DE102022201591A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Jochen Wessner
Martin Katz
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100). Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (101) und eine Wasserpumpe (103).Der Brennstoffzellenstapel (101) umfasst eine Vielzahl Brennstoffzellen (105). In dem Brennstoffzellenstapel (101) sind die Brennstoffzellen (105) über einen durch Öffnungen in den Brennstoffzellen (105) gebildeten Versorgungskanal (107) wasserleitend miteinander verbunden.The invention presented relates to a fuel cell system (100). The fuel cell system (100) includes a fuel cell stack (101) and a water pump (103). The fuel cell stack (101) includes a plurality of fuel cells (105). In the fuel cell stack (101), the fuel cells (105) are connected to one another in a water-conducting manner via a supply channel (107) formed by openings in the fuel cells (105).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.The presented invention relates to a fuel cell system and a method for operating the presented fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.Fuel cells convert hydrogen and oxygen into water, producing electricity that can be supplied to a load such as an electric motor to power it.

Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist es erforderlich, dass die Membrane von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems auf einer Mindestfeuchte gehalten werden. Über die Kathodenzuluft kann dazu Wasser in Form von Wasserdampf zugeführt werden. Bei hoher Stöchiometrie muss allerdings sehr viel Wasserdampf bereitgestellt werden, da auch sehr viel Luft durch das Brennstoffzellensystem transportiert wird. Insbesondere bei niederen Lastpunkten kann es daher zu Situationen kommen, in denen die Bereitstellung einer ausreichend hohen Menge Wasser nicht sichergestellt ist.When operating a fuel cell system, it is necessary for the membranes of the fuel cells of the fuel cell system to be kept at a minimum moisture level. For this purpose, water in the form of water vapor can be supplied via the cathode supply air. With high stoichiometry, however, a lot of water vapor has to be provided, since a lot of air is also transported through the fuel cell system. Particularly at low load points, situations can therefore arise in which the provision of a sufficiently large amount of water cannot be guaranteed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a fuel cell system and an operating method for operating the fuel cell system are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein verlässliches und robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a reliable and robust fuel cell system.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischem Strom vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und eine Wasserpumpe, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl Brennstoffzellen umfasst und wobei jeweilige Brennstoffzellen der Vielzahl Brennstoffzellen eine Membran umfassen.According to a first aspect of the presented invention, a fuel cell system for generating electric power is thus presented. The fuel cell system includes a fuel cell stack and a water pump, the fuel cell stack including a plurality of fuel cells, and wherein respective fuel cells of the plurality of fuel cells include a membrane.

Jeweilige Brennstoffzellen der Vielzahl Brennstoffzellen umfassen eine Anzahl Kanäle, die dazu konfiguriert sind, durch die Wasserpumpe bereitgestelltes Wasser derart in den jeweiligen Brennstoffzellen zu verteilen, dass das Wasser zur Membran der jeweiligen Brennstoffzellen hinströmt.Respective fuel cells of the plurality of fuel cells include a number of channels configured to distribute water provided by the water pump in the respective fuel cells such that the water flows toward the membrane of the respective fuel cells.

Jeweilige Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen sind untereinander verbunden, um durch die Wasserpumpe bereitgestelltes Wasser durch den Brennstoffzellenstapel zu den jeweiligen Brennstoffzellen zu leiten.Respective channels of the respective fuel cells are interconnected to supply water provided by the water pump through the fuel cell stack to the respective fuel cells.

Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass die Membrane der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems durch Zufuhr von flüssigem Wasser befeuchtet werden. Dazu umfassen die Brennstoffzellen, insbesondere jeweilige Bipolarplatten der Brennstoffzellen Kanäle, die durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wasserpumpe mit Wasser versorgt bzw. durchströmt werden.The fuel cell system presented is based on the principle that the membranes of the fuel cells of the fuel cell stack of the fuel cell system are moistened by the supply of liquid water. For this purpose, the fuel cells, in particular respective bipolar plates of the fuel cells, comprise channels through which water is supplied or flows through by the water pump provided according to the invention.

