Brennstoffzellenanordnung sowie Brennstoffzellenanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung, wobei die

Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodengasableitung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung, eine

Kathodengasableitung, einen ersten Drucksensor in der Kathodengaszuleitung, einen zweiten Drucksensor in der Kathodengasableitung, eine Auswerteeinheit sowie Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases.

STAND DER TECHNIK

Brennstoffzellenanordnungen mit Brennstoffzellen, die insbesondere mit reinem Wasserstoff betreibbar sind, gelten aufgrund der Tatsache, dass sie als

Abfallprodukt im Wesentlichen nur reines Wasser emittieren, als Antrieb der Zukunft. Derartige Brennstoffzellen weisen dabei insbesondere oftmals eine Brennstoffzellenmembran auf, die für einen optimalen Betrieb auch eine hohe

Membranfeuchte benötigt. Wasser, insbesondere Wasserdampf, wird dabei dazu verwendet, eine genügend hohe Ionen-Leitfähigkeit innerhalb der Brennstoffzelle durch die Membran sicherzustellen. Für den ordnungsgemäßen und optimalen Betrieb einer derartigen Brennstoffzellenanordnung sind daher der

Wasserhaushalt und insbesondere die Feuchteregelung innerhalb der

Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung wesentliche Faktoren. Eine zu geringe relative Feuchte des Kathodengases kann zu einer Entfeuchtung der Membran führen. Bei zu hoher Feuchte des Kathodengases können jedoch erhebliche Mengen an flüssigem Wasser in der Kathode auftreten.

Beispielsweise kann bei einer unzureichenden Membranfeuchte der

Wirkungsgrad einer derartigen Brennstoffzelle deutlich vermindert sein, wodurch eine schlechtere Leistungsausbeute und eine hohe Abwärmeproduktion der Brennstoffzellenanordnung einhergehen können. Im schlechtesten Fall kann insbesondere bei einer zu geringen Feuchte auch eine Beschädigung der Brennstoffzelle durch Austrocknung nicht ausgeschlossen werden. Auf der anderen Seite kann sich bei einer zu hohen Feuchte, insbesondere beim Vorliegen von zu viel flüssigem Wasser innerhalb der Brennstoffzelle, ebenfalls eine schlechtere Leistungsausbeute der Brennstoffzelle einstellen.

Es ist aus diesem Grund notwendig, die Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle zu überwachen gegebenenfalls zu beeinflussen. So ist beispielsweise aus der

DE 102 46 168 A1 bekannt, im Gassystem der Brennstoffzelle mehrere

Feuchtesensoren vorzusehen, um die Feuchtigkeit zumindest des

Kathodengases der Brennstoffzelle zu überwachen. Nachteilig an derartigen Feuchtesensoren ist jedoch, dass diese Feuchtesensoren insbesondere bei gesättigten Messbedingungen, d. h. bei Feuchten des Kathodengases von etwa

100 %, sehr ungenau sind. Bei Vorliegen von flüssigem Wasser im Kathodengas können beispielsweise zudem Tropfen auftreten, die einen derartigen

Feuchtesensor über einen nicht unerheblichen Zeitraum derart beinträchtigen können, dass dieser kein verwertbares Signal liefern kann. Alternativ dazu können auch Sensoren für andere Messgrößen vorgesehen sein. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 010 312 A1 bekannt, zumindest je einen Sensor für Massenfluss, Temperatur und Druck des Kathodengases in der Kathodengaszuleitung vorzusehen. Basierend auf den Messwerten dieser Vielzahl von verschiedenen Sensoren wird die Brennstoffzellenanordnung dahingehend betrieben, dass die relative Feuchte innerhalb eines vorgegebenen

Bereichs gehalten wird. Auch ist bekannt, beispielsweise aus der

WO 2008/106992 A1 , eine Vielzahl von Sensoren zur Überwachung der Brennstoffzellenanordnung vorzusehen, deren Messergebnisse in einer

Auswerteeinheit kombinatorisch miteinander verknüpft werden können, um basierend auf dieser Vielzahl von Messergebnissen die Feuchte der

Brennstoffzellenanordnung zu regeln.

