DE102013212973A1

DE102013212973A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102013212973A1
Application number: DE102013212973.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Maass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (11) mit mindestens einer Elektrode (12, 13), wobei der Elektrode (12, 13) ein Edukt zur elektrochemischen Reaktion zuführbar ist, wobei die Elektrode (12, 13) ein Eintrittssegment (33) aufweist, das am Eingang der Elektrode (12, 13) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem (10) so ausgelegt ist, dass ein Überschussverhältnis des Eintrittssegments (λES), das ein Verhältnis eines Molenstroms des Edukts (ṄE,ES) zu Beginn des Eintrittssegments (33) zu einer Umsetzungsrate des Edukts (ṄU,ES) am Eintrittssegment (33) angibt, in einem Bereich von 35 bis 75 liegt.The invention relates to a fuel cell system (10) having a fuel cell (11) with at least one electrode (12, 13), wherein an educt for the electrochemical reaction can be fed to the electrode (12, 13), the electrode (12, 13) forming an entry segment (33) disposed at the entrance of the electrode (12, 13). According to the invention, it is provided that the fuel cell system (10) is designed so that an excess ratio of the entry segment (λES), a ratio of molar flow of the educt (ṄE, ES) at the beginning of the entry segment (33) to a conversion rate of the educt (ṄU, ES) at the entrance segment (33) is in a range of 35 to 75.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit mindestens einer Elektrode, wobei der Elektrode ein Edukt zur elektrochemischen Reaktion zuführbar ist, wobei die Elektrode ein Eintrittssegment aufweist, das am Eingang der Elektrode angeordnet ist, gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem unabhängigen Anspruch 9.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell having at least one electrode, wherein the electrode, an educt for the electrochemical reaction can be fed, the electrode has an inlet segment, which is arranged at the entrance of the electrode, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates A method of operating a fuel cell system according to independent claim 9.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, weisen zwischen einer Anode und einer Kathode eine Membran als Elektrolyten auf, dessen Funktion und Lebensdauer von einer ausreichenden Befeuchtung der Membran abhängt. Das Austrocknen der Membran führt u. a. zu einer Volumenänderung der Membran, so dass eine geringe Langzeitstabilität der Membran durch den dadurch hervorgerufenen mechanischen Stress resultiert. Eine vermehrte Desorption von Radikalen von den angrenzenden Elektroden führt zu einer chemischen Schädigung der Membran bei trockenen Bedingungen. Zudem muss die Membran feucht sein, um Protonen leiten zu können und so eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu ermöglichen.Fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells, have between an anode and a cathode a membrane as electrolyte, the function and life of which depends on a sufficient humidification of the membrane. The drying of the membrane leads u. a. to a volume change of the membrane, so that a low long-term stability of the membrane results from the mechanical stress caused thereby. Increased desorption of radicals from the adjacent electrodes results in chemical damage to the membrane under dry conditions. In addition, the membrane must be moist to conduct protons and thus allow an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

Die DE 10 2004 022 312 A1 offenbart ein Feuchtigkeitsaustauschmodul, um Luft, die der Kathode zugeführt wird, zu befeuchten. Hierdurch kann die Membran vor einer Austrocknung und damit vor einer Schädigung bzw. vorzeitigen Alterung geschützt werden. Nachteilig hieran ist, dass das Feuchtigkeitsaustauschmodul Platz benötigt. Seine Herstellung und Montage sind kostenintensiv.The DE 10 2004 022 312 A1 discloses a moisture exchange module for humidifying air supplied to the cathode. As a result, the membrane can be protected from dehydration and thus from damage or premature aging. The disadvantage of this is that the moisture exchange module requires space. Its manufacture and assembly are costly.

Darüber hinaus kann sich bei zu feuchten Bedingungen, z. B. zu geringer Betriebstemperatur (z. B. nach Einschalten der Brennstoffzelle in der Aufheizphase), Wasser in den Elektroden ansammeln, was als Fluten der Brennstoffzelle bezeichnet wird. Dies führt zu Leistungseinbußen der Brennstoffzelle.In addition, in wet conditions, for. For example, if the operating temperature is too low (eg, after the fuel cell is switched on in the heating phase), water accumulates in the electrodes, which is called flooding of the fuel cell. This leads to performance losses of the fuel cell.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einen Nachteil aus dem Stand der Technik zu beseitigen, insbesondere ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das nur eine geringe oder keine Befeuchtung eines Eduktes, das einer Anode und/oder einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, benötigt. Gleichzeitig soll insbesondere ein ausreichender Abtransport von Wasser sichergestellt werden, so dass keine Flutung der Elektroden auftritt.It is therefore the object of the present invention to eliminate at least one disadvantage of the prior art, in particular to provide a fuel cell system which requires little or no humidification of an educt which is supplied to an anode and / or a cathode of the fuel cell. At the same time, in particular a sufficient removal of water should be ensured, so that no flooding of the electrodes occurs.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit sämtlichen Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in dem abhängigen Verfahrensanspruch angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.To solve the problem, a fuel cell system with all features of claim 1, in particular the characterizing part proposed. Advantageous developments of the fuel cell system are given in the dependent device claims. The object is further achieved by a method having all the features of independent claim 9, in particular of the characterizing part. Advantageous developments of the method are given in the dependent method claim. Features and details described in connection with the method according to the invention also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in combination.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass ein Überschussverhältnis des Eintrittssegments, das ein Verhältnis eines Molenstroms des Edukts zu Beginn des Eintrittssegments zu einer Umsetzungsrate des Edukts am Eintrittssegment angibt, in einem Bereich von 35 bis 75 liegt.According to the invention, it is provided that the fuel cell system is designed such that an excess ratio of the entry segment, which indicates a ratio of molar flow of the educt at the beginning of the entry segment to a conversion rate of the educt at the entry segment, is in a range from 35 to 75.

Bei dem Eintrittssegment handelt es sich insbesondere um ein normiertes Eintrittssegment von 1 cm². Ein Bereich der Elektrode, an dem die elektrochemische Reaktion stattfindet, wird als aktive Fläche bezeichnet. Das Eintrittssegment ist Teil der aktiven Fläche. Das Eintrittssegment kann genauso ausgebildet sein wie die übrige aktive Fläche. Somit muss das Eintrittssegment nicht durch konstruktive oder andere Merkmale erkennbar sein. Darüber hinaus ist die genaue Lage am Eingang der Elektrode nicht relevant, solange das Eintrittssegment mit einer Kante an den Eingang angrenzt. Das Eintrittssegment ist zumindest Teil eines Eintrittsbereichs, wobei der Eintrittsbereich der gesamten aktiven Fläche am Eingang entspricht.The entry segment is in particular a standardized entry segment of 1 cm ² . A region of the electrode where the electrochemical reaction takes place is called the active surface. The entrance segment is part of the active area. The entry segment can be designed in the same way as the remaining active area. Thus, the entrance segment need not be recognizable by design or other features. In addition, the exact location at the entrance of the electrode is not relevant as long as the entrance segment is adjacent to the entrance with an edge. The inlet segment is at least part of an inlet region, wherein the inlet region corresponds to the entire active surface at the inlet.

