Beschreibung Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und zu- gehörige Brennstoffzellenanlage Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, die mit einem Brenngas und ei- nem Oxidans arbeitet, wobei für einen schnellen Lastwechsel eine ausreichende Versorgung mit Oxidans erforderlich ist das die zugeführte Oxidans befeuchtet werden muss. Daneben be- zieht sich die Erfindung auf eine zugehörige Brennstoffzel- lenanlage, mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, denen als Prozessgase ein Brenngas einerseits und Luft als Oxidans andererseits zugeführt werden, mit Mitteln zur Versorgung und zur Befeuchtung der zugeführten Luft, die einen Verdichter zum Verdichten der Luft und eine Steuereinrichtung zur Füh- rung des Brennstoffzellen-Betriebsprozesses umfassen.

Speziell mit Wasserstoff und Luft betriebene sog. Luft-PEM- Brennstoffzellenanlagen sind vom Stand der Technik mit ihrem Verfahrensschema und der zugehörigen Funktionsweise hinrei- chend vorbekannt : Von einer Vielzahl aufeinandergestapelter Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und in der Fachterminologie als Brennstoffzellenstack oder auch kurz"Stack"bezeichnet werden, ist jeweils ein Brennstoff- zellenmodul als Kernstück der Anlage gebildet. Mehrere Brenn- stoffzellenmodule können elektrisch zusammengeschaltet wer- den.

Entsprechendes gilt für mit unterschiedlichen Brenngasen bei hohen Temperaturen betriebene SOFC-Brennstoffzellen. In bei- den Fällen wird als Oxidans vorteilhafterweise Luftsauerstoff verwendet, weshalb für den Brennstoffzellenbetrieb eine hin- reichende Menge an Luftsauerstoff bereitgestellt werden muss.

Dafür kann üblicherweise die Umgebungsluft technisch verdich- tet werden, wozu geeignete Verdichter bekannt sind.

Insbesondere bei den mit Luft betriebenen PEM-Brennstoff- zellenmodulen ist für einen stabilen und gegen schnelle Last- wechsel unempfindlichen Arbeitsbetrieb eine ausreichende Luftversorgung erforderlich. Die Versorgung mit Luft soll auch gleichermaßen eine ausreichende Befeuchtung der Luft si- cherstellen, wobei der Taupunkt der Luft etwa der Kühlwasser- austrittstemperatur oder einem höheren Wert bei den jeweili- gen Drücken und Temperaturen des Brennstoffzellenstacks ent- spricht. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Kühlung des Brennstoffzellenstacks nicht optimal ist.

Wird eine Brennstoffzellenanlage von einem Verdichter mit Luft versorgt, der keine ausreichende Befeuchtung der Luft bei den an sich gewünschten niedrigen Drücken, beispielsweise 1,5 bar (absolut) am Stackausgang, liefern kann, sind ent- sprechende Maßnahmen zu ergreifen. Eine technische Problemlö- sung besteht darin, dass der Eingangsdruck am Stack erhöht wird. Dadurch wird die Befeuchtung der Luft aufgrund der Ver- schiebung der Wasserdampfpartialdruckkurve einfacher, d. h. weniger energieaufwendig. In vielen Fällen wird die Befeuch- tung auch überhaupt dadurch erst erreichbar. Die Erhöhung des Stackeingangsdruckes allein durch eine Erhöhung der Verdich- terleistung ist aber, insbesondere wegen einer zu geringen Dynamik bei der Nachführung der für schnelle Lastwechsel er- forderlichen Verdichterleistung, nur im begrenzten Maße mög- lich und in vielen Fällen unwirtschaftlich.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, geeignete Maß- nahmen zur Befeuchtung der Betriebsluft von Brennstoffzellen- anlagen vorzuschlagen sowie eine dafür geeignete Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 8 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängi- gen Ansprüche.

Das beschriebene Verfahren ist insbesondere zur Anwendung bei PEM-Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff als Brenngas und Luft als Oxidans arbeiten, geeignet. Aber auch für Hochtempe- ratur-Brennstoffzellen mit festkeramischem Elektrolyten (SOFC), bei denen das Brenngas insbesondere Erdgas ist und als Oxidans ebenfalls Luft verwendet wird, ist das Verfahren geeignet. Neben Wasserstoff und Erdgas kommen als Brenngas auch andere wasserstoffreiche Gase, wie insbes. Reformat oder aber auch ggf. Methan, in Frage.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird für höhere Verdichter- leistungen des Verdichters die Erhöhung des Eingangsdruckes am Stack durch eine Drosselung der Abluft des Stacks reali- siert. Da bei geringen Verdichterleistungen im mittleren oder unteren Leistungsbereich eine konstante Drosselung nicht ge- eignet ist, um einen genügend hohen Druck zu erzeugen, der dem Verdichter eine zur Verdampfung von Wasser ausreichende Leistung abverlangt, wird zudem die Drosselklappe geregelt.

