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WO2003015202A1 - Fuel cell systems with a reaction-gas pressure regulating system or volume flow regulating system in addition to a fuel supply and removal system using a reaction gas volume flow - Google Patents

Fuel cell systems with a reaction-gas pressure regulating system or volume flow regulating system in addition to a fuel supply and removal system using a reaction gas volume flow Download PDF

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Publication number
WO2003015202A1
WO2003015202A1 PCT/EP2002/008944 EP0208944W WO03015202A1 WO 2003015202 A1 WO2003015202 A1 WO 2003015202A1 EP 0208944 W EP0208944 W EP 0208944W WO 03015202 A1 WO03015202 A1 WO 03015202A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reaction gas
pressure
fuel cell
gas supply
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2002/008944
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Weber
Stefan Litzka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Proton Motor Fuel Cell GmbH filed Critical Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority to EP02794593A priority Critical patent/EP1417724A1/en
Publication of WO2003015202A1 publication Critical patent/WO2003015202A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell systems supply electrical consumers with electrical power.
  • the electrical power that can be obtained from the fuel cell system depends on the one hand on the structural design of the fuel cell system, that is, above all on the number and size of the individual fuel cells or the fuel cell stack, and on the other hand on the operating conditions. These primarily include reaction gas pressures or volume flows, operating temperature and water balance in the fuel cells.
  • the design of the fuel cell system determines the maximum performance that can be achieved.
  • the power that can actually be drawn by an electrical consumer at a specific time varies depending on the operating conditions. If the electrical consumer has high performance requirements, the volume flow to be supplied to the fuel cells must be increased up to the theoretically possible maximum value.
  • the fuel cells In order to achieve maximum efficiency, the fuel cells must be kept at an optimal moisture content.
  • the membranes of polymer electrolyte membrane fuel cells must always have a high water content in order to ensure good proton conductivity, since otherwise the fuel cell performance drops. However, if there is too much water in the fuel cells, the electrodes will flood and the achievable performance will also decrease.
  • reaction gas volume flows of the supplying fuel cell system are also subject to the same fluctuations.
  • this gas volume flow must often be able to be regulated or adjusted in the range of a few milliseconds in order to prevent unacceptable pressure overshoots or pressure undershoots in the system to avoid.
  • Piston or diaphragm pressure reducers are currently usually used for pressure control, but are unsatisfactory in terms of volume capacity, pressure accuracy, pressure reproducibility and control speed in applications that require rapid changes in the reaction gas volume flow, and are also large and heavy. The latter has a disadvantageous effect in particular in mobile applications, such as in a motor vehicle.
  • water is formed on the cathode side in fuel cells.
  • This water and any excess membrane dampening water and / or cooling water must be removed from the fuel cells in order to prevent the electrodes from flooding.
  • expelling water from the fuel cells e.g. the mutual charging of the fuel cells with gas in order to achieve an expulsion of water droplets by changing flow conditions.
  • the equipment required consists of one or more valves for gas flow deflection and the necessary control electronics.
  • Another possibility is to cyclically flush the cell with gas (reaction gas) into the environment. Valves and control elements are also required for this.
  • the loss of gas sometimes leads to a drastic deterioration in the overall efficiency of the fuel cell system.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for regulating the pressure of a reaction gas in a fuel cell system, which allows the reaction gas pressure to be regulated with high accuracy and to avoid pressure fluctuations in the system even in the case of rapid changes in volume flow.
  • the object of the present invention is also to provide a fuel cell system which is designed for the method according to the invention for regulating the pressure.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell system which is designed for the humidification method according to the invention.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell system which is designed for the method for expelling water.
  • the object is achieved by the fuel cell system according to claim 1 and the method for regulating the pressure according to claim 13.
  • the object is further achieved by the fuel cell system according to claim 19 and the method for dispersing water in a reaction gas according to claim 22.
  • the object is also achieved by the fuel cell power system and the method for adapting the power of a fuel cell power system to changing power requirements of an electrical consumer according to claims 24 and 26.
  • the fuel cell system preferably polymer electrolyte membrane / fuel cell system, has the following features: at least one fuel cell stack, a reaction gas supply with a high pressure area and a low pressure area to the fuel cell stack, - a device for controlling the pressure in the Low pressure area of the reaction gas supply with a clocked reaction gas inlet valve, ie a two-position reaction gas inlet valve of the type; a measuring point for measuring the pressure or a pressure-correlated measured variable in the low pressure range of the reaction gas
  • a control and regulating unit for recording and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable and for controlling the reaction gas inlet valve depending on the pressure or the pressure-correlated measured variable.
  • a fuel cell stack typically has about 5 to 60 fuel cells, although the number can vary within a wide range, and the fuel cell system can have only one or a very large number of fuel cell stacks. In principle, however, the invention can be used for any number of individual fuel cells, for example also for only one individual fuel cell, or for any number of fuel cell stacks.
  • the reaction gas inlet valve is preferably arranged such that it separates the high pressure area and that of the reaction gas supply. If the valve is closed, the fuel cell system is also sealed off from the environment. A separate shut-off valve is not necessary because the reaction gas inlet valve also acts as a shut-off valve.
  • the pressure in the high pressure area is typically up to 200 bar, but can also be higher. As a rule, however, it is below this, for example up to 50 bar, typically about 5 bar.
  • the pressure in the low pressure area of the fuel cell system is system-dependent and is typically in the range from 180 a few 100 mbar to a few bar. A common pressure is about 2 bar.
  • the reaction gas is the fuel gas, e.g. Hydrogen
  • the control according to the invention can be carried out, provided the oxidant is supplied under pressure.
  • the pressure and / or volume flow control according to the invention comprises the following steps: continuous or regular measurement of the pressure or a pressure-correlated measurement variable in the low-pressure region of the reaction gas supply,
  • the measurement is carried out using conventional sensors known to those skilled in the art for this purpose.
  • the measured value of the, for example, reaction gas pressure is recorded by a conventional control and regulation unit and compared with the predetermined target value.
  • the actual value drops below the target value of the pressure or the pressure-correlated measured variable
  • a too low value is measured. If the measured value is too low, it is increased by an increased admission of reaction gas, that is to say an increase in the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve per unit of time. This is done by a suitable control of the clocked reaction gas inlet valve. However, if the measured value is too high, it will
  • pulse times in which the reaction gas inlet valve is open alternate with pause times in which the reaction gas inlet valve is closed.
  • a constant reaction gas volume flows during the pulse times.
  • reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve per unit of time is greater, the longer the pulse times and accordingly the shorter the remaining pause times.
  • the reaction gas volume flow is varied here by suitable variation
  • the pulse times during which the reaction gas inlet valve is open and a constant reaction gas volume flow flows into the 250 fuel cell system are constant.
  • the pause time between two pulse times is varied, in which the valve is closed and no reaction gas can flow in.
  • a reaction gas outlet valve can be provided in the low-pressure area of the reaction gas supply, which can also be controlled by the control and regulating unit as a function of the pressure or the pressure-correlated measured variable.
  • the reaction gas outlet valve enables a considerably faster pressure reduction in the low pressure range than this by simply keeping the reaction gas inlet valve closed while simultaneously consuming reaction gas through the fuel cells, so it essentially has a safety function.
  • the reaction gas outlet valve can be any valve, for example a continuously controllable valve or a clocked valve such as the reaction gas inlet valve.
  • the control can take place, for example, in such a way that a certain limit value of the pressure in the low pressure range is specified, which may not be exceeded. Should it still be exceeded, the reaction gas outlet valve is activated and opened until the limit is undershot.
  • the reaction gas inlet valve is a valve that has very short switching times. Solenoid valves and piezo valves are preferred which, on the one hand, react very quickly and, on the other hand, only have two switch positions, so that when the valve is opened the maximum possible amount of gas can flow through the valve, with this amount of gas flowing until the valve closes.
  • the accuracy and reproducibility of the pressure setting does not depend on the inertia of the valve, but only on the inertia of the control loop elements used in the system. Since the control and regulation takes place electronically, i.e. without inertia, the pressure is also set very quickly.
  • the low-pressure region of the reaction gas supply can be designed as a distributor line for reaction gas, which leads the reaction gas to the fuel cell stacks and finally to the individual fuel cells.
  • the low-pressure area can also be designed as a low-pressure space, from which all individual fuel cells of a stack are supplied with reaction gas.
  • the low-pressure space can be the anode space of a fuel cell stack, from which fuel gas flows into the individual fuel cells of the stack.
  • the reaction gas inlet valve can be integrated 290 into the reaction gas supply such that its drive is also accommodated in the reaction gas supply. This has the advantage that no additional sealing systems are required.
  • the integrated installation is possible both in the high-pressure area and in the low-pressure area of the reaction gas supply, the low-pressure area being able to be designed both as a distributor line and as a low-pressure space. Is the low 295 pressure area formed as a low pressure space, the reaction gas inlet valve separates the high pressure area from the low pressure space of the fuel cell stack.
  • each low-pressure chamber of a fuel cell stack preferably has a reaction gas inlet valve which separates the low-pressure chamber of the fuel cell stack in question
  • a reaction gas inlet valve can also be integrated directly on each fuel cell stack.
  • the distribution line represents the high-pressure area, and, as with the variant with low-pressure space, there is a separate control and regulating unit for the respective reaction gas inlet for each fuel cell stack.
  • the reaction gas inlet valve separates the high pressure area from the low pressure area of a fuel cell stack.
  • the reaction gas inlet valve can also be integrated in such a way that it opens the reaction gas supply for several or all fuel cell stacks together upstream from a low-pressure region (distributor line) common to all fuel cell stacks.
  • reaction gas outlet valve including the drive can also be easily inserted into the reaction gas supply, e.g. in a low pressure room, so that no additional sealing systems are required.
  • a fuel cell system with a piezo valve as a reaction gas inlet valve is particularly suitable, with a low pressure chamber as a low pressure area of the reaction gas
  • the system is particularly simple to set up with a high power density. Even if it is an ideal solution especially for miniaturized gas supply systems, it is by no means restricted to this area of application, but can also be used in any other
  • Fuel cell systems with pressure control according to the invention have a number of advantages over fuel cell systems with conventional pressure control: they allow extremely fast, precise and reproducible pressure control
  • reaction gas in the low pressure area of the fuel cell system can be provided for supply at low pressures, and this reaction gas volume flow can be opened and closed almost without inertia in order to avoid impermissible pressure overshoots or pressure undershoots in the fuel cell system. Even if
  • the dispersed water can also partially evaporate in the reaction gas and thus lead to cooling of the fuel cells.
  • the removal of excess water from the fuel cell system is achieved by utilizing the kinetic energy contained in the reaction gas volume flow.
  • the fuel cell system in a reaction gas supply to the fuel cell stack or the fuel cell stacks has a gas jet with a driving nozzle, inlet to the gas
  • a water separator is preferably provided in the reaction gas recirculation in order to prevent the sucked-in water from entering the gas jet and thus the reaction gas supply.
  • the gas jet separates the high-pressure area and the low-pressure area of the fuel cell system and can thus use the entire pressure energy contained in the inflowing reaction gas volume flow for gas suction, whereby theoretically an absolute vacuum can be achieved.
  • the fuel cell system with gas jet for vacuum generation in the reaction gas return is rather simple and compact in structure and maintenance-free.
  • a particular advantage lies in the synchrony between fuel cell performance and water removal efficiency. With higher performance of the fuel cell system, a higher reaction gas volume flow is required.
  • Another advantage of this system is that it enables the fuel cells to operate in an open, continuous flow without gas loss, because unused reaction gas is mixed with the newly supplied reaction gas in the gas emitter and used again.
  • reaction gas inlet valve is a pulsed valve, such as a solenoid valve or 495 a piezo valve
  • the maximum reaction gas volume flow flows in when the valve is open, so that full pressure is applied to the downstream gas jet when the valve is open.
  • the gas jet can therefore always be operated at optimum operating performance and provide its maximum suction power.
  • the specified water expulsion from the fuel cells can also advantageously be combined with the dispersion of water in a reaction gas according to the invention, regardless of the type of pressure control.
  • the driving nozzle of the gas jet acts as a throttle device, and the dampening water is fed upstream from the driving nozzle or in the driving nozzle into the reaction gas supply.
  • the water supplied increases the motive mass flow and therefore leads to an improvement in the vacuum which can be achieved in the reaction gas recirculation.
  • pressure control for dispersing water in a reaction gas volume flow and for expelling excess water from the fuel cells can also be implemented together in a single system.
  • Such a fuel cell system allows pressure fluctuations in the low-pressure region of the fuel, even with rapidly changing reaction gas volume flows.
  • the fuel cells can be moistened under the conditions of constant oversupply with water and thus guaranteed optimal moistening of the membranes.
  • a change in the electrical power to be supplied by a fuel cell power system as is required when changing the power requirements of an electrical consumer, for example a motor vehicle traveling at changing speeds, requires a change in the
  • reaction gas volume flow 530 supplying reaction gas volume flow.
  • this is achieved by supplying the fuel cells with a certain amount of reaction gas, which is dependent on the desired output of the electrical consumer.
  • reaction gas inlet valve which can be a clocked valve or a continuously regulating valve.
  • the pressure is regulated by power electronics in such a way that the fuel cells always have so much electrical power
  • a fuel cell power system according to the invention which is designed for variable power requirements of an electrical consumer, has:
  • 550 - at least one fuel cell stack, a consumer electrically connected to the fuel cell stack, a reaction gas supply to the fuel cell stack with a reaction gas inlet valve, a high pressure region and a low pressure region, a device for specifying a target value of a reaction gas Volume-
  • a device for detecting the target value of the reaction gas volume flow and for controlling the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification control unit
  • a measuring point for continuous or regular measurement of the pressure 560 or a pressure-correlated measured variable in the low-pressure area of the reaction gas supply a device for recording and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable and for releasing the fuel cell output corresponding to the pressure or the pressure-correlated measured variable to the electrical Consumers (power controller)
  • power electronics for setting the target power of the electrical consumer
  • the target value specification for the reaction gas volume flow to be supplied takes place in each case
  • the specified target value is recorded by a control unit which controls the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification, i.e. the reaction gas inlet valve is opened as long as
  • the pressure or a pressure-correlated measured variable is measured continuously or regularly and recorded by a power controller.
  • the power controller compares the actual value of the pressure or the pressure
  • 585 fuel cell system takes the fuel cell power released by the power controller.
  • the desired power or another electrical quantity for example the voltage or the current
  • the fuel cell power system according to the invention 590 has a device for pre-setting a setpoint value for a reaction gas volume flow. would give a desired target value of the corresponding electrical quantity, and instead of the device for detecting the reaction gas volume flow and for controlling the reaction gas inlet valve according to the target value specification
  • the control unit 595 be it has a device for determining the actual value of the electrical variable and a device for comparing the determined actual value with the predetermined target value and for controlling the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification.
  • the actual value of the electrical quantity can be determined by the power electronics or another measuring device. In the control
  • the reaction gas inlet valve is controlled accordingly, i.e. the reaction gas inlet valve is opened when the target value is not reached and closed as long as it is reached.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system with pressure control according to the invention and a low-pressure region of the reaction gas supply formed as a reaction gas distributor line,
  • FIG. 2 shows a fuel cell system with a fuel cell stack and with the pressure control according to the invention and a low-pressure area of the reaction gas supply designed as a low-pressure chamber
  • FIG. 3 shows a fuel cell system as in FIG. 2, but with two fuel cell stacks and associated low-pressure spaces,
  • FIG. 5 shows a schematic diagram for frequency-modulated reaction gas inlet valve control
  • FIG. 6 shows a partial area of a fuel cell system with water dispersion according to the invention in the reaction gas supply, 625
  • FIG. 7 shows a partial area of a fuel cell system with an arrangement for expelling water from the fuel cells
  • FIG. 8 shows a fuel cell system as in FIG. 1, but with an arrangement for expelling 630 water
  • FIG. 9 shows a partial area of a fuel cell system with a water dispersion according to the invention and an arrangement for expelling water
  • FIG. 10 shows a fuel cell power system according to the invention, which is designed for variable power requirements of an electrical consumer.
  • a reaction gas such as hydrogen, becomes the fuel cell system
  • the low-pressure region 6 of the reaction gas supply is designed as a distributor line which distributes the reaction gas to the individual fuel cell stacks and the individual fuel cells 3 which form the stacks.
  • a measuring point 9 for measuring the pressure of the reaction gas is located in the low pressure region 6 of the fuel cell system.
  • a pressure-correlated measurement variable can also be measured, for example the partial pressure of the reaction gas or the reaction gas volume.
  • the measured variable is recorded in a control and regulating unit 10 and the measured value is compared with the target value of the measured variable specified for the system. If the measured value is below the target value, the reaction gas inlet valve 8 or the drive 16 of the reaction gas inlet valve 8 is activated and the reaction gas inlet valve is opened, so that reaction gas from the
  • the reaction gas inlet valve 8 is a clocked valve, ie a valve with only two switching positions. Examples include a solenoid valve and a piezo valve.
  • the control of the Onsgas inlet valve can be pulse modulated as shown in FIG. 4 or frequency modulated as shown in FIG. 5. Is the measured at measuring point 9
  • the reaction gas inlet valve remains closed and is only opened again when the measured value drops below the target value of the system due to the consumption of reaction gas.
  • the system shown in FIG. 1 additionally has a
  • reaction gas outlet valve 11 is also controlled by the control and regulating unit 10. It can be a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8, or it can also be a continuously controlled valve.
  • the reaction gas outlet valve 11 is activated on
  • FIGS. 2 and 3 also show fuel cell systems with pressure control according to the invention.
  • the low-pressure region 6 of the reaction gas supply is designed as a gas space into which the reaction gas flows from the high-pressure region 5 when the inlet valve 8 is open.
  • the reaction gas flows from the gas space 6 into the reaction gas flow fields 14 of all individual fuel cells 3 of the
  • the reaction gas inlet valve 8 which separates the high-pressure region 5 from the low-pressure region 6, is accommodated together with its drive 16 in the low-pressure space, so that no separate sealing is required.
  • the low-pressure space 6 is arranged on a side surface of the fuel cell stack 2. On another side surface, in the embodiment shown on the
  • reaction gas flow fields 14 ' a space 18 is provided for the other reaction gas, from which this reaction gas flows into reaction gas flow fields 14 '.
  • the measurement of the reaction gas pressure or the pressure-correlated measured variable at the measuring point 9 and the actuation of the valve 8 via the actuation and control unit 10 is carried out as in FIG. 1.
  • no reaction gas outlet valve 11 is shown, but such a valve can of course also be provided in this embodiment.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 1 of the same type as shown in FIG. 2, but with two fuel cell stacks 2, 2 each of which has its own low-pressure space.
  • reaction gas inlet valves 8, 8' have a common high pressure area 5 of the reaction gas supply. It is also possible to have more than two fuel cell stacks, in which the low-pressure area of the reaction gas supply is designed as a low-pressure area, from a high-pressure area 5 with reaction
  • 700 gas can be supplied.
  • reaction gas inlet valve directly on the fuel cell stack and its integrated installation, i.e. Installation including drive, in the reaction gas supply is possible regardless of the presence of a low pressure chamber and also in the case of distribution lines.
  • the reaction gas inlet valve can both in
  • Fig. 4 shows the gas flow through a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8 with pulse-modulated control of the valve.
  • the basic sequence Ti der
  • pulse-modulated control is composed of a pulse time T 2 during which the valve is open and a pause time T 3 during which the valve is closed.
  • T 2 a pulse time during which the valve is open
  • T 3 a pause time during which the valve is closed.
  • FIG. 5 shows the gas flow through a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8 with frequency-modulated control of the valve.
  • the valve is ner control frequency 1 / T ⁇ controlled, where Ti is the sum of the pulse time T 2 (hatched in Fig. 5) and the pause time T 3 .
  • the valve is opened, and the maximum possible reaction gas volume flow flows through the valve into the low-pressure region of the reaction gas supply.
  • the valve is closed and no reaction gas can flow in.
  • the duration of the pulse times is constant, but the duration of the pause times is variable. 5 shows a control frequency with long pause times on the left,
  • the variant shown on the right therefore has significantly more control pulses per unit time of the valve.
  • the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve into the low pressure region of the reaction gas supply is therefore significantly higher in the case of frequency-modulated control according to the variant shown on the right than in the case of
  • FIG. 6 shows a partial area of a fuel cell system 1 with water according to the invention being dispersed in a reaction gas.
  • the partial area shown shows the path of a reaction gas up to the entry into the low-pressure area
  • reaction gas flows from the high pressure region 5 of the reaction gas supply through the reaction gas inlet valve 8 with the drive unit 16 into the region 5 ′ of the reaction gas supply and from there through a throttle device 20 into the low pressure region 6 of the reaction gas supply.
  • the area 5 ' is a loading
  • a water supply 21 opens into the reaction gas supply between the reaction gas inlet valve 8 and the throttle device 20.
  • the water supply 21 feeds water from a water reservoir 27 into the reaction gas supply by means of a pump 28.
  • the water fed in is shown schematically in FIG. 6 by drops.
  • the water feed can also be
  • the reaction gas Before passing through the throttling device 20, the reaction gas is at a pressure pi and after passing through the throttling device at a pressure p 2 that is less than pi. The reaction gas is thus released, a supercritical expansion being preferred, since it ensures a thorough distribution of the water carried by the reaction gas volume flow in the reaction gas volume flow in the form of very fine droplets (mist, aerosol).
  • the throttle device 20 is preferably designed in the form of a convergent nozzle such that the pressure of the reaction gas flowing through the throttle device is equal to the critical pressure at its narrowest cross section.
  • the reaction gas inlet valve is shown as a clocked valve.
  • a continuously regulating inlet valve can also be used, but the clocked valve has the advantage that, when open, the pressure pi in the region 5 'of the reaction gas supply is equal to the pressure in the high pressure region 5 of the reaction gas supply.
  • the reaction gas jet impinging on the throttle device 20 therefore has a very high pressure energy, which ensures very fine atomization and distribution of the water fed in after passing through the throttle device 20.
  • FIG. 7 shows a partial area of a fuel cell system 1 with an arrangement for expelling water, and the partial area shown shows the section of the reaction gas supply from the reaction gas inlet valve to the beginning of the low-pressure area of the reaction gas supply.
  • the reaction gas (represented by arrows) flows from the high pressure region 5 through the reaction gas inlet valve 8 with the drive unit 16 into the region 5 'of the reaction gas supply.
  • a gas jet 22 is provided between the area 5 'of the reaction gas supply and its low pressure area 6.
  • the gas jet is of conventional construction per se and has a driving nozzle 23, a catching nozzle 25, a gas outlet 29 and an inlet for gas suction 24.
  • the gas jet 22 is arranged in the reaction gas supply in such a way that its area 5 ′ into the driving nozzle 23 of the gas jet opens and the gas outlet 29 opens into the low-pressure area 6 of the reaction gas supply.
  • the reaction gas flowing through the gas jet 22 causes suction at the inlet to the gas intake 24, which is used to draw in excess gas. shot water from the fuel cells 3 can be used.
  • the fuel cells 3 or fuel cell stack 2 must be equipped with a reaction gas return 26, which opens into the inlet for the gas intake 24 of the gas emitter 22.
  • FIG. 8 shows a 795 fuel cell system 1, as shown in FIG. 1, but with gas jet 22 and reaction gas recirculation 26.
  • the returned reaction gas preferably passes through a water separator (not shown).
  • FIG. 9 shows the same arrangement as FIG. 7, but with a water supply 21 as shown in FIG. 6.
  • the driving nozzle 23 of the gas jet 22 takes over the function of the throttle device 20 in FIG. 6.
  • FIG. 10 shows a fuel cell power system according to the invention, which is designed for variable power requirements of an electrical consumer. The arrangement is identical to the fuel cell system shown in FIG. 1 with regard to the reaction gas supply with reaction gas inlet valve 8, high pressure region 5 and low pressure region 6, as well as with regard to measuring point 9 and fuel cell stack 2, 2 '.
  • a reaction gas outlet valve 11 as a safety valve is not shown in FIG. 10.
  • a setpoint value for a desired reaction gas volume flow or a setpoint value for the power to be supplied or another electrical variable, for example voltage or current, is specified by means of a device 31.
  • the setpoint value is recorded by a control unit 32 which controls the reaction gas inlet valve 8 in such a way that the specified reaction gas volume flow from the high pressure area 5 of the reaction gas supply into the low pressure area 6 of the reaction gas supply is fed.
  • the reaction gas pressure (or a pressure-correlated measured variable) is measured and recorded by a power controller 33, which compares the measured value with the predetermined target value of the system. With an increasing inflow of reaction gas into the low pressure area 6, the reaction gas pressure increases in this area.
  • the power controller 33 transmits a signal to the power electronics 34 connected to the electrical consumer 30 that fuel cell power can increasingly be drawn.
  • the power electronics 34 then adjust the power of the electrical consumer 30 so that enough electrical power is drawn from the fuel cells that the pressure in the low-pressure region 6 is kept constant.
  • this predetermined setpoint value is determined in the control unit 32 using the actual value of the electrical variable determined by the power electronics 34 or another suitable measuring device, e.g. by means of a standard controller. The result of the comparison is used to actuate the reaction gas inlet valve 8, which is actuated whenever the desired value is not reached.
  • the device and the method for dispersing water 860 in the reaction gas volume flow as well as the device and the method for expelling excess water each additionally have one or more of the features described for the pressure control, any combination of features being possible.
  • a method and a system with pressure control according to the invention in combination with the dispersion of water according to the invention and the removal of excess water are particularly preferred. Also a combination of dispersing water according to the invention in the reaction gas volume flow for moistening the fuel cells and expelling excess water
  • the fuel cells for regulating the water balance in conventional pressure control is advantageous.