Das Überschussverhältnis des Eintrittssegments λ_ES ergibt sich gemäß Gleichung (1) aus dem Verhältnis des Molenstroms des Edukts zu Beginn des Eintrittssegments Ṅ_E,ES zu einer Umsetzungsrate des Edukts am Eintrittssegment Ṅ_U,ES. λ_ES = Ṅ_E,ES/Ṅ_U,ES (1) The excess ratio of the entry segment λ _ES results according to equation (1) from the ratio of the molar flow of the starting material at the beginning of the entry segment Ṅ _{E, ES} to a conversion rate of the educt at the entry segment Ṅ _{U, ES} . λ _ES = Ṅ _{E, ES} / Ṅ _{U, ES} (1)

In der Brennstoffzelle reagieren insbesondere Wasserstoff an einer Anode und Sauerstoff an einer Kathode der Brennstoffzelle elektrochemisch zu Wasser. Insbesondere handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle können die Anode und die Kathode durch eine Membran, insbesondere durch eine Polymerelektrolyt-Membran, voneinander getrennt sein. Insbesondere leitet die Membran Protonen, um die elektrochemischen Reaktion zu ermöglichen. Durch die elektrochemische Reaktion entsteht bevorzugt an der Kathode Wasser.In the fuel cell in particular, hydrogen reacts at an anode and oxygen at a cathode of the fuel cell electrochemically to water. In particular, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. In the fuel cell, the anode and the cathode may be separated from one another by a membrane, in particular by a polymer electrolyte membrane. In particular, the membrane conducts protons to facilitate the electrochemical reaction. The electrochemical reaction preferably produces water at the cathode.

Ein der Elektrode zugeführter Volumenstrom entzieht der Membran Wasser. Dies kann durch die Aufnahme von Wasser in den gasförmigen Volumenstrom bis maximal zum Erreichen des Sättigungsdampfdruckes geschehen. Durch die elektrochemische Umsetzung hingegen entsteht an einer Elektrode Wasser, das die Membran befeuchten kann. Somit kann durch die Einstellung des Volumenstroms, der mit einem Molenstrom des Edukts korreliert ist, und einer Umsetzungsrate des Edukts die Feuchtigkeit der Membran eingestellt werden.A volume flow supplied to the electrode extracts water from the membrane. This can be done by the inclusion of water in the gaseous flow to a maximum of reaching the saturation vapor pressure. On the other hand, the electrochemical reaction produces water at one electrode that can moisten the membrane. Thus, by adjusting the volume flow, which is correlated with a molar flow of the reactant, and a reaction rate of the educt, the moisture of the membrane can be adjusted.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass gerade der Eintrittsbereich am Eingang der Elektrode durch Trockenheit besonders gefährdet ist, da sich noch kein Wasser durch die elektrochemische Reaktion gebildet hat, so dass in dem Eintrittsbereich die Elektrode besonders trocken ist. Das zugeführte Edukt, das bevorzugt bei Temperaturen über 60°C zugeführt wird, hat zudem eine hohe Wasseraufnahmekapazität, so dass das Edukt die Membran austrocknen kann. Darüber hinaus liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass insbesondere für einen Austrittsbereich, der am Ende der Elektrode angeordnet ist, leicht eine Flutung der Elektroden stattfinden kann.The invention is based on the finding that the inlet area at the entrance of the electrode is especially endangered by dryness, since no water has yet formed through the electrochemical reaction, so that the electrode is particularly dry in the entry area. The supplied educt, which is preferably supplied at temperatures above 60 ° C, also has a high water absorption capacity, so that the starting material can dry out the membrane. In addition, the finding is based on the fact that, in particular for an exit region, which is arranged at the end of the electrode, a flooding of the electrodes can easily take place.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt daher darin, sich auf ein normiertes Eintrittssegment zu beziehen. Experimentell hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass ein Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES in einem Wertebereich von 35 bis 75 besonders geeignet ist, die Nachteile, die wie zuvor geschildert nach dem Stand der Technik bei trockenen Membranen oder gefluteten Elektroden vorhanden sind, zu verringern oder zu verhindern, ohne die Effizienz der gesamten Brennstoffzelle zu gefährden.An essential aspect of the invention is therefore to refer to a standardized entry segment. It has surprisingly been found, experimentally, that an excess ratio of the entry segment λ _ES in a value range from 35 to 75 is particularly suitable for reducing or increasing the disadvantages which are present in dry membranes or flooded electrodes as described above according to the prior art without endangering the efficiency of the entire fuel cell.

Insbesondere ist das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES in einem Wertebereich von 35 bis 75 für ein Edukt geeignet, das bei Zuführung zu der Elektrode eine Feuchtigkeit zwischen 0 und 50%, bevorzugt zwischen 10% und 40%, aufweist. Insbesondere weist ein Volumenstrom am Eingang der Elektrode eine Feuchtigkeit zwischen 0 und 50%, bevorzugt zwischen 10% und 40% auf. Diese Feuchtigkeitswerte gelten insbesondere für den Normalbetrieb. Hierbei hat das Edukt und/oder der Volumenstrom insbesondere eine Temperatur von 60°C bis 95°C. Zeitweise, z. B. während und bei Gefrierstarts sind geringere Temperaturen bis –40°C möglich. Hierbei sind auch kurzfristige Abweichungen vom bevorzugten Feuchtigkeitsbereich denkbar.In particular, the excess ratio of the entry segment λ _ES in a value range from 35 to 75 is suitable for a starting material which, when supplied to the electrode, has a humidity between 0 and 50%, preferably between 10% and 40%. In particular, a volume flow at the entrance of the electrode has a humidity between 0 and 50%, preferably between 10% and 40%. These moisture values are especially valid for normal operation. In this case, the educt and / or the volume flow in particular has a temperature of 60 ° C to 95 ° C. At times, z. During and during freeze starts, lower temperatures down to -40 ° C are possible. Here also short-term deviations from the preferred range of humidity are conceivable.

Durch das erfindungsgemäße Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES ist es möglich, auf ein Feuchtigkeitsaustauschmodul oder einen anderen Befeuchter vor der Zuführung zu der Elektrode zu verzichten oder die Dimensionierung des Befeuchters zu verringern, so dass Bauraum und Kosten gespart werden können.Due to the excess ratio of the entry segment λ _ES according to the invention, it is possible to dispense with a moisture exchange module or another humidifier before the supply to the electrode or to reduce the dimensioning of the humidifier, so that installation space and costs can be saved.

