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WO2010040513A1 - Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer brennstoffzelle und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents

Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer brennstoffzelle und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung Download PDF

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Publication number
WO2010040513A1
WO2010040513A1 PCT/EP2009/007191 EP2009007191W WO2010040513A1 WO 2010040513 A1 WO2010040513 A1 WO 2010040513A1 EP 2009007191 W EP2009007191 W EP 2009007191W WO 2010040513 A1 WO2010040513 A1 WO 2010040513A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
humidifier
line
main line
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/007191
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Hornburg
Simon Hollnaicher
Hans-Jörg Heidrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG, Ford Global Technologies LLC filed Critical Daimler AG
Publication of WO2010040513A1 publication Critical patent/WO2010040513A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell device with at least one fuel cell and method for operating a fuel cell device
  • the invention relates to a fuel cell device with at least one fuel cell and a device for supplying a reaction medium for and for discharging purge medium from the fuel cell, and a humidifier, which is connected to the device and the fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell device with at least one fuel cell.
  • a fuel cell system in which a reaction medium is supplied to a fuel cell stack, to which end a compressor is provided which is arranged upstream of the fuel cell.
  • a humidifier is disposed upstream of the fuel cell, and a bypass line is also passed around the humidifier, in which an actively electronically controlled valve is arranged.
  • DE 101 10419 A1 discloses a fuel cell system which likewise comprises a fuel cell and a humidifier. From a leading away from the fuel cell discharge line, which passes through the humidifier branches off downstream of the humidifier from a bypass, in which a check valve is arranged. This trained as a return device bypass device can either open between the humidifier and the fuel cell in a supply line for supplying reaction medium to the fuel cell or can be recycled between the humidifier and the fuel cell in the discharge line. In all embodiments, it is therefore provided that the discharged from the fuel cell medium initially passes in an unchanged manner through the humidifier and only then diverted. A specific humidification or an embodiment, to what extent and with which Moist medium flows through the humidifier, can not be done or only very inadequate.
  • the operating state-dependent humidification of supplied medium to the fuel cell is to be made more precise and needs-based.
  • a fuel cell device comprises at least one fuel cell and a device for supplying a reaction medium to the fuel cell and for discharging purge medium from the fuel cell. Furthermore, the fuel cell device comprises a humidifier, which is connected to the device and the fuel cell. By means of this humidifier, the reaction medium and / or the discharge medium is moistened.
  • the device further comprises a bypass line which branches off in the flow direction of one of the media in front of the humidifier from a main line of the device, wherein a passively operating valve in the bypass line and / or a passively operating valve in the main line is arranged.
  • the device has a bypass line or a bypass, which branches off in the flow direction of one of the media in front of the humidifier from a main line.
  • this bypass line is designed so that the medium is not recycled as in the prior art, as is done there by branching a bypass line to the humidifier from the main line, but it should be created virtually a way with which the humidifier can be bypassed, so that even in an extreme case, no medium at all through the humidifier on this associated main line to which the bypass is connected, is passed.
  • this embodiment of a bypass line and the purpose of use functionally have a very different orientation than is provided in the prior art.
  • the bypass line is arranged and configured such that medium to or from the fuel cell in front of the humidifier is at least partially branched off and is conducted past the humidifier, without it being routed through the humidifier (or subsequently). Only in this way can a moisture adjustment, in particular a moisture reduction, be achieved. In the prior art, this is not possible since it is always first passed through the humidifier, that is always moistened, and then carried out a return.
  • the fuel cell device has a fuel cell stack with a plurality of fuel cells.
  • a fuel cell is designed as a PEM (proton exchange membrane) fuel cell.
  • the fuel cell device is designed as a mobile fuel cell system, and can be arranged in particular in a vehicle, preferably a motor vehicle.
  • the required moisture content of the air supplied to the fuel cell for optimal operation of the fuel cell stack may not always be constant, but it must be variable depending on the operating condition. This can be carried out, for example, as a function of the magnitude of the current load, for example a partial load or a full load, or depending on specific further operating phases, such as, for example, a start-up or a shut-down of the fuel cell device.
  • a passively operating valve is understood to be one which is not electronically controlled, but which is controlled by the fluid flow or the medium flow itself. An opening and closing of this valve thus takes place as a function of the fluid flow, in particular the pressure of the fluid flow.
  • the passive valve is a passive check valve. This is a particularly robust embodiment, which can also be realized relatively inexpensively beyond.
  • such an embodiment allows the use in a wide variety of environmental conditions, which works just in the use of a fuel cell system in a vehicle in a variety of locations and under different environmental conditions, such as temperature and weather, reliable.
  • the passively operating system is designed so that it automatically opens at a pressure drop threshold between 10 mbar and 200 mbar, preferably between 100 mbar and 200 mbar, in particular at 150 mbar.
  • a pressure drop threshold between 10 mbar and 200 mbar, preferably between 100 mbar and 200 mbar, in particular at 150 mbar.
  • the passively operating valve is preferably arranged in the bypass line, and an actively operating valve, in particular an electronically controlled shut-off valve, is arranged in the main line.
  • an actively operating valve in particular an electronically controlled shut-off valve
  • at least one valve is thus arranged on the one hand in the bypass line, on the other hand in the main line, these valves being designed differently with regard to their functional design and their mode of operation.
  • the actively operating valve is arranged in the main line after the diversion of the bypass line from the main line and in front of the humidifier.