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Abstract

The invention relates to a device and a method enabling the reaction gas pressure in fuel cells of a fuel cell system to remain constant even when high fluctuations of the reaction gas volume flow or high fluctuations occur in the decrease in performance by an electric consumer. A timed reaction gas inlet valve is used in order to guarantee pressure stability. The invention also relates to devices and methods for regulating the economy of fuel cell systems in difficult conditions of unforeseeable changes in reaction gas volume flows and in unforeseeable changes involving the decrease in performance by an electric consumer.

Description

Brennstoffzellen-Systeme mit Reaktionsgas-Druckregelung oder -Volumenstromregelung sowie Betriebsmittel-Versorgung und -Entsorgung unter Nutzung eines Reaktionsgas-Volumenstroms Fuel cell systems with reaction gas pressure control or volume flow control as well as supply and disposal of operating fluids using a reaction gas volume flow

Brennstoffzellen-Systeme versorgen elektrische Verbraucher mit elektrischer Lei- stung. Die dem Brennstoffzellen-System entnehmbare elektrische Leistung ist zum einen abhängig von der konstruktiven Auslegung des Brennstoffzellen-Systems, also vor allem von der Anzahl und Größe der Einzelbrennstoffzellen bzw. der Brennstoffzellen-Stapel, zum anderen von den Betriebsbedingungen. Dazu zählen in erster Linie Reaktionsgas-Drücke bzw. -Volumenströme, Betriebstemperatur und Wasser- haushält der Brennstoffzellen.Fuel cell systems supply electrical consumers with electrical power. The electrical power that can be obtained from the fuel cell system depends on the one hand on the structural design of the fuel cell system, that is, above all on the number and size of the individual fuel cells or the fuel cell stack, and on the other hand on the operating conditions. These primarily include reaction gas pressures or volume flows, operating temperature and water balance in the fuel cells.

Die konstruktive Auslegung des Brennstoffzellen-Systems bestimmt die erzielbare Maximalleistung. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt von einem elektrischen Verbraucher tatsächlich entnehmbare Leistung variiert in Abhängigkeit von den Be- triebsbedingungen. Bei hohen Leistungsanforderungen des elektrischen Verbrauchers muss der den Brennstoffzellen zuzuführende Volumenstrom gesteigert werden bis hin zum theoretisch möglichen Maximalwert.The design of the fuel cell system determines the maximum performance that can be achieved. The power that can actually be drawn by an electrical consumer at a specific time varies depending on the operating conditions. If the electrical consumer has high performance requirements, the volume flow to be supplied to the fuel cells must be increased up to the theoretically possible maximum value.

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen müssen die Brennstoffzellen auf ei- nem optimalen Feuchtegehalt gehalten werden. Die Membranen von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen müssen stets einen hohen Wassergehalt aufweisen, um eine gute Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten, da ansonsten die Brennstoffzellen-Leistung sinkt. Befindet sich jedoch zu viel Wasser in den Brennstoffzellen, führt dies zu einem Fluten der Elektroden, und die erzielbare Leistung sinkt ebenfalls.In order to achieve maximum efficiency, the fuel cells must be kept at an optimal moisture content. The membranes of polymer electrolyte membrane fuel cells must always have a high water content in order to ensure good proton conductivity, since otherwise the fuel cell performance drops. However, if there is too much water in the fuel cells, the electrodes will flood and the achievable performance will also decrease.

Bei konstanten oder nur langsam veränderlichen Leistungsanforderungen des mit elektrischer Leistung zu versorgenden elektrischen Verbrauchers ist es in der Regel unproblematisch, den Reaktionsgas -Druck bzw. -Volumenstrom des Brennstoffzel- len-Systems den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Auch die Zuführung von Be- feuchtungswasser für die Membranen und ggf. von Kühlwasser, sowie die Abführung von überschüssigem Wasser kann bei konstanten oder nur langsam veränderlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellen-Systems einigermaßen zufriedenstellend gelöst werden.With constant or only slowly changing power requirements of the electrical consumer to be supplied with electrical power, it is generally unproblematic to determine the reaction gas pressure or volume flow of the fuel cell. len-Systems to adapt to the respective requirements. The supply of dampening water for the membranes and, if necessary, cooling water, as well as the removal of excess water can be solved to some extent satisfactorily with constant or only slowly changing operating states of the fuel cell system.

Bisher gibt es jedoch keine befriedigende Lösung für Fälle, in denen die Leistungsanforderungen unvorhersehbaren starken Schwankungen unterliegen können.So far, however, there is no satisfactory solution for cases in which the performance requirements can be subject to unpredictable fluctuations.

Bei unvorhersehbaren starken Schwankungen der Leistungsanforderungen des elektrischen Verbrauchers unterliegen auch die Reaktionsgas-Volumenströme des ver- sorgenden Brennstoffzellen-Systems denselben Schwankungen. Häufig müssen bei der Versorgung von Brennstoffzellen in ortsfesten oder mobilen Anwendungen einerseits hohe Gasvolumenströme bei zum Teil sehr geringen Drücken zur Versorgung bereitgestellt werden können, andererseits muss dieser Gasvolumenstrom oft im Bereich weniger Millisekunden auf- oder zugeregelt werden können, um unzulässige Drucküberschreitungen oder Druckunterschreitungen im System zu vermeiden. Außerdem besteht insbesondere bei mobilen Anwendungen Bedarf an leistungsfähigen, aber gleichzeitig kompakten und leichten Gasversorgungseinrichtungen.-In the event of unforeseeable strong fluctuations in the power requirements of the electrical consumer, the reaction gas volume flows of the supplying fuel cell system are also subject to the same fluctuations. Often, when supplying fuel cells in stationary or mobile applications, it must be possible to provide high gas volume flows at partly very low pressures for the supply on the one hand, and on the other hand, this gas volume flow must often be able to be regulated or adjusted in the range of a few milliseconds in order to prevent unacceptable pressure overshoots or pressure undershoots in the system to avoid. In addition, there is a need for powerful, but at the same time compact and light gas supply devices, particularly in mobile applications.

Für die Druckregelung werden zur Zeit üblicherweise Kolben- oder Membran-Druck- minderer eingesetzt, die jedoch hinsichtlich Volumenleistung, Druckgenauigkeit, Druckreproduzierbarkeit und Regelgeschwindigkeit bei Anwendungen, die schnelle Änderungen des Reaktionsgas-Volumenstroms erfordern, nicht zufriedenstellend sind und darüber hinaus groß und schwer sind. Letzteres wirkt sich insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie in einem Kraftfahrzeug, nachteilig aus.Piston or diaphragm pressure reducers are currently usually used for pressure control, but are unsatisfactory in terms of volume capacity, pressure accuracy, pressure reproducibility and control speed in applications that require rapid changes in the reaction gas volume flow, and are also large and heavy. The latter has a disadvantageous effect in particular in mobile applications, such as in a motor vehicle.

Zur Versorgung der Polymerelektrolytmembranen von Brennstoffzellen mit Feuchtigkeit ist es bekannt, Wasser in einen Reaktionsgas-Strom einzuspeisen und von dem Reaktionsgas zu den Polymerelektrolytmembranen transportieren zu lassen. Dabei ergibt sich zum einen das Problem, dass das Befeuchtungswasser oft nicht befriedi- gend im Reaktionsgas-Volumenstrom verteilt wird und nur ein unkontrollierbarer Anteil des Befeuchtungswassers die Membranen erreicht. Zum anderen ist die erforder- liehe Befeuchtungswassermenge abhängig von den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellen-Systems. Insbesondere bei unvorhersehbaren schnellen Änderungen der Betriebsbedingungen kann die Änderung des Befeuchtungszustands oft nicht rasch genug erfolgen.To supply the polymer electrolyte membranes of fuel cells with moisture, it is known to feed water into a reaction gas stream and to have the reaction gas transport it to the polymer electrolyte membranes. On the one hand, there is the problem that the dampening water is often not distributed satisfactorily in the reaction gas volume flow and only an uncontrollable proportion of the dampening water reaches the membranes. On the other hand, the amount of dampening water depends on the operating conditions of the fuel cell system. In particular, when the operating conditions change unpredictably quickly, the change in the humidification state can often not take place quickly enough.

Außerdem wird in Brennstoffzellen kathodenseitig Wasser gebildet. Dieses Wasser sowie ggf. überschüssiges Membranbefeuchtungswasser und/oder Kühlwasser muss, um ein Fluten der Elektroden zu verhindern, aus den Brennstoffzellen entfernt werden. Zum Austreiben von Wasser aus den Brennstoffzellen gibt es derzeit mehrere Möglichkeiten, wie z.B. die wechselseitige Beschickung der Brennstoffzellen mit Gas, um durch veränderte Strömungsverhältnisse ein Austreiben von Wassertröpfchen zu erreichen. Der apparative Aufwand besteht in einem oder mehreren Ventilen zur Gasstromumlenkung und der dazu notwendigen Ansteuerelektronik. Eine weitere Möglichkeit besteht im zyklischen Ausspülen der Zelle mit Gas (Reaktionsgas) in die Umgebung. Auch hierfür werden Ventile und AnSteuerelemente benötigt. Darüber hinaus kommt es durch den Verlust an Gas zu einer teilweise drastischen Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzellen-Anlage. Die sicherheitstechnischen Probleme durch das Freisetzen von Gas in die Umgebung können ebenfalls nur mit zusätzlichem apparativem Aufwand gelöst werden. Eine Alternative besteht darin, mit einem Kompressor in einem Behälter ein Gasvakuum zu erzeugen und mit Reaktionsgas zyklisch in diesen Behälter hineinzuspülen. Das Spülgas könnte mit Hilfe des Kompressors wieder der Brennstoffzelle zugeführt werden. Auch hier ist ein sehr großer apparativer Aufwand notwendig. Außerdem besteht ein besonde- rer Nachteil bei unvorhersehbar wechselnden Betriebsbedingungen darin, dass das erforderliche Ausmaß der Wasserentfernung schwer bestimmbar und kontrollierbar ist.In addition, water is formed on the cathode side in fuel cells. This water and any excess membrane dampening water and / or cooling water must be removed from the fuel cells in order to prevent the electrodes from flooding. There are currently several options for expelling water from the fuel cells, e.g. the mutual charging of the fuel cells with gas in order to achieve an expulsion of water droplets by changing flow conditions. The equipment required consists of one or more valves for gas flow deflection and the necessary control electronics. Another possibility is to cyclically flush the cell with gas (reaction gas) into the environment. Valves and control elements are also required for this. In addition, the loss of gas sometimes leads to a drastic deterioration in the overall efficiency of the fuel cell system. The safety-related problems caused by the release of gas into the environment can also only be solved with additional equipment. An alternative is to create a gas vacuum in a container with a compressor and to flush it cyclically into this container with reaction gas. The purge gas could be returned to the fuel cell using the compressor. Here too, a great deal of equipment is required. In addition, a particular disadvantage in the case of unpredictably changing operating conditions is that the required extent of water removal is difficult to determine and to control.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Regelung des Drucks eines Reaktionsgases in einem Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das es erlaubt, den Reaktionsgas-Druck mit hoher Genauigkeit zu regeln und auch bei schnellen Volumenstromänderungen Druckschwankungen im System zu vermeiden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Brennstoffzellen-System bereit- 100 zustellen, das für das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Drucks ausgelegt ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for regulating the pressure of a reaction gas in a fuel cell system, which allows the reaction gas pressure to be regulated with high accuracy and to avoid pressure fluctuations in the system even in the case of rapid changes in volume flow. The object of the present invention is also to provide a fuel cell system which is designed for the method according to the invention for regulating the pressure.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren zur Befeuchtung eines Brennstoffzellen-Systems bereitzustellen, bei dem das Befeuchtungswasser 105 effizient in einem Reaktionsgas-Volumenstrom verteilt wird.It is also an object of the present invention to provide a method for humidifying a fuel cell system in which the humidification water 105 is distributed efficiently in a reaction gas volume flow.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das für das erfindungsgemäße Befeuchtungsverfahren ausgelegt ist.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system which is designed for the humidification method according to the invention.