Bevorzugt liegt das Überschussverhältnis des Eintrittssegments λ_ES in einem Bereich zwischen 40 bis 70, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 40 und 50. Es hat sich experimentell gezeigt, dass hierdurch die Vorteile der Erfindung noch besser realisiert werden können. Der Bereich des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES, der zwischen 35 bis 75, bevorzugt 40 bis 70, besonders bevorzugt 40 bis 50 entspricht, wird im Folgenden erfindungsgemäßer Bereich genannt. Hierunter kann jedes der drei genannten Intervalle verstanden werden.Preferably, the excess ratio of the entry segment λ _ES lies in a range between 40 and 70, particularly preferably in a range between 40 and 50. It has been shown experimentally that this allows the advantages of the invention to be realized even better. The range of the excess ratio of the entry segment λ _ES , which corresponds to between 35 to 75, preferably 40 to 70, particularly preferably 40 to 50, is referred to below as the range according to the invention. This can be understood as meaning any of the three mentioned intervals.

Vorzugsweise entspricht die Elektrode einer Kathode der Brennstoffzelle. Das heißt, dass das Eintrittssegment, das ein Überschussverhältnis λ_ES im erfindungsgemäßen Bereich, d. h. in einem Bereich von 35 bis 75, bevorzugt von 40 bis 70, besonders bevorzugt von 40 bis 50, hat, am Eingang der Kathode angeordnet ist. Der Kathode kann insbesondere Sauerstoff enthaltene Luft zugeführt werden. Hierzu kann ein Kompressor dienen. Vorzugsweise wird das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES durch die elektrische Leistung eines Kompressors, durch den Sauerstoff als Edukt der Kathode zuführbar ist, in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle eingestellt.Preferably, the electrode corresponds to a cathode of the fuel cell. This means that the inlet segment, which has an excess ratio λ _ES in the range according to the invention, ie in a range from 35 to 75, preferably from 40 to 70, particularly preferably from 40 to 50, is arranged at the inlet of the cathode. The cathode can in particular be supplied with oxygen-containing air. This can be done by a compressor. Preferably, the excess ratio of the inlet segment λ _ES by the electrical Power of a compressor, is fed through the oxygen as the starting material of the cathode, adjusted in dependence on the electrical power of the fuel cell.

Alternativ oder zusätzlich kann die Elektrode, deren Eintrittssegment mit einem erfindungsgemäßen Überschussverhältnis λ_ES versorgt wird, die Anode sein. Hierzu kann ein Einlassventil und/oder ein Rezirkulationsgebläse entsprechend des erfindungsgemäßen Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES eingestellt werden.Alternatively or additionally, the electrode whose inlet segment is supplied with an excess ratio λ _ES according to the invention may be the anode. For this purpose, an inlet valve and / or a recirculation fan can be set in accordance with the excess ratio of the entry segment λ _ES according to the invention.

Es kann sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Kontrolleinheit aufweist. Die Kontrolleinheit steuert und/oder regelt das Brennstoffzellensystem. Insbesondere kann die Kontrolleinheit die elektrische Leistung des Kompressors, eine Stellung des Einlassventils und/oder die elektrische Leistung des Rezirkulationsgebläses einstellen. Die Kontrolleinheit erhält Werte über den von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom und/oder über die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung und/oder über die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung. Die Kontrolleinheit kann das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES einstellen. Die erfindungsgemäße Auslegung des Brennstoffzellensystems kann daher ein Steuerungs- und/oder Regelungsverfahren, durch das ein Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes im erfindungsgemäßen Bereich resultiert und das in der Kontrolleinheit hinterlegt ist, beinhalten.It may be that the fuel cell system has a control unit. The control unit controls and / or regulates the fuel cell system. In particular, the control unit may adjust the electrical power of the compressor, a position of the inlet valve and / or the electrical power of the recirculation fan. The control unit receives values about the electric current generated by the fuel cell and / or about the electrical voltage generated by the fuel cell and / or about the electrical power generated by the fuel cell. The control unit can adjust the excess ratio of the entrance segment λ _ES . The inventive design of the fuel cell system can therefore include a control and / or regulation method, which results in an excess ratio of the entry segment in the range according to the invention and which is deposited in the control unit.

In dem Austrittsbereich der Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle besonders feucht, da der Volumenstrom im Austrittsbereich eine geringere Wasseraufnahmekapazität hat, da der Volumenstrom bereits über der Membran bzw. aus der wasserproduzierenden Brennstoffzellenreaktion Wasser aufgenommen hat. Durch einen hohen Volumenstrom im Austrittsbereich der Membran kann eine Wasseraustragung erhöht werden. Hierdurch lässt sich eine gute Gefrier- und Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzelle erreichen. Bei einer vorgegebenen Brennstoffzellengeometrie kann durch die Wahl eines Wertes im oberen erfindungsgemäßen Bereich des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES, z. B. bei einem Wert von 70, besonders gut Feuchtigkeit aus dem Austrittsbereich der Brennstoffzelle ausgetragen werden. Bei der Wahl des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs kann dieser Zusammenhang berücksichtigt werden. Bei der Wahl für das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches wird eine Toleranz gegenüber trockenen und nassen Bedingungen berücksichtigt.In the outlet region of the fuel cell, the fuel cell is particularly moist, since the volume flow in the outlet region has a lower water absorption capacity, since the volume flow has already absorbed water above the membrane or from the water-producing fuel cell reaction. By a high volume flow in the outlet region of the membrane, a water discharge can be increased. This makes it possible to achieve a good freezing and cold start capability of the fuel cell. For a given fuel cell geometry can by selecting a value in the upper range of the invention, the excess ratio of the inlet segment λ _ES , z. B. at a value of 70, particularly good moisture are discharged from the outlet region of the fuel cell. When choosing the excess ratio of the entry segment λ _ES within the range according to the invention, this relationship can be taken into account. In the choice for the excess ratio of the inlet segment λ _ES within the range of the invention, a tolerance to dry and wet conditions is taken into account.