  • the path through the humidifier via the main line is completely shut off and thus basically no medium can pass through the humidifier at all.
  • This is particularly advantageous when a completely dry air or a completely dry medium for the fuel cell is required. Thereby, a condensation of water in the medium can be prevented, whereby even at low ambient temperatures, a freezing of such water in the fuel cell can be prevented.
  • this is particularly advantageous because then only extremely dry medium, especially extremely dry air, is passed through the fuel cell.
  • the check valve may comprise a membrane and / or a spring.
  • the fuel cell device further comprises a conveyor, by means of which the reaction medium and / or the discharge medium can be placed in a flow state.
  • this conveyor is designed as a fan or compressor, which is arranged upstream of the fuel cell.
  • a normal shut-off valve in the form of an actively operating valve in the main line from the conveyor to the humidifier can be arranged downstream of the branch of the bypass line from the main line. In particular, in a normal operation of the fuel cell device, this actively operating valve is opened, so that the reaction medium, in particular the oxidizing agent, passes through the humidifier and is thus moistened.
  • the humidity of the medium conducted through the fuel cell must be lower than in said normal operation in order to be able to prevent condensation or freezing of water in the fuel cell.
  • the actively operating valve is then completely closed.
  • the medium flow now flows completely through the bypass line with the passive valve, which opens automatically after a brief increase in pressure. As a result, very dry air flows into the Fuel cell and a condensation or freezing of water in the fuel cell is prevented.
  • the passively operating valve is arranged in the main line and the bypass line is valve-free. This means that at least no passively operating valve is arranged in the bypass line, in particular basically no valve is arranged.
  • the actively operating valve is located in the main line after the branch of the bypass line from the main line and in front of the humidifier.
  • the valve which is preferably designed as a passive check valve, may comprise a membrane and / or a spring.
  • a certain pressure drop threshold for example, from 10 mbar, preferably from 150 mbar
  • the medium supplied to the fuel cell is passed completely around the humidifier through the bypass line. This is the case in particular in the case of the named start-up scenario or in the shut-down scenario in which the fuel cell is operated with lower power and thus lower air volume.
  • a pressure loss adjusting device for example in the form of a throttle valve or a diaphragm or another valve, is arranged.
  • the main line is a feed line leading to the cathode of the fuel cell.
  • bypass line rejoins the humidifier in the main line again.
  • main line is a discharge line for discharging exhaust gas from the fuel cell.
  • the device for supplying a reaction medium for and for discharging discharge medium from the fuel cell has both a supply line and a discharge line.
  • the main line is a discharge line for discharging exhaust gas from the fuel cell
  • the corresponding arrangement of the passive-operating valve in the bypass line and / or the arrangement of an actively operating valve in the main line can be provided.
  • the bypass line is valve-free and the passively operating valve is arranged in the main line between the humidifier and the diversion of the bypass line from the main line.
  • a bypass line can thus also be arranged around the exhaust side of the humidifier.
  • the main line is the supply line for supplying a reaction medium to the fuel cell, and the bypass line branches off from this supply line
  • an advantageous valve arrangement provided in this regard, since then the valves are advantageously arranged in the dry supply air flow of the fuel cell, so that This can also at least significantly reduce corrosion of the valves or freezing of the valves.
  • a method for operating a fuel cell device having at least one fuel cell and a device with which a reaction medium is supplied to the fuel cell and a discharge medium discharged from the fuel cell and the reaction medium and / or the discharge medium is passed through a humidifier, which is connected to a main line of the device the device has a bypass line, which is branched off in the direction of flow of a medium in front of the humidifier of a main line of the device, and a passively operating valve in the bypass line and / or a passive valve in the main line is arranged, this becomes passive operating valve is open depending on exceeding a pressure drop threshold on the humidifier and / or on the valve itself.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a fuel cell device according to the invention.
  • a fuel cell device which are sufficient for explaining the invention are shown.
  • a fuel cell device also includes additional components, which are not here in the foreground and therefore also not shown or explained below.
  • a first embodiment of a fuel cell device 1 is shown, which is designed as a mobile fuel cell device and can be arranged in a vehicle.
  • the fuel cell device 1 comprises at least one fuel cell 2, which is designed as a PEM fuel cell.
  • the fuel cell device 1 has a fuel cell stack with a plurality of such fuel cells 2.
  • the fuel cell device 1 further comprises a device 3 for supplying a reaction medium, in particular an oxidizing agent, to the fuel cell 2, in particular to the cathode space.
  • a reaction medium in particular an oxidizing agent
  • the oxidizing agent is preferably oxygen or an oxygen-containing gas.
  • the device 3 comprises a line system with a main line 4, which is connected to a compressor 5.
  • the main line 4 is connected to the fuel cell 2, in particular the cathode space of the fuel cell 2.
  • the main line 4 is connected to a humidifier 6, which is for wetting the fuel cell 2 supplied media, in the embodiment of FIG. 1, in particular of the oxidizing agent is formed.
  • the main line 4 is connected to the supply air region of the humidifier 6 for supplying the oxidizing agent to the fuel cell 2.
  • the device 3 further comprises a bypass line 7, which branches off at a branch 8 from the main line 4 and opens at a junction 9 in the main line 4.
  • the branch 8 is formed between the compressor 5 and the humidifier 6, the junction 9 being formed between the humidifier 6 and the fuel cell 2.
  • the fuel cell device 1 comprises a passively operating valve, which is realized in the embodiment shown as a passive-acting check valve 10.