110 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus, ein Verfahren zum Austreiben von überschüssigem Wasser aus einem Brennstoffzellen-System bereitzustellen, bei dem die Effizienz der Wasserentfernung automatisch umso größer wird, je mehr Wasserstoff in dem Brennstoffzellen-System verbraucht wird.It is also an object of the present invention to provide a method for expelling excess water from a fuel cell system, in which the more hydrogen is automatically used in the fuel cell system, the greater the efficiency of water removal.

115 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zudem, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das für das Verfahren zum Austreiben von Wasser ausgelegt ist.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system which is designed for the method for expelling water.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Anpassung der Leistung eines Brennstoffzellen-Leistungssystems an veränderliche Leistungsanfor- 120 derungen eines elektrischen Verbrauchers bereitzustellen, bei dem die erforderlichen Änderungen des Reaktionsgas-Volumenstroms nicht zu Druckschwankungen im Brennstoffzellen-System führen.It is also an object of the present invention to provide a method for adapting the power of a fuel cell power system to changing power requirements of an electrical consumer, in which the required changes in the reaction gas volume flow do not lead to pressure fluctuations in the fuel cell system.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Brennstoffzellen-Leistungs- 125 system bereitzustellen, das für das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsanpassung ausgelegt ist.It is also an object of the present invention to provide a fuel cell power system which is designed for the power adjustment method according to the invention.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Brennstoffzellen-System gemäß Anspruch 1 und das Verfahren zur Regelung des Drucks gemäß Anspruch 13.The object is achieved by the fuel cell system according to claim 1 and the method for regulating the pressure according to claim 13.

130 Die Aufgabe wird ferner gelöst durch das Brennstoffzellen-System gemäß Anspruch 19 und das Verfahren zum Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas gemäß Anspruch 22.130 The object is further achieved by the fuel cell system according to claim 19 and the method for dispersing water in a reaction gas according to claim 22.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch das Brennstoffzellen-Leistungssystem und das Verfahren zur Anpassung der Leistung eines Brennstoffzellen-Leistungssystems an veränderliche Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers gemäß den Ansprüchen 24 und 26.The object is also achieved by the fuel cell power system and the method for adapting the power of a fuel cell power system to changing power requirements of an electrical consumer according to claims 24 and 26.

Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale, einzeln oder in beliebiger Kombination, vorteilhafte Weiterbildungen eines jeden der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gegenstände darstellen.The dependent claims relate to advantageous developments of the invention, the features specified in the dependent claims, individually or in any combination, representing advantageous developments of each of the subjects specified in the independent claims.

Zur erfindungsgemäßen Druckregelung weist das Brennstoffzellen-System, vorzugsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen-System, folgende Merkmale auf: mindestens einen Brennstoffzellen-Stapel, eine Reaktionsgas-Zuführung mit einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich zu dem Brennstoffzellen-Stapel, - eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung mit einem getakteten Reaktionsgas-Einlassventil, d.h. einem Reaktionsgas-Einlassventils des Typs mit nur zwei Schaltstellungen; einer Messstelle zur Messung des Drucks oder einer druck- korrelierten Messgröße im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-For the pressure control according to the invention, the fuel cell system, preferably polymer electrolyte membrane / fuel cell system, has the following features: at least one fuel cell stack, a reaction gas supply with a high pressure area and a low pressure area to the fuel cell stack, - a device for controlling the pressure in the Low pressure area of the reaction gas supply with a clocked reaction gas inlet valve, ie a two-position reaction gas inlet valve of the type; a measuring point for measuring the pressure or a pressure-correlated measured variable in the low pressure range of the reaction gas

Zuführung, einer Ansteuer- und Regeleinheit zur Erfassung und Auswertung des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils in Abhängigkeit von dem Druck oder der druckkorrelierten Messgröße.Supply, a control and regulating unit for recording and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable and for controlling the reaction gas inlet valve depending on the pressure or the pressure-correlated measured variable.

Der Begriff "ein" ist stets als "mindestens ein" zu verstehen. Ein Brennstoffzellen-Stapel weist typischerweise etwa 5 bis 60 Brennstoffzellen auf, wobei die Anzahl jedoch in einem breiten Bereich variieren kann, und das Brennstoff- 165 zellen-System kann nur einen oder auch sehr viele Brennstoffzellen-Stapel aufweisen. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch für eine beliebige Anzahl von Einzelbrennstoffzellen, beispielsweise auch für nur eine Einzelbrennstoffzelle, oder für eine beliebige Anzahl von Brennstoffzellen-Stapeln anwendbar.The term "a" should always be understood as "at least one". A fuel cell stack typically has about 5 to 60 fuel cells, although the number can vary within a wide range, and the fuel cell system can have only one or a very large number of fuel cell stacks. In principle, however, the invention can be used for any number of individual fuel cells, for example also for only one individual fuel cell, or for any number of fuel cell stacks.

170 Das Reaktionsgas-Einlassventil ist bevorzugt so angeordnet, dass es den Hochdruckbereich und den der Reaktionsgas-Zuführung trennt. Ist das Ventil geschlossen, ist gleichzeitig das Brennstoffzellen-System gegen die Umgebung abgeschlossen. Ein separates Absperrventil ist nicht erforderlich, da das Reaktionsgas-Einlassventil gleichzeitig als Absperrventil wirkt.170 The reaction gas inlet valve is preferably arranged such that it separates the high pressure area and that of the reaction gas supply. If the valve is closed, the fuel cell system is also sealed off from the environment. A separate shut-off valve is not necessary because the reaction gas inlet valve also acts as a shut-off valve.

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Der Druck in dem Hochdruckbereich beträgt typischerweise bis zu 200 bar, kann aber auch höher sein. In der Regel liegt er jedoch darunter, beispielsweise bei bis zu 50 bar, typischerweise etwa 5 bar. Der Druck im Niederdruckbereich des Brennstoffzellen-Systems ist systemabhängig und liegt typischerweise in einem Bereich von 180 wenigen 100 mbar bis zu wenigen bar. Ein gängiger Druck sind etwa 2 bar.The pressure in the high pressure area is typically up to 200 bar, but can also be higher. As a rule, however, it is below this, for example up to 50 bar, typically about 5 bar. The pressure in the low pressure area of the fuel cell system is system-dependent and is typically in the range from 180 a few 100 mbar to a few bar. A common pressure is about 2 bar.

Erfindungsgemäß wird ein Reaktionsgas-Druck oder eine druckkorrelierte Messgröße geregelt. Druckkorrelierte Messgrößen sind beispielsweise der Reaktionsgas-Volumenstrom oder der Partialdruck des Reaktionsgases. Im Folgenden wird die Erfin- 185 dung anhand der Messung des Reaktionsgas-Drucks im Niederdruckbereich beschrieben, was jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden soll. Die Messung druckkorrelierter Messgrößen und Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der druckkorrelierten Messgröße stellt eine gleichwertige Alternative dar.According to the invention, a reaction gas pressure or a pressure-correlated measured variable is regulated. Pressure-correlated measurement variables are, for example, the reaction gas volume flow or the partial pressure of the reaction gas. The invention is described below on the basis of the measurement of the reaction gas pressure in the low pressure range, but this should not be understood as a limitation of the invention. The measurement of pressure-correlated measured variables and activation of the reaction gas inlet valve depending on the measured value of the pressure-correlated measured variable represents an equivalent alternative.

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Typischerweise ist das Reaktionsgas, dessen Druck gemessen wird, das Brenngas, z.B. Wasserstoff, aber auch in der Oxidationsmittelzuführung kann die erfindungsgemäße Regelung durchgeführt werden, sofern das Oxidationsmittel unter Druck zugeführt wird.Typically the reaction gas, the pressure of which is measured, is the fuel gas, e.g. Hydrogen, but also in the oxidant supply, the control according to the invention can be carried out, provided the oxidant is supplied under pressure.

195 Die erfindungsgemäße Druck- und/oder Volumenstrom-Regelung umfasst folgende Schritte: kontinuierliches oder regelmäßiges Messen des Drucks oder einer druckkorrelierten Messgröße im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung,195 The pressure and / or volume flow control according to the invention comprises the following steps: continuous or regular measurement of the pressure or a pressure-correlated measurement variable in the low-pressure region of the reaction gas supply,

200 - kontinuierliches oder regelmäßiges Erfassen oder Auswerten des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße durch Vergleichen des Ist-Werts des Drucks oder der druckkorrelierte Messgröße mit einem vorbestimmten, für das Brennstoffzellen-System typischen, Soll-Wert des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße,200 - continuous or regular recording or evaluation of the pressure or the pressure-correlated measured variable by comparing the actual value of the pressure or the pressure-correlated measured variable with a predetermined target value of the pressure or the pressure-correlated measured variable typical of the fuel cell system,

205 - Ansteuern des Reaktionsgas-Einlassventils in Abhängigkeit von dem Druck oder der druckkorrelierten Messgröße dergestalt, dass der durch das Reaktionsgas- Einlassventil in den Niederdruckbereich strömende Reaktionsgas-Volumenstrom je Zeiteinheit erhöht wird, wenn der Ist-Wert des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße unter dem vorbestimmten Soll-Wert liegt, und verringert wird,205 - Actuation of the reaction gas inlet valve in dependence on the pressure or the pressure-correlated measured variable in such a way that the reaction gas volume flow per unit of time flowing through the reaction gas inlet valve is increased if the actual value of the pressure or the pressure-correlated measured variable is below the predetermined target value, and is reduced,

210 wenn der Ist-Wert des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße über dem vorbestimmten Soll-Wert liegt.210 if the actual value of the pressure or the pressure-correlated measured variable is above the predetermined target value.

Die Messung erfolgt durch konventionelle, dem Fachmann für diesen Zweck bekannte Messfühler.The measurement is carried out using conventional sensors known to those skilled in the art for this purpose.

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Der gemessene Wert des, beispielsweise, Reaktionsgas-Drucks wird von einer konventionellen Ansteuer- und Regeleinheit erfasst und mit dem vorbestimmten Soll- Wert verglichen. Bei Leistungsentnahme durch einen elektrischen Verbraucher sinkt der Ist-Wert unter den Soll-Wert des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße,The measured value of the, for example, reaction gas pressure is recorded by a conventional control and regulation unit and compared with the predetermined target value. When power is drawn by an electrical consumer, the actual value drops below the target value of the pressure or the pressure-correlated measured variable,

220 und es wird ein zu niedriger Wert gemessen. Ist der gemessene Wert zu niedrig, wird er durch vermehrtes Einlassen von Reaktionsgas, also durch eine Erhöhung des pro Zeiteinheit durch das Reaktionsgas-Einlassventil strömenden Reaktionsgas- Volumenstroms, erhöht. Dies erfolgt durch eine geeignete Ansteuerung des getakteten Reaktionsgas-Einlassventils. Ist der gemessene Wert hingegen zu hoch, wird er220 and a too low value is measured. If the measured value is too low, it is increased by an increased admission of reaction gas, that is to say an increase in the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve per unit of time. This is done by a suitable control of the clocked reaction gas inlet valve. However, if the measured value is too high, it will

225 durch ein verringertes Einlassen von Reaktionsgas, also durch eine Verringerung des pro Zeiteinheit durch das Reaktionsgas-Einlassventil strömenden Reaktionsgas- Volumenstroms, verringert. Dies erfolgt ebenfalls durch eine geeignete Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils. 230 Die Regelung des durch das getaktete Reaktionsgas-Einlassventil pro Zeiteinheit in den Niederdruckbereich strömenden Reaktionsgas-Volumenstroms erfolgt bevorzugt durch pulsmodulierte oder frequenzmodulierte Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils. Für die pulsmodulierte Ansteuerung wird als Ansteuer- und Regeleinheit ein Zwei-Punkt-Regler verwendet, für die frequenzmodulierte Ansteuerung wird ein225 by a reduced admission of reaction gas, that is to say by a reduction in the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve per unit of time. This is also done by a suitable control of the reaction gas inlet valve. 230 The regulation of the reaction gas volume flow flowing through the clocked reaction gas inlet valve per unit of time into the low pressure range is preferably carried out by pulse-modulated or frequency-modulated control of the reaction gas inlet valve. A two-point controller is used as the control and regulating unit for the pulse-modulated control, and a for the frequency-modulated control

235 kontinuierlicher Regler verwendet.235 continuous controller used.

Bei der Pulsmodulation wechseln Pulszeiten, in denen das Reaktionsgas-Einlassventil geöffnet ist, mit Pausenzeiten, in denen das Reaktionsgas-Einlassventil geschlossen ist. Während der Pulszeiten strömt jeweils ein konstanter Reaktionsgas-Volu-With pulse modulation, pulse times in which the reaction gas inlet valve is open alternate with pause times in which the reaction gas inlet valve is closed. A constant reaction gas volume flows during the pulse times.

240 menstrom in das Brennstoffzellen-System ein, während der Pausenzeiten strömt kein Reaktionsgas ein. Folglich ist der pro Zeiteinheit durch das Reaktionsgas-Einlassventil einströmende Reaktionsgas-Volumenstrom umso größer, je länger die Pulszeiten und je kürzer dementsprechend die verbleibenden Pausenzeiten sind. Die Variation des Reaktionsgas-Volumenstroms erfolgt hier durch geeignete Variation240 flow into the fuel cell system, no reaction gas flows in during the break times. Consequently, the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve per unit of time is greater, the longer the pulse times and accordingly the shorter the remaining pause times. The reaction gas volume flow is varied here by suitable variation

245 des Verhältnisses von Pulszeiten zu zwischen den Pulszeiten liegenden Pausenzeiten.245 the ratio of pulse times to pause times between the pulse times.

Bei der Frequenzmodulation hingegen sind die Pulszeiten, in denen das Reaktionsgas-Einlassventil geöffnet ist und ein konstanter Reaktionsgas-Volumenstrom in das 250 Brennstoffzellen-System einströmt, konstant. Variiert wird die jeweils zwischen zwei Pulszeiten liegende Pausenzeit, in der das Ventil geschlossen ist und kein Reaktionsgas einströmen kann. Je kürzer die Pausenzeiten sind, je höher also die Ansteuerfrequenz ist, desto größer ist der durch das Reaktionsgas-Einlassventil einströmende Reaktionsgas-Volumenstrom.With frequency modulation, on the other hand, the pulse times during which the reaction gas inlet valve is open and a constant reaction gas volume flow flows into the 250 fuel cell system are constant. The pause time between two pulse times is varied, in which the valve is closed and no reaction gas can flow in. The shorter the pause times, the higher the control frequency, the greater the reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve.

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Zusätzlich kann in dem Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung ein Reaktionsgas-Auslassventil, das ebenfalls von der Ansteuer- und Regeleinheit in Abhängigkeit von dem Druck oder der druckkorrelierten Messgröße ansteuerbar ist, vorgesehen werden. Das Reaktionsgas-Auslassventil ermöglicht eine wesentlich schnelle- 260 re Druckreduzierung im Niederdruckbereich als dies alleine durch Geschlossenhalten des Reaktionsgas-Einlassventils bei gleichzeitigem Verbrauch von Reaktionsgas durch die Brennstoffzellen möglich ist, es hat also im Wesentlichen eine Sicherheitsfunktion. Das Reaktionsgas-Auslassventil kann ein beliebiges Ventil sein, beispielsweise ein kontinuierlich regelbares Ventil oder auch ein getaktetes Ventil wie das Re- 265 aktionsgas-Einlassventil. Die Ansteuerung kann beispielsweise dergestalt erfolgen, dass ein bestimmter Grenzwert des Drucks im Niederdruckbereich vorgegeben wird, der nicht überschritten werden darf. Sollte er dennoch überschritten werden, wird das Reaktionsgas-Auslassventil angesteuert und bis zur Unterschreitung des Grenzwerts geöffnet.In addition, a reaction gas outlet valve can be provided in the low-pressure area of the reaction gas supply, which can also be controlled by the control and regulating unit as a function of the pressure or the pressure-correlated measured variable. The reaction gas outlet valve enables a considerably faster pressure reduction in the low pressure range than this by simply keeping the reaction gas inlet valve closed while simultaneously consuming reaction gas through the fuel cells, so it essentially has a safety function. The reaction gas outlet valve can be any valve, for example a continuously controllable valve or a clocked valve such as the reaction gas inlet valve. The control can take place, for example, in such a way that a certain limit value of the pressure in the low pressure range is specified, which may not be exceeded. Should it still be exceeded, the reaction gas outlet valve is activated and opened until the limit is undershot.

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Das Reaktionsgas-Einlassventil ist ein Ventil, das sehr kurze Schaltzeiten hat. Bevorzugt sind Magnetventile und Piezoventile, die einerseits sehr schnell reagieren und andererseits nur über zwei Schaltstellungen verfügen, so dass beim Öffnen des Ventils sofort die maximal mögliche Gasmenge durch das Ventil strömen kann, wobei 275 diese Gasmenge bis zum Schließen des Ventils strömt. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Druckeinstellung ist hier nicht von der Trägheit des Ventils, sondern nur von der Trägheit der im System verwendeten Regelkreisglieder abhängig. Da die Ansteuerung und Regelung elektronisch, also trägheitslos, erfolgt, erfolgt auch die Druckeinstellung sehr rasch.The reaction gas inlet valve is a valve that has very short switching times. Solenoid valves and piezo valves are preferred which, on the one hand, react very quickly and, on the other hand, only have two switch positions, so that when the valve is opened the maximum possible amount of gas can flow through the valve, with this amount of gas flowing until the valve closes. The accuracy and reproducibility of the pressure setting does not depend on the inertia of the valve, but only on the inertia of the control loop elements used in the system. Since the control and regulation takes place electronically, i.e. without inertia, the pressure is also set very quickly.