Die Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen leiten von der Wasserpumpe bereitgestelltes Wasser zu der jeweiligen Membran hin. Dazu können die Kanäle insbesondere auf der Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. einer entsprechenden Bipolarplatte angeordnet bzw. eingebracht sein.The channels of the respective fuel cells conduct water provided by the water pump to the respective membrane. For this purpose, the channels can be arranged or introduced in particular on the anode side of the fuel cell or a corresponding bipolar plate.

Die Kanäle können bspw. am äußeren Rand einer Bipolarplatte, umlaufend oder parallel zu einer Hauptströmungsrichtung von zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlichen Betriebsmedien, wie bspw. Luft, Brennstoff und Kühlmittel, insbesondere parallel zu einem Verteilerfeld, verlaufen.The channels can run, for example, on the outer edge of a bipolar plate, circumferentially or parallel to a main flow direction of the operating media required for operating the fuel cell system, such as air, fuel and coolant, in particular parallel to a distributor field.

Die Kanäle können sich über die gesamte Länge des Verteilerfelds einer Bipolarplatte oder lediglich über einen Teilbereich erstrecken.The channels can extend over the entire length of the distribution field of a bipolar plate or just over a partial area.

Zum Verteilen von durch die Wasserpumpe bereitgestelltem Wasser auf jeweilige Brennstoffzellen sind die Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen untereinander verbunden. Dazu kann eine Bipolarplatte einer jeweiligen Brennstoffzelle Öffnungen bzw. Verbindungskanäle umfassen, die bspw. am äußeren Rand des Verteilerfelds der Bipolarplattte angeordnet sind. Bspw. können die Öffnungen eine Schnittstelle zum Verbinden mit einer Gegenschnittstelle einer jeweilig anderen Bipolarplatte bilden. Da die jeweiligen Bipolarplatten jeweiliger Brennstoffzellen gegeneinander mit Dichtungen abgedichtet sind, wird durch die Öffnungen geleitetes Wasser automatisch durch den Brennstoffzellenstapel verteilt.The channels of the respective fuel cells are connected to one another in order to distribute water provided by the water pump to respective fuel cells. For this purpose, a bipolar plate of a respective fuel cell can have openings or connection channels, which are arranged, for example, on the outer edge of the distributor field of the bipolar plate. For example, the openings can form an interface for connecting to a counter-interface of a respective other bipolar plate. Since the respective bipolar plates of respective fuel cells are sealed from each other with gaskets, water conducted through the openings is automatically distributed throughout the fuel cell stack.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kanäle einer jeweiligen Brennstoffzelle ein Reservoir zum Speichern von Wasser bilden.Provision can be made for the channels of a respective fuel cell to form a reservoir for storing water.

Ein Reservoir, d.h. ein Volumen zum Speichern von Wasser, kann bspw. dazu genutzt werden einen Verteiler bzw. einen Vermittler zum Leiten von Wasser zu der Membran einer jeweiligen Brennstoffzelle zu leiten. Zum Bereitstellen eines Reservoirs können die Kanäle einer Brennstoffzelle bspw. besonders tief und/oder besonders lang sein, sodass ein vorgegebenes Mindestvolumen bereitgestellt wird.A reservoir, ie a volume for storing water, can be used, for example, for a distributor or an intermediary for conducting to conduct water to the membrane of a respective fuel cell. To provide a reservoir, the channels of a fuel cell can be particularly deep and/or particularly long, for example, so that a predetermined minimum volume is provided.

Es kann vorgesehen sein, dass das Reservoir direkt mit der Membran der jeweiligen Brennstoffzelle verbunden ist, oder die jeweilige Brennstoffzelle eine Anzahl Vermittler umfasst, die Wasser aus dem Reservoir zu der Membran führen.Provision can be made for the reservoir to be connected directly to the membrane of the respective fuel cell, or for the respective fuel cell to comprise a number of mediators which conduct water from the reservoir to the membrane.