  • This passively operating check valve 10 is arranged in the bypass line 7.
  • the passive-acting check valve 10 preferably has a membrane and / or a spring. In addition, it is designed so that it automatically opens at a pressure drop threshold between 10 mbar and 200 mbar, preferably between 100 mbar and 200 mbar, in particular at 150 mbar.
  • the passively operating check valve 10 is thus not electronically controlled or regulated, but is quasi controlled only by the fluid flow. The opening and closing thus depends only on the fluid flow or the pressure generated by the fluid flow.
  • the main line 4 is in the embodiment shown a supply line for supplying an oxidant to the fuel cell 2, wherein the main line 4 is coupled in this embodiment with the supply air of the humidifier 6.
  • the main line 4 is connected to an actively operating valve 11, which is designed as a shut-off valve.
  • the actively operating valve 11 is arranged in the main line 4 after the branch 8 and in front of the humidifier 6.
  • the device 3 is designed such that the oxidant acted upon by the compressor 5 at a flow rate flows in the main line 4 and / or in the bypass line 7.
  • the bypass line 7 is designed so that depending on an operating state of the fuel cell device 1 at least a certain proportion of this oxidant is passed through the bypass line 7 to the humidifier 6 around, in this regard, the valves 10 and 11 are set accordingly.
  • the passive check valve 10 automatically opens so that oxidant is passed around the humidifier 6 through the bypass line 7.
  • the humidity of the media supplied to the fuel cell 2 must be less than be in a normal operation to prevent condensation or freezing of water in the fuel cell 2 can.
  • the actively operating valve 11 is closed according driven. The oxidant now flows exclusively and completely through the bypass line 7 and thus around the humidifier 6 and is again introduced at the junction 9 into the main line 4 in front of the fuel cell 2.
  • the device 3 may also have a discharge line for discharging a medium discharged from the fuel cell 2, in particular exhaust gas. This discharge line is then preferably also from the fuel cell 2 coming through the humidifier 6, in particular its exhaust side out.
  • a further embodiment is shown in which, in contrast to the embodiment in Fig. 1, the bypass line 7 is formed completely valve-free. This means that no valve, in particular no passively operating valve 10, is arranged in the bypass line 7.
  • a passively operating valve 10 is arranged in the main line 4.
  • this passively operating valve 10 in the Main line 4 which in the embodiment shown is also the supply line for supplying an oxidant to the fuel cell 2, is arranged between the branch 8 and the humidifier 6.
  • a device for adjusting a pressure loss at the humidifier 6 is provided in the bypass line 7.
  • This device may include a throttle or orifice or another valve.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell device 1.
  • the fuel cell device 1 comprises at least one fuel cell 2, the compressor 5, a supply line 4 for supplying oxidant from the compressor 5 via the humidifier 6 to the cathode compartment of the fuel cell 2.
  • this supply line 4 of the device 3 is assigned.
  • the device 3 comprises a discharge line designed as a main line 12 for discharging the exhaust gas flowing out of the fuel cell 2. From this main line or discharge line 12 branches off a bypass line 13 at the junction 14 in front of the humidifier 6 and flows into this discharge line 12 at the junction 15 after the humidifier 6 again.
  • the exhaust gas emerging from the fuel cell 2 is thus routed to the humidifier 6 via the discharge line 12 through the humidifier 6 or at least partially via the bypass line 13 as required.
  • a passively operating valve which is designed as a passively functioning check valve 10
  • an actively operating valve 11 which is designed as a shut-off valve and is electronically controlled, is arranged in the discharge line 12 after the branch 14 in front of the humidifier 6.
  • the amounts of gas flowing through the humidifier 6 and through the bypass or the bypass line 7 to bypass the humidifier 6 depend on the respective pressure losses of the humidifier 6 and the bypass line 7. Below a pressure drop threshold, ie at relatively low flow velocities of the medium in the lines 4 and 12, the exhaust gas exiting from the fuel cell 2 is passed completely around the humidifier 6 through the bypass line 7. This is in particular in the case of the so-called start-up and the shut-down of the fuel cell device 1, the case in which the fuel cell 2 is operated with lower power and thus lower air volume.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a fuel cell device 1, in which, in contrast to the embodiment in FIG. 3, the passive check valve 10 is arranged in the discharge line 12 and, in particular, between the branch 14 and the humidifier 6.
  • the bypass line 13 is valve-free.
  • a pressure loss adjusting device for example in the form of a throttle valve or an orifice or another valve, is formed in the bypass line 7.
  • At least one passively operating valve 10 is thus used, which is arranged instead of control valves used in the known fuel cell systems in the bypass line 7 or 13 or in a supply line 4 or in a discharge line 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle (2), und einem Befeuchter (6), welcher mit der Vorrichtung (3) und der Brennstoffzelle (2) verbunden ist, wobei die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter (6) von einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abzweigt, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgebungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung.

Description

Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle, sowie einem Befeuchter, welcher mit der Vorrichtung und der Brennstoffzelle verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle.
Aus der US 6,884,534 B2 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem einem Brennstoffzellenstapel ein Reaktionsmedium zugeführt wird, wobei dazu ein Kompressor vorgesehen ist, welcher stromauf der Brennstoffzelle angeordnet ist. Darüber hinaus ist ein Befeuchter stromauf der Brennstoffzelle angeordnet, wobei auch eine Umgehungsleitung um den Befeuchter herum geführt ist, in welcher ein aktiv elektronisch gesteuertes Ventil angeordnet ist.