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Der Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung kann als eine Verteilerleitung für Reaktionsgas ausgebildet sein, die das Reaktionsgas zu den Brennstoffzellen- Stapeln und schließlich zu den Einzelbrennstoffzellen führt. Alternativ kann der Niederdruckbereich auch als Niederdruckraum ausgebildet sein, von dem aus alle Ein- 285 zelbrennstoffzellen eines Stapels mit Reaktionsgas versorgt werden. Beispielsweise kann der Niederdruckraum der Anodenraum eines Brennstoffzellen-Stapels sein, von dem aus Brenngas in die Einzelbrennstoffzellen des Stapels strömt.The low-pressure region of the reaction gas supply can be designed as a distributor line for reaction gas, which leads the reaction gas to the fuel cell stacks and finally to the individual fuel cells. Alternatively, the low-pressure area can also be designed as a low-pressure space, from which all individual fuel cells of a stack are supplied with reaction gas. For example, the low-pressure space can be the anode space of a fuel cell stack, from which fuel gas flows into the individual fuel cells of the stack.

Das Reaktionsgas-Einlassventil kann so in die Reaktionsgas-Zuführung integriert 290 werden, dass auch sein Antrieb in der Reaktionsgas-Zuführung untergebracht ist. Das hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Dichtungssysteme erforderlich sind. Der integrierte Einbau ist sowohl im Hochdruckbereich als auch im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung möglich, wobei der Niederdruckbereich sowohl als Verteilerleitung als auch als Niederdruckraum ausgebildet sein kann. Ist der Nieder- 295 druckbereich als Niederdruckraum ausgebildet, trennt das Reaktionsgas-Einlassventil den Hochdruckbereich von dem Niederdruckraum des Brennstoffzellen-Stapels. Bei mehreren Brennstoffzellen-Stapeln in einem Brennstoffzellen-System besitzt bevorzugt jeder Niederdruckraum eines Brennstoffzellen-Stapels ein Reaktionsgas-Einlassventil, das den Niederdruckraum des betreffenden Brennstoffzellen-Stapels vomThe reaction gas inlet valve can be integrated 290 into the reaction gas supply such that its drive is also accommodated in the reaction gas supply. This has the advantage that no additional sealing systems are required. The integrated installation is possible both in the high-pressure area and in the low-pressure area of the reaction gas supply, the low-pressure area being able to be designed both as a distributor line and as a low-pressure space. Is the low 295 pressure area formed as a low pressure space, the reaction gas inlet valve separates the high pressure area from the low pressure space of the fuel cell stack. In the case of a plurality of fuel cell stacks in a fuel cell system, each low-pressure chamber of a fuel cell stack preferably has a reaction gas inlet valve which separates the low-pressure chamber of the fuel cell stack in question

300 Hochdruckbereich trennt. Im Falle einer Verteilerleitung für das Reaktionsgas kann ebenfalls direkt an jedem Brennstoffzellen-Stapel ein Reaktionsgas-Einlassventil integriert werden. In diesem Fall stellt die Verteilerleitung den Hochdruckbereich dar, und es ist, wie bei der Variante mit Niederdruckraum, für jeden Brennstoffzellen-Stapel eine eigene Ansteuer- und Regeleinheit für das jeweilige Reaktionsgas-Einlass-300 high pressure area separates. In the case of a distributor line for the reaction gas, a reaction gas inlet valve can also be integrated directly on each fuel cell stack. In this case, the distribution line represents the high-pressure area, and, as with the variant with low-pressure space, there is a separate control and regulating unit for the respective reaction gas inlet for each fuel cell stack.

305 ventil erforderlich. Das Reaktionsgas-Einlassventil trennt den Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich eines Brennstoffzellen-Stapels. Alternativ kann das Reaktionsgas-Einlassventil auch so integriert werden, dass es stromauf von einem für alle Brennstoffzellen-Stapel gemeinsamen Niederdruckbereich (Verteilerleitung) die Reaktionsgas-Zuführung für mehrere oder alle Brennstoffzellen-Stapel gemeinsam öff-305 valve required. The reaction gas inlet valve separates the high pressure area from the low pressure area of a fuel cell stack. Alternatively, the reaction gas inlet valve can also be integrated in such a way that it opens the reaction gas supply for several or all fuel cell stacks together upstream from a low-pressure region (distributor line) common to all fuel cell stacks.

310 net oder unterbricht.310 net or interrupts.

Auch das Reaktionsgas-Auslassventil kann inclusive Antrieb problemlos in der Reaktionsgas-Zuführung, z.B. in einem Niederdruckraum, integriert werden, so dass keine zusätzlichen Dichtungssysteme erforderlich sind.The reaction gas outlet valve including the drive can also be easily inserted into the reaction gas supply, e.g. in a low pressure room, so that no additional sealing systems are required.

315315

Für die Druck- und Volumenstrom-Regelung bei Kleinstanwendungen, d.h. bei der Stromversorgung von beispielsweise Laptops, Telefonen, Taschenlampen etc., eignet sich insbesondere ein Brennstoffzellen-System mit Piezoventil als Reaktionsgas- Einlassventil, mit einem Niederdruckraum als Niederdruckbereich der Reaktionsgas-For pressure and volume flow control in small applications, i.e. When powering laptops, telephones, flashlights etc., for example, a fuel cell system with a piezo valve as a reaction gas inlet valve is particularly suitable, with a low pressure chamber as a low pressure area of the reaction gas

320 Zuführung und mit einem inklusive seinem Antrieb in den Niederdruckraum eingebauten Reaktionsgas-Einlassventil. Das System ist besonders einfach im Aufbau bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Wenn es auch insbesondere für miniaturisierte Gasversorgungssysteme eine ideale Lösung darstellt, ist es jedoch keinesfalls auf diesen Anwendungsbereich beschränkt, sondern kann auch in jedem anderen320 supply and with a reaction gas inlet valve built into the low-pressure chamber including its drive. The system is particularly simple to set up with a high power density. Even if it is an ideal solution especially for miniaturized gas supply systems, it is by no means restricted to this area of application, but can also be used in any other

325 Brennstoffzellen-System beliebiger Größe vorteilhaft eingesetzt werden. Brennstoffzellen-Systeme mit erfindungsgemäßer Druckregelung weisen gegenüber Brennstoffzellen-Systemen mit konventioneller Druckregelung eine Reihe von Vorteilen auf: Sie erlauben eine äußerst schnelle, präzise und reproduzierbare Druckrege-325 fuel cell system of any size can be used advantageously. Fuel cell systems with pressure control according to the invention have a number of advantages over fuel cell systems with conventional pressure control: they allow extremely fast, precise and reproducible pressure control

330 lung des Reaktionsgases im Niederdruckbereich des Brennstoffzellen-Systems. Es können hohe Reaktionsgas-Volumenströme bei geringen Drücken zur Versorgung bereitgestellt werden, und dieser Reaktionsgas-Volumenstrom kann nahezu trägheitslos auf- und zugeregelt werden, um unzulässige Drucküberschreitungen oder Druckunterschreitungen in dem Brennstoffzellen-System zu vermeiden. Auch wenn330 tion of the reaction gas in the low pressure area of the fuel cell system. High reaction gas volume flows can be provided for supply at low pressures, and this reaction gas volume flow can be opened and closed almost without inertia in order to avoid impermissible pressure overshoots or pressure undershoots in the fuel cell system. Even if

335 sehr schnelle Änderungen des einströmenden Reaktionsgas-Volumenstroms erforderlich sind, können Druckschwankungen im Niederdruckbereich nahezu vermieden werden.335 very fast changes in the inflowing reaction gas volume flow are required, pressure fluctuations in the low pressure range can be almost avoided.

Durch Verwendung eines getakteten Reaktionsgas-Einlassventils, das einerseits ver- 340 gleichsweise leicht ist und andererseits die Verwendung eines separaten Absperrventils überflüssig macht, sowie auch ggf. durch die Zuordnung eines Reaktionsgas- Einlassventils zu einem Brennstoffzellen-Stapel und die Integrierung des Reaktionsgas-Einlassventils mit seinem Antrieb in den Hoch- oder Niederdruckbereich können wesentliche Gewichtseinsparungen ohne Abstriche bei der Leistungsdichte erzielt 345 werden.By using a clocked reaction gas inlet valve, which is comparatively light on the one hand and on the other hand makes the use of a separate shut-off valve unnecessary, as well as possibly by assigning a reaction gas inlet valve to a fuel cell stack and integrating the reaction gas inlet valve its drive in the high or low pressure range can achieve significant weight savings 345 without sacrificing power density.

Zur Gewährleistung einer effizienten Befeuchtung der Polymerelektrolytmembranen der Brennstoffzellen bei jeder gewünschten Leistung eines Brennstoffzellen-Systems weist das Brennstoffzellen-System erfindungsgemäß eine in der Reaktionsgas-Zu-To ensure efficient moistening of the polymer electrolyte membranes of the fuel cells at any desired output of a fuel cell system, the fuel cell system according to the invention has a reaction gas supply

350 führung zu dem Brennstoffzellen-Stapel oder den Brennstoffzellen-Stapeln angeordnete Drosselvorrichtung, die bei Betrieb des Brennstoffzellen-Systems den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung trennt, und eine stromauf von der Drosselvorrichtung oder direkt in der Drosselvorrichtung in die Reaktionsgas-Zuführung mündende Wasserzuführung auf. Die Drosselvorrichtung350 guide to the fuel cell stack or the fuel cell stacks arranged throttle device, which separates the high pressure region and the low pressure region of the reaction gas supply during operation of the fuel cell system, and an upstream from the throttle device or directly into the throttle device opening into the reaction gas supply Water supply on. The throttle device

355 ist beispielsweise eine Düse oder eine Blende, bevorzugt eine konvergente Düse.355 is, for example, a nozzle or an aperture, preferably a convergent nozzle.

Durch die Anordnung der Drosselvorrichtung dergestalt, dass sie den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung trennt, befindet sich der stromauf gelegene Eingang der Drosselvorrichtung auf einem hohen Druckni- 360 veau pi und der stromab gelegene Ausgang der Drosselvorrichtung auf einem tieferen Druckniveau p . Das strömende Reaktionsgas tritt mit einem Druck p1 in die Drosselvorrichtung ein und wird beim Austritt aus der Drosselvorrichtung auf den Druck des Niederdruckbereichs p2 entspannt. Am engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung ist der Reaktionsgas-Druck bevorzugt mindestens gleich dem kritischenThe arrangement of the throttle device such that it separates the high-pressure region and the low-pressure region of the reaction gas feed means that the upstream inlet of the throttle device is at a high pressure level. 360 veau pi and the downstream outlet of the throttle device at a lower pressure level p. The flowing reaction gas enters the throttle device at a pressure p1 and is expanded to the pressure of the low-pressure region p2 when it leaves the throttle device. At the narrowest cross section of the throttle device, the reaction gas pressure is preferably at least equal to the critical one

365 Druck oder höher.365 pressure or higher.

Wenn ein Gas durch eine konvergente Düse hindurchströmt, nimmt sein Druck ab, die Strömungsgeschwindigkeit zu. Der Druck des Gases kann maximal so weit abnehmen, dass im engsten Querschnitt der Düse der kritische Druck Pkπt erreicht wird. 370 Dieser ist gegeben durch:When a gas flows through a convergent nozzle, its pressure decreases and the flow velocity increases. The pressure of the gas can decrease so far that the critical pressure Pkπt is reached in the narrowest cross section of the nozzle. 370 This is given by:

Figure imgf000014_0001
wobei Pi = der Druck vor der Düse ist. Ist der Druck nach der Düse kleiner als dieser kritische Druck, also pknt > p2, so wird die restliche im Gasstrahl der Düse enthaltene 380 Druckenergie im Moment des Ausströmens unter Entropiezunahme durch ein Aufweiten des Gasstrahlkegels umgesetzt. Das Gas wird "überkritisch" entspannt.
Figure imgf000014_0001
where Pi = the pressure in front of the nozzle. If the pressure after the nozzle is lower than this critical pressure, i.e. pknt> p 2 , the remaining 380 pressure energy contained in the gas jet of the nozzle is converted at the moment of the outflow with an increase in entropy by widening the gas jet cone. The gas is expanded "supercritically".

Erfindungsgemäß wird Wasser im Hochdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung zwischen Reaktionsgas-Einlassventil und Eingang der Drosselvbrrichtung oder imAccording to the invention, water is in the high-pressure region of the reaction gas supply between reaction gas inlet valve and inlet of the throttle device or in

385 Bereich der Drosselvorrichtung selbst (vor deren engster Stelle) in die Reaktionsgas- Zuführung eingespeist. Das Wasser wird dabei vom strömenden Reaktionsgas mitgenommen und tritt mit ihm aus der Drosselvorrichtung aus. Die überkritische Entspannung des Reaktionsgas-Volumenstroms beim Eintritt in den Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung führt zu einer Zerteilung des mitgeführten Wassers zu385 area of the throttle device itself (before its narrowest point) fed into the reaction gas feed. The water is entrained by the flowing reaction gas and exits the throttle device with it. The supercritical expansion of the reaction gas volume flow as it enters the low-pressure region of the reaction gas feed leads to a breakdown of the water carried along

390 Tröpfchen, also zu einem Dispergieren des Wassers in dem Reaktionsgas. Das Dis- pergieren erfolgt in der Regel umso gründlicher, je größer die Differenz zwischen dem am engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung herrschenden Druck und dem Druck nach der Düse ist. Typischerweise bildet das im Reaktionsgas mitgenommene Wasser beim Austritt aus der Drosselvorrichtung einen Sprühkegel. Das Befeuch- 395 tungswasser ist nun in dem strömenden Reaktionsgas dispergiert und wird von ihm sehr gleichmäßig auf alle Einzelbrennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stapels oder der Brennstoffzellen-Stapel verteilt. Es findet eine sehr gleichmäßig Befeuchtung der Membranen aller Einzelbrennstoffzellen statt.390 droplets, i.e. to disperse the water in the reaction gas. The dispersion is generally carried out more thoroughly the greater the difference between the narrowest cross section of the throttle device and the pressure after the nozzle. Typically, the water entrained in the reaction gas forms a spray cone when it emerges from the throttle device. The humidification 395 tion water is now dispersed in the flowing reaction gas and is distributed by it very evenly to all individual fuel cells of the fuel cell stack or the fuel cell stack. The membranes of all individual fuel cells are moistened very evenly.

400 Bedingt durch die Anordnung der Drosselvorrichtung unmittelbar nach dem Reaktionsgas-Einlassventil und die Zuführung des Wassers in dem Hochdruckbereich führt eine vermehrte Zuführung von Reaktionsgas auch zu einer vermehrten Zuführung von Befeuchtungswasser. Die Befeuchtung der Brennstoffzellen wird daher bei einer Erhöhung der Last, mit der aufgrund steigender Temperaturen eine Erhöhung des400 Due to the arrangement of the throttle device immediately after the reaction gas inlet valve and the supply of water in the high pressure area, an increased supply of reaction gas also leads to an increased supply of dampening water. The humidification of the fuel cells is therefore at an increase in the load with which an increase in the

405 Befeuchtungsbedarfs einhergeht, automatisch intensiver. Das dispergierte Wasser kann aufgrund seiner feinen Verteilung, bevorzugt als Aerosol, in dem Reaktionsgas auch teilweise verdampfen und so zu einer Kühlung der Brennstoffzellen führen.405 humidification needs, automatically more intensive. Due to its fine distribution, preferably as an aerosol, the dispersed water can also partially evaporate in the reaction gas and thus lead to cooling of the fuel cells.

Die Dosierung erfolgt bevorzugt über eine Pumpe aus einem Wasserreservoir.The metering is preferably carried out via a pump from a water reservoir.

410410

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas ist für jedes Reaktionsgas, das unter Druck zugeführt wird, anwendbar. Es ist unabhängig vom Typ des verwendeten Reaktionsgas-Einlassventils und der Art der Druckregelung im Niederdruckbereich, es kann also in jedem beliebigen Brenn- 415 stoffzellen-System vorteilhaft zur Anwendung kommen.The process according to the invention for dispersing water in a reaction gas can be used for any reaction gas which is supplied under pressure. It is independent of the type of reaction gas inlet valve used and the type of pressure control in the low pressure range, so it can be used to advantage in any 415 fuel cell system.

Es ist jedoch bevorzugt, die erfindungsgemäße Art des Dispergϊerens von Wasser in einem Reaktionsgas in Brennstoffzellen-Systemen anzuwenden, die eines oder mehrere der vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckregelung 420 geschilderten Merkmale aufweisen, bzw. das Verfahren zum Dispergieren von Wasser mit Verfahrensmerkmalen zu kombinieren, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße Verfahren zur Druckregelung geschildert wurden.However, it is preferred to use the type of dispersing water according to the invention in a reaction gas in fuel cell systems which have one or more of the features described above in connection with the pressure control 420 according to the invention, or to combine the method for dispersing water with process features as described above for the method for pressure control according to the invention.

Besonders vorteilhaft ist es, die Drosselvorrichtung nach einem getakteten Reakti- 425 onsgas-Einlassventil, nicht nach einem kontinuierlich regelnden Reaktionsgas-Einlassventil, vorzusehen. Bei dem getakteten Reaktionsgaseinlassventil herrschen während der Öffnungszeit des Ventils immer die gleichen strömungsmechanischen Bedingungen auf die hin das System hinsichtlich der Effizienz der Zerstäubung und Verteilung des Wassers optimiert werden kann.It is particularly advantageous to provide the throttle device after a clocked reaction gas inlet valve, not after a continuously regulating reaction gas inlet valve. The clocked reaction gas inlet valve always has the same fluid mechanics during the opening time of the valve Conditions under which the system can be optimized with regard to the efficiency of the atomization and distribution of the water.