In einer Ausführungsform der Erfindung hält die Kontrolleinheit das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES während eines Betriebes der Brennstoffzelle konstant. So kann z. B. die Kontrolleinheit bei einem steigenden Bedarf an elektrischen Strom aus der Brennstoffzelle die elektrische Leistung des Kompressors erhöhen. Hierdurch ist eine einfache Steuerung und/oder Regelung möglich. Es kann sein, dass jeweils nur ein einziger fest vorgegebener Wert für das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes eingestellt wird. Alternativ ist es möglich, je nach Feuchtigkeit und/oder Temperatur des zugeführten Volumenstroms einen Wert im erfindungsgemäßen Wertebereich auszuwählen und dann während des Betriebes konstant zu halten.In one embodiment of the invention, the control unit keeps the excess ratio of the entrance segment λ _ES constant during operation of the fuel cell. So z. B. increase the control unit with an increasing demand for electricity from the fuel cell, the electric power of the compressor. As a result, a simple control and / or regulation is possible. It may be that in each case only a single fixed value for the excess ratio of the inlet segment is set. Alternatively, it is possible, depending on the humidity and / or temperature of the supplied volume flow, to select a value in the value range according to the invention and then to keep it constant during operation.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung lässt die Kontrolleinheit das Überschussverhältnis des Eintrittssegments λ_ES während eines Betriebes der Brennstoffzelle um eine Schwankungsbreite variieren. Die Schwankungsbreite kann insbesondere kleiner gleich 20%, bevorzugt kleiner gleich 15%, besonders bevorzugt kleiner gleich 10%, betragen. Bevorzugt sind nur solche Überschussverhältnisse des Eintrittssegmentes erlaubt, die in dem erfindungsgemäßen Bereich liegen. Durch eine Schwankung des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes können z. B. Feuchtigkeitsentwicklungen des Eintrittssegments oder des zugeführten Eduktes oder Temperaturschwankungen an der Membran oder im zugeführten Edukt während des Betriebes berücksichtigt werden. Zudem oder alternativ kann einer Trägheit des Brennstoffzellensystems Rechnung getragen werden oder die elektrische Leistung des Kompressors bei nur kleinen Schwankungen in der Stromproduktion konstant gehalten werden.In an alternative embodiment of the invention, the control unit has the excess ratio of the entry segment λ _ES varied during operation of the fuel cell by a fluctuation range. The fluctuation range may in particular be less than or equal to 20%, preferably less than or equal to 15%, particularly preferably less than or equal to 10%. Preferably only those excess ratios of the entry segment are allowed, which are in the range according to the invention. By a fluctuation of the excess ratio of the inlet segment z. B. moisture development of the entrance segment or the supplied educt or temperature fluctuations on the membrane or in the feed reactant during operation are taken into account. Additionally or alternatively, an inertia of the fuel cell system may be taken into account or the electric power of the compressor may be kept constant with only small fluctuations in power production.

Die Brennstoffzelle weist einen Strömungsweg des Eduktes über der Elektrode auf. Der Strömungsweg kann als ein Gaskanal oder als mehrere Gaskanäle ausgestaltet sein. Eine Länge des Strömungsweges l wird als die Länge des Strömungsweges in Strömungsrichtung definiert. Eine Breite des Strömungsweges b wird als die Breite des Strömungsweges senkrecht zur Strömungsrichtung definiert. Das Edukt kann vom dem Strömungsweg zu der darunter liegenden Elektrode gelangen und von dort aus in angrenzende Elektrodenbereich diffundieren. Hierdurch wird die aktive Fläche der Elektrode festgelegt. Die Breite b kann insbesondere die Elektrodenbereiche, zu denen das Edukt diffundiert, mit umfassen. Der Strömungsweg l kann parallel zu einer Kante Elektrode oder mäanderförmig sein. Die Elektrode kann rechteckig ausgestaltet sein. Im Falle eines parallelen Strömungsweges einer rechteckigen Elektrode können l und b der Länge und Breite einer aktiven Fläche der Elektrode entsprechen. Entspricht die aktive Fläche der Elektrodenfläche, so können die Länge und die Breite des Strömungsweges der Länge und Breite der Elektrode entsprechen.The fuel cell has a flow path of the educt over the electrode. The flow path may be configured as a gas channel or as multiple gas channels. A length of the flow path I is defined as the length of the flow path in the flow direction. A width of the flow path b is defined as the width of the flow path perpendicular to the flow direction. The starting material can pass from the flow path to the underlying electrode and from there diffuse into adjacent electrode regions. This determines the active area of the electrode. The width b may in particular include the electrode regions to which the educt diffuses. The flow path l can be parallel to an edge electrode or meandering. The electrode may be rectangular. In the case of a parallel flow path of a rectangular electrode, l and b may correspond to the length and width of an active area of the electrode. If the active surface corresponds to the electrode surface, then the length and the width of the flow path can correspond to the length and width of the electrode.

Es kann sein, dass ein gewünschtes Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES in der Kontrolleinheit hinterlegt ist. Bei bekannter Länge l des Strömungsweges kann anstelle des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES ein Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt in der Kontrolleinheit hinterlegt sein. Das Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt gibt das Verhältnis eines gesamten Molenstroms des Edukts zu Beginn der Elektrode Ṅ_E,gesamt zu der Umsetzungsrate des Edukts an der gesamten Elektrode Ṅ_U,gesamt gemäß Gleichung (2) an. λ_gesamt = Ṅ_E,gesamt/Ṅ_U,gesamt (2) It may be that a desired excess ratio of the entry segment λ _ES is stored in the control unit. With a known length l of the flow path, instead of the excess ratio of the entry segment λ _ES, an excess ratio of the entire electrode λ can be deposited _overall in the control unit. The excess ratio of the total electrode λ _total indicates the ratio of a total molar flow of the starting material at the beginning of the electrode Ṅ _{E, in total} to the reaction rate of the starting material over the entire electrode Ṅ _{U, in total} according to equation (2). λ _total = Ṅ _{E, total} / Ṅ _{U, total} (2)

Für die Beziehung des Überschussverhältnisses des Eintrittssegmentes λ_ES zu dem Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt gilt Gleichung (3). λ_ES = l/cm·λ_gesamt (3) For the relationship of the excess ratio of the entrance segment λ _ES to the excess ratio of the _total electrode λ _total , equation (3) applies. λ _ES = 1 / cm · λ _total (3)

Diese Beziehung folgt aus den Beziehungen der Umsetzungsraten des Edukts Ṅ_U,ES, Ṅ_U,gesamt zur Stromstärke pro aktiver Flächeneinheit der Elektrode i gemäß den Gleichungen (4) und (5), wobei mit F die Faraday-Konstante und mit z die Anzahl der reagierenden Elektronen pro Molekül bezeichnet sind, und aus der Beziehung der Molenströme Ṅ_E,ES, Ṅ_E,gesamt gemäß Gleichung (6). Ṅ_U,ES = i / zF (4) Ṅ_U,gesamt = i·l·b / zF (5)

This relationship follows from the relationships of the reaction rates of the reactant Ṅ _{U, ES} , Ṅ _{U, total} to the current per unit active area of the electrode i according to equations (4) and (5), where F is the Faraday constant and z is the number of the reacting electrons per molecule, and from the relationship of the mole currents Ṅ _{E, ES} , Ṅ _{E, total} according to equation (6).