Darüber hinaus ist aus der DE 101 10419 A1 ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches ebenfalls eine Brennstoffzelle sowie einen Befeuchter umfasst. Von einer von der Brennstoffzelle wegführenden Abführleitung, welche durch den Befeuchter verläuft, zweigt stromabwärts des Befeuchters ein Bypass ab, in welchem ein Rückschlagventil angeordnet ist. Diese als Rückführeinrichtung ausgebildete Bypass Vorrichtung kann entweder zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle in eine Zuführleitung zum Zuführen von Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle einmünden oder kann zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle in die Abführleitung rückgeführt werden. In allen Ausführungen ist daher vorgesehen, dass das von der Brennstoffzelle abgeführte Medium zunächst in unveränderter Weise durch den Befeuchter gelangt und erst danach abgezweigt wird. Eine spezifische Befeuchtung bzw. eine Ausgestaltung, in welchem Maß und mit welcher Feuchte Medium durch den Befeuchter strömt, kann dadurch nicht oder nur sehr unzureichend erfolgen.
Darüber hinaus sind aktiv gesteuerte Ventile, wie sie aus dem erstgenannten Stand der Technik bekannt sind, sehr aufwendig und fehleranfällig und es werden aufwendige Regelkreise benötigt. Daher ist auch die Ausfallwahrscheinlichkeit sehr hoch und die Funktionsfähigkeit eingeschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, bei der bzw. bei dem die Funktionsweise zur Steuerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle robuster und mit geringerem Aufwand ausgebildet ist. Darüber hinaus soll die betriebszustandsabhängige Befeuchtung von zugeführtem Medium zur Brennstoffzelle präziser und bedarfsgerechter ermöglicht werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 15 aufweist, gelöst.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung einen Befeuchter, welcher mit der Vorrichtung und der Brennstoffzelle verbunden ist. Mittels dieses Befeuchters wird das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium befeuchtet. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Umgehungsleitung, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung der Vorrichtung abzweigt, wobei ein passiv arbeitendes Ventil in der Umgehungsleitung und/oder ein passiv arbeitendes Ventil in der Hauptleitung angeordnet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung einer Brennstoffzelleneinrichtung kann eine bedarfsgerechtere Einstellung des Feuchtegrads eines der Medien, insbesondere des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsmediums, erreicht werden. Darüber hinaus ist es nicht mehr erforderlich, aufwendig zu steuernde aktive Ventile zu verwenden, wodurch auch die Robustheit des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf die korrekte Einstellung des Feuchtegrads verbessert werden kann. Diesbezüglich können somit die Fehleranfälligkeit bei der Feuchteeinstellung und die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden. Diesbezüglich weist darüber hinaus die Vorrichtung eine Umgehungsleitung oder einen Bypass auf, welcher in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung abzweigt. Diesbezüglich ist somit diese Umgehungsleitung so konzipiert, dass das Medium nicht wie aus dem bekannten Stand der Technik rückgeführt wird, wie es dort durch Abzweigung einer Bypassleitung nach dem Befeuchter von der Hauptleitung erfolgt, sondern es soll quasi eine Möglichkeit geschaffen werden, mit der der Befeuchter umgangen werden kann, so dass sogar in einem Extremfall gar kein Medium mehr durch den Befeuchter über diese zugeordnete Hauptleitung, mit der die Umgehungsleitung verbunden ist, geleitet wird. Prinzipiell haben somit diese Ausgestaltung einer Umgehungsleitung und der Verwendungszweck funktionell eine ganz andere Ausrichtung, als dies im Stand der Technik vorgesehen ist.
Die Umgehungsleitung ist so angeordnet und ausgebildet, dass Medium zur oder von der Brennstoffzelle vor dem Befeuchter zumindest anteilig abgezweigt wird und am Befeuchter vorbeigeleitet wird, ohne dass es vorher (oder nachher) durch den Befeuchter geleitet ist. Nur dadurch kann eine Feuchteeinstellung, insbesondere eine Feuchtereduzierung, erreicht werden. Im Stand der Technik ist dies nicht möglich, da immer zuerst durch den Befeuchter geleitet wird, also immer befeuchtet wird, und dann eine Rückführung erfolgt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist. Vorzugsweise ist eine Brennstoffzelle als PEM (proton exchange membrane) - Brennstoffzelle konzipiert. Insbesondere ist die Brennstoffzelleneinrichtung als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet, und kann insbesondere in einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Kraftfahrzeug, angeordnet sein.
Gerade zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es erforderlich, die der Brennstoffzelle zugeführte Luft bzw. das Oxidationsmittel durch einen Befeuchter zu befeuchten. Allerdings darf der erforderliche Feuchtegehalt der der Brennstoffzelle zugeführten Luft für eine optimale Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels nicht immer konstant sein, sondern er muss in Abhängigkeit des Betriebszustandes veränderlich sein. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit der Höhe der Stromlast, beispielsweise einer Teillast oder einer Volllast, oder in Abhängigkeit von spezifischen weiteren Betriebsphasen, wie beispielsweise einem Start-up oder einem Shut-down, der Brennstoffzelleneinrichtung durchgeführt werden.