430430

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen müssen zwar einerseits befeuchtet werden, um stets eine optimale Leitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran zu gewährleisten, andererseits entsteht bei der Brennstoffzellen-Reaktion jedoch auch Wasser, das aus den Brennstoffzellen entfernt werden muss, um ein Fluten der Elektroden zuOn the one hand, polymer electrolyte membrane fuel cells have to be moistened in order to always ensure optimum conductivity of the polymer electrolyte membrane, on the other hand, however, water also arises during the fuel cell reaction, which must be removed from the fuel cells in order to flood the electrodes

435 verhindern. Erfindungsgemäß wird die Entfernung von überschüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellen-System durch die Ausnutzung der im Reaktionsgas-Volumenstrom enthaltenen kinetischen Energie gelöst. Zu diesem Zweck weist das Brennstoffzellen-System in einer Reaktionsgas-Zuführung zu dem Brennstoffzellen-Stapel oder den Brennstoffzellen-Stapeln einen Gasstrahler mit Treibdüse, Einlass zur Gas-Prevent 435. According to the invention, the removal of excess water from the fuel cell system is achieved by utilizing the kinetic energy contained in the reaction gas volume flow. For this purpose, the fuel cell system in a reaction gas supply to the fuel cell stack or the fuel cell stacks has a gas jet with a driving nozzle, inlet to the gas

440 ansaugung und Fangdüse, sowie eine Reaktionsgas-Rückführung aus dem Brennstoffzellen-Stapel bzw. den Brennstoffzellen-Stapeln auf. Die Reaktionsgas-Rückführung mündet in den Einlass zur Gasansaugung des Gasstrahlers.440 suction and trap nozzle, as well as a reaction gas recirculation from the fuel cell stack or the fuel cell stacks. The reaction gas recirculation opens into the inlet for gas intake of the gas emitter.

Die Reaktionsgas-Rückführung ist vorteilhafterweise als Sammelleitung für unver- 445 brauchtes Reaktionsgas aus den Brennstoffzellen ausgebildet.The reaction gas recirculation is advantageously designed as a manifold for unused reaction gas from the fuel cells.

Bei dem Verfahren zum Austreiben von Wasser aus einem Brennstoffzellen-System wird das Reaktionsgas durch ein beliebiges Reaktionsgas-Einlassventil als Treibmassenstrahl durch den Gasstrahler, der den Hochdruckbereich und den Nieder-In the method for expelling water from a fuel cell system, the reaction gas is passed through any reaction gas inlet valve as a propellant jet through the gas jet, which the high pressure area and the low pressure

450 druckbereich der Reaktionsgas-Zuführung trennt, in die Reaktionsgas-Zuführung eingespeist und passiert den Brennstoffzellen-Stapel oder die Brennstoffzellen-Stapel. Unverbrauchtes Reaktionsgas wird durch eine Reaktionsgas-Rückführung wieder in den Gasstrahler eingespeist, wobei in der Reaktionsgas-Rückführung durch die Saugwirkung des Gasstrahlers ein Druck erzeugt wird, der geringer ist als der450 separates the pressure range of the reaction gas supply, fed into the reaction gas supply and passes the fuel cell stack or the fuel cell stack. Unused reaction gas is fed back into the gas jet by a reaction gas return, a pressure which is lower than that being generated in the reaction gas return by the suction effect of the gas jet

455 Druck im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung. Mit dem angesaugten unverbrauchten Reaktionsgas wird auch Wasser aus den Brennstoffzellen angesaugt und in die Reaktionsgas-Rückführung eingespeist. In der Reaktionsgas-Rückführung ist bevorzugt ein Wasserabscheider vorgesehen, um zu vermeiden, dass das angesaugte Wasser in den Gasstrahler und damit in die Reaktionsgas-Zufüh-455 Pressure in the low pressure area of the reaction gas supply. With the unused reaction gas drawn in, water is also sucked out of the fuel cells and fed into the reaction gas recirculation. A water separator is preferably provided in the reaction gas recirculation in order to prevent the sucked-in water from entering the gas jet and thus the reaction gas supply.

460 rung gelangt. Eine unvollständige Wasserabscheidung ist nicht schädlich. Das noch in dem rückgeführten unverbrauchten Reaktionsgas enthaltene Wasser kann wieder zur Befeuchtung der Polymerelektrolytmembranen der Brennstoffzellen verwendet werden.460 tion arrives. Incomplete water separation is not harmful. That still Water contained in the recycled unused reaction gas can be used again to moisten the polymer electrolyte membranes of the fuel cells.

465 Der Gasstrahler trennt den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich des Brennstoffzellen-Systems und kann somit die gesamte in dem einströmenden Reaktionsgas-Volumenstrom enthaltene Druckenergie zur Gasansaugung nutzen, wobei theoretisch ein absolutes Vakuum erzielbar ist. Fremdenergie oder ein separates System zur Wasserentfernung mit bewegten Teilen, Ventilen oder sonstigen Regelor-465 The gas jet separates the high-pressure area and the low-pressure area of the fuel cell system and can thus use the entire pressure energy contained in the inflowing reaction gas volume flow for gas suction, whereby theoretically an absolute vacuum can be achieved. External energy or a separate water removal system with moving parts, valves or other control

470 ganen sind nicht erforderlich. Das Brennstoffzellen-System mit Gasstrahler zur Vakuumerzeugung in der Reaktionsgas-Rückführung ist vielmehr einfach und kompakt im Aufbau und wartungsfrei. Ein besonderer Vorteil liegt in der Synchronität zwischen Brennstoffzellen-Leistung und Effizienz der Wasserentfernung. Bei höherer Leistung des Brennstoffzellen-Systems ist ein höherer Reaktionsgas-Volumenstrom erforder-470 ganen are not necessary. The fuel cell system with gas jet for vacuum generation in the reaction gas return is rather simple and compact in structure and maintenance-free. A particular advantage lies in the synchrony between fuel cell performance and water removal efficiency. With higher performance of the fuel cell system, a higher reaction gas volume flow is required.

475 lieh, und da mehr Wasserstoff verbraucht wird, wird gleichzeitig mehr Wasser in den Brennstoffzellen gebildet. Ein höherer Reaktionsgas-Volumenstrom bedeutet aber gleichzeitig eine erhöhte Saugleistung des Gasstrahlers und damit eine wirksamere Entfernung von überschüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen. Ein Fluten der Elektroden wird somit auch bei hoher Last zuverlässig vermieden.475 loaned, and since more hydrogen is consumed, more water is simultaneously formed in the fuel cells. However, a higher reaction gas volume flow means at the same time an increased suction power of the gas jet and thus a more effective removal of excess water from the fuel cells. Flooding of the electrodes is thus reliably avoided even under high loads.

480480

Ein weiterer Vorteil dieses Systems liegt darin, dass es einen kontinuierlich offen durchströmten Betrieb der Brennstoffzellen ohne Gasverlust ermöglicht, denn unverbrauchtes Reaktionsgas wird im Gasstrahler dem neu zugeführten Reaktionsgas beigemischt und erneut verwendet.Another advantage of this system is that it enables the fuel cells to operate in an open, continuous flow without gas loss, because unused reaction gas is mixed with the newly supplied reaction gas in the gas emitter and used again.

485485

Die Anordnung mit Reaktionsgas-Rückführung und Gasstrahler zum Austreiben von Wasser aus den Brennstoffzellen ist in jedem beliebigen Brennstoffzellen-System vorteilhaft anwendbar. Mit besonderem Vorteil wird es in Brennstoffzellen-Systemen verwendet, die eines oder mehrere der Merkmale aufweisen, wie sie vorstehend im 490 Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckregelung und/oder mit dem erfindungsgemäßen Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas geschildert wurden. Ist das Reaktionsgas-Einlassventil ein getaktetes Ventil, wie ein Magnetventil oder 495 ein Piezoventil, strömt bei geöffnetem Ventil jeweils der maximale Reaktionsgas-Volumenstrom ein, so dass bei dem nachgeschalteten Gasstrahler bei offenem Ventil jeweils der volle Druck anliegt. Der Gasstrahler kann somit immer im Betriebsoptimum betrieben werden und seine maximale Saugleistung erbringen.The arrangement with reaction gas recirculation and gas jets for expelling water from the fuel cells can be used advantageously in any fuel cell system. It is used with particular advantage in fuel cell systems which have one or more of the features described above in connection with the pressure control according to the invention and / or with the dispersion of water in a reaction gas according to the invention. If the reaction gas inlet valve is a pulsed valve, such as a solenoid valve or 495 a piezo valve, the maximum reaction gas volume flow flows in when the valve is open, so that full pressure is applied to the downstream gas jet when the valve is open. The gas jet can therefore always be operated at optimum operating performance and provide its maximum suction power.

500 Die angegebene Wasseraustreibung aus den Brennstoffzellen kann auch vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas kombiniert werden, unabhängig von der Art der Druckregelung. In diesem Fall wirkt die Treibdüse des Gasstrahlers als Drosselvorrichtung, und das Befeuchtungswasser wird stromauf von der Treibdüse oder in der Treibdüse in die Reaktionsgas-Zufüh-500 The specified water expulsion from the fuel cells can also advantageously be combined with the dispersion of water in a reaction gas according to the invention, regardless of the type of pressure control. In this case, the driving nozzle of the gas jet acts as a throttle device, and the dampening water is fed upstream from the driving nozzle or in the driving nozzle into the reaction gas supply.

505 rung eingespeist. Das zugeführte Wasser vergrößert den Treibmassenstrom und führt daher zu einer Verbesserung des in der Reaktionsgas-Rückführung erzielbaren Vakuums.505 fed in. The water supplied increases the motive mass flow and therefore leads to an improvement in the vacuum which can be achieved in the reaction gas recirculation.

Die erfindungsgemäßen Systeme zur Reaktionsgas-Volumenstromregelung bzw.The systems according to the invention for regulating the reaction gas volume flow or

510 -Druckregelung, zum Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas-Volumenstrom und zum Austreiben von überschüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen können auch in einem einzigen System gemeinsam verwirklicht werden. Ein derartiges Brennstoffzellen-System erlaubt es, auch bei sich rasch ändernden Reaktions- gas-VoIumenströmen Druckschwankungen im Niederdruckbereich des Brennstoff-510 pressure control, for dispersing water in a reaction gas volume flow and for expelling excess water from the fuel cells can also be implemented together in a single system. Such a fuel cell system allows pressure fluctuations in the low-pressure region of the fuel, even with rapidly changing reaction gas volume flows.

515 zellen-Systems zu vermeiden, es kann also auf rasch wechselnde Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers reagieren, ohne dass es zu unzulässigen Drucküberschreitungen oder Druckunterschreitungen im System kommt. Außerdem können die Brennstoffzellen unter den Bedingungen einer ständigen Überversorgung mit Wasser und damit einer garantiert optimalen Befeuchtung der Membranen be-515 cell system, so it can react to rapidly changing performance requirements of an electrical consumer without causing excessive or excessive pressure drops in the system. In addition, the fuel cells can be moistened under the conditions of constant oversupply with water and thus guaranteed optimal moistening of the membranes.

520 trieben werden, ohne dass es zu einem Verlegen der Anodenseite der Membranen mit Wassertröpfchen kommt, da überschüssiges Wasser kontinuierlich optimal ausgetrieben wird. Somit wird auch ein hinsichtlich des Wasserhaushalts stabiler Betrieb des Brennstoffzellen-Systems ermöglicht, wobei lediglich ein Minimum an Sensorik erforderlich ist.520 are driven without the anode side of the membranes being covered with water droplets, since excess water is continuously optimally expelled. This also enables stable operation of the fuel cell system with regard to the water balance, with only a minimum of sensors being required.

525 Eine Änderung der von einem Brennstoffzellen-Leistungssystem zu liefernden elektrischen Leistung, wie es sie bei einer Änderung der Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise einem mit wechselnden Geschwindigkeiten fahrenden Kraftfahrzeug, erforderlich ist, bedingt jeweils eine Änderung des zu-525 A change in the electrical power to be supplied by a fuel cell power system, as is required when changing the power requirements of an electrical consumer, for example a motor vehicle traveling at changing speeds, requires a change in the

530 zuführenden Reaktionsgas-Volumenstroms. Dabei sollten jedoch möglichst keine Druckschwankungen im Brennstoffzellen-Bereich auftreten. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem den Brennstoffzellen eine bestimmte Menge Reaktionsgas zugeführt wird, die abhängig ist von der gewünschten Leistung des elektrischen Verbrauchers. Bei hohen Leistungsanforderungen wird ein hoher Reaktionsgas-Volumen-530 supplying reaction gas volume flow. However, there should be no pressure fluctuations in the fuel cell area. According to the invention, this is achieved by supplying the fuel cells with a certain amount of reaction gas, which is dependent on the desired output of the electrical consumer. With high performance requirements, a high reaction gas volume

535 ström eingespeist, bei gewünschten geringeren Leistungsanforderungen wird weniger Reaktionsgas eingespeist. Die Einspeisung des Reaktionsgas-Volumenstroms erfolgt über ein Reaktionsgas-Einlassventil, das ein getaktetes Ventil oder ein kontinuierlich regelndes Ventil sein kann. Die Regelung des Drucks erfolgt durch eine Leistungselektronik dergestalt, dass den Brennstoffzellen stets soviel elektrische Lei-535 fed in stream, less reaction gas is fed in if lower power requirements are desired. The reaction gas volume flow is fed in via a reaction gas inlet valve, which can be a clocked valve or a continuously regulating valve. The pressure is regulated by power electronics in such a way that the fuel cells always have so much electrical power

540 stung entnommen wird, dass der Druck in ihnen konstant gehalten wird. Die Leistungselektronik reagiert sehr schnell auf Druckschwankungen im System, so dass an das Reaktionsgas-Einlassventil keine hohen Anforderungen hinsichtlich Druckgenauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie Regelgeschwindigkeit gestellt werden müssen. Daher kann auf die Verwendung eines getakteten Ventils verzichtet werden,540 stung that the pressure in them is kept constant. The power electronics react very quickly to pressure fluctuations in the system, so that the reaction gas inlet valve does not have to meet high demands regarding pressure accuracy and reproducibility as well as control speed. It is therefore not necessary to use a clocked valve,

545 wenn auch ein derartiges Ventil vorteilhaft verwendbar ist.545 if such a valve can also be used advantageously.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Leistungssystem, das für veränderliche Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers ausgelegt ist, weist auf:A fuel cell power system according to the invention, which is designed for variable power requirements of an electrical consumer, has:

550 - mindestens einen Brennstoffzellen-Stapel, einen mit dem Brennstoffzellen-Stapel elektrisch verbundenen Verbraucher, eine Reaktionsgas-Zuführung zu dem Brennstoffzellen-Stapel mit einem Reaktionsgas-Einlassventil, einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich, eine Vorrichtung zur Vorgabe eines Soll-Werts eines Reaktionsgas-Volumen-550 - at least one fuel cell stack, a consumer electrically connected to the fuel cell stack, a reaction gas supply to the fuel cell stack with a reaction gas inlet valve, a high pressure region and a low pressure region, a device for specifying a target value of a reaction gas Volume-

555 Stroms, eine Vorrichtung zur Erfassung des Soll-Werts des Reaktionsgas-Volumenstroms und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils entsprechend der Soll-Wertvorgabe (Ansteuereinheit), eine Messstelle zur kontinuierlichen oder regelmäßigen Messung des Drucks 560 oder einer druckkorrelierten Messgröße im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung, eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße und zur Freigabe der dem Druck oder der druckkorrelierten Messgröße entsprechenden Brennstoffzellen-Leistung an den elektrischen Ver- 565 braucher (Leistungsregler), und eine Einrichtung zur Einstellung der Soll-Leistung des elektrischen Verbrauchers (Leistungselektronik).555 Stroms, a device for detecting the target value of the reaction gas volume flow and for controlling the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification (control unit), a measuring point for continuous or regular measurement of the pressure 560 or a pressure-correlated measured variable in the low-pressure area of the reaction gas supply, a device for recording and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable and for releasing the fuel cell output corresponding to the pressure or the pressure-correlated measured variable to the electrical Consumers (power controller), and a device for setting the target power of the electrical consumer (power electronics).

Die Soll-Wertvorgabe für den zuzuführenden Reaktionsgas-Volumenstrom erfolgt jeThe target value specification for the reaction gas volume flow to be supplied takes place in each case

570 nach Art des elektrischen Verbrauchers durch Betätigung einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise eines Stufen- oder Schiebeschalters, oder durch Betätigen des Gaspedals in einem Kraftfahrzeug. Der vorgegebene Soll-Wert wird von einer An- steuereinheit erfasst, die das Reaktionsgas-Einlassventil entsprechend der Soll- Wertvorgabe ansteuert, d.h., das Reaktionsgas-Einlassventil wird so lange geöffnet,570 in the manner of the electrical consumer by operating a suitable device, for example a step or slide switch, or by operating the accelerator pedal in a motor vehicle. The specified target value is recorded by a control unit which controls the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification, i.e. the reaction gas inlet valve is opened as long as

575 dass ein dem vorgegebenen Soll-Wert entsprechender Reaktionsgas-Volumenstrom in den Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung einströmen kann. Im Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung wird der Druck oder eine druckkorrelierte Messgröße kontinuierlich oder regelmäßig gemessen und von einem Leistungsregler erfasst. Der Leistungsregler vergleicht den Ist-Wert des Drucks oder der druckkorre-575 that a reaction gas volume flow corresponding to the predetermined target value can flow into the low-pressure region of the reaction gas supply. In the low-pressure area of the reaction gas supply, the pressure or a pressure-correlated measured variable is measured continuously or regularly and recorded by a power controller. The power controller compares the actual value of the pressure or the pressure

580 lierten Messgröße mit einem vorgegebenen Soll-Wert des Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße, der systemtypisch ist, und gibt so lange Brennstoffzellen-Leistung an den elektrischen Verbraucher frei, bis der Ist-Wert mit dem Soll-Wert übereinstimmt. Die Einstellung der Leistung des elektrischen Verbrauchers, beispielsweise eines Kraftfahrzeugmotors, erfolgt über eine Leistungselektronik, die dem Brenn-580 measured value with a predetermined target value of the pressure or the pressure-correlated parameter, which is typical of the system, and releases fuel cell power to the electrical consumer until the actual value matches the target value. The setting of the power of the electrical consumer, for example of a motor vehicle engine, is carried out via power electronics which

585 stoffzellen-System die von dem Leistungsregler freigegebene Brennstoffzellen-Leistung entnimmt.585 fuel cell system takes the fuel cell power released by the power controller.