Letzteres bedeutet insgesamt, dass bei maximaler Leistung ei- ne konstante Drosselung den Betriebsdruck bereits optimal einstellt. Da im Teillastbereich die Drücke zu gering sind, als dass der Verdichter genügend Leistung aufbringen kann, um eine ausreichende Wassermenge zur Befeuchtung zu verdampfen, werden gleichermaßen die Drosselklappe und die Verdichter- leistung nachgeregelt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet der an sich bekannte Verdichter bereits bei möglichst niedrigen Drücken, wobei die Befeuchtung des Oxidans im Normalfall dem Taupunkt bei Kühlwasseraustrittstemperatur entspricht. Sofern aber beim vorgegebenen niedrigen Druck keine ausreichende Befeuch- tung des Oxidans mehr vorliegt, wird der Eingangsdruck am Stack so erhöht, dass die Befeuchtung der Luft durch Ver- schiebung der Wasserdampfpartialdruckkurve erreicht wird. Zur Realisierung dieser Maßnahmen sind die Drosselklappe mit An-

steuerelektronik und die vorhandene Steuereinrichtung für die Brennstoffzellen-Betriebsführung vorgesehen, wobei die Dros- selklappe die Verdichtungsleistung des Verdichters bis zu ei- nem Wert erhöht, bei dem ein Druck erreicht ist, der für die ausreichende Befeuchtung des Oxidans notwendig ist und wobei die Steuereinrichtung zur Korrektur der Stellung der Drossel- klappe dient und weiterhin die Verdichterleistung der jeweils veränderten Stellung der Drosselklappe anpasst.

Mit der Erfindung wird also mit einem einfachen Konzept die Befeuchtung der Luft vorteilhafterweise durch Erhöhung des Eingangsdruckes der Luft am Stack erreicht. Damit wird die Verdichterleistung erhöht und auf diese Weise mehr Wasser verdampft, da bekanntlich durch Druckerhöhung die Wasser- dampfpartialdruckkurve verschoben wird. Somit ist weniger Wasser für eine ausreichende Befeuchtung erforderlich. Vor- teilhafterweise werden also mit der Erfindung zwei Effekte realisiert, wobei deren Kombination überraschenderweise die ausreichende Befeuchtung des Wassers für die Luftversorgung der Brennstoffzellen ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs- beispiels. Die einzige Figur zeigt ein Brennstoffzellenmodul mit Mitteln zur Einstellung des Druckes.

In der Figur ist mit 10 ein Brennstoffzellenmodul bezeichnet, das Teil einer Brennstoffzellenanlage ist, die mit Wasser- stoff als Brenngas einerseits und mit Luft als Oxidans ande- rerseits betrieben wird. Im Einzelnen bedeuten 11, 11,... einzelne PEM-Brennstoffzellen, die einen Stapel bilden, der in der Fachterminologie als Brennstoffzellenstack oder kurz "Stack'bezeichnet wird. Der Brennstoffzellenstapel wird durch massive Endplatten 12 und 12, die gleichermaßen die Gasführung bewerkstelligen, begrenzt.

In der Figur ist eine Zuführung für das Brenngas mit 13 und eine Zuführung für das Oxidans mit 14 bezeichnet. Wasserstoff als Brenngas wird aus einem separaten Wasserstofftank, gege- benenfalls auch von einem Reformer, zugeführt. Luft als Oxi- dans ist in der Umgebung vorhanden. Eine für den Brennstoff- zellen-Betriebsprozess hinreichende Menge an Oxidans wird al- so über die Leitung 14 aus der Umgebungsluft bereitgestellt, wozu ein in der Figur ein symbolhaft angedeuteter Filter 32 und ein nachfolgender Verdichter 35 vorhanden sind. Der Ver- dichter 35 ist insbesondere ein vom Stand der Technik erprob- ter Schraubenverdichter.