Gerade durch diese spezifische Ausgestaltung und Anordnung der Umgehungsleitung sowie insbesondere durch die Verwendung von zumindest einem passiv arbeitenden Ventil kann gerade diesem Erfordernis in besonders zuverlässiger und dennoch aufwandsarmer Weise Genüge getan werden.
Unter einem passiv arbeitenden Ventil wird ein derartiges verstanden, welches nicht elektronisch gesteuert wird, sondern welches durch die Fluidströmung bzw. die Mediumströmung selbst gesteuert wird. Ein öffnen und Schließen dieses Ventils erfolgt somit in Abhängigkeit von der Fluidströmung, insbesondere dem Druck der Fluidströmung.
Insbesondere ist das passiv arbeitende Ventil ein passiv arbeitendes Rückschlagventil. Dies ist eine besonders robuste Ausgestaltung, welche darüber hinaus auch relativ kostengünstig realisiert werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht eine derartige Ausgestaltung die Verwendung bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen, was gerade bei dem Einsatz eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug an unterschiedlichsten Orten und unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Witterung, zuverlässig funktioniert.
Vorzugsweise ist das passiv arbeitende System so ausgebildet, dass es bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, vorzugsweise zwischen 100 mbar und 200 mbar, insbesondere bei 150 mbar, automatisch öffnet. Gerade bei derartigen Drücken ist es bei der Verwendung von einer Brennstoffzelleneinrichtung in einem Fahrzeug besonders vorteilhaft, die betriebsphasenspezifische Einstellung eines Feuchtegehalts in Kombination mit der Umgehungsleitung und der Anordnung des passiv arbeitenden Ventils in der Umgehungsleitung und/oder der Hauptleitung präzise ermöglichen zu können.
Vorzugsweise ist in der Umgehungsleitung das passiv arbeitende Ventil angeordnet und in der Hauptleitung ist ein aktiv arbeitendes Ventil, insbesondere ein elektronisch gesteuertes Absperrventil, angeordnet. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist somit einerseits in der Umgehungsleitung, andererseits in der Hauptleitung jeweils zumindest ein Ventil angeordnet, wobei diese Ventile im Hinblick auf ihre funktionelle Ausgestaltung und ihre Arbeitsweise unterschiedlich ausgelegt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das aktiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung nach der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung und vor dem Befeuchter angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann in spezifischen Betriebsphasen erreicht werden, dass der Weg durch den Befeuchter über die Hauptleitung vollständig abgesperrt ist und somit grundsätzlich überhaupt kein Medium mehr durch den Befeuchter gelangen kann. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine völlig trockene Luft bzw. ein völlig trockenes Medium für die Brennstoffzelle erforderlich ist. Dadurch kann ein Auskondensieren von Wasser in dem Medium verhindert werden, wodurch auch bei tiefen Umgebungstemperaturen ein Einfrieren von derartigem Wasser in der Brennstoffzelle verhindert werden kann. Gerade bei dem Start-up-Szenario oder dem Shut-down-Szenario der Brennstoffzelleneinrichtung ist dies besonders vorteilhaft, da dann nur noch äußerst trockenes Medium, insbesondere äußerst trockene Luft, durch die Brennstoffzelle geleitet wird.
Das Rückschlagventil kann eine Membran und/oder eine Feder aufweisen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung darüber hinaus noch eine Fördereinrichtung aufweist, mittels welcher das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium in einen Strömungszustand versetzt werden kann. Vorzugsweise ist diese Fördereinrichtung als Gebläse oder Kompressor ausgebildet, welcher stromauf der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Mit zunehmendem Mediumstrom, insbesondere zunehmendem Gasstrom, von dieser Fördereinrichtung steigt der Druckverlust über den Befeuchter an. Ab einer bestimmten Druckverlustschwelle, die beispielsweise bei 150 mbar liegen kann, öffnet das passiv arbeitende Ventil automatisch, so dass Gas um den Befeuchter herum durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung geleitet wird. Zusätzlich kann ein normales Absperrventil in Form eines aktiv arbeitenden Ventils in der Hauptleitung von der Fördereinrichtung zum Befeuchter stromabwärts der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung angeordnet sein. Insbesondere ist in einem Normalbetrieb der Brennstoffzelleneinrichtung dieses aktiv arbeitende Ventil geöffnet, so dass das Reaktionsmedium, insbesondere das Oxidationsmittel, durch den Befeuchter gelangt und somit befeuchtet wird. Gerade in den bereits genannten spezifischen Betriebsphasen des Start-ups und des Shut-downs muss die Feuchte des durch die Brennstoffzelle geleiteten Mediums geringer sein als in diesem genannten Normalbetrieb, um ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffzelle verhindern zu können. Vorzugsweise wird gerade in diesen Fällen das aktiv arbeitende Ventil dann vollständig geschlossen. Die Mediumströmung strömt nun vollständig durch die Umgehungsleitung mit dem passiv arbeitenden Ventil, das nach kurzem Druckanstieg automatisch öffnet. Dadurch strömt sehr trockene Luft in die Brennstoffeelle und ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffeelle wird verhindert.
In einer weiteren Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass das passiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung angeordnet ist und die Umgehungsleitung ventilfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass in der Umgehungsleitung zumindest kein passiv arbeitendes Ventil angeordnet ist, insbesondere grundsätzlich kein Ventil angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das aktiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung nach der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung und vor dem Befeuchter angeordnet.