Als Nachteil bei bekannten Verfahren zum Steuern der Feuchte eines

Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie bei bekannten

Brennstoffzellenanordnungen kann dabei angesehen werden, dass entweder

Sensoren, insbesondere Feuchtesensoren, eingesetzt werden, die fehleranfällig sind oder dass eine Vielzahl von Sensoren benötigt wird, um die Feuchte in der Kathodengaszuleitung der Brennstoffzellenanordnung zu ermitteln. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend

beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie bekannter

Brennstoffzellenanordnungen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung sowie eine

Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, welche in einfacher und

kostengünstiger Weise den Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung mit einer idealen Feuchte des Kathodengases ermöglichen, wobei zur Regelung möglichst wenig und dabei einfache und robuste Sensoren verwendet werden.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung mit den

Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine

Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenanordnung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

In einem ersten Aspekt der Erfindung die die Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln einer Feuchte eines Kathodengases einer Brennstoffzellenanordnung, wobei die Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodengasableitung aufweist, gelöst. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durch folgende

Schritte gekennzeichnet:

a) Messen eines Drucks des Kathodengases vor der Kathode, b) Messen eines Drucks des Kathodengases nach der Kathode, c) Ermitteln des Druckverlustes des Kathodengases in der Kathode aus den Messergebnissen, d) Bestimmen der aktuellen Feuchte des Kathodengases basierend auf dem ermittelten Druckverlust,

e) Einstellen der Feuchte des Kathodengases basierend auf der

bestimmten aktuellen Feuchte.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit vorgesehen, die Feuchte eines Kathodengases basierend auf Druckmessungen im Kathodengas zu ermitteln. Die beim Verfahren eingesetzten Drucksensoren sind einfache Sensoren, die bereits, insbesondere auch für den automobilen Einsatz, vorhanden sind. Kostenaufwendige Neuentwicklungen können dadurch vermieden werden. Insbesondere kann der Einsatz von Feuchtesensoren, welche insbesondere beim Vorliegen von flüssigem Wasser oder Feuchte nah 100% eine hohe Störanfälligkeit aufweisen, durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vermieden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch derartige Drucksensoren der Druck des Kathodengases vor und nach der Kathode gemessen wird. Aus den gemessenen Drücken kann anschließend in einer geeigneten Auswerteeinheit der Druckverlust des Kathodengases in der Kathode ermittelt werden. Selbstverständlich können die Schritte b) und c) des Verfahrens auch durch den Einsatz eines Differenzdrucksensors, in der

Kathodengasableitung angeordnet ist, und die dadurch direkte Möglichkeit der Messung des Druckverlusts des Kathodengases in der Kathode realisiert sein. Bei ansonsten konstanten Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenanordnung ist die Feuchte des Kathodengases im Wesentlichen nur vom Druckverlust des Kathodengases in der Kathode abhängig. Basierend auf dem ermittelten Druckverlust des Kathodengases in der Kathode kann somit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktuelle Feuchte des Kathodengases bestimmt werden. Dafür kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, der die Messdaten der verwendeten Drucksensoren zugeführt werden.

Selbstverständlich können einer derartigen Auswerteeinheit auch Daten weiterer bereits in der Brennstoffzellanordnung vorhandener Sensoren, wie

beispielsweise eines Temperatursensors oder eines Luftmassensensors, zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die

Brennstoffzellenanordnung mit variierenden Massenströmen oder Temperaturen betrieben wird. Die Auswerteeinheit kann bei einer derartigen Ausgestaltung selbstverständlich diese zusätzlichen Sensordaten ebenfalls in die Bestimmung der Feuchte mit einbeziehen. Im letzten Schritt e) des Verfahrens wird die Feuchte des Kathodengases basierend auf der bestimmten aktuellen Feuchte eingestellt. Eine Regelung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch basierend auf den gemessenen Drücken möglich. Ein Austrocknen der

Brennstoffzelle, bei zu geringer Feuchte oder ein Fluten der Brennstoffzelle bei zu hoher Feuchte kann so sicher vermieden werden. Desweiteren ist ein

Betreiben der Brennstoffzellenanordnung in einem Bereich ideale Feuchte des Kathodengases ermöglicht. Durch die Feuchtebestimmung des Kathodengases basierend auf Druckmessungen kann eine besonders einfache und

kostengünstige Art und Weise bereitgestellt werden, die Feuchte eines

Kathodengases zu ermitteln. Insbesondere kann der Einsatz von störanfälligen und wartungsintensiven Feuchtesensoren vermieden werden.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Schritt d) des Verfahrens ein in der Kathode der Brennstoffzelle verdampfter Wassermassenstrom bestimmt wird. Abhängig von den Betriebsbedingungen der