Eine direkte Verbindung eines Reservoirs mit einer jeweiligen Membran kann bspw. durch Verteilerkanäle bzw. eine Geometrie der Kanäle erreicht werden, die zu der Membran führen. Dabei können bspw. unterschiedlich lange Kanäle vorgesehen sein, die Wasser an jeweils unterschiedliche Punkte der Membran leiten. Bspw. können auch Kanäle mit verschiedenen Querschnitten vorgesehen sein, um eine bereichsspezifische Befeuchtung der Membran zu ermöglichen.A direct connection of a reservoir to a respective membrane can be achieved, for example, by distribution channels or a geometry of the channels that lead to the membrane. In this case, for example, channels of different lengths can be provided, which conduct water to different points of the membrane in each case. For example, channels with different cross sections can also be provided in order to enable area-specific humidification of the membrane.

Alternativ oder zusätzlich zu jeweiligen Verteilerkanälen kann ein Vermittler vorgesehen sein, der bspw. mittels Kapillareffekt Wasser aus dem Reservoir leitet.As an alternative or in addition to the respective distribution channels, a mediator can be provided which, for example, directs water from the reservoir by means of the capillary effect.

Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Vermittler hydrophile Fasern umfasst.It can be provided that the number of mediators comprises hydrophilic fibers.

Hydrophile Fasern, die zusätzlich zu hydrophoben Kohlefasern an einer Gasdiffusionsschicht (GDL) einer jeweiligen Brennstoffzelle angeordnet sind, können einerseits am Rand der Längsseite, über die gesamte Höhe der GDL angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die hydrophilen Fasern quer auf der GDL, bevorzugt auf einer der Membran zugewandten Seite angeordnet sein. Letztere können unterschiedlich weit in die GDL hineinreichen und eine über die Lauflänge der Gase veränderte Verteilung haben, da ein Kathodeneingang der Brennstoffzelle einen höheren Befeuchtungsbedarf hat als der Rest der Brennstoffzelle.Hydrophilic fibers, which are arranged in addition to hydrophobic carbon fibers on a gas diffusion layer (GDL) of a respective fuel cell, can be arranged on the one hand at the edge of the long side, over the entire height of the GDL. Alternatively or additionally, the hydrophilic fibers can be arranged transversely on the GDL, preferably on a side facing the membrane. The latter can extend into the GDL to different extents and have a different distribution over the path length of the gases, since a cathode input of the fuel cell has a higher humidification requirement than the rest of the fuel cell.

Über die Kanäle werden die Fasern mit Wasser versorgt oder ggf. entfeuchtet. Die Fasern saugen aufgrund eines Konzentrationsgefälles Wasser an äußeren den Kanälen zugewandten Enden an und geben es an den anderen der Membran zugewandten Enden in der Fläche der GDL ab. Dort kann das Wasser direkt in der Membran eingelagert werden und stellt so die elektrische Leitfähigkeit der Membran sicher.The fibers are supplied with water or, if necessary, dehumidified via the channels. Due to a concentration gradient, the fibers draw in water at the outer ends facing the channels and release it at the other ends facing the membrane in the area of the GDL. There the water can be stored directly in the membrane and thus ensures the electrical conductivity of the membrane.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen parallel zur Hauptströmungsrichtung von den jeweiligen Brennstoffzellen zugeführten Betriebsmedien verlaufen.Provision can furthermore be made for the channels of the respective fuel cells to run parallel to the main flow direction of the operating media supplied to the respective fuel cells.

Die Kanäle können insbesondere räumlich getrennt von einem Verteilerfeld und jeweiligen Versorgungskanälen zum Zuführen von Betriebsmedien vorgesehen sein.In particular, the channels can be provided spatially separate from a distribution panel and respective supply channels for supplying operating media.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kanäle auf der Anodenseite der jeweiligen Brennstoffzellen ausgebildet sind.Provision can furthermore be made for the channels to be formed on the anode side of the respective fuel cells.

Eine Anordnung der Kanäle auf der Anodenseite einer jeweiligen Brennstoffzelle bedingt automatisch eine Verteilung von Wasser aus den Kanälen zu der Membran der Brennstoffzelle hin, da das Wasser durch zu der Membran strömende Reaktionsgase mitgerissen wird.Arranging the channels on the anode side of a respective fuel cell automatically causes water to be distributed from the channels to the membrane of the fuel cell, since the water is entrained by reaction gases flowing to the membrane.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen durch lediglich einen Zulauf untereinander verbunden sind und die Wasserpumpe dazu konfiguriert ist, Wasser bedarfsgerecht nachzudosieren.Provision can furthermore be made for the channels of the respective fuel cells to be connected to one another by only one inlet and for the water pump to be configured to add water as required.

Bei Verwendung eines einfachen Zulaufs, d.h. einem Kanalsystem ohne Ablauf, kann, um eine Überdosierung von Wasser und einen entsprechenden Überdruck zu verhindern, die Wasserpumpe dazu konfiguriert sein bzw. derart angesteuert werden, dass Wasser bedarfsgerecht nachdosiert wird.When using a simple inlet, i.e. a channel system without an outlet, in order to prevent an overdosing of water and a corresponding overpressure, the water pump can be configured or controlled in such a way that water is replenished as required.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Menge, die durch die Wasserpumpe nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen Kennfeldes oder einer Messung mindestens einer Zelleigenschaft der folgenden Liste an Zelleigenschaften zu bestimmen und die Wasserpumpe entsprechend anzusteuern: Zellspannung, Hochfrequenzwiderstand.Provision can also be made for the fuel cell system to include a computing unit, the computing unit being configured to determine a quantity that is to be replenished by the water pump using a specified characteristic map or a measurement of at least one cell property from the following list of cell properties and the water pump to control accordingly: cell voltage, high-frequency resistance.

Durch Auswertung von Messwerten einer Zellspannung und/oder eines Hochfrequenzwiderstands jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann eine Wassermenge, die von der Wasserpumpe nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen mathematischen Zusammenhangs ermittelt werden.By evaluating measured values of a cell voltage and/or a high-frequency resistance of respective fuel cells of the fuel cell stack of the fuel cell system presented, an amount of water to be replenished by the water pump can be determined using a predetermined mathematical relationship.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Berechnung einer nachzufördernden Wassermenge kann die nachzufördernde Wassermenge über ein vorgegebenes Kennfeld ermittelt werden, dass einem jeweiligen Betriebspunkt des vorgestellten Brennstoffzellensystems eine entsprechende Wassermenge zuordnet.As an alternative or in addition to calculating an amount of water to be replenished, the amount of water to be replenished can be determined using a predetermined characteristic map that assigns a corresponding amount of water to a respective operating point of the fuel cell system presented.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Wasserpumpe dazu konfiguriert ist, in einem Rückwärtsbetrieb Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel heraus zu fördern, um den Brennstoffzellenstapel gegen Frostschäden zu schützen.Provision can furthermore be made for the water pump to be configured to pump water out of the fuel cell stack in reverse operation promote out to protect the fuel cell stack against frost damage.

Bei einem einfachen Zulauf kann die Wasserpumpe durch einen Rückwärtsbetrieb Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems herauspumpen bzw. saugen, sodass der Brennstoffzellenstapel getrocknet bzw. frei von flüssigem Wasser und somit vor Frostschäden geschützt wird. Als Wasserpumpe, die für einen Rückwärtsbetrieb genutzt werden kann, eignet sich bspw. eine Schlauchpumpe.With a simple inflow, the water pump can pump or suck water out of the fuel cell stack of the presented fuel cell system by reverse operation, so that the fuel cell stack is dried or free of liquid water and thus protected against frost damage. A hose pump, for example, is suitable as a water pump that can be used for reverse operation.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Kanäle der jeweiligen Brennstoffzellen durch einen Zulauf und einen Ablauf untereinander verbunden sind und die Wasserpumpe dazu konfiguriert ist, Wasser in einem Kreislauf durch den Brennstoffzellenstapel zu pumpen.Provision can furthermore be made for the respective channels of the respective fuel cells to be connected to one another by an inlet and an outlet and for the water pump to be configured to pump water through the fuel cell stack in a circuit.

Durch einen Zulauf und einen Ablauf wird ein Wasserkreislauf geschaffen, in dem Wasser zirkulieren und entsprechend unabhängig von einem Betriebspunkt des vorgestellten Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden kann.A water circuit is created by an inlet and an outlet, in which water can circulate and be made available independently of an operating point of the fuel cell system presented.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Menge, die durch die Wasserpumpe nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen Kennfeldes oder einer Messung mindestens einer Zelleigenschaft der folgenden Liste an Zelleigenschaften: Zellspannung, Hochfrequenzwiderstand, und das Ansteuern der Wasserpumpe derart, dass die Wasserpumpe die bestimmte Menge nachdosiert.According to a second aspect, the presented invention relates to a method for operating a possible embodiment of the presented fuel cell system. The method includes determining an amount that is to be replenished by the water pump based on a predetermined characteristic map or a measurement of at least one cell property from the following list of cell properties: cell voltage, high-frequency resistance, and controlling the water pump in such a way that the water pump replenishes the specific amount.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung einer Bipolarplatte des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
  • 3a und 3b eine Detaildarstellung eines Vermittlers einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gemäß 1,
  • 4 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a possible embodiment of the presented fuel cell system,
  • 2 a schematic representation of a possible configuration of a bipolar plate of the presented fuel cell system,
  • 3a and 3b FIG. 1 shows a detailed view of an intermediary of a fuel cell of the fuel cell system according to FIG 1 ,
  • 4 a possible embodiment of the presented method.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 und eine Wasserpumpe 103.In 1 a fuel cell system 100 is shown. The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 101 and a water pump 103.

Der Brennstoffzellenstapel 101 umfasst eine Vielzahl Brennstoffzellen 105. In dem Brennstoffzellenstapel 101 sind die Brennstoffzellen 105 über einen durch Öffnungen in den Brennstoffzellen 105 gebildeten Versorgungskanal 107 wasserleitend miteinander verbunden.The fuel cell stack 101 comprises a multiplicity of fuel cells 105. In the fuel cell stack 101, the fuel cells 105 are connected to one another in a water-conducting manner via a supply channel 107 formed by openings in the fuel cells 105.

Dabei wirkt ein erster Versorgungskanal 107a als Zulauf und ein zweiter Versorgungskanal 107b als Ablauf.A first supply channel 107a acts as an inlet and a second supply channel 107b acts as an outlet.

Die Wasserpumpe 103 pumpt über den Versorgungskanal 107a flüssiges Wasser zu den jeweiligen Brennstoffzellen 105. Durch Kanäle in den jeweiligen Brennstoffzellen 105 wird das Wasser aufgenommen und zu einer Membran der jeweiligen Brennstoffzellen geleitet, sodass die elektrische Leitfähigkeit der Membran unabhängig von einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 sichergestellt ist.The water pump 103 pumps liquid water to the respective fuel cells 105 via the supply channel 107a. The water is taken up through channels in the respective fuel cells 105 and conducted to a membrane of the respective fuel cells, so that the electrical conductivity of the membrane is ensured independently of an operating state of the fuel cell system 100 is.

In 2 ist eine Bipolarplatte 200 einer Brennstoffzelle 105 des Brennstoffzellensystems 100 gemäß 1 dargestellt.In 2 10 is a bipolar plate 200 of a fuel cell 105 of the fuel cell system 100 according to FIG 1 shown.

Die Bipolarplatte 200 umfasst ein Verteilerfeld 201, Versorgungskanäle 203 für Betriebsmedien, wie bspw. Luft, Wasser und Kühlmittel, sowie Kanäle 205 zum Leiten von flüssigem Wasser.The bipolar plate 200 includes a distribution panel 201, supply channels 203 for operating media, such as air, water and coolant, and channels 205 for conducting liquid water.

Die Kanäle 205 verlaufen vorliegend parallel zu einer Hauptströmungsrichtung der Betriebsmedien, wie durch Pfeil 207 angedeutet und räumlich getrennt bzw. beabstandet von dem Verteilerfeld 201.In the present case, channels 205 run parallel to a main flow direction of the operating media, as indicated by arrow 207, and are spatially separated or spaced apart from distribution panel 201.

In 3a ist eine Gasdiffusionsschicht 300 mit einem Vermittler 301 zum Verteilen von Wasser aus den Kanälen 205 dargestellt. Der Vermittler 301 umfasst hydrophile Fasern 303a, die einerseits am Rand der Längsseite, über die gesamte Höhe der Gasdiffusionsschicht 30 angeordnet sind und andererseits hydrophile Fasern 303b die quer zu den Fasern 303a verlaufen, bevorzugt auf einer der Membran der Brennstoffzelle 105 zugewandten Seite. Die Fasern 303b können unterschiedlich weit in die Gasdiffusionsschicht 300 hineinreichen und eine über die Lauflänge der Gase veränderte Verteilung haben, da der Kathodeneingang einen höheren Befeuchtungsbedarf hat als der Rest der Brennstoffzelle 105.In 3a A gas diffusion layer 300 having a mediator 301 for distributing water from the channels 205 is shown. The mediator 301 comprises hydrophilic fibers 303a, which are arranged on the one hand at the edge of the longitudinal side over the entire height of the gas diffusion layer 30 and on the other hand hydrophilic fibers 303b which run transversely to the fibers 303a, preferably on a side facing the membrane of the fuel cell 105. The fibers 303b can extend into the gas diffusion layer 300 at different distances and have a different distribution over the course of the gases, since the cathode input has a higher humidification requirement than the rest of the fuel cell 105.

In 3b ist die Gasdiffusionsschicht 300 im Querschnitt dargestellt. Hier ist durch Pfeile 305 der Weg des flüssigen Wassers durch die hydrophilen Fasern des Vermittlers 301 zu der Membran 307 angedeutet.In 3b the gas diffusion layer 300 is shown in cross section. The path of the liquid water through the hydrophilic fibers of the mediator 301 to the membrane 307 is indicated here by arrows 305 .

In 4 ist ein Verfahren 400 zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems dargestellt. Das Verfahren umfasst einen Bestimmungsschritt 401, bei dem eine Menge Wasser, die durch die Wasserpumpe nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen Kennfeldes oder einer Messung mindestens der Zellspannung und/oder des Hochfrequenzwiderstands bestimmt wird.In 4 a method 400 for operating a possible embodiment of the presented fuel cell system is shown. The method includes a determination step 401, in which a quantity of water that is to be replenished by the water pump is determined using a predefined characteristic map or a measurement of at least the cell voltage and/or the high-frequency resistance.

Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Ansteuerungsschritt 403, bei dem die Wasserpumpe derart angesteuert wird, dass die Wasserpumpe die in dem Bestimmungsschritt 401 bestimmte Menge Wasser nachdosiert.Method 400 also includes an activation step 403 in which the water pump is activated in such a way that the water pump replenishes the quantity of water determined in determination step 401 .

Claims (11)

Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (101), - eine Wasserpumpe (103), wobei der Brennstoffzellenstapel (101) eine Vielzahl Brennstoffzellen (105) umfasst, wobei jeweilige Brennstoffzellen (105) der Vielzahl Brennstoffzellen (105) eine Membran (307) umfassen, wobei jeweilige Brennstoffzellen (105) der Vielzahl Brennstoffzellen (105) eine Anzahl Kanäle (205) umfassen, die dazu konfiguriert sind, durch die Wasserpumpe (103) bereitgestelltes Wasser derart in den jeweiligen Brennstoffzellen (105) zu verteilen, dass das Wasser zur Membran (307) der jeweiligen Brennstoffzellen (105) hinströmt, wobei jeweilige Kanäle (205) der jeweiligen Brennstoffzellen (105) untereinander verbunden sind, um durch die Wasserpumpe (103) bereitgestelltes Wasser durch den Brennstoffzellenstapel (101) zu den jeweiligen Brennstoffzellen (105) zu leiten.Fuel cell system (100) for providing electrical energy, the fuel cell system (100) comprising: - a fuel cell stack (101), - a water pump (103), wherein the fuel cell stack (101) comprises a plurality of fuel cells (105), wherein respective fuel cells (105) of the plurality of fuel cells (105) comprise a membrane (307), wherein respective fuel cells (105) of the plurality of fuel cells (105) comprise a number of channels (205) configured to distribute water provided by the water pump (103) in the respective fuel cells (105) such that the water flows to the membrane ( 307) of the respective fuel cells (105), wherein respective channels (205) of the respective fuel cells (105) are interconnected to direct water provided by the water pump (103) through the fuel cell stack (101) to the respective fuel cells (105). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (205) einer jeweiligen Brennstoffzelle (105) ein Reservoir zum Speichern von Wasser bilden.Fuel cell system (100) after claim 1 , characterized in that the channels (205) of a respective fuel cell (105) form a reservoir for storing water. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir direkt mit der Membran (307) der jeweiligen Brennstoffzelle (105) verbunden ist, oder die jeweilige Brennstoffzelle (105) eine Anzahl Vermittler (301) umfasst, die Wasser aus dem Reservoir zu der Membran (307) führen.Fuel cell system (100) after claim 2 , characterized in that the reservoir is connected directly to the membrane (307) of the respective fuel cell (105), or the respective fuel cell (105) comprises a number of mediators (301) which lead water from the reservoir to the membrane (307). . Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Vermittler (301) hydrophile Fasern (303a, 303b) umfasst.Fuel cell system (100) after claim 3 , characterized in that the plurality of mediators (301) comprises hydrophilic fibers (303a, 303b). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (205) der jeweiligen Brennstoffzellen (105) parallel zur Hauptströmungsrichtung von den jeweiligen Brennstoffzellen (105) zugeführten Betriebsmedien verlaufen.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (205) of the respective fuel cells (105) run parallel to the main flow direction of the respective fuel cells (105) supplied operating media. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (205) auf der Anodenseite der jeweiligen Brennstoffzellen (105) ausgebildet sind.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (205) are formed on the anode side of the respective fuel cells (105). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (205) der jeweiligen Brennstoffzellen (105) durch lediglich einen Zulauf untereinander verbunden sind und die Wasserpumpe (103) dazu konfiguriert ist, Wasser bedarfsgerecht nachzudosieren.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (205) of the respective fuel cells (105) are connected to one another by only one inlet and the water pump (103) is configured to add water as required. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Menge, die durch die Wasserpumpe (103) nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen Kennfeldes oder einer Messung mindestens einer Zelleigenschaft der folgenden Liste an Zelleigenschaften zu bestimmen und die Wasserpumpe (103) entsprechend anzusteuern: Zellspannung, Hochfrequenzwiderstand.Fuel cell system (100) after claim 7 , characterized in that the fuel cell system (100) comprises an arithmetic unit, wherein the arithmetic unit is configured to add a quantity that is to be replenished by the water pump (103) on the basis of a predetermined characteristic map or a measurement of at least one cell property of the following list of cell properties determine and control the water pump (103) accordingly: cell voltage, high-frequency resistance. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserpumpe (103) dazu konfiguriert ist, in einem Rückwärtsbetrieb flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel (101) heraus zu fördern, um den Brennstoffzellenstapel (101) gegen Frostschäden zu schützen.Fuel cell system (100) after claim 7 , characterized in that the water pump (103) is configured to pump liquid water out of the fuel cell stack (101) in reverse operation to protect the fuel cell stack (101) against frost damage. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Kanäle (205) der jeweiligen Brennstoffzellen (105) durch einen Zulauf und einen Ablauf untereinander verbunden sind und die Wasserpumpe (103) dazu konfiguriert ist, Wasser in einem Kreislauf durch den Brennstoffzellenstapel (101) zu pumpen.Fuel cell system (100) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that respective channels (205) of the respective fuel cells (105) are interconnected by an inlet and an outlet and the water pump (103) is configured to pump water in a circuit through the fuel cell stack (101). Verfahren (400) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren (400) umfasst: - Bestimmen (401) einer Menge Wasser, die durch die Wasserpumpe (103) nachzudosieren ist, anhand eines vorgegebenen Kennfeldes oder einer Messung mindestens einer Zelleigenschaft der folgenden Liste an Zelleigenschaften: Zellspannung, Hochfrequenzwiderstand, - Ansteuern (403) der Wasserpumpe (103) derart, dass die Wasserpumpe (103) die bestimmte Menge Wasser nachdosiert.Method (400) for operating a fuel cell system (100) according to one of Expectations 1 until 10 , wherein the method (400) comprises: - determining (401) a quantity of water which is to be replenished by the water pump (103), based on a predetermined characteristic diagram or a measurement of at least one cell property from the following list of cell properties: cell voltage, high-frequency resistance, - activation (403) of the water pump (103) in such a way that the water pump (103) replenishes the specific amount of water.
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