Auch bei dieser Ausgestaltung kann das vorzugsweise als passiv arbeitendes Rückschlagventil ausgebildete Ventil eine Membran und/oder eine Feder umfassen. Auch hier ist vorgesehen, dass ab einer bestimmten Druckverlustschwelle (beispielsweise ab 10 mbar, vorzugsweise ab 150 mbar) dieses Rückschlagventil automatisch öffnet, so dass Gas durch den Befeuchter geleitet wird. Die Gasmengen, die durch den Befeuchter und durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung strömen, hängen dabei von den jeweiligen Druckverlusten des Befeuchters und der Umgehungsleitung ab. Unterhalb der genannten Druckverlustschwelle, d.h. bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten, wird das der Brennstoffzelle zugeführte Medium vollständig um den Befeuchter herum durch die Umgehungsleitung geleitet. Dies ist insbesondere der Fall bei dem genannten Start-up-Szenario oder bei dem Shut-down-Szenario, bei dem die Brennstoffzelle mit geringerer Leistung und damit geringerer Luftmenge betrieben wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zusätzlich in der Umgehungsleitung eine Druckverlusteinstelleinrichtung, beispielsweise in Form einer Drosselklappe oder einer Blende oder eines weiteren Ventils, angeordnet ist. Dadurch können die jeweiligen Luftstrommengen durch die Umgehungsleitung und durch den Befeuchter den gegebenen Druckverlusten des Befeuchters besser angepasst werden.
Vorzugsweise ist bei diesen genannten Ausführungen die Hauptleitung eine zur Kathode der Brennstoffzelle führende Zuführleitung.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Umgehungsleitung nach dem Befeuchter in die Hauptleitung wieder einmündet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Hauptleitung eine Abführleitung zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle sowohl eine Zuführleitung als auch eine Abführleitung aufweist.
Auch dann, wenn die Hauptleitung eine Abführleitung zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle ist, kann die entsprechende Anordnung des passiv arbeitenden Ventils in der Umgehungsleitung und/oder die Anordnung eines aktiv arbeitenden Ventils in der Hauptleitung vorgesehen sein. Ebenso kann auch hier eine Ausgestaltung vorgesehen sein, bei der die Umgehungsleitung ventilfrei ausgebildet ist und das passiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung zwischen dem Befeuchter und der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung angeordnet ist.
Alternativ zu den Ausführungen, bei denen die Hauptleitung die Zuluftleitung darstellt, kann somit auch eine Umgehungsleitung um die Abluftseite des Befeuchters herum angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist bei den Ausführungen, bei denen die Hauptleitung die Zuführleitung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle ist, und die Umgehungsleitung von dieser Zuführleitung abzweigt, eine vorteilhafte Ventilanordnung diesbezüglich vorgesehen, da dann die Ventile vorteilhaft im trockenen Zuluftstrom der Brennstoffzelle angeordnet sind, so dass auch dadurch eine Korrosion der Ventile oder ein Einfrieren der Ventile zumindest deutlich reduziert werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung, mit welcher ein Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle zugeführt und ein Abführmedium von der Brennstoffzelle abgeführt und das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium durch einen Befeuchter geführt wird, welcher mit einer Hauptleitung der Vorrichtung verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine Umgehungsleitung aufweist, welche in Strömungsrichtung eines Mediums vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung der Vorrichtung abgezweigt wird, und ein passiv arbeitendes Ventil in der Umgehungsleitung und/oder ein passiv arbeitendes Ventil in der Hauptleitung angeordnet wird, wird dieses passiv arbeitende Ventil abhängig von einem Übersteigen einer Druckverlustschwelle am Befeuchter und/oder am Ventil selbst geöffnet. Durch diese Vorgehensweise kann eine wesentlich bedarfsgerechtere und präzisere Einstellung des Feuchtegrads der durch die Brennstoffzelle geleiteten Medien erreicht werden, wobei dies durch wesentlich robustere, weniger aufwendige Komponenten, insbesondere durch das passiv arbeitende Ventil, gewährleistet werden kann.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung sind als vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung; und
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den nachfolgenden Figuren sind lediglich die für die Erläuterung der Erfindung ausreichenden Komponenten einer Brennstoffzelleneinrichtung gezeigt. Selbstverständlich umfasst eine Brennstoffzelleneinrichtung auch darüber hinausgehende Komponenten, welche hier jedoch nicht im Vordergrund stehen und daher im Weiteren auch nicht gezeigt oder erläutert sind.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, welche als mobile Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist und in einem Fahrzeug angeordnet sein kann. Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 1 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen 2 aufweist.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Vorrichtung 3 zum Zuführen eines Reaktionsmediums, insbesondere eines Oxidationsmittels, zur Brennstoffzelle 2, insbesondere zu dem Kathodenraum. Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas.
Die Vorrichtung 3 umfasst ein Leitungssystem mit einer Hauptleitung 4, welche mit einem Kompressor 5 verbunden ist. Darüber hinaus ist die Hauptleitung 4 mit der Brennstoffzelle 2, insbesondere dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2, verbunden. Des Weiteren ist die Hauptleitung 4 mit einem Befeuchter 6 verbunden, welcher zum Befeuchten der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Medien, im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 insbesondere des Oxidationsmittels, ausgebildet ist. Diesbezüglich ist bei der Ausführung gemäß Fig. 1 die Hauptleitung 4 mit dem Zuluftbereich des Befeuchters 6 zur Zuführung des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2 verbunden.