Brennstoffzelle wird das produzierte Wasser im Betrieb dampfförmig und/oder flüssig aus der Kathode abgeführt. Ein Kühlkreislauf der Kathode durch die Verdampfungskühlung bei der Verdampfung, insbesondere des produzierten, Wassers entlastet werden. Durch Messungen konnte gezeigt werden, dass zwischen dem Druckverlust des Kathodengases in der Kathode und dem verdampften Wassermassenstrom ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Der verdampfte Wassermassenstrom hat einen direkten Einfluss auf die Feuchte des Kathodengases. Dies liegt darin begründet, da erzeugtes flüssiges Wasser durch Verdampfen gasförmig wird und zur Feuchte des Kathodengases beiträgt. Ein hoher Massenstrom verdampften Wassers in der Kathode führt somit zu einem erhöhten absoluten Feuchtegehalt des Kathodengases, ein niedriger Massenstrom zu einem verringerten Feuchtegehalt des

Kathodengases. Da durch die Messung des Druckverlusts direkt auf den

Massenstrom des verdampften Wassers in der Kathode geschlossen werden kann, kann basierend auf diesen Rückschlüssen, in Schritt e) des Verfahrens die

Feuchte des Kathodengases dahin gehend geregelt werden, dass ein Betrieb der Brennstoffzellenanordnung bei idealer Feuchte zu jeder Zeit gewährleistet werden kann.

Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Schritt d) ein Verhältnis von in der Kathode verdampftem zu in der Kathode erzeugtem Wasser bestimmt wird. Das in der Kathode erzeugte Wasser kann direkt über die Faraday-Gleichung berechnet werden. Die Menge des erzeugten Wassers ist proportional zur molaren Masse von Wasserdampf multipliziert mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom und umgekehrt proportional zum Doppelten der Faraday-Konstanten. Über dieses Verhältnis kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob in der Kathode flüssiges Wasser im Bereich eines Strömungsfeldes der Kathode vorliegt. Bei einem berechneten Verhältnis <1 wird in der Kathode mehr Wasser produziert als verdampft. Es liegt somit flüssiges Wasser am Kathodenausgang vor. Dies kann zum einen bedeuten, dass bei ständigem Betrieb bei diesem Verhältnis die Gefahr einer Flutung der Kathode der Brennstoffzelle besteht. Andererseits können Brennstoffzellen auch mit einem derartigen Befeuchtungskonzept betrieben werden, bei dem das Vorliegen von flüssigem Wasser am

Kathodenausgang nötig ist. Dies kann insbesondere beispielsweise bei einem Befeuchtungskonzept notwendig sein, dessen Wirkprinzip stark auf einer inneren Befeuchtung des Kathodengases durch Feuchteaustausch Kathode und Anode der Brennstoffzelle beruht. Ein Verhältnis >1 bedeutet, dass weniger Wasser in der Kathode produziert wird als dort verdampft. Es liegt somit kein flüssiges Wasser am Kathodenausgang, in der Kathode, zumindest jedoch vor. Da es bei Brennstoffzellen insbesondere vorkommen kann, dass eine Membran verwendet wird, die eine gewisse Feuchte benötigt, kann ein derartiges Verhältnis >1 daher die Gefahr einer Austrocknung der Kathode der Brennstoffzelle andeuten. Das Berechnen eines derartigen Verhältnisses stellt somit eine besonders einfache Art und Weise dar, die Feuchte, insbesondere das Vorliegen von flüssigem Wasser, in der Kathode zu bestimmen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in Schritt d) das Verhältnis mit einem unteren und/oder einem oberen Grenzwert verglichen wird. Der oder die

Grenzwert(e) können dabei insbesondere bevorzugt derart gewählt sein, dass bei einem Vergleich mit den Grenzwerten ein Erkennen von Fehlerzuständen der Brennstoffzelle möglich ist. Durch ein, insbesondere frühzeitiges, Erkennen derartiger Fehlerzustände ist ein Eingreifen in den Betrieb der

Brennstoffzellenanordnung dahingehend ermöglicht, eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Brennstoffzellenanordnung zu verhindern. Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt e) das Einstellen der Feuchte basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs vorgenommen wird. Eine Regelung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch besonders einfach ermöglicht. Bevorzugt wird dabei das Verhältnis mit einem oberen und einem unteren Grenzwert verglichen.