Alternativ kann auch die gewünschte Leistung oder eine andere elektrische Größe, z.B. die Spannung oder der Strom, vorgegeben werden. In diesem Fall weist das er- 590 findungsgemäße Brennstoffzellen-Leistungssystem anstelle der Vorrichtung zur Vorgabe eines Soll-Werts eines Reaktionsgas-Volumenstroms eine Vorrichtung zur Vor- gäbe eines gewünschten Soll-Werts der entsprechenden elektrischen Größe auf, und anstelle der Vorrichtung zur Erfassung des Reaktionsgas-Volumenstroms und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils entsprechend der Soll-Wertvorga-Alternatively, the desired power or another electrical quantity, for example the voltage or the current, can also be specified. In this case, the fuel cell power system according to the invention 590 has a device for pre-setting a setpoint value for a reaction gas volume flow. would give a desired target value of the corresponding electrical quantity, and instead of the device for detecting the reaction gas volume flow and for controlling the reaction gas inlet valve according to the target value specification

595 be weist es eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ist-Werts der elektrischen Größe und eine Vorrichtung zum Vergleich des ermittelten Ist-Werts mit dem vorgegebenen Soll-Wert und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils entsprechend der Soll-Wertvorgabe auf. Der Ist-Wert der elektrischen Größe kann von der Leistungselektronik oder einer anderen Messeinrichtung ermittelt werden. In der Ansteuerein-595 be it has a device for determining the actual value of the electrical variable and a device for comparing the determined actual value with the predetermined target value and for controlling the reaction gas inlet valve in accordance with the target value specification. The actual value of the electrical quantity can be determined by the power electronics or another measuring device. In the control

600 heit wird der ermittelte Ist-Wert mit dem vorgegebenen Soll-Wert verglichen, z.B. • mittels eines Standardreglers, und das Reaktionsgas-Einlassventil entsprechend angesteuert, d.h. das Reaktionsgas-Einlassventil wird geöffnet, wenn der Soll-Wert nicht erreicht wird, und geschlossen, solange er erreicht wird.600 times the determined actual value is compared with the specified target value, e.g. By means of a standard regulator, and the reaction gas inlet valve is controlled accordingly, i.e. the reaction gas inlet valve is opened when the target value is not reached and closed as long as it is reached.

605 In den Zeichnungen zeigen:605 In the drawings:

Fig. 1 ein Brennstoffzellen-System mit erfindungsgemäßer Druckregelung und als Reaktionsgas-Verteilerleitung ausgebildetem Niederdruckbereich der Reaktionsgas- Zuführung,1 shows a fuel cell system with pressure control according to the invention and a low-pressure region of the reaction gas supply formed as a reaction gas distributor line,

610610

Fig. 2 ein Brennstoffzellen-System mit einem Brennstoffzellen-Stapel und mit erfindungsgemäßer Druckregelung und als Niederdruckraum ausgebildetem Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung,2 shows a fuel cell system with a fuel cell stack and with the pressure control according to the invention and a low-pressure area of the reaction gas supply designed as a low-pressure chamber,

615 Fig. 3 ein Brennstoffzellen-System wie in Fig. 2, jedoch mit zwei Brennstoffzellen- Stapeln und zugeordneten Niederdruckräumen,615 FIG. 3 shows a fuel cell system as in FIG. 2, but with two fuel cell stacks and associated low-pressure spaces,

Fig. 4 ein Schemabild für pulsmodulierte Reaktionsgas-Einlassventil-Ansteuerung,4 shows a schematic diagram for pulse-modulated reaction gas inlet valve control,

620 Fig. 5 ein Schemabild für frequenzmodulierte Reaktionsgas-Einlassventil-Ansteue- rung,620 FIG. 5 shows a schematic diagram for frequency-modulated reaction gas inlet valve control,

Fig. 6 einen Teilbereich eines Brennstoffzellen-Systems mit erfindungsgemäßer Wasserdispersion in der Reaktionsgas-Zuführung, 6256 shows a partial area of a fuel cell system with water dispersion according to the invention in the reaction gas supply, 625

Fig. 7 einen Teilbereich eines Brennstoffzellen-Systems mit Anordnung zum Austreiben von Wasser aus den Brennstoffzellen,7 shows a partial area of a fuel cell system with an arrangement for expelling water from the fuel cells,

Fig. 8 ein Brennstoffzellen-System wie in Fig. 1 , jedoch mit Anordnung zum Austrei- 630 ben von Wasser,8 shows a fuel cell system as in FIG. 1, but with an arrangement for expelling 630 water,

Fig. 9 einen Teilbereich eines Brennstoffzellen-Systems mit erfindungsgemäßer Wasserdispersion und Anordnung zum Austreiben von Wasser,9 shows a partial area of a fuel cell system with a water dispersion according to the invention and an arrangement for expelling water,

635 Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Leistungssystem, das für veränderliche Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers ausgelegt ist.635 FIG. 10 shows a fuel cell power system according to the invention, which is designed for variable power requirements of an electrical consumer.

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellen-System 1 mit erfindungsgemäßer Druckregelung. Ein Reaktionsgas, beispielsweise Wasserstoff, wird dem Brennstoffzellen-System1 shows a fuel cell system 1 with pressure control according to the invention. A reaction gas, such as hydrogen, becomes the fuel cell system

640 zugeführt. Es strömt aus einem Hochdruckbereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung über ein Reaktionsgas-Einlassventil 8 in den Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas-Zuführung. Der Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas-Zuführung ist als eine Verteilerleitung ausgebildet, die das Reaktionsgas auf die einzelnen Brennstoffzellen-Stapel und die Einzelbrennstoffzellen 3, welche die Stapel bilden, verteilt. In Fig.640 fed. It flows from a high-pressure area 5 of the reaction gas supply via a reaction gas inlet valve 8 into the low-pressure area 6 of the reaction gas supply. The low-pressure region 6 of the reaction gas supply is designed as a distributor line which distributes the reaction gas to the individual fuel cell stacks and the individual fuel cells 3 which form the stacks. In Fig.

645 1 sind zwei Brennstoffzellen-Stapel 2, 2' gezeigt, es können jedoch auch mehr oder weniger Brennstoffzellen-Stapel sein. In dem Niederdruckbereich 6 des Brennstoffzellen-Systems befindet sich eine Messstelle 9 zur Messung des Drucks des Reaktionsgases. Alternativ kann auch eine druckkorrelierte Messgröße gemessen werden, beispielsweise der Partialdruck des Reaktionsgases oder der Reaktionsgas-Volu-645 1, two fuel cell stacks 2, 2 'are shown, but there may also be more or fewer fuel cell stacks. A measuring point 9 for measuring the pressure of the reaction gas is located in the low pressure region 6 of the fuel cell system. Alternatively, a pressure-correlated measurement variable can also be measured, for example the partial pressure of the reaction gas or the reaction gas volume.

650 menstrom. In einer Ansteuer- und Regeleinheit 10 wird die Messgröße erfasst und der gemessene Wert mit dem für das System vorgegebenen Soll-Wert der Messgröße verglichen. Liegt der gemessene Wert unter dem Soll-Wert, wird das Reaktionsgas-Einlassventil 8 bzw. der Antrieb 16 des Reaktionsgas-Einlassventils 8 angesteuert und das Reaktionsgas-Einlassventil geöffnet, so dass Reaktionsgas aus dem650 menstrom. The measured variable is recorded in a control and regulating unit 10 and the measured value is compared with the target value of the measured variable specified for the system. If the measured value is below the target value, the reaction gas inlet valve 8 or the drive 16 of the reaction gas inlet valve 8 is activated and the reaction gas inlet valve is opened, so that reaction gas from the

655 Hochdruckbereich 5 in den Niederdruckbereich 6 strömt. Das Reaktionsgas-Einlassventil 8 ist ein getaktetes Ventil, d.h. ein Ventil mit nur zwei Schaltstellungen. Beispiele dafür sind ein Magnetventil und ein Piezoventil. Die Ansteuerung des Reakti- onsgas-Einlassventils kann pulsmoduliert, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, oder frequenzmoduliert, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, erfolgen. Liegt der an der Messstelle 9 gemes-655 high pressure area 5 flows into the low pressure area 6. The reaction gas inlet valve 8 is a clocked valve, ie a valve with only two switching positions. Examples include a solenoid valve and a piezo valve. The control of the Onsgas inlet valve can be pulse modulated as shown in FIG. 4 or frequency modulated as shown in FIG. 5. Is the measured at measuring point 9

660 sene Wert für den Druck oder die druckkorrelierte Messgröße bei oder über dem vorgegebenen Soll-Wert des Systems, bleibt das Reaktionsgas-Einlassventil geschlossen und wird erst wieder geöffnet, wenn der gemessene Wert durch Verbrauch von Reaktionsgas unter den Soll-Wert des Systems sinkt. Um eine schnelle Druckreduzierung zu ermöglichen, weist das in Fig. 1 gezeigte System zusätzlich ein Reakti-660 sene value for the pressure or the pressure-correlated measured variable at or above the specified target value of the system, the reaction gas inlet valve remains closed and is only opened again when the measured value drops below the target value of the system due to the consumption of reaction gas. In order to enable rapid pressure reduction, the system shown in FIG. 1 additionally has a

665 onsgas-Auslassventil 11 mit Antrieb 17 auf, durch das Reaktionsgas aus dem Niederdruckbereich 6 entlassen werden kann. Das Reaktionsgas-Auslassventil 11 wird ebenfalls von der Ansteuer- und Regeleinheit 10 angesteuert. Es kann ein getaktetes Ventil wie das Reaktionsgas-Einlassventil 8 sein, oder auch ein kontinuierlich geregeltes Ventil. Die Ansteuerung des Reaktionsgas-Auslassventils 11 erfolgt am665 onsgas exhaust valve 11 with drive 17, through which reaction gas can be released from the low pressure region 6. The reaction gas outlet valve 11 is also controlled by the control and regulating unit 10. It can be a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8, or it can also be a continuously controlled valve. The reaction gas outlet valve 11 is activated on

670 zweckmäßigsten so, dass für den im Niederdruckbereich 6 herrschenden Druck (oder Partialdruck etc.) des Reaktionsgases ein oberer Grenzwert vorgegeben wird und das Reaktionsgas-Auslassventil 11 angesteuert und geöffnet wird, solange dieser Grenzwert überschritten wird.670 most expediently such that an upper limit value is specified for the pressure (or partial pressure, etc.) of the reaction gas prevailing in the low pressure region 6 and the reaction gas outlet valve 11 is activated and opened as long as this limit value is exceeded.

675 Die Figuren 2 und 3 zeigen ebenfalls Brennstoffzellen-Systeme mit erfindungsgemäßer Druckregelung. Hier ist jedoch der Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas-Zuführung als Gasraum ausgebildet, in den das Reaktionsgas bei geöffnetem Einlassventil 8 aus dem Hochdruckbereich 5 strömt. Aus dem Gasraum 6 strömt das Reaktionsgas in die Reaktionsgas-Strömungsfelder 14 aller Einzelbrennstoffzellen 3 des675 FIGS. 2 and 3 also show fuel cell systems with pressure control according to the invention. Here, however, the low-pressure region 6 of the reaction gas supply is designed as a gas space into which the reaction gas flows from the high-pressure region 5 when the inlet valve 8 is open. The reaction gas flows from the gas space 6 into the reaction gas flow fields 14 of all individual fuel cells 3 of the

680 Brennstoffzellen-Stapels 2. Das Reaktionsgas-Einlassventil 8, das den Hochdruckbereich 5 von dem Niederdruckbereich 6 trennt, ist mitsamt seinem Antrieb 16 im Niederdruckraum untergebracht, so dass keine gesonderte Abdichtung erforderlich ist. Der Niederdruckraum 6 ist an einer Seitenfläche des Brennstoffzellen-Stapel 2 angeordnet. An einer anderen Seitenfläche, in der gezeigten Ausführungsform an der ge-680 fuel cell stack 2. The reaction gas inlet valve 8, which separates the high-pressure region 5 from the low-pressure region 6, is accommodated together with its drive 16 in the low-pressure space, so that no separate sealing is required. The low-pressure space 6 is arranged on a side surface of the fuel cell stack 2. On another side surface, in the embodiment shown on the

685 genüberliegenden Seitenfläche, ist ein Raum 18 für das andere Reaktionsgas vorgesehen, von dem aus dieses Reaktionsgas in Reaktionsgas-Strömungsfelder 14' strömt. Die Messung des Reaktionsgas-Drucks oder der druckkorrelierten Messgröße an der Messstelle 9 sowie die Ansteuerung des Ventils 8 über die Ansteuer- und Regeleinheit 10 erfolgt wie bei Fig. 1 ausgeführt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfüh- 690 rungsform ist kein Reaktionsgas-Auslassventil 11 gezeigt, ein derartiges Ventil kann jedoch auch bei dieser Ausführungsform selbstverständlich vorgesehen werden.685 opposite side surface, a space 18 is provided for the other reaction gas, from which this reaction gas flows into reaction gas flow fields 14 '. The measurement of the reaction gas pressure or the pressure-correlated measured variable at the measuring point 9 and the actuation of the valve 8 via the actuation and control unit 10 is carried out as in FIG. 1. In the embodiment shown in FIG. 690 form, no reaction gas outlet valve 11 is shown, but such a valve can of course also be provided in this embodiment.

Fig. 3 zeigt ein Brennstoffzellen-System 1 derselben Art, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, jedoch mit zwei Brennstoffzellen-Stapeln 2, 2 denen jeweils eigene Niederdruckräu-FIG. 3 shows a fuel cell system 1 of the same type as shown in FIG. 2, but with two fuel cell stacks 2, 2 each of which has its own low-pressure space.

695 me 6, 6', Reaktionsgas-Einlassventile 8, 8', Messstellen 9, 9' und Ansteuer- und Regeleinheiten 10, 10' zugeordnet sind. Sie besitzen jedoch einen gemeinsamen Hochdruckbereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung. Es können auch mehr als zwei Brennstoffzellen-Stapel, bei denen der Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung als Niederdruckraum ausgebildet ist, aus einem Hochdruckbereich 5 mit Reaktions-695 me 6, 6 ', reaction gas inlet valves 8, 8', measuring points 9, 9 'and control and regulating units 10, 10' are assigned. However, they have a common high pressure area 5 of the reaction gas supply. It is also possible to have more than two fuel cell stacks, in which the low-pressure area of the reaction gas supply is designed as a low-pressure area, from a high-pressure area 5 with reaction

700 gas versorgt werden.700 gas can be supplied.

Die Anordnung des Reaktionsgas-Einlassventils direkt am Brennstoffzellen-Stapel und sein integrierter Einbau, d.h. Einbau inclusive Antrieb, in die Reaktionsgas-Zuführung ist unabhängig vom Vorhandensein eines Niederdruckraums und auch bei Verteilerleitungen analog möglich. Das Reaktionsgas-Einlassventil kann sowohl inThe arrangement of the reaction gas inlet valve directly on the fuel cell stack and its integrated installation, i.e. Installation including drive, in the reaction gas supply is possible regardless of the presence of a low pressure chamber and also in the case of distribution lines. The reaction gas inlet valve can both in

705 den Hochdruckbereich als auch in den Niederdruckbereich integriert eingebaut werden.705 the high pressure area as well as integrated into the low pressure area.

Fig. 4 zeigt die Gasströmung durch ein getaktetes Ventil wie das Reaktionsgas-Einlassventil 8 bei pulsmodulierter Ansteuerung des Ventils. Die Grundsequenz Ti derFig. 4 shows the gas flow through a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8 with pulse-modulated control of the valve. The basic sequence Ti der

710 pulsmodulierten Ansteuerung setzt sich zusammen aus einer Pulszeit T2, während der das Ventil geöffnet ist, und einer Pausenzeit T3, während der das Ventil geschlossen ist. Bei einem Ventil mit nur zwei Schaltstellungen, wie es erfindungsgemäß zur Druckregelung als Reaktionsgas-Einlassventil verwendet wird, strömt jeweils während der gesamten Dauer der Pulszeiten, die in Fig. 4 durch die schraffier-710 pulse-modulated control is composed of a pulse time T 2 during which the valve is open and a pause time T 3 during which the valve is closed. In the case of a valve with only two switch positions, as is used according to the invention for pressure control as a reaction gas inlet valve, flows during the entire duration of the pulse times, which are shown in FIG.

715 ten Bereiche angedeutet sind, der maximal mögliche Reaktionsgas-Volumenstrom durch das Ventil. Während der Pausenzeiten ist der Reaktionsgas-Volumenstrom vollständig unterbrochen. Die Variation des während der Zeiteinheit Ti durch das Ventil strömenden Volumenstroms erfolgt durch die Variation des Zeitverhältnisses T2/T3.715 th areas are indicated, the maximum possible reaction gas volume flow through the valve. The reaction gas volume flow is completely interrupted during the pause times. The variation of the volume flow flowing through the valve during the time unit Ti takes place through the variation of the time ratio T 2 / T 3 .