Die Vorrichtung 3 umfasst darüber hinaus eine Umgehungsleitung 7, welche an einer Abzweigung 8 von der Hauptleitung 4 abzweigt und an einer Einmündung 9 in die Hauptleitung 4 einmündet. Die Abzweigung 8 ist zwischen dem Kompressor 5 und dem Befeuchter 6 ausgebildet, wobei die Einmündung 9 zwischen dem Befeuchter 6 und der Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 ein passiv arbeitendes Ventil, welches in der gezeigten Ausführung als passiv arbeitendes Rückschlagventil 10 realisiert ist. Dieses passiv arbeitende Rückschlagventil 10 ist in der Umgehungsleitung 7 angeordnet. Das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 weist vorzugsweise eine Membran und/oder eine Feder auf. Darüber hinaus ist es so ausgestaltet, dass es bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, vorzugsweise zwischen 100 mbar und 200 mbar, insbesondere bei 150 mbar, automatisch öffnet. Das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 wird somit nicht elektronisch gesteuert oder geregelt, sondern wird lediglich durch die Fluidströmung quasi gesteuert. Das öffnen und Schließen hängt somit lediglich von der Fluidströmung bzw. dem durch die Fluidströmung erzeugten Druck ab.
Die Hauptleitung 4 ist in der gezeigten Ausführung eine Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2, wobei die Hauptleitung 4 in dieser Ausführung mit dem Zuluftbereich des Befeuchters 6 gekoppelt ist. Darüber hinaus ist die Hauptleitung 4 mit einem aktiv arbeitenden Ventil 11 verbunden, welches als Absperrventil ausgebildet ist. Das aktiv arbeitende Ventil 11 ist in der Hauptleitung 4 nach der Abzweigung 8 und vor dem Befeuchter 6 angeordnet.
Die Vorrichtung 3 ist so ausgebildet, dass das von dem Kompressor 5 mit einer Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagte Oxidationsmittel in der Hauptleitung 4 und/oder in der Umgehungsleitung 7 strömt. Dazu ist die Umgehungsleitung 7 so ausgeführt, dass abhängig von einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinrichtung 1 zumindest ein gewisser Anteil dieses Oxidationsmittels über die Umgehungsleitung 7 um den Befeuchter 6 herum geleitet wird, wobei diesbezüglich die Ventile 10 und 11 entsprechend eingestellt werden.
Bei der oben genannten Druckverlustschwelle öffnet das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 automatisch, so dass Oxidationsmittel um den Befeuchter 6 herum durch die Umgehungsleitung 7 geleitet wird. Insbesondere in Betriebsphasen, bei denen die Brennstoffzelleneinrichtung 1 hochgefahren wird (Start-up-Phase), oder in einer Phase, in der die Brennstoffzelleneinrichtung 1 heruntergefahren wird (Shut-down-Phase), muss die Feuchte der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Medien geringer als in einem Normalbetrieb sein, um ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffzelle 2 verhindern zu können. In diesen Fällen wird das aktiv arbeitende Ventil 11 entsprechend angesteuert geschlossen. Das Oxidationsmittel strömt nun ausschließlich und vollständig durch die Umgehungsleitung 7 und somit um den Befeuchter 6 herum und wird an der Einmündung 9 wieder in die Hauptleitung 4 vor der Brennstoffzelle 2 eingeleitet.
Zusätzlich zu der in Fig. 1 gezeigten Hauptleitung 4, welche dort als Zuführleitung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist, kann die Vorrichtung 3 auch eine Abführleitung zum Abführen eines von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Mediums, insbesondere Abgas, aufweisen. Diese Abführleitung ist dann vorzugsweise auch von der Brennstoffzelle 2 kommend durch den Befeuchter 6, insbesondere dessen Abluftseite, geführt.
In Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausgestaltung in Fig. 1 die Umgehungsleitung 7 vollständig ventilfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass in der Umgehungsleitung 7 kein Ventil, insbesondere kein passiv arbeitendes Ventil 10, angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung in Fig. 2 ist demgegenüber vorgesehen, dass ein passiv arbeitendes Ventil 10 in der Hauptleitung 4 angeordnet ist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass dieses passiv arbeitende Ventil 10 in der Hauptleitung 4, welche in der gezeigten Ausführung ebenfalls die Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2 ist, zwischen der Abzweigung 8 und dem Befeuchter 6 angeordnet ist.