Durch das Einstellen der Feuchte basierend auf den Vergleich kann

insbesondere das Verhältnis aus in der Kathode verdampften zu erzeugten Wasser zwischen den Grenzwerten schalten werden. Die

Brennstoffzellenanordnung kann somit in einem Bereich idealer Feuchte betrieben werden, da dadurch ein stabiles Wassermanagement ermöglicht ist.

Ein sicherer und stabiler Betrieb, bei dem insbesondere die Gefahr einer Austrocknung oder einer Flutung der Kathode der Brennstoffzelle vermieden wird, kann so sichergestellt werden. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im

Schritt e) zum Einstellen der Feuchte eine Drosselklappe der

Brennstoffzellenanordnung und/oder ein Befeuchter der

Brennstoffzellenanordnung angesteuert werden und/oder dass eine

Stöchiometrie und/oder eine Temperatur des Kathodengases verändert werden. Um die Feuchte des Kathodengases einzustellen, sind viele verschiedene

Möglichkeiten denkbar. Bei einer verstellbaren Ausführung der Drosselklappe wird beispielsweise der Kathodenaustrittsdruck angepasst. Dabei ist

selbstverständlich sowohl eine Erhöhung als auch eine Erniedrigung des Kathodenaustrittsdrucks möglich. Durch eine derartige Anpassung des

Kathodenaustrittsdrucks ergibt sich direkt auch eine Veränderung des

Druckverlustes des Kathodengases in der Kathode. Wie oben bereits

beschrieben, hat dies einen direkten Einfluss auf die Feuchte des

Kathodengases. Ferner kann in der Kathodengaszuleitung ein Befeuchter angeordnet sein. Dieser Befeuchter kann dahin gehend angesteuert werden, das Kathodengas mehr oder weniger zu befeuchten. Auch durch die Ansteuerung eines Befeuchters ist somit ein direkter Einfluss auf die Feuchte des

Kathodengases und somit eine Regelung der Feuchte des Kathodengases möglich. Durch eine Änderung der Kathodenstöchiometrie, d. h. insbesondere des Verhältnisses von Ist-Sauerstoffmenge zur stöchiometrischen

Sauerstoffmenge am Kathodeneintritt, wird direkt die Menge trockener Luft, insbesondere am Austritt der Kathode beeinflusst. Hohe Kathodenstöchiometrien ermöglichen der Luft in der Kathode viel Wasser dampfförmig aus der Kathode auszutragen und damit die Brennstoffzelle zu entfeuchten. Wenn das gesamte produzierte Wasser dampfförmig ausgetragen wird, dann besteht jedoch die Gefahr, dass die Luft der Membran Wasser entzieht und der Membranwiderstand ansteigt. Dadurch ergibt sich eine Änderung der Feuchte des Kathodengases.

Durch eine Veränderung der Temperatur kann ebenfalls die Feuchte des Kathodengases beeinflusst werden. So bewirkt eine Erhöhung der Temperatur, dass mehr Wasser im Kathodengas verdampft. Dadurch wird die Feuchte des Kathodengases erhöht. Umgekehrt bewirkt eine Absenkung der Temperatur ein geringeres Verdampfen von flüssigem Wasser im Kathodengas, wodurch die absolute Feuchtemenge des Kathodengases verringert wird und die Gefahr einer Flutung der Kathode mit flüssigem Wasser besteht.

Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Weiterentwicklung eines

erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Temperatur des

Kathodengases über die Temperatur eines Kühlmittels der Brennstoffzelle verändert wird und/oder dass der Befeuchter in der Brennstoffzellenanordnung einen Bypass aufweist, welcher zur Einstellung der Feuchte des Kathodengases angesteuert wird. Bei einer Brennstoffzellenanordnung kann eine Kühlung der Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel vorgesehen sein, um Abwärme der

Brennstoffzelle von der Brennstoffzelle abzutransportieren. Durch Veränderung der Temperatur des Kühlmittels kann dabei besonders einfach direkt auf die Temperatur des Kathodengases Einfluss genommen werden. Ebenfalls besonders einfach kann ein Befeuchter, der in der Kathodengaszuleitung der Brennstoffzellenanordnung angeordnet ist, durch einen Bypass geregelt werden.