720720

Fig. 5 zeigt die Gasströmung durch ein getaktetes Ventil wie das Reaktionsgas-Einlassventil 8 bei frequenzmodulierter Ansteuerung des Ventils. Das Ventil wird mit ei- ner Ansteuerfrequenz 1/Tι angesteuert, wobei Ti die Summe aus der Pulszeit T2 (in Fig. 5 schraffiert dargestellt) und der Pausenzeit T3 ist. Während der Pulszeiten ist5 shows the gas flow through a clocked valve such as the reaction gas inlet valve 8 with frequency-modulated control of the valve. The valve is ner control frequency 1 / Tι controlled, where Ti is the sum of the pulse time T 2 (hatched in Fig. 5) and the pause time T 3 . During the pulse times

725 das Ventil geöffnet, und der maximal mögliche Reaktionsgas-Volumenstrom strömt durch das Ventil in den Niederdruckbereich der Reaktionsgas-Zuführung. Während der Pausenzeiten ist das Ventil geschlossen, und es kann kein Reaktionsgas einströmen. Die Dauer der Pulszeiten ist konstant, die Dauer der Pausenzeiten jedoch variabel. In Fig. 5 ist links eine Ansteuerfrequenz mit langen Pausenzeiten gezeigt,725 the valve is opened, and the maximum possible reaction gas volume flow flows through the valve into the low-pressure region of the reaction gas supply. During the pause times, the valve is closed and no reaction gas can flow in. The duration of the pulse times is constant, but the duration of the pause times is variable. 5 shows a control frequency with long pause times on the left,

730 rechts eine Ansteuerfrequenz mit kurzen Pausenzeiten. Die rechts dargestellte Variante weist also deutlich mehr Ansteuerimpulse pro Zeiteinheit des Ventils auf. Der durch das Reaktionsgas-Einlassventil in den Niederdruckbereich der Reaktionsgas- Zuführung einströmende Reaktionsgas-Volumenstrom ist bei einer frequenzmodulierten Ansteuerung nach der rechts gezeigten Variante also deutlich höher als bei730 on the right a control frequency with short pause times. The variant shown on the right therefore has significantly more control pulses per unit time of the valve. The reaction gas volume flow flowing through the reaction gas inlet valve into the low pressure region of the reaction gas supply is therefore significantly higher in the case of frequency-modulated control according to the variant shown on the right than in the case of

735 einer Ansteuerung nach der links gezeigten Variante.735 a control according to the variant shown on the left.

Fig. 6 zeigt einen Teilbereich eines Brennstoffzellen-Systems 1 mit erfindungsgemäßem Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas. Der dargestellte Teilbereich zeigt den Weg eines Reaktionsgases bis zum Eintritt in den Niederdruckbereich derFIG. 6 shows a partial area of a fuel cell system 1 with water according to the invention being dispersed in a reaction gas. The partial area shown shows the path of a reaction gas up to the entry into the low-pressure area

740 Reaktionsgas-Zuführung. Das Reaktionsgas strömt aus dem Hochdruckbereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung durch das Reaktionsgas-Einlassventil 8 mit Antriebseinheit 16 in den Bereich 5' der Reaktionsgas-Zuführung und von dort durch eine Drosselvorrichtung 20 in den Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas-Zuführung. Bei einem kontinuierlich regelnden Reaktionsgas-Einlassventil ist der Bereich 5' ein Be-740 reaction gas supply. The reaction gas flows from the high pressure region 5 of the reaction gas supply through the reaction gas inlet valve 8 with the drive unit 16 into the region 5 ′ of the reaction gas supply and from there through a throttle device 20 into the low pressure region 6 of the reaction gas supply. In the case of a continuously regulating reaction gas inlet valve, the area 5 'is a loading

745 reich erhöhten Drucks, bei einem getakteten Reaktionsgas-Einlassventil ein Bereich variablen Drucks, in dem bei geöffnetem Reaktionsgas-Einlassventil derselbe Druck wie im Bereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung herrscht. Beim Schließen des Reaktionsgas-Einlassventils sinkt der Druck durch Abströmen von Reaktionsgas in den Niederdruckbereich etwas ab bis zum erneuten Öffnen des Reaktionsgas-Einlass-745 richly increased pressure, in the case of a clocked reaction gas inlet valve, a region of variable pressure, in which the same pressure as in region 5 of the reaction gas supply line prevails when the reaction gas inlet valve is open. When the reaction gas inlet valve is closed, the pressure drops somewhat due to the reaction gas flowing out into the low-pressure region until the reaction gas inlet valve is opened again.

750 ventils. Zwischen dem Reaktionsgas-Einlassventil 8 und der Drosselvorrichtung 20 mündet eine Wasserzuführung 21 in die Reaktionsgas-Zuführung. Die Wasserzuführung 21 speist mittels einer Pumpe 28 Wasser aus einem Wasserreservoir 27 in die Reaktionsgas-Zuführung ein. Das eingespeiste Wasser ist in Fig. 6 schematisch durch Tropfen dargestellt. Die Wassereinspeisung kann auch an einer anderen Stel-750 valves. A water supply 21 opens into the reaction gas supply between the reaction gas inlet valve 8 and the throttle device 20. The water supply 21 feeds water from a water reservoir 27 into the reaction gas supply by means of a pump 28. The water fed in is shown schematically in FIG. 6 by drops. The water feed can also be

755 le zwischen dem Reaktionsgas-Einlassventil und der Drosselvorrichtung stattfinden, sogar in der Drosselvorrichtung selbst, allerdings stromauf vom engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung. Vor dem Passieren der Drosselvorrichtung 20 befindet sich das Reaktionsgas auf einem Druck pi und nach dem Passieren der Drosselvorrichtung auf einem Druck p2, der kleiner ist als pi. Das Reaktionsgas wird also ent- spannt, wobei eine überkritische Entspannung bevorzugt ist, da sie eine gründliche Verteilung des von dem Reaktionsgas-Volumenstrom mitgeführten Wassers in dem Reaktionsgas-Volumenstrom in Form feinster Tröpfchen (Nebel, Aerosol) gewährleistet. Damit eine überkritische Entspannung erreicht wird, ist die Drosselvorrichtung 20 bevorzugt in Form einer konvergenten Düse ausgebildet, dergestalt, dass der Druck des durch die Drosselvorrichtung strömenden Reaktionsgases an deren engstem Querschnitt gleich dem kritischen Druck ist. In Fig. 6 ist das Reaktionsgas-Einlassventil als getaktetes Ventil dargestellt. Es kann auch ein kontinuierlich regelndes Einlassventil verwendet werden, das getaktete Ventil hat jedoch den Vorteil, dass in geöffnetem Zustand der Druck pi in dem Bereich 5' der Reaktionsgas-Zuführung gleich dem Druck im Hochdruckbereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung ist. Der auf die Drosselvorrichtung 20 auftreffende Reaktionsgas-Strahl hat daher eine sehr hohe Druckenergie, was für eine sehr feine Zerstäubung und Verteilung des eingespeisten Wassers nach dem Passieren der Drosselvorrichtung 20 sorgt.755 le between the reaction gas inlet valve and the throttle device, even in the throttle device itself, but upstream from the narrowest cross section of the throttle device. Before passing through the throttling device 20, the reaction gas is at a pressure pi and after passing through the throttling device at a pressure p 2 that is less than pi. The reaction gas is thus released, a supercritical expansion being preferred, since it ensures a thorough distribution of the water carried by the reaction gas volume flow in the reaction gas volume flow in the form of very fine droplets (mist, aerosol). In order to achieve supercritical relaxation, the throttle device 20 is preferably designed in the form of a convergent nozzle such that the pressure of the reaction gas flowing through the throttle device is equal to the critical pressure at its narrowest cross section. In Fig. 6, the reaction gas inlet valve is shown as a clocked valve. A continuously regulating inlet valve can also be used, but the clocked valve has the advantage that, when open, the pressure pi in the region 5 'of the reaction gas supply is equal to the pressure in the high pressure region 5 of the reaction gas supply. The reaction gas jet impinging on the throttle device 20 therefore has a very high pressure energy, which ensures very fine atomization and distribution of the water fed in after passing through the throttle device 20.

Fig. 7 zeigt einen Teilbereich eine Brennstoffzellen-Systems 1 mit Anordnung zum Austreiben von Wasser, und der dargestellte Teilbereich zeigt den Abschnitt der Reaktionsgas-Zuführung vom Reaktionsgas-Einlassventil bis zum Beginn des Niederdruckbereichs der Reaktionsgas-Zuführung. Das Reaktionsgas (dargestellt durch Pfeile) strömt aus dem Hochdruckbereich 5 durch das Reaktionsgas-Einlassventil 8 mit Antriebseinheit 16 in den Bereich 5' der Reaktionsgas-Zuführung. Zwischen dem Bereich 5' der Reaktionsgas-Zuführung und deren Niederdruckbereich 6 ist ein Gasstrahler 22 vorgesehen. Der Gasstrahler ist von an sich konventionellem Aufbau und besitzt eine Treibdüse 23, eine Fangdüse 25, einen Gasaustritt 29 und einen Einlass zur Gasansaugung 24. Der Gasstrahler 22 ist dergestalt in der Reaktions- gas-Zuführung angeordnet, dass deren Bereich 5' in die Treibdüse 23 des Gasstrahlers mündet und der Gasaustritt 29 in den Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas- Zuführung mündet. Das durch den Gasstrahler 22 strömende Reaktionsgas verursacht einen Sog am Einlass zur Gasansaugunq 24, der zum Ansaugen von über- schüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen 3 genutzt werden kann. Dazu müssen 790 die Brennstoffzellen 3 bzw. Brennstoffzellen-Stapel 2 mit einer Reaktionsgas-Rückführung 26 ausgestattet werden, die in den Einlass zur Gasansaugung 24 des Gasstrahlers 22 mündet.7 shows a partial area of a fuel cell system 1 with an arrangement for expelling water, and the partial area shown shows the section of the reaction gas supply from the reaction gas inlet valve to the beginning of the low-pressure area of the reaction gas supply. The reaction gas (represented by arrows) flows from the high pressure region 5 through the reaction gas inlet valve 8 with the drive unit 16 into the region 5 'of the reaction gas supply. A gas jet 22 is provided between the area 5 'of the reaction gas supply and its low pressure area 6. The gas jet is of conventional construction per se and has a driving nozzle 23, a catching nozzle 25, a gas outlet 29 and an inlet for gas suction 24. The gas jet 22 is arranged in the reaction gas supply in such a way that its area 5 ′ into the driving nozzle 23 of the gas jet opens and the gas outlet 29 opens into the low-pressure area 6 of the reaction gas supply. The reaction gas flowing through the gas jet 22 causes suction at the inlet to the gas intake 24, which is used to draw in excess gas. shot water from the fuel cells 3 can be used. For this purpose, 790 the fuel cells 3 or fuel cell stack 2 must be equipped with a reaction gas return 26, which opens into the inlet for the gas intake 24 of the gas emitter 22.

Eine derartige Reaktionsgas-Rückführung 26 ist in Fig. 8 dargestellt. Fig. 8 zeigt ein 795 Brennstoffzellen-System 1, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch mit Gasstrahler 22 und Reaktionsgas-Rückführung 26. Vor Eintritt in den Gasstrahler passiert das rückgeführte Reaktionsgas bevorzugt einen Wasserabscheider (nicht dargestellt).Such a reaction gas recirculation 26 is shown in FIG. 8. FIG. 8 shows a 795 fuel cell system 1, as shown in FIG. 1, but with gas jet 22 and reaction gas recirculation 26. Before entering the gas jet, the returned reaction gas preferably passes through a water separator (not shown).

Das Verfahren zum Austreiben von Wasser aus dem Brennstoffzellen-System erfor- 800 dert nicht die Verwendung eines speziellen Reaktionsgas-Einlassventils. Die Verwendung eines getakteten Ventils 8, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ist jedoch bevorzugt, da in diesem Fall das Reaktionsgas bei geöffnetem Ventil mit hoher Druckenergie in den Gasstrahler eintritt, was eine hervorragende Saugleistung und damit eine effiziente Wasseransaugung aus den Brennstoffzellen gewährleistet.The process of expelling water from the fuel cell system does not require the use of a special reaction gas inlet valve. However, the use of a clocked valve 8, as shown in FIG. 7, is preferred, since in this case the reaction gas enters the gas jet with high pressure energy when the valve is open, which ensures excellent suction power and thus efficient water intake from the fuel cells ,

805805

Fig. 9 zeigt dieselbe Anordnung wie Fig. 7, jedoch mit einer Wasserzuführung 21 , wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform übernimmt die Treibdüse 23 des Gasstrahlers 22 die Funktion der Drosselvorrichtung 20 in Fig. 6. Das zugeführte Wasser, dargestellt in Tropfenform, das mit dem Reaktionsgas-FIG. 9 shows the same arrangement as FIG. 7, but with a water supply 21 as shown in FIG. 6. In the embodiment shown in FIG. 9, the driving nozzle 23 of the gas jet 22 takes over the function of the throttle device 20 in FIG. 6. The water supplied, shown in droplet form, which is mixed with the reaction gas

810 Volumenstrom, dargestellt als Pfeile, mitgeführt wird, vergrößert den Treibmassenstrom durch den Gasstrahler 22 und damit dessen Saugwirkung. Das Wasser ist nach dem Passieren des Gasstrahlers in Form feinster Tröpfchen gleichmäßig in dem Reaktionsgas verteilt. Eine Überdosierung des Wassers ist dabei in weiten Bereichen relativ unkritisch, da überschüssiges Wasser in den Gaskanälen der Brenn-810 volume flow, shown as arrows, increases the motive mass flow through the gas jet 22 and thus its suction effect. After passing through the gas jet in the form of very fine droplets, the water is evenly distributed in the reaction gas. Overdosing of the water is relatively uncritical in large areas, since excess water in the gas channels of the combustion

815 stoffzelle durch den mittels des Gasstrahlers erzeugten Spülgasstrom durch die Zellen stetig ausgetrieben und am Zellaustritt mittels eines Wasserabscheiders aus dem Gasstrom abgeschieden wird. Auch in Fig. 9 ist als Reaktionsgas-Einlassventil ein Ventil mit zwei Schaltstellungen gezeigt, das die bereits bei den anderen Figuren genannten Vorteile aufweist. Es kann jedoch auch ein kontinuierlich geregeltes Reakti-815 material cell is continuously expelled through the cells by the flushing gas flow generated by the gas jet and separated from the gas flow at the cell outlet by means of a water separator. 9 also shows a valve with two switching positions as the reaction gas inlet valve, which has the advantages already mentioned in the other figures. However, a continuously controlled reaction

820 onsgas-Einlassventil verwendet werden. Fig. 10 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Leistungssystem, das für veränderliche Leistungsanforderungen eines elektrischen Verbrauchers ausgelegt ist. Die Anordnung ist hinsichtlich Reaktionsgas-Zuführung mit Reaktionsgas-Einlass- ventil 8, Hochdruckbereich 5 und Niederdruckbereich 6, sowie hinsichtlich Messstelle 9 und Brennstoffzellen-Stapel 2, 2' identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellen-System. Ein Reaktionsgas-Auslassventil 11 als Sicherheitsventil ist in Fig. 10 nicht eingezeichnet. Mittels einer Vorrichtung 31 wird ein Soll-Wert für einen gewünschten Reaktionsgas-Volumenstrom oder ein Soll-Wert für die zu liefernde Lei- stung oder eine andere elektrische Größe, z.B. Spannung oder Strom, vorgegeben. Bei Vorgabe des Reaktionsgas-Volumenstroms wird der Soll-Wert von einer Ansteu- ereinheit 32 erfasst, die das Reaktionsgas-Einlassventil 8 dergestalt ansteuert, dass der vorgegebene Reaktionsgas-Volumenstrom aus dem Hochdruckbereich 5 der Reaktionsgas-Zuführung in den Niederdruckbereich 6 der Reaktionsgas-Zuführung ein- gespeist wird. An einer Messstelle 9 wird der Reaktionsgas-Druck (oder eine druckkorrelierte Messgröße) gemessen und von einem Leistungsregler 33 erfasst, der den gemessenen Wert mit dem vorgegebenen Soll-Wert des Systems vergleicht. Bei vermehrtem Einströmen von Reaktionsgas in den Niederdruckbereich 6 erhöht sich der Reaktionsgas-Druck in diesem Bereich. Als Folge übermittelt der Leistungsregler 33 ein Signal an die mit dem elektrischen Verbraucher 30 verbundene Leistungselektronik 34, dass vermehrt Brennstoffzellen-Leistung zu entnehmen ist. Die Leistungselektronik 34 stellt die Leistung des elektrischen Verbrauchers 30 daraufhin so ein, dass den Brennstoffzellen soviel elektrische Leistung entnommen wird, dass der Druck im Niederdruckbereich 6 konstant gehalten wird.820 onsgas inlet valve can be used. 10 shows a fuel cell power system according to the invention, which is designed for variable power requirements of an electrical consumer. The arrangement is identical to the fuel cell system shown in FIG. 1 with regard to the reaction gas supply with reaction gas inlet valve 8, high pressure region 5 and low pressure region 6, as well as with regard to measuring point 9 and fuel cell stack 2, 2 '. A reaction gas outlet valve 11 as a safety valve is not shown in FIG. 10. A setpoint value for a desired reaction gas volume flow or a setpoint value for the power to be supplied or another electrical variable, for example voltage or current, is specified by means of a device 31. When the reaction gas volume flow is specified, the setpoint value is recorded by a control unit 32 which controls the reaction gas inlet valve 8 in such a way that the specified reaction gas volume flow from the high pressure area 5 of the reaction gas supply into the low pressure area 6 of the reaction gas supply is fed. At a measuring point 9, the reaction gas pressure (or a pressure-correlated measured variable) is measured and recorded by a power controller 33, which compares the measured value with the predetermined target value of the system. With an increasing inflow of reaction gas into the low pressure area 6, the reaction gas pressure increases in this area. As a result, the power controller 33 transmits a signal to the power electronics 34 connected to the electrical consumer 30 that fuel cell power can increasingly be drawn. The power electronics 34 then adjust the power of the electrical consumer 30 so that enough electrical power is drawn from the fuel cells that the pressure in the low-pressure region 6 is kept constant.

Bei Vorgabe einer elektrischen Größe durch die Vorrichtung 31 wird in der Ansteuer- einheit 32 dieser vorgegebene Soll-Wert mit dem von der Leistungselektronik 34 oder einer anderen geeigneten Messeinrichtung ermittelten Ist-Wert der elektrischen Größe, z.B. mittels eines Standardreglers, verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils 8 herangezogen, das immer dann angesteuert wird, wenn der Soll-Wert nicht erreicht wird.If the device 31 specifies an electrical variable, this predetermined setpoint value is determined in the control unit 32 using the actual value of the electrical variable determined by the power electronics 34 or another suitable measuring device, e.g. by means of a standard controller. The result of the comparison is used to actuate the reaction gas inlet valve 8, which is actuated whenever the desired value is not reached.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebene Druckregelung, das Dispergieren von Befeuchtungswasser im Reaktionsgas-Volumenstrom und das Ent- 855 fernen von überschüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen jeweils selbständige Erfindungen darstellen und vorteilhaft in beliebigen Brennstoffzellen-Systemen, unabhängig von deren sonstiger Konstruktion, eingesetzt werden können.It is pointed out that the pressure control described above, the dispersion of dampening water in the reaction gas volume flow and the removal 855 far from excess water from the fuel cells each represent independent inventions and can advantageously be used in any fuel cell systems, regardless of their other construction.