Speziell ein Schraubenverdichter mit Flüssigkeitseinspritzung ist aus der DE 195 43 879 A1 bekannt. Dieser Verdichter hat einen guten Wirkungsgrad und gewährleistet die Flüssigkeits- einspritzung mit einfachen Mitteln.

Am Ausgang des Brennstoffzellenstacks 10 wird Restgas über eine Restgasleitung 16 und verbleibende Luft über eine Luft- leitung 18 weggeführt. In der Luftleitung 18 ist eine Dros- selklappe 15 als steuer-bzw. regelbares Ventil vorhanden.

Die Drosselklappe 15 steht in bidirektioneller Verbindung zu einer Ansteuerelektronik 20, die wiederum in bidirektioneller Verbindung zu einer Steuereinrichtung 30 für den Brennstoff- zellenbetriebsprozess steht. In die Steuereinrichtung 30 geht der Druck am Eingang des Brennstoffzellenstacks 10 als Ist- wert ein, wozu ein Druckmesser 31 vorhanden ist.

Es ergibt sich somit folgende Funktionsweise : Im Normalfall wird der Stack 10 vom Verdichter mit befeuchteter Luft ver- sorgt. Wenn der Verdichter 35 keine ausreichende Befeuchtung der Luft bei den an sich gewünschten niedrigen Drucken lie- fern kann, beispielsweise 1,5 bar (absolut) am Eingang des Stacks 10, wird der Eingangsdruck erhöht. Durch die damit er- reichte Verschiebung der Wasserdampfpartial-druckkurve wird die notwendige Befeuchtung der Verdichterluft prinzipiell

einfacher, d. h. weniger energieaufwendig und gegebenenfalls auch überhaupt erst erreichbar.

Die Erhöhung des Eingangsdruckes erfolgt nunmehr ursächlich durch die Drosselung der Abluft des Stacks 10 über die steu- er-bzw. regelbare Drosselklappe 15 in der Luftausgangslei- tung 18. Dadurch wird die Verdichtungsleistung des Verdich- ters 35 bis zu dem Wert erhöht, bei dem der notwendige Druck erreicht wird, der für eine ausreichende Befeuchtung der Luft erforderlich ist.

In der Figur ist in der Luftausgangsleitung 18 zusätzlich ein Druckmesser 25 vorhanden. Mit dem Durchmesser 25 wird der Druck am Ausgang des Brennstoffzellenstacks 10 gemessen, wo- bei durch die Drosselklappe 15 der Druck durch konstanten Wert bzw. einen je nach Strom vorgegebenen Sollwert des Dru- ckes geregelt werden kann. Ein technischer Wert ist z. B.

1,2 bar (absolut) bei einem Druckabfall von 0,2 bar bei dem Auslegungspunkt. So wird auch bei geringen Luftmengen durch den höheren Druck der Verdichter belastet und die Wasser- dampfpartialdruckkurve verschoben, um zu erreichen, dass die Befeuchtung der Luft für einen störungsfreien Betrieb geeig- net ist.

Die Ansteuerelektronik 20 wird durch einen autonomen Regler, insbes. Einen PID-Regler, realisiert. Die Regelung der Dros- selklappe 15 durch den autonomen dezentralen Regler macht die Regelung schnell genug für die Anforderung nach hoher Flexi- bilität bei schnellen Laständerungen und belastet die Rechen- leistung der zentralen Steuereinrichtung 30 zur Betriebsfüh- rung des Brennstoffzellenprozesses nur die Vorgabe des Soll- wertes. Die Regelung kann analog oder digital erfolgen.

Das vorstehend speziell für einen Brennstoffzellenstack mit PEM-Brennstoffzellen beschriebene Prinzip ist auch auf andere Brennstoffzellenmodule übertragbar. Beispielsweise bei einer SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-Brennstoffzellenanlage, die mit

einem keramischen Elektrolyten und bei hohen Temperaturen ar- beitet und daher beispielsweise mit Erdgas als Brenngas be- trieben werden kann, wird als Oxidans ebenfalls Luftsauer- stoff verwendet, wozu Umgebungsluft mittels geeigneter Ver- dichter bereitgestellt und verdichtet wird. Dabei werden die verdichtete Luft, ggf. auch das Brenngas, ebenfalls befeuch- tet. Diesbezüglich liegen also die gleichen Randbedingungen wie bei einer PEM (Polymer Elektrolyte Membrane)-Brennstoff- zelle vor.