Durch einen derartigen Bypass wird Kathodengas am Befeuchter vorbeigeleitet und wird somit im Befeuchter nicht befeuchtet. Das vorbeigeleitete Kathodengas wird nach dem Befeuchten mit dem befeuchteten Kathodengas wieder zusammengeführt. Durch die Menge an nicht befeuchtetem Kathodengas kann somit die Befeuchtung des gesamten Kathodengases gesteuert werden. Ein

Bypass stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, einen

Befeuchter, insbesondere die Menge von im Befeuchter befeuchteten

Kathodengases, zu regeln.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine

Brennstoffzellenanordnung aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, eine Kathodengaszuleitung, eine Kathodengasableitung, einen ersten Drucksensor in der Kathodengaszuleitung, einen zweiten Drucksensor in der Kathodengasableitung, eine Auswerteeinheit sowie Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases, gelöst. Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die

Brennstoffzellenanordnung zur Ausführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem

erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.

Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass die Mittel zur Beeinflussung der Feuchte des

Kathodengases eine Drosselklappe der Brennstoffzellenanordnung und/oder einen Befeuchter und/oder einen Bypass eines Befeuchters und/oder eine Einheit zur Änderung der Stöchiometrie des Kathodengases und/oder eine Einheit zur Änderung der Temperatur des Kathodengases aufweisen. Dabei kann beispielsweise durch eine, insbesondere variable, Drosselklappe der

Kathodenaustrittsdruck angepasst, d. h. insbesondere erhöht bzw. erniedrigt werden. Dadurch ändert sich der Druckverlust des Kathodengases in der Kathode der Brennstoffzelle und damit auch indirekt die Feuchte im

Kathodengas. Eine Erhöhung des Kathodenaustrittsdrucks führt dabei zu einer Erhöhung der relativen Feuchte, eine Erniedrigung des Kathodenaustrittsdrucks zu einer Verminderung der Feuchte. Ferner kann eine

Brennstoffzellenanordnung einen Befeuchter aufweisen. Ein derartiger

Befeuchter ist in der Kathodengaszuleitung angeordnet und wird zur direkten Beeinflussung der Feuchte des Kathodengases verwendet. Eine direkte

Erhöhung bzw. Verminderung der Feuchte des Kathodengases ist dadurch ermöglicht. Ein derartiger Befeuchter kann dabei beispielsweise einen Bypass aufweisen, durch den Kathodengas am Befeuchter vorbeigeleitet werden kann. Die Menge des am Befeuchter vorbeigeleiteten Kathodengases bestimmt dabei indirekt die Feuchte des gesamten Kathodengases. Nach dem Befeuchter werden der befeuchtete und der unbefeuchtete Kathodengasstrom wieder vereinigt. Das Verhältnis der beiden Teile bestimmt die Gesamtfeuchte des

Kathodengases. Durch ein mehr oder weniger starkes Öffnen des Bypasses des Befeuchters kann somit die Feuchte des Kathodengases auf besonders einfache Art und Weise eingestellt werden. Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Beeinflussung der Feuchte kann eine Änderung der

Stöchiometrie des Kathodengases darstellen. Die Kathodenstöchiometrie ist das Verhältnis aus der vorhanden Sauerstoffmenge und der stöchiometrischen

Sauerstoffmenge und hat direkten Einfluss auf den Volumenstrom trockener Luft und damit wiederum auf die insgesamt dampfförmig abführbare Wassermenge aus der Kathode. Wie oben bereits dargelegt, kann dadurch auch die Feuchte des Kathodengases beeinflusst werden. Dies gilt auch für eine Beeinflussung der Temperatur des Kathodengases. Eine derartige Einheit zur Änderung der

Temperatur des Kathodengases kann beispielsweise eine Heizung oder Kühlung der Brennstoffzelle oder ein Kühlmittel sein, dessen Temperatur gezielt verändert werden kann. Eine höhere Temperatur des Kühlmittels führt dabei zu einer höheren Temperatur des Kathodengases, wodurch wiederum im Kathodengas mehr Wasser verdampft werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung der

Verdampfungsrate und zu einer Verkleinerung der relativen Feuchte, sobald kein flüssiges Wasser mehr in der Kathode vorhanden ist. Umgekehrt führt eine Erniedrigung der Temperatur des Kathodengases zu einer Verminderung der Verdampfungsrate, wodurch die Dampfmenge des Kathodengases vermindert werden kann und tendenziell mehr flüssiges Wasser in der Kathode vorhanden ist.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie deren

Vorteile sowie die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von

Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 Widerstandsmessungen an einer Brennstoffzellenanordnung,

Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltungsform eines Teils einer erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenanordnung,

Fig. 4a Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 45° Celsius, Fig. 4b Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius,

Fig. 4c Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 75° Celsius Fig. 5a Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius und = 2,0,

Fig. 5b Feuchtemessungen an einer Brennstoffzellenanordnung bei 65° Celsius und λ = 3,5 und

Fig. 6 eine mögliche Feuchteregelung einer erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenanordnung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Fig. 1 , 2, 3, 4a, 4b, 4c, 5a, 5b und 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein typisches Kathodengassystem einer Brennstoffzelle 10 einer Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Anodenteil der Brennstoffzellenanordnung 1 ist nicht mit abgebildet. Das

Kathodengas, beispielsweise in diesem Fall Luft, wird vor dem Eintritt in die Kathode 1 1 durch einen Luftfilter 2 gereinigt. Anschließend wird der Druck der

Luft durch einen mit einem Verdichtermotor 5 angetriebenen Verdichter 4 erhöht. Durch einen Wärmetauscher 3 und einem Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 wird das Kathodengas anschließend dahin gehend konditioniert, dass es die nötigen Eintrittsbedingungen für den Eintritt durch die Kathodengaszuführung 12 in die Kathode 1 1 aufweist. Durch die Kathodengasabführung 13 wird

unverbrauchtes Kathodengas zusammen mit in der Brennstoffzelle 10

entstandenen Reaktionsprodukten, insbesondere Wasser, wieder aus der Brennstoffzelle 10 ausgeleitet. Die Eintrittsfeuchte des Kathodengases wird dabei durch eine externe Regelung eingestellt, wobei hier mehrere Sensoren, insbesondere ein erster Drucksensor 20, ein Massenstromsensor 22 und ein

Feuchtesensor 23 zur Messung der Feuchte des Kathodenfluids, vorgesehen sind. Mit einer Drosselklappe 7 kann der Systemdruck abhängig vom

Massenstrom eingestellt werden. Falls beispielsweise der Verdichter 4 als eine Turbomaschine, wie beispielsweise ein Radialverdichter, ausgeführt ist, kann ferner aus Gründen des Komponentenschutzes ein Bypass mit Drosselklappe 8 vorgesehen sein. Das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 ist ferner als Befeuchter 15 ausgebildet und weist einen Befeuchterbypass 16 mit einer eigenen Drosselklappe 9 auf. Die Feuchte des Kathodengases wird in der gezeigten Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik somit insbesondere über einen Feuchtesensor 23 gemessen. Diese Feuchtesensoren

23 sind jedoch, insbesondere beim Vorliegen von flüssigem Wasser, wenig robust und insbesondere störanfällig. Dies ist insbesondere darin begründet, dass ein Feuchtesensor 23, der von einem Wassertropfen getroffen wird, über eine nicht zu vernachlässigende Zeit keine Daten liefern kann. In Fig. 2 sind Messreihen des Widerstands einer Brennstoffzelle 10 über die

Stromdichte für verschiedene Kathodenfeuchten aufgetragen. Dabei sind insbesondere Messreihen für die Kathodenfeuchte 100% 30, Kathodenfeuchte 70% 31 , Kathodenfeuchte 50% 32 und Kathodenfeuchte 33% 33 aufgenommen worden. Deutlich sichtbar ist, dass mit zunehmender Kathodenfeuchte 30, 31 ,32, 33 der Widerstand der Brennstoffzelle 10 sinkt. Ein geringerer Widerstand der

Brennstoffzelle 10 korrespondiert dabei mit einem hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 10, da Verluste innerhalb der Brennstoffzelle 10 minimiert werden. Ferner geht ein hoher Widerstand, der, sichtbar ist in Fig. 2 mit einer niedrigen Kathodenfeuchte korrespondiert, mit einer hohen Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle 10 in Betrieb einher, welche gegebenenfalls zur

Beschädigung der Brennstoffzelle 10 führen kann. Dies macht deutlich, dass eine Steuerung bzw. insbesondere eine Regelung der Feuchte zumindest des Kathodengases einen großen Einfluss auf die Leistungsausbeute und die Lebensdauer einer Brennstoffzelle 10 und einer gesamten

Brennstoffzellenanordnung 1 hat.

In Fig. 3 ist eine mögliche Ausgestaltung eines Teils einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt. Insbesondere ist die Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 inklusive Teilen der Kathodengaszuleitung 12 und der Kathodengasableitung 13 gezeigt. In der Kathodengaszuleitung 12 ist ein erster

Drucksensor 20 und in der Kathodengasableitung 13 ein zweiter Drucksensor 21 angeordnet. Dadurch ist es möglich, den Druck des Kathodengases vor und nach der Kathode 1 1 der Brennstoffzelle 10 zu messen. Dabei können die beiden Drucksensoren 20, 21 jeweils direkt den Druck des Kathodengases messen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor 21 als

Differenzdrucksensor ausgestaltet ist. In diesem Fall kann ebenfalls durch die Druckmessung des ersten Drucksensors 20 und die Differenzdruckmessung des zweiten Drucksensors 21 der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 der Brennstoffzelle 10 ermittelt werden. Eine weitere Alternative ist die ausschließliche Verwendung eines Differenzdrucksensors 20, 21 mit dem Vorteil, dass eine Toleranzkette mehrerer Sensorungenauigkeiten bei der Ermittlung des Kathodendruckverlusts vermieden werden kann. Basierend auf diesem

Druckabfall kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 , insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases gezogen werden. Durch das Ansteuern von Mitteln zur Beeinflussung der Feuchte 14 (nicht mit abgebildet) kann so direkt die

Feuchte des Kathodengases beeinflusst und geregelt werden. Insbesondere ist durch diese Druckmessung bzw. durch die Rückschlüsse von dem gemessenen Druckabfall auf die Feuchte des Kathodengases eine direkte Feuchtemessung durch Feuchtesensoren nicht mehr nötig. Dies stellt einen Vorteil dar, da derartige Feuchtesensoren 23, insbesondere beim Vorliegen von flüssigem

Wasser, wenig robust und insbesondere störanfällig sind.

Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen jeweils Messwerte einer Feuchtemessung eines Versuchsaufbaus mit einer Brennstoffzellenanordnung 1. Aufgetragen ist jeweils der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 der Brennstoffzellenanordnung 1 gegen den Massenstrom des in der Kathode 1 1 verdampften Wassers. Die drei Fig. 4a, 4b und 4c sind dabei Messungen bei verschiedenen Temperaturen der Brennstoffzelle 10 der

Brennstoffzellenanordnung 1 bei konstanter Kathodenstöchiometrie λ = 2,0. So sind die Messergebnisse aus Fig. 4a bei 45° Celsius, aus Fig. 4b bei 65° Celsius und aus Fig. 4c bei 75° Celsius gemessen worden. Für alle drei

Temperaturbereiche ist deutlich sichtbar, dass für verschiedene relative

Feuchten, repräsentiert durch die verschiedenen Symbole (Quadrat: relative Feuchte 50%. Dreieck: relative Feuchte 70%, Kreis: relative Feuchte 90%), jeweils zwischen dem Massenstrom und dem Druckabfall ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Die Steigung der Linearität lässt dabei direkte Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases zu.

Die Fig. 5a und 5b zeigen ebenfalls jeweils Messwerte einer Feuchtemessung eines Versuchsaufbaus mit einer Brennstoffzellenanordnung 1. Aufgetragen ist in diesen Figuren jeweils der Druckabfall des Kathodengases in der Kathode 1 1 einer Brennstoffzelle 10 der Brennstoffzellenanordnung 1 gegen den

Massenstrom der in die Kathode 1 1 eingeleiteten trockenen Luft. Im Gegensatz zu den Messungen in Fig. 4a, 4b und 4c sind dabei die Messungen bei einer konstanten Temperatur von 65° Celsius der Brennstoffzelle 10 der

Brennstoffzellenanordnung 1 durchgeführt worden. Verändert wurde hingegen die Kathodenstöchiometrie. Sie betrug λ = 2,0 bei der Messung für Fig. 5a beziehungsweise λ = 3,5 bei der Messung für Fig. 5b. Für beide

Kathodenstöchiometrien ist auch bei diesen Messungen deutlich sichtbar, dass für verschiedene relative Feuchten, repräsentiert durch die gleichen Symbole wie in den Fig. 4a, 4b und 4c (Quadrat: relative Feuchte 50%. Dreieck: relative

Feuchte 70%, Kreis: relative Feuchte 90%), jeweils zwischen dem Massenstrom der eingeleiteten trockenen Luft und dem Druckabfall ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang besteht. Die Steigung der Linearität lässt dabei auch hier direkte Rückschlüsse auf die Feuchte des Kathodengases zu.

Zusammenfassend lässt sich somit aus den Messungen der Fig. 4a, 4b, 4c, 5a und 5b folgern, dass bei konstantem Massenstrom des in der Kathode 1 1 verdampften Wassers beziehungsweise der in die Kathode 1 1 eingeleiteten trockenen Luft sich somit ein Druckverlust bei ansonsten konstanten

Betriebsbedingungen im Wesentlichen abhängig von der Feuchte der Kathode

1 1 einstellt. Diese Zusammenhänge, auch die Abhängigkeiten von den

Betriebsbedingungen wie Temperatur oder Kathodenstöchiometrie, können daher genutzt werden, um die Feuchte des Kathodengases zu bestimmen und gegebenenfalls Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 anzusteuern, um diese Feuchte zu regeln.

In Fig. 6 ist ein schematisches Entscheidungsdiagramm zur Steuerung der Feuchte in einem Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 in einem Kathodengas gezeigt. Ein derartiges Entscheidungsdiagramm kann dabei insbesondere in einer Auswerteeinheit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 abgearbeitet werden. Dabei stellt N _vap das Verhältnis von in der Kathode 1 1 verdampftem zu in der Kathode 1 1 erzeugtem Wasser dar. Wie in den Fig. 4a, 4b und 4c gezeigt, ist der Massenstrom an verdampftem Wasser in der Kathode 1 1 im Wesentlichen linear zum Druckverlust des Kathodengases in der Kathode 1 1. Dieser Druckverlust kann durch die Drucksensoren 20, 21 , die auch als ein

Differenzdrucksensor 20, 21 ausgebildet sein können, ermittelt werden. Der Massenstrom an produziertem Wasser kann einfach über die Faraday-Gleichung aus der molaren Masse von Dampf, den in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Strom und der Faraday-Konstanten ermittelt werden. N _{vap max} und N _vaPimin sind jeweils Grenzwerte, die in einer Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenanordnung 1 mit dem gemessenen Verhältnis N _vap verglichen werden können. Wird in einem ersten Schritt festgestellt, dass das gemessene Verhältnis N _vap größer ist als ein maximaler Grenzwert N _vap,max , so wird angenommen, dass die Feuchte im Kathodenfluid nicht ausreichend hoch ist. Dies ist darin begründet, da bei einem derartigen Verhältnis im Vergleich zum produzierten Wasser zu viel Wasser verdampft. Dies bedeutet eine hohe beziehungsweise zu hohe Verdunstungsrate innerhalb der Kathode 1 1. Das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 wird somit dahin gehend angesteuert bzw. geregelt, dass durch das Mittel 14 die Feuchte des Kathodengases erhöht wird. Die Mittel 14 können dabei selbstverständlich auch dahingehend ausgebildet sein, die Feuchte zusätzlich und/oder alternativ durch Veränderung der Betriebsgrößen Kathodenstöchiometrie, Kathodendruckniveau und/oder Temperatur zu beeinflussen. Ist das ermittelte Verhältnis N _vap kleiner oder gleich als der obere Grenzwert N _{vap max} , so wird in einem nächsten Schritt verglichen, ob das ermittelte Verhältnis N _vap kleiner ist als ein minimaler Grenzwert N _{vap min} . Ist dies der Fall, so wird das Mittel zur Beeinflussung der Feuchte 14 dahin gehend angesteuert bzw. geregelt, dass durch das Mittel 14 die Feuchte des

Kathodengases reduziert wird. Fällt der zweite Vergleich negativ aus, und ist somit das ermittelte Verhältnis N _vap zwischen den beiden Grenzwerten N _{vap max} und N _{vap min} , so wird angenommen, dass die Feuchte des Kathodengases sich in einem Bereich befindet, in dem ein idealer bzw. im Wesentlichen idealer Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 möglich ist. Es ergeht in diesem Fall keine Regelung bzw. Ansteuerung des Mittels zur Beeinflussung der Feuchte 14 und die bestehende Feuchte im Kathodengas wird beibehalten. Auf diese Art ist es möglich, insbesondere bei ansonsten konstanten

Betriebsbedingungen, allein durch zwei Druckmessungen durch den ersten Drucksensor 20 und den zweiten Drucksensor 21 oder durch eine

Differenzdruckmessung durch einen Differenzdrucksensor 20, 21 , auf die Feuchte des Kathodengases zurückzuschließen. Auf eine direkte Messung der Feuchte des Kathodengases durch einen störanfälligen Feuchtesensor 23 kann somit verzichtet werden.