Ṅ _{U, ES} = i / zF (4)

Ṅ _{U, total} = i · l · b / zF (5)

Durch die für eine vorgegebene Länge l festes Verhältnis von λ_ES und λ_gesamt ist es nicht notwendig, explizit mindestens einen Wert oder einen Wertebereich für das Überschussverhältnisses im Eintrittssegment λ_ES zu hinterlegen. Vielmehr ist es erfindungsgemäß ausreichend, bei vorgegebene Länge l mindestens einen Wert oder einen Wertebereich für λ_gesamt zu hinterlegen, aus dem sich das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES im erfindungsgemäßen Bereich ergibt.Due to the fixed ratio of λ _ES and λ _total for a given length l, it is not necessary to explicitly deposit at least one value or a range of values for the excess ratio in the entry segment λ _ES . Rather, it is sufficient according to the invention for a given length l to deposit at least one value or a value range for λ _total , from which the excess ratio of the entry segment λ _ES results in the range according to the invention.

Es kann ausreichend sein, kein Überschussverhältnis in der Kontrolleinheit zu hinterlegen, sondern eine Korrelation der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle zu einem der Elektrode zugeführten Volumenstrom mit einem bekannten Molenbruch des Eduktes in der Kontrolleinheit zu hinterlegen. Insbesondere kann eine Korrelation zwischen der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle und der elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors in der Kontrolleinheit hinterlegt sein, aus der sich das Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES im erfindungsgemäßen Bereich ergibt.It may be sufficient not to deposit an excess ratio in the control unit, but to deposit a correlation of the electric power or the electric current of the fuel cell to a volumetric flow supplied to the electrode with a known molar fraction of the educt in the control unit. In particular, a correlation between the electrical power of the fuel cell and the electrical power consumption of the compressor can be stored in the control unit, from which results the excess ratio of the entry segment λ _ES in the range according to the invention.

Es kann sein, dass die Brennstoffzelle für das Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt auf einen vorgegebenen Wertebereich ausgelegt ist. Hierdurch kann eine ausreichende Versorgung mit dem Edukt im Austrittsbereich der Elektrode und/oder ein ausreichender Feuchtigkeitsaustrag gewährleistet sein. Wertebereich für ein Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt können z. B. zwischen 1,5 und 2,0, bevorzugt 1,6 und 1,8 für die Kathode und zwischen 1,5 und 2,2, bevorzugt zwischen 1,6 und 2,0 für die Anode liegen. Das Überschussverhältnis der gesamten Elektrode λ_gesamt kann während des Betriebes der Brennstoffzelle konstant gehalten werden oder um eine Schwankungsbreite variieren. Die Schwankungsbreite entspricht bevorzugt der Schwankungsbreite für λ_ES.It may be that the fuel cell is designed for the excess ratio of the entire electrode λ _total to a predetermined value range. In this way, an adequate supply of the educt in the exit region of the electrode and / or a sufficient moisture discharge can be ensured. Range of values for an excess ratio of the _total electrode λ _total z. B. between 1.5 and 2.0, preferably 1.6 and 1.8 for the cathode and between 1.5 and 2.2, preferably between 1.6 and 2.0 for the anode. The excess ratio of the entire electrode λ _total can be kept constant during operation of the fuel cell or vary by a fluctuation range. The fluctuation range preferably corresponds to the fluctuation width for λ _ES .

Die Länge des Strömungsweges l kann mit einem gewünschten Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES korreliert sein. Ist λ_gesamt vorgegeben, so ergibt sich die Länge des Strömungsweges l aus dem gewünschten Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES innerhalb des erfindungsgemäßen Wertebereichs. Dieses ergibt sich aus Gleichung (3). Somit kann die Auslegung des Brennstoffzellensystems beinhalten, die Länge des Strömungsweges l gemäß der vorgegebenen Werte für λ_gesamt und λ_ES zu bestimmen. Handelt es sich um einen Strömungsweg parallel zur Elektrode, so entspricht die Länge des Strömungsweges der Länge der Elektrode.The length of the flow path 1 can be correlated with a desired excess ratio of the entry segment λ _ES . If λ is given as a _whole , then the length of the flow path l results from the desired excess ratio of the entry segment λ _ES within the value range according to the invention. This results from equation (3). Thus, the design of the fuel cell system may include determining the length of the flow path 1 according to the predetermined values for λ _total and λ _ES . If it is a flow path parallel to the electrode, then the length of the flow path corresponds to the length of the electrode.

Insbesondere ist die Breite des Strömungsweges mit einer elektrischen Leistung, für die die Brennstoffzelle ausgelegt ist, korreliert. Sind λ_gesamt und λ_ES vorgegeben, so ist auch die Länge des Strömungsweges l festgelegt. Eine elektrische Leistung der Brennstoffzelle hängt von der aktiven Fläche der Elektrode ab. Um eine Brennstoffzelle, die für eine spezifische elektrische Leistung ausgelegt ist, zur Verfügung zu stellen, muss die Breite des Strömungsweges der Anforderung an die elektrische Leistung angepasst werden. Handelt es sich um einen Strömungsweg parallel zur Elektrode, bei der die gesamte Elektrode die aktive Fläche bildet, so entspricht die Breite des Strömungsweges der Breite der Elektrode.In particular, the width of the flow path is correlated with electrical power for which the fuel cell is designed. If λ _total and λ _{ES are} specified, then the length of the flow path l is fixed. An electric power of the fuel cell depends on the active area of the electrode. In order to provide a fuel cell designed for a specific electric power, it must the width of the flow path of the request for electrical power to be adjusted. If it is a flow path parallel to the electrode, in which the entire electrode forms the active surface, the width of the flow path corresponds to the width of the electrode.

Erfindungsgemäß kann bei vorgegebenen λ_gesamt, λ_ES, vorgegebener elektrischer Leistungsauslegung der Brennstoffzelle und parallelen Strömungswegen die Länge und Breite der Elektrode vorgegeben sein.According to the invention, the length and width of the electrode can be predetermined given a given λ _total , λ _ES , predetermined electrical power design of the fuel cell and parallel flow paths.

Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenstapel aus Brennstoffzellen enthalten, von denen zumindest eine Brennstoffzelle, bevorzugt alle Brennstoffzellen, in einem erfindungsgemäßen Bereich für das Überschussverhältnis des Eintrittssegments arbeitet.The fuel cell system may include a fuel cell stack of fuel cells, of which at least one fuel cell, preferably all fuel cells, operates in a region according to the invention for the excess ratio of the entry segment.

Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei einer Elektrode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ein Edukt zugeführt wird, das an der Elektrode elektrochemisch reagiert, wobei die Elektrode ein Eintrittssegment aufweist, das am Eingang der Elektrode angeordnet ist. Hierbei liegt ein Überschussverhältnis des Eintrittssegments, das ein Verhältnis eines Molenstroms des Edukts zu Beginn des Eintrittssegments zu einer Umsetzungsrate des Edukts am Eintrittssegment angibt, in einem Bereich von 35 bis 75.The invention is also achieved by a method for operating a fuel cell system, wherein an educt is supplied to an electrode of a fuel cell of the fuel cell system, which reacts electrochemically at the electrode, wherein the electrode has an inlet segment, which is arranged at the entrance of the electrode. In this case, an excess ratio of the entry segment, which indicates a ratio of a molar flow of the educt at the beginning of the entry segment to a conversion rate of the educt at the entry segment, is in a range from 35 to 75.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further measures improving the invention will become apparent from the following description of the embodiments of the invention, which is shown schematically in the figures. All of the claims, the description or the drawing resulting features and / or advantages, including design details, spatial arrangement and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Show it:

1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, 1 a fuel cell system according to the invention,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, 2 A first embodiment of an electrode of a fuel cell of the fuel cell system,

3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems und 3 A second embodiment of an electrode of a fuel cell of the fuel cell system and

4 ein erfindungsgemäßes Verfahren. 4 a method according to the invention.

Elemente mit gleicher Wirkungsweise sind mit denselben Bezugszeichen dargestellt.Elements with the same mode of action are shown with the same reference numerals.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 mit einer Brennstoffzelle 11, die in diesem Ausführungsbeispiel als PEM-Brennstoffzelle ausgestaltet ist, dargestellt. Die Brennstoffzelle 11 ist Teil eines nicht dargestellten Brennstoffzellenstapels. Die Brennstoffzelle 11 weist zwei Elektroden, eine Anode 12 und eine Kathode 13 auf. Die Anode 12 und die Kathode 13 sind durch eine Membran 14 voneinander getrennt. Die Membran 14 dient als Festkörperelektrolyt.In 1 is a fuel cell system according to the invention 10 with a fuel cell 11 , which is designed in this embodiment as a PEM fuel cell, shown. The fuel cell 11 is part of a fuel cell stack, not shown. The fuel cell 11 has two electrodes, one anode 12 and a cathode 13 on. The anode 12 and the cathode 13 are through a membrane 14 separated from each other. The membrane 14 serves as a solid electrolyte.

Aus einem Wasserstofftank 21 wird einem Anodenraum 15 über der Anode 12 Wasserstoff als Edukt der elektrochemischen Reaktion zugeführt. Hierbei wird durch ein Einlassventil 22 der Molenstrom, der dem Anodenraum 15 zugeführt wird, eingestellt. λ_gesamt der Anode 12 ist in einem Wertebereich zwischen 1,6 und 2,0 festgelegt. Hierdurch verlässt unverbrauchter Wasserstoff den Anodenraum 15. Um den Wasserstoff der Anode 12 erneut zuzuführen, ist eine Rezirkulationsleitung 23 vorgesehen, in der ein Gebläse 24 angeordnet ist. Durch ein Auslassventil 25 kann der Volumenstrom, der den Anodenraum 15 durchlaufen hat, alternativ an eine Umgebung 27 abgegeben werden.From a hydrogen tank 21 becomes an anode compartment 15 over the anode 12 Hydrogen fed as starting material of the electrochemical reaction. This is done by an inlet valve 22 the mole current, the anode space 15 is supplied, set. λ _{total of} the anode 12 is set in a range between 1.6 and 2.0. As a result, unused hydrogen leaves the anode compartment 15 , To the hydrogen of the anode 12 refill is a recirculation line 23 provided in which a blower 24 is arranged. Through an outlet valve 25 can the volume flow of the anode compartment 15 has passed through, alternatively to an environment 27 be delivered.

Aus der Umgebung 27 wird Sauerstoff enthaltene Luft als ein Volumenstrom durch einen Kompressor 26 einem Kathodenraum 16 zugeführt. Der Sauerstoff als Edukt reagiert mit dem Wasserstoff elektrochemisch zu Wasser. Hierbei leitet die Membran 14 Protonen. Das Wasser entsteht auf der Seite der Kathode 13. Der Volumenstrom des Kathodenraums 16 wird nach Durchlaufen des Kathodenraums 16 an die Umgebung 27 abgegeben. λ_gesamt der Kathode 13 ist in einem Wertebereich zwischen 1,6 und 1,8 festgelegt. Zwischen dem Kompressor 26 und der Brennstoffzelle 11 ist ein Befeuchter 29 vorgesehen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist kein Befeuchter 29 vorgesehen. Der Anodenraum 15 und der Kathodenraum 16 entsprechen den Strömungswegen für die Edukte. Der Anoden- und der Kathodenraum 16 sind als parallele Gaskanäle ausgestaltet.From the environment 27 For example, oxygen-containing air is considered a volume flow through a compressor 26 a cathode compartment 16 fed. The oxygen as reactant reacts with the hydrogen electrochemically to water. Here, the membrane conducts 14 Protons. The water is created on the side of the cathode 13 , The volume flow of the cathode compartment 16 is after passing through the cathode compartment 16 to the environment 27 issued. λ _{total of} the cathode 13 is set in a range between 1.6 and 1.8. Between the compressor 26 and the fuel cell 11 is a humidifier 29 intended. In a not shown embodiment of a fuel cell system according to the invention is not a humidifier 29 intended. The anode compartment 15 and the cathode compartment 16 correspond to the flow paths for the educts. The anode and cathode compartments 16 are designed as parallel gas channels.

Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Kontrolleinheit 28 auf. Die Kontrolleinheit 28 steuert und/oder regelt die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors 26 und des Gebläses 24 und die Stellung der Einlass- und Auslassventile 22, 25. Die Kontrolleinheit 28 erhält Werte über die aktuelle elektrische Leistung der Brennstoffzelle 11. The fuel cell system 10 has a control unit 28 on. The control unit 28 controls and / or regulates the electrical power consumption of the compressor 26 and the blower 24 and the position of the intake and exhaust valves 22 . 25 , The control unit 28 receives values about the current electrical power of the fuel cell 11 ,

In den 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Kathode 13 der Brennstoffzelle 11 dargestellt. Die Kathode 13 ist jeweils rechteckig mit einer aktiven Fläche A ausgestaltet, die sich aus dem Produkt einer Länge l und einer Breite b der Kathode 13 ergibt. Der Sauerstoff wird in parallelen Strömungswegen 16 zugeführt, wobei die Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil 34 entlang der Länge l festgelegt ist, die zugleich der Länge des Strömungsweges 16 entspricht. Ein Molenstrom Ṅ_E,gesamt Sauerstoff wird der Kathode 13 durch den Kathodenraum 16 zugeführt. An der ganzen aktiven Fläche A wird eine Umsatzrate des Sauerstoffs Ṅ_U,gesamt erzielt.In the 2 and 3 are two embodiments of a cathode 13 the fuel cell 11 shown. The cathode 13 is in each case rectangular with an active surface A configured, which is made of the product of a length l and a width b of the cathode 13 results. The oxygen is in parallel flow paths 16 supplied, wherein the flow direction according to the arrow 34 along the length l, which is at the same time the length of the flow path 16 equivalent. A mole current Ṅ _{E, total} oxygen becomes the cathode 13 through the cathode compartment 16 fed. On the whole active area A, a conversion rate of the oxygen Ṅ _{U, total is} achieved.