Bei beiden Ausführungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 kann zusätzlich vorgesehen sein, dass in der Umgehungsleitung 7 eine Einrichtung zum Einstellen eines Druckverlusts am Befeuchter 6 vorgesehen ist. Diese Einrichtung kann eine Drosselklappe oder eine Blende oder ein weiteres Ventil umfassen. Durch diese zusätzliche Einrichtung können die jeweiligen Luftstrommengen durch die Umgehungsleitung 7 und den Befeuchter 6 den gegebenen Druckverlusten des Befeuchters 6 besser angepasst werden.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt. Auch hier umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2, den Kompressor 5, eine Zuführleitung 4 zum Zuführen von Oxidationsmittel von dem Kompressor 5 über den Befeuchter 6 zum Kathodenraum der Brennstoffzelle 2. Insbesondere ist diese Zuführleitung 4 der Vorrichtung 3 zugeordnet. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 3 eine als Hauptleitung 12 ausgebildete Abführleitung zum Abführen des von der Brennstoffzelle 2 ausströmenden Abgases. Von dieser Hauptleitung bzw. Abführleitung 12 zweigt eine Umgehungsleitung 13 an der Abzweigung 14 vor dem Befeuchter 6 ab und mündet in diese Abführleitung 12 an der Einmündung 15 nach dem Befeuchter 6 wieder ein. Das von der Brennstoffzelle 2 austretende Abgas wird somit bedarfsabhängig über die Abführleitung 12 durch den Befeuchter 6 oder zumindest anteilig über die Umgehungsleitung 13 um den Befeuchter 6 herum geleitet. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein passiv arbeitendes Ventil, welches als passiv arbeitendes Rückschlagventil 10 ausgebildet ist, in der Umgehungsleitung 13 angeordnet. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein aktiv arbeitendes Ventil 11 , welches als Absperrventil ausgebildet ist und elektronisch angesteuert wird, in der Abführleitung 12 nach der Abzweigung 14 vor dem Befeuchter 6 angeordnet ist. Im Hinblick auf die Ausgestaltung der Ventile 10 und 11 sei auf die Ausführungen zu Fig. 1 und Fig. 2 verwiesen, da diesbezüglich eine analoge Ausgestaltung insbesondere vorgesehen ist.
Die Gasmengen, die durch den Befeuchter 6 und durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung 7 zum Umgehen des Befeuchters 6 strömen, hängen dabei von den jeweiligen Druckverlusten des Befeuchters 6 und der Umgehungsleitung 7 ab. Unterhalb einer Druckverlustschwelle, d.h. bei relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums in den Leitungen 4 und 12, wird das von der Brennstoffzelle 2 austretende Abgas vollständig um den Befeuchter 6 herum durch die Umgehungsleitung 7 geleitet. Dies ist insbesondere im Fall des so genannten Start-ups und des Shut-downs der Brennstoffzelleneinrichtung 1 der Fall, bei dem die Brennstoffzelle 2 mit geringerer Leistung und damit geringerer Luftmenge betrieben wird.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, bei welcher im Unterschied zur Ausgestaltung in Fig. 3 vorgesehen ist, dass das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 in der Abführleitung 12 und dort insbesondere zwischen der Abzweigung 14 und dem Befeuchter 6 angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Umgehungsleitung 13 ventilfrei ausgebildet.
Bei den Ausführungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 kann darüber hinaus ähnlich wie bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 und 2 vorgesehen sein, dass in der Umgehungsleitung 7 eine Druckverlusteinstelleinrichtung beispielsweise in Form einer Drosselklappe oder einer Blende oder eines weiteren Ventils ausgebildet ist.
Bei allen Ausführungen wird somit zumindest ein passiv arbeitendes Ventil 10 eingesetzt, welches anstelle von bei den bekannten Brennstoffzellsystemen eingesetzten Regelventilen in der Umgehungsleitung 7 bzw. 13 oder in einer Zuführleitung 4 oder in einer Abführleitung 12 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelleneinrichtung
2 Brennstoffzelle
3 Vorrichtung
4 Hauptleitung
5 Kompressor
6 Befeuchter
7 Umgehungsleitung
8 Abzweigung g Einmündung
10 passiv arbeitendes Rückschlagventil
11 aktiv arbeitendes Ventil
12 Hauptleitung
13 Umgehungsleitung
14 Abzweigung
15 Einmündung

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle (2), und einem Befeuchter (6), welcher mit der Vorrichtung (3) und der Brennstoffzelle (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter (6) von einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abzweigt, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgehungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist.
2. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil ein Rückschlagventil (10) ist.
3. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, bevorzugt zwischen 100 mbar und 200 mbar, besonders bevorzugt bei 150 mbar, automatisch öffnet.
4. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (7, 13) das passiv arbeitende Ventil (10) angeordnet ist und in der Hauptleitung (4, 12) ein aktiv arbeitendes Ventil (11), insbesondere ein e- lektronisch gesteuertes Absperrventil, angeordnet ist.
5. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv arbeitende Ventil (11) in der Hauptleitung nach der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) und vor dem Befeuchter (6) angeordnet ist.
6. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist und die Umgehungsleitung (7, 13) ventilfrei ausgebildet ist.
7. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) nach der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) und vor dem Befeuchter (6) angeordnet ist.
8. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (7, 13) nach dem Befeuchter (6) in die Hauptleitung (4, 12) mündet.
9. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung eine Zuführleitung (4) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle (2) ist.
10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (4, 12) eine Abführleitung (12) zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle (2) ist.
11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (7, 13) eine Einrichtung zum Einstellen eines Druckverlusts am Befeuchter (6) angeordnet ist.
12. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Drosselklappe oder eine Blende oder ein weiteres Ventil um- fasst.
13. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (4, 12) mit dem Kathodenraum der Brennstoffzelle (2) verbunden ist.
14. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinheit, insbesondere ein Kompressor (5), stromauf der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) mit der Hauptleitung (4, 12) verbunden ist.
15. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3), mit welcher ein Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle (2) zugeführt und ein Abführmedium von der Brennstoffzelle (2) abgeführt und das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium durch einen Befeuchter (6) geführt wird, welcher mit einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) verbunden ist, wobei die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung von einem der Medien vor dem Befeuchter (6) von der Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abgezweigt wird, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgehungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet wird, welches abhängig von einem Ll- bersteigen einer Druckverlustschwelle geöffnet wird.
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