Bevorzugt weisen die Vorrichtung und das Verfahren zum Dispergieren von Wasser 860 im Reaktionsgas-Volumenstrom sowie die Vorrichtung und das Verfahren zum Austreiben von überschüssigem Wasser jedoch zusätzlich jeweils eines oder mehrere der für die Druckregelung geschilderten Merkmale auf, wobei eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist.Preferably, however, the device and the method for dispersing water 860 in the reaction gas volume flow as well as the device and the method for expelling excess water each additionally have one or more of the features described for the pressure control, any combination of features being possible.

865 Besonders bevorzugt sind ein Verfahren und ein System mit erfindungsgemäßer Druckregelung in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Dispergieren von Wasser und der Entfernung von überschüssigem Wasser. Auch eine Kombination von erfindungsgemäßem Dispergieren von Wasser im Reaktionsgas-Volumenstrom zur Befeuchtung der Brennstoffzellen und Austreiben von überschüssigem Wasser aus865 A method and a system with pressure control according to the invention in combination with the dispersion of water according to the invention and the removal of excess water are particularly preferred. Also a combination of dispersing water according to the invention in the reaction gas volume flow for moistening the fuel cells and expelling excess water

870 den Brennstoffzellen zur Regelung des Wasserhaushalts bei konventioneller Druckregelung ist vorteilhaft.870 the fuel cells for regulating the water balance in conventional pressure control is advantageous.

875 875

Claims

K 52 198/8880PATENTANSPRÜCHE K 52 198/8880 PATENT REQUIREMENTS 1. Brennstoffzellen-System (1) aufweisend:1. Fuel cell system (1) comprising: 885 - mindestens einen Brennstoffzellen-Stapel (2), eine Reaktionsgas-Zuführung mit einem Hochdruckbereich (5, 5') und einem Niederdruckbereich (6) zu dem Brennstoffzellen-Stapel (2), eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung mit 890 - einem Reaktionsgas-Einlassventil (8) des Typs mit nur zwei Schaltstellungen, einer Messstelle (9) zur Messung des Drucks oder einer druckkorrellier- ten Messgröße im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung, einer Ansteuer- und Regeleinheit (10) zur Erfassung und Auswertung des 895 Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße und zur Ansteuerung des885 - at least one fuel cell stack (2), a reaction gas supply with a high pressure area (5, 5 ') and a low pressure area (6) to the fuel cell stack (2), a device for regulating the pressure in the low pressure area (6) the reaction gas supply with 890 - a reaction gas inlet valve (8) of the type with only two switch positions, a measuring point (9) for measuring the pressure or a pressure-correlated measurement variable in the low pressure area (6) of the reaction gas supply, a control and Control unit (10) for recording and evaluating the 895 pressure or the pressure-correlated measured variable and for controlling the Reaktionsgas-Einlassventils (8) in Abhängigkeit von dem Druck oder der druckkorrellierten Messgröße.Reaction gas inlet valve (8) depending on the pressure or the pressure-correlated measured variable. 2. Brennstoffzellen-System (1) nach Anspruch 1 ,2. Fuel cell system (1) according to claim 1, 900 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Regelung des Drucks im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung ein Reaktionsgasauslassventil (1 1) aufweist, das von der Ansteuer- und Regeleinheit (10) in Abhängigkeit von dem Druck oder der druckkorrellierten Messgröße ansteuerbar ist.900 characterized in that the device for regulating the pressure in the low-pressure region (6) of the reaction gas supply has a reaction gas outlet valve (1 1) which can be controlled by the control and regulating unit (10) depending on the pressure or the pressure-correlated measured variable. 905 3. Brennstoffzellen-System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die druckkorrellierte Messgröße der Reaktionsgas-Volumenstrom oder der Partialdruck des Reaktionsgases ist.905 3. Fuel cell system (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure-correlated measurement variable is the reaction gas volume flow or the partial pressure of the reaction gas. 4. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 910 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Regeleinheit (10) ein Zwei-4. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 3, 910 characterized in that the control and regulating unit (10) a two Punkt-Regler oder ein kontinuierlicher Regler ist.Point controller or a continuous controller. 5. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas-Einlassventil (8) und/oder das 915 Reaktionsgasauslassventil (11) ein Magnetventil oder ein Piezoventil ist.5. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reaction gas inlet valve (8) and / or the 915 reaction gas outlet valve (11) is a solenoid valve or a piezo valve. 6. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas-Einlassventil (8) den Hoch- druckbereich (5) und den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung 920 trennt.6. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reaction gas inlet valve (8) separates the high-pressure region (5) and the low-pressure region (6) of the reaction gas supply 920. 7. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas-Einlassventil (8) mit seinem Antrieb (16) in den Hochdruckbereich (5, 5') oder den Niederdruckbereich (6) der 925 Reaktionsgas-Zuführung integriert ist.7. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reaction gas inlet valve (8) with its drive (16) in the high pressure region (5, 5 ') or the low pressure region (6) of 925 Reaction gas supply is integrated. 8. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung eine Verteilerleitung für Reaktionsgas zu den Einzelbrennstoffzellen (3) 930 des Brennstoffzellen-Stapels (2) ist.8. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the low-pressure region (6) of the reaction gas supply is a distributor line for reaction gas to the individual fuel cells (3) 930 of the fuel cell stack (2). 9. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung ein Niederdruckraum ist, aus dem das Reaktionsgas in die Reaktions- 935 gasströmungsfelder (14) der Einzelbrennstoffzellen (3) des Brennstoffzellen-Stapels (2) strömt.9. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the low-pressure region (6) of the reaction gas supply is a low-pressure space from which the reaction gas into the reaction gas flow fields (14) of the individual fuel cells (3 ) of the fuel cell stack (2) flows. 10. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Reaktionsgas-Zuführung stromab von 940 dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) eine Drosselvorrichtung (20), die bei Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (1) den Hochdruckbereich (5') und den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, und eine zwischen dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) und der Drosselvorrichtung (20) oder in der Drosselvorrichtung in die Reaktionsgas-Zuführung mündende Wasserzuführung (21) 945 aufweist.10. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that there is a throttle device (20) in the reaction gas supply downstream of 940 the reaction gas inlet valve (8), which during operation of the fuel cell system ( 1) separates the high pressure area (5 ') and the low pressure area (6) of the reaction gas supply, and one between the Reaction gas inlet valve (8) and the throttle device (20) or in the throttle device in the reaction gas supply water supply (21) 945. 11. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Reaktionsgas-Zuführung stromab von dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) einen Gasstrahler (22) mit Treibdüse (23),11. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that there is a gas jet (22) with a driving nozzle (23) in the reaction gas supply downstream of the reaction gas inlet valve (8), 950 Einlass zur Gasansaugung (24) und Fangdüse (25), und eine in den Gasstrahler950 inlet for gas suction (24) and trap nozzle (25), and one in the gas jet (22) mündende Reaktionsgas-Rückführung (26) aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) aufweist, wobei die Mündung der Reaktionsgas-Rückführung (26) den Einlass zur Gasansaugung (24) des Gasstrahlers bildet, und wobei der Gasstrahler (22) bei Betrieb den Hochdruckbereich (5!) und den Niederdruckbe-(22) opening reaction gas return (26) from the fuel cell stack (2), the mouth of the reaction gas return (26) forming the inlet for gas suction (24) of the gas jet, and wherein the gas jet (22) during operation the high pressure area (5 ! ) and the low pressure area 955 reich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt.955 rich (6) separates the reaction gas feed. 12. Brennstoffzellen-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Reaktionsgas-Zuführung stromab von dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) eine Drosselvorrichtung, die bei Betrieb den12. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that there is a throttle device in the reaction gas supply downstream of the reaction gas inlet valve (8), which during operation 960 Hochdruckbereich (5') und den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, eine zwischen dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) und der Drosselvorrichtung oder in der Drosselvorrichtung in die Reaktionsgas-Zuführung mündende Wasserzuführung (21), einen Gasstrahler (22) mit Treibdüse (23), Einlass zur Gasansaugung (24) und Fangdüse (25), und eine in den Gasstrahler mün-960 high-pressure region (5 ') and the low-pressure region (6) of the reaction gas supply separates, a water supply (21) opening between the reaction gas inlet valve (8) and the throttle device or in the throttle device, a gas jet (22) with propellant nozzle (23), inlet for gas suction (24) and catch nozzle (25), and one can be 965 dende Reaktionsgas-Rückführung (26) aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) aufweist, wobei die Treibdüse (23) des Gasstrahlers die Drosselvorrichtung bildet und die Mündung der Reaktionsgas-Rückführung (26) den Einlass zur Gasansaugung (24) des Gasstrahlers (22) bildet.965 has the end of the reaction gas recirculation (26) from the fuel cell stack (2), the driving nozzle (23) of the gas jet forming the throttle device and the mouth of the reaction gas recirculation (26) the inlet for gas suction (24) of the gas jet (22 ) forms. 970 13. Verfahren zur Regelung des Drucks oder Volumenstroms eines Reaktionsgases in einem Brennstoffzellen-System (1) mit mindestens einem Brennstoffzellen- Stapel (2) und einer Reaktionsgas-Zuführung, die einen Hochdruckbereich (5, 5') und einen Niederdruckbereich (6) aufweist, zu dem Brennstoffzellen-Stapel, folgende Schritte aufweisend: 975 - Vorsehen eines Reaktionsgas-Einlassventils (8) des Typs mit nur zwei970 13. Method for regulating the pressure or volume flow of a reaction gas in a fuel cell system (1) with at least one fuel cell stack (2) and a reaction gas supply, which has a high pressure area (5, 5 ') and a low pressure area (6) comprises the following steps for the fuel cell stack: 975 - Providing a reaction gas inlet valve (8) of the type with only two Schaltstellungen, kontinuierliches oder regelmäßiges Messen des Drucks oder einer druckkorrellierten Messgröße im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung,Switching positions, continuous or regular measurement of the pressure or a pressure-correlated measured variable in the low pressure area (6) of the reaction gas supply, 980 - kontinuierliches oder regelmäßiges Erfassen und Auswerten des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße durch Vergleichen des Ist-Werts des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße mit einem vorbestimmten Soll- Wert des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße, - Ansteuern des Reaktionsgas-Einlassventils (8) in Abhängigkeit von dem980 - continuous or regular recording and evaluation of the pressure or the pressure-correlated measurement variable by comparing the actual value of the pressure or the pressure-correlated measurement variable with a predetermined setpoint value of the pressure or the pressure-correlated measurement variable, - actuation of the reaction gas inlet valve (8) as a function of the 985 Druck oder der druckkorrellierten Messgröße dergestalt, dass der durch das985 pressure or the pressure-correlated measured variable such that the by the Reaktionsgas-Einlassventil (8) in den Niederdruckbereich (6) strömende Reaktionsgas-Volumenstrom erhöht wird, wenn der Ist-Wert des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße unter dem vorbestimmten Soll-Wert liegt, und verringert wird, wenn der Ist-Wert des Drucks oder der druckkorrelliertenReaction gas inlet valve (8) in the low pressure region (6) flowing reaction gas volume flow is increased if the actual value of the pressure or the pressure-correlated measured variable is below the predetermined target value, and is reduced if the actual value of the pressure or the pressure-correlated 990 Messgröße über dem vorbestimmten Soll-Wert liegt, und990 measured variable lies above the predetermined target value, and Zuführen des geregelten Reaktionsgas-Volumenstroms zu dem Brennstoffzellen-Stapel.Feeding the regulated reaction gas volume flow to the fuel cell stack. 14. Verfahren nach Anspruch 13,14. The method according to claim 13, 995 dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung ein Reaktionsgasauslassventil (11) vorgesehen wird, das angesteuert wird, wenn der Ist-Wert des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, um Reaktionsgas bis zum Unterschreiten des Grenzwerts zu entlassen.995 characterized in that a reaction gas outlet valve (11) is provided in the low-pressure region (6) of the reaction gas supply, which is actuated when the actual value of the pressure or the pressure-correlated measured variable exceeds a predetermined limit value in order to allow reaction gas to fall below the limit value dismiss. 10001000 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsgas-Volumenstrom pulsmoduliert oder frequenzmoduliert geregelt wird.15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the reaction gas volume flow is regulated by pulse modulation or frequency modulation. 10051005 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem außerdem Wasser in dem Reaktionsgas-Volumenstrom dispergiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromab von dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) mit nur zwei Schaltstellun-16. The method according to any one of claims 13 to 15, in which water is also dispersed in the reaction gas volume flow, characterized in that downstream of the reaction gas inlet valve (8) with only two switch positions 1010 gen eine Drosselvorrichtung (20) in der Reaktionsgas-Zuführung vorgesehen wird, die den Hochdruckbereich (5') und den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, wobei der Druck in dem Hochdruckbereich pi und in dem Niederdruckbereich p2 beträgt, das Reaktionsgas durch die Drosselvorrichtung (20) aus dem Hochdruckbe-1010 a throttle device (20) is provided in the reaction gas supply, which separates the high pressure region (5 ') and the low pressure region (6) of the reaction gas supply, the pressure in the high pressure region being pi and in the low pressure region p 2 , which is Reaction gas through the throttle device (20) from the high pressure 1015 reich (5') in den Niederdruckbereich (6) eingeströmt wird, wobei der Druck am engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung mindestens Pt beträgt und
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1015 rich (5 ') is flowed into the low pressure region (6), the pressure at the narrowest cross section of the throttle device being at least P t and
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Wasser in den Hochdruckbereich (5') der Reaktionsgas-Zuführung oder in die Drosselvorrichtung (20) eingebracht wird, wobei das Wasser von demWater is introduced into the high-pressure region (5 ') of the reaction gas supply or into the throttle device (20), the water from the 1020 Reaktionsgas-Volumenstrom mitgenommen wird, das Reaktionsgas mit mitgenommenem Wasser beim Austritt aus der Drosselvorrichtung (20) und Eintritt in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung überkritisch entspannt wird, wobei das Wasser zu Tröpfchen zerteilt wird, und1020 reaction gas volume flow is entrained, the reaction gas with entrained water as it emerges from the throttle device (20) and enters the low-pressure region (6) of the reaction gas supply is relaxed supercritically, the water being broken down into droplets, and 1025 - der geregelte Reaktionsgas-Volumenstrom mit darin dispergiertem Wasser dem Brennstoffzellen-Stapel (2) zugeführt wird.1025 - the regulated reaction gas volume flow with water dispersed therein is fed to the fuel cell stack (2).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem außerdem Wasser aus dem Brennstoffzellen-System (1) ausgetrieben 1030 wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromab von dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) mit nur zwei Schaltstellungen ein Gasstrahler (22) in der Reaktionsgas-Zuführung vorgesehen wird, der den Hochdruckbereich (5') und den Niederdruckbereich (6) der Reakti- 1035 onsgas-Zuführung trennt, das Reaktionsgas durch den Gasstra iler (22) aus dem Hochdruckbereich (5') in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung, in den Brennstoffzellen-Stapel (2) und durch den Brennstoffzellen-Stapel hindurch geströmt wird, 1040 - unverbrauchtes Reaktionsgas aus dem Brennstoffzellen-Stapel in eine Reaktionsgas-Rückführung (26) eingespeist wird, in der Reaktionsgas-Rückführung (26) durch Ansaugen von Gas und Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) der Reaktionsgas-Rückführung mittels des Gasstrahlers (22) ein geringerer Druck als im Niederdruckbereich17. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein water is also expelled 1030 from the fuel cell system (1), characterized in that a gas jet (22) in with only two switching positions downstream of the reaction gas inlet valve (8) the reaction gas supply is provided, which separates the high pressure region (5 ') and the low pressure region (6) of the reaction gas supply, the reaction gas through the gas striler (22) from the high pressure region (5') into the low pressure region (6 ) the reaction gas supply is flowed into the fuel cell stack (2) and through the fuel cell stack, 1040 - unused reaction gas from the fuel cell stack is fed into a reaction gas return (26) in the reaction gas return (26) by sucking in gas and water from the fuel cell stack (2) of the reaction gas return by means of the gas emitter ( 22) a lower pressure than in the low pressure range 1045 (6) der Reaktionsgas-Zuführung erzeugt wird, und das mittels des Gasstrahlers (22) angesaugte Gas in die Reaktionsgas-Zuführung eingespeist wird.1045 (6) of the reaction gas supply is generated, and the gas sucked in by means of the gas emitter (22) is fed into the reaction gas supply. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,18. The method according to any one of claims 13 to 15, 1050 dadurch gekennzeichnet, dass stromab von dem Reaktionsgas-Einlassventil (8) mit nur zwei Schaltstellungen eine Drosselvorrichtung in der Reaktionsgas-Zuführung vorgesehen wird, die den Hochdruckbereich (5') und den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, wobei der Druck in dem Hochdruckbereich pi1050 characterized in that downstream of the reaction gas inlet valve (8) with only two switch positions, a throttle device is provided in the reaction gas supply, which separates the high pressure region (5 ') and the low pressure region (6) of the reaction gas supply, the pressure in the high pressure area pi 1055 und in dem Niederdruckbereich p2 beträgt, in der Reaktionsgas-Zuführung ein Gasstrahler (22) mit einer Treibdüse (23), einem Einlass zur Gasansaugung (24) und einer Fangdüse (25) vorgesehen wird, wobei die Treibdüse (23) die Drosselvorrichtung bildet, das Reaktionsgas durch die Drosselvorrichtung (23) aus dem Hochdruckbe-1055 and in the low pressure range p 2 , a gas jet (22) with a driving nozzle (23), an inlet for gas suction (24) and a trap nozzle (25) is provided in the reaction gas supply, the driving nozzle (23) being the throttle device forms, the reaction gas through the throttle device (23) from the high pressure 1060 reich (5') in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung eingeströmt wird, wobei der Druck am engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung mindestens pkrit beträgt und p2 < Pknt < Pi ist,1060 rich (5 ') is flowed into the low-pressure region (6) of the reaction gas supply, the pressure at the narrowest cross section of the throttle device being at least p k rit and p 2 <Pknt <Pi, Wasser in den Hochdruckbereich (51) der Reaktionsgas-Zuführung oder in die Drosselvorrichtung (23) eingebracht wird, wobei das Wasser vom Reakti