Die Kathode 13 weist einen Eintrittsbereich 31 am Eingang 30 der Kathode 13 auf. Der Eintrittsbereich 31 ist zu Beginn der Kathode 13 angeordnet. Die Membran 14 am Eintrittsbereich 31 ist trockener als die übrige Membran, da der Volumenstrom zu Beginn der Kathode 13 trocken ist.The cathode 13 has an entrance area 31 at the entrance 30 the cathode 13 on. The entrance area 31 is at the beginning of the cathode 13 arranged. The membrane 14 at the entrance area 31 is drier than the rest of the membrane, since the volume flow at the beginning of the cathode 13 is dry.

Die Kathode weist einen Austrittsbereich 32 auf. Der Austrittsbereich 32 ist am Ende der Kathode 13 in Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil 34 angeordnet. Die Membran 14 am Austrittsbereich 32 ist feuchter als die übrige Membran, da der Volumenstrom, der den Kathodenraum 16 durchströmt, bereits Wasser aufgenommen hat und eine geringere Wasseraufnahmekapazität aufweist.The cathode has an exit area 32 on. The exit area 32 is at the end of the cathode 13 in the flow direction according to the arrow 34 arranged. The membrane 14 at the exit area 32 is moister than the rest of the membrane, since the volume flow, the cathode space 16 flows through, has already absorbed water and has a lower water absorption capacity.

Der Eintrittsbereich 31 weist ein auf 1 cm² normiertes Eintrittssegment 33 auf. Ein Molenstrom Ṅ_E,ES Sauerstoff wird dem Eintrittssegment 33 durch den Kathodenraum 16 zugeführt. An dem Eintrittssegment wird eine Umsatzrate des Sauerstoffs Ṅ_U,ES erzielt. Molenstrom und Umsatzrate können z. B. die Einheit Mol (Sauerstoff) pro Sekunde aufweisen. Die Molenströme Ṅ_E,gesamt und Ṅ_E,ES sind jeweils die Molenströme, die zu Beginn der Kathode 13 bzw. des Eintrittssegmentes vorliegen. Das heißt, es ist noch kein Sauerstoff aus den Molenströme Ṅ_E,gesamt und Ṅ_E,ES umgesetzt worden.The entrance area 31 has a normalized to 1 cm ² entry segment 33 on. A mole current Ṅ _{E, ES} oxygen is the entry segment 33 through the cathode compartment 16 fed. At the entry segment, a conversion rate of the oxygen Ṅ _{U, ES is} achieved. Molenstrom and turnover rate can z. B. have the unit moles (oxygen) per second. The mole currents Ṅ _{E, total} and Ṅ _{E, ES} are the mole currents at the beginning of the cathode 13 or of the entry segment. This means that no oxygen has yet been converted from the mole currents Ṅ _{E, total} and Ṅ _{E, ES} .

Erfindungsgemäß liegt das Überschussverhältnis des Eintrittsegmentes λ_ES, das dem das Verhältnis des Molenstroms Ṅ_E,ES zur eine Umsatzrate des Sauerstoffs Ṅ_U,ES am Eintrittssegment entspricht, in einem Wertebereich von 35 zu 75, bevorzugt 40 bis 70, besonders bevorzugt 40 bis 50. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Wertebereich der Eintrittsbereich 31 nicht so trocken, dass die Membran beschädigt werden könnte, und der Austrittsbereich 32 nicht so feucht ist, dass eine Gefrierstartfähigkeit beeinträchtigt ist. Durch diesen Wertebereich kann der Befeuchter 29 klein gehalten oder ganz weggelassen werden.According to the invention, the excess ratio of the entry segment λ _ES , which corresponds to the ratio of the molar flow Ṅ _{E, ES} to a conversion rate of the oxygen Ṅ _{U, ES} at the entry segment, is in a value range from 35:75, preferably 40 to 70, particularly preferably 40 to 50 It has been shown that in this value range the entry area 31 not so dry that the membrane could be damaged and the exit area 32 is not so moist that a freeze-start capability is impaired. Through this range, the humidifier 29 kept small or completely omitted.

Die Kathode 13, die in der 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von der Kathode 13, die in der 3 dargestellt ist, durch das Verhältnis von Länge l zu Breite b bei gleicher aktiver Fläche A. Die Kathode 13 in 3 ist langgestreckter als die Kathode 13 der 2. Bei gleichem λ_gesamt ist λ_ES der Kathode 13 aus 3 größer als das λ_ES der Kathode 13 aus 2. Z. B. kann das λ_ES der Kathode 13 aus 3 40 und das λ_ES der Kathode 13 aus 2 60 betragen. Der Molenstrom Ṅ_E,ES und damit auch der Volumenstrom, der das Eintrittssegment 33 überströmt, ist in 3 größer als in 2. Hierdurch ist der Eintrittsbereich 31 in 3 trockener als der Eintrittsbereich 31 in 2. In 3 kann dafür das Wasser besser aus dem Austrittsbereich 32 abgeführt werden als in 2. Somit eignet sich die Kathode 13 in 2 für trockenere Luft als die Kathode 13 in 3. So kann die Luft für die Kathode 13 am Eingang 30 in 2 z. B. eine Luftfeuchtigkeit von 10% bei einer Temperatur von 60°C bis 95°C aufweisen, während die Luft für die Kathode 13 am Eingang 30 in 3 eine Luftfeuchtigkeit von 40% bei einer Temperatur von 60°C bis 95°C aufweisen kann.The cathode 13 in the 2 is different from the cathode 13 in the 3 is represented by the ratio of length l to width b for the same active area A. The cathode 13 in 3 is elongated than the cathode 13 of the 2 , For the same λ _total , λ _{ES is} the cathode 13 out 3 greater than the λ _{ES of} the cathode 13 out 2 , For example, the λ _{ES of} the cathode 13 out 3 40 and the λ _{ES of} the cathode 13 out 2 60 amount. The mole flow Ṅ _{E, ES} and thus also the volume flow, the inlet segment 33 is overflowing, is in 3 bigger than in 2 , This is the entry area 31 in 3 drier than the entry area 31 in 2 , In 3 can make the water better from the exit area 32 be dissipated as in 2 , Thus, the cathode is suitable 13 in 2 for drier air than the cathode 13 in 3 , So can the air for the cathode 13 at the entrance 30 in 2 z. B. have a humidity of 10% at a temperature of 60 ° C to 95 ° C, while the air for the cathode 13 at the entrance 30 in 3 may have a humidity of 40% at a temperature of 60 ° C to 95 ° C.

