betrieben wird/werden und dass bei Umkehrung der Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms die Förderrichtung der Fördereinrichtungen) (21, 22) umgekehrt und die Fördereinrichtungen) (21, 22) zunächst mit Umschaltlast betrieben wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (15) und in der Ableitung (16) wenigstens eine Fördereinrichtung (21, 22) mit vorgegebener, nicht veränderlicher Förderrichtung vorgesehen ist und dass je nach Strömungsrichtung (M1, M2) des Mediumstroms eine der Fördereinrichtungen (21, 22) in Betrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (15) und in der Ableitung (16) jeweils eine Fördereinrichtung (21, 22) mit vorgegebener, nicht veränderlicher Förderrichtung vorgesehen ist, die mit veränderlicher Last betrieben werden kann, dass im Normalbetrieb eine der Fördereinrichtungen (21; 22) mit der ersten Last betrieben wird, während die andere Fördereinrichtung (22; 21) ausgeschaltet ist und dass im Umschaltzeitpunkt und/oder in einem bestimmten Zeitraum vor dem Umschaltzeitpunkt und/oder in einem bestimmten Umschaltzeitraum danach diejenige Fördereinrichtung (21; 22), in deren Förderrichtung die Strömungsrichtung (M1, M2) des Mediumstroms umgeschaltet werden soll, mit einer Umschaltlast betrieben wird und dass gleichzeitig oder danach die andere Fördereinrichtung (21, 22) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördereinrichtungs-System im Umschaltzeitpunkt und/oder im Umschaltzeitraum danach und/oder in dem bestimmten Zeitraum vor dem Umschaltzeitpunkt mit höherer Last als im Normalbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuereinrichtung (23) vorgesehen ist und dass die wenigstens eine Fördereinrichtung (21, 22) über die Steuereinrichtung (23) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Zuleitung (15) und/oder der wenigstens einen Ableitung (16) und/oder der wenigstens einen Brennstoffzelle (11) wenigstens ein Sensorelement (24, 25) zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts und/oder der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Mediumstroms angeordnet ist und dass über das wenigstens eine Sensorelement (24, 25) jeweils der aktuelle Wert innerhalb des Mediumstroms gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, soweit auf Anspruch 12 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem wenigstens einen Sensorelement (24, 25) ermittelten Messwerte zu der Steuereinrichtung (23) übertragen werden und dass die wenigstens eine Fördereinrichtung (21, 22) von der Steuereinrichtung (23) auf der Basis der ermittelten Messwerte gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(n) (11) hindurch periodisch umgekehrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung (M) des Mediumstroms durch die Brennstoffzelle(n) (11) hindurch aperiodisch umgekehrt wird.
Brennstoffzellensystem (10), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (11) und mit einer Einrichtung zum Mediummanagement (20) innerhalb der Brennstoffzelle(n) (11), wobei die Brennstoffzelle(n) (11) mit wenigstens einer Zuleitung (15) für wenigstens einen Mediumstrom und mit wenigstens einer Ableitung (16) für den Mediumstrom verbunden ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Mediummanagement (20) Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumstrom als Kathodengasstrom ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumstrom als Anodengasstrom ausgebildet ist.