Durch den erfindungsgemäßen Wertebereich für λ_ES ist somit bei vorgegebenen λ_gesamt die Länge l auf einen Längenbereich eingeschränkt. Soll die elektrische Leistung, für die die Brennstoffzelle 11 ausgelegt ist, und damit die aktive Fläche A erhöht werden, so kann die Kathode 13 nur in der Breite b erhöht werden.As a result of the value range for λ _ES according to the invention, the length l is thus limited to a length range for a given λ _overall . Is the electric power for which the fuel cell 11 is designed, and thus the active area A are increased, so the cathode 13 only be increased in width b.

Die Kontrolleinheit 28 stellt den Kompressor 26 so ein, dass λ_ES im Wesentlichen konstant bleibt. D. h. steigt die aktuelle elektrische Leistung der Brennstoffzelle 11 und damit Ṅ_U,ES, so wird die elektrische Leistung des Kompressors 26 erhöht, so dass Ṅ_E,ES erhöht wird und umgekehrt. Durch die Trägheit des Brennstoffzellensystems 10 kann es hierbei zu einer geringen Schwankungsbreite von λ_ES kommen.The control unit 28 puts the compressor 26 such that λ _ES remains substantially constant. Ie. increases the current electrical power of the fuel cell 11 and thus Ṅ _{U, ES} , so is the electric power of the compressor 26 increased, so that Ṅ _{E, ES is} increased and vice versa. Due to the inertia of the fuel cell system 10 this can lead to a small fluctuation range of λ _ES .

Das Überschussverhältnis des Eintrittssegments λ_ES muss dabei nicht explizit der Kontrolleinheit 28 bekannt sein. Es genügt, dass bei konstanter Strömungsweglänge l ein entsprechendes λ_gesamt eingestellt wird. Alternativ kann eine Korrelation der aktuellen elektrischen Leistung oder des aktuellen elektrischen Stroms der Brennstoffzelle 11 zu der elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors 26 in der Kontrolleinheit 28 hinterlegt sein. Hierzu muss der Kontrolleinheit 28 weder λ_ES noch λ_gesamt bekannt sein.The excess ratio of the entry segment λ _ES need not explicitly the control unit 28 be known. It is sufficient that a corresponding λ _{total is} set with a constant flow path _length l. Alternatively, a correlation of the current electrical power or current electric current the fuel cell 11 to the electrical power consumption of the compressor 26 in the control unit 28 be deposited. For this the control unit must 28 neither λ _ES nor λ be known in _total .

In 4 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 40 dargestellt. Die Kontrolleinheit 28 erhält in einem ersten Verfahrensschritt 41 einen Wert für die aktuelle elektrische Leistung der Brennstoffzelle 11. In einem zweiten Verfahrensschritt 42 passt die Kontrolleinheit 28 bei einer Änderung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 11 die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors 26 entsprechend der in der Kontrolleinheit hinterlegten Korrelation an. Die in der Kontrolleinheit 28 hinterlegte Korrelation führt zu einem erfindungsgemäßen Überschussverhältnis des Eintrittssegmentes λ_ES.In 4 is a method according to the invention 40 shown. The control unit 28 receives in a first process step 41 a value for the current electrical power of the fuel cell 11 , In a second process step 42 fits the control unit 28 upon a change in the electric power of the fuel cell 11 the electrical power consumption of the compressor 26 according to the correlation stored in the control unit. The in the control unit 28 deposited correlation leads to an inventive excess ratio of the entrance segment λ _ES .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004022312 A1 [0003]

Claims

Fuel cell system ( 10 ) with a fuel cell ( 11 ) with at least one electrode ( 12 . 13 ), wherein the electrode ( 12 . 13 ) an educt for the electrochemical reaction can be supplied, wherein the electrode ( 12 . 13 ) an entry segment ( 33 ), which at the entrance of the electrode ( 12 . 13 ), characterized in that the fuel cell system ( 10 ) is designed so that an excess ratio of the entry segment (λ _ES ), which is a ratio of a molar flow of the starting material (Ṅ _{E, ES} ) at the beginning of the entry segment ( 33 ) to a conversion rate of the educt (Ṅ _{U, ES} ) at the entry segment ( 33 ) is in a range of 35 to 75.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the excess ratio of the entry segment (λ _ES ) preferably in a range between 40 to 70, particularly preferably in a range between 40 and 50, lies.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) a control unit ( 28 ), the excess ratio of the inlet segment (λ _ES ) during operation of the fuel cell ( 11 ) keeps constant.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) a control unit ( 28 ), the excess ratio of the entrance segment (λ _ES ) during operation of the fuel cell ( 11 ) varies by a fluctuation range, wherein in particular the fluctuation width is less than or equal to 20%, preferably less than or equal to 15%, particularly preferably less than or equal to 10%.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 11 ) a flow path ( 15 . 16 ) of the educt above the electrode ( 12 . 13 ), wherein the length of the flow path (l) is correlated with a desired excess ratio of the entry segment (λ _ES ).

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the flow path ( 15 . 16 ), in particular the width (b) of the electrode ( 12 . 13 ), with an electric power for which the fuel cell ( 11 ) is correlated.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 12 . 13 ) a cathode ( 13 ) of the fuel cell ( 11 ), wherein the excess ratio of the inlet segment (λ _ES ) by the electrical power of a compressor ( 26 ), by the oxygen as educt of the cathode ( 13 ), depending on the electrical power of the fuel cell ( 11 ) is adjustable.

Fuel cell system ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the starting material when supplied to the electrode ( 12 . 13 ) has a humidity between 0 and 50%, preferably between 10% and 40%, during normal operation.

Procedure ( 40 ) for operating a fuel cell system ( 10 ), one electrode ( 12 . 13 ) a fuel cell ( 11 ) of the fuel cell system ( 10 ), an educt is fed to the electrode ( 12 . 13 ) reacts electrochemically, the electrode ( 12 . 13 ) an entry segment ( 33 ), which at the entrance of the electrode ( 12 . 13 ), characterized in that an excess ratio of the entry segment (λ _ES ), which is a ratio of a molar flow of the educt (Ṅ _{E, ES} ) at the beginning of the entry segment ( 33 ) to a conversion rate of the educt (Ṅ _{U, ES} ) at the entry segment ( 33 ) is in a range of 35 to 75.

Procedure ( 40 ) according to claim 9, characterized in that it is equipped with a fuel cell system ( 10 ) is operable according to one of claims 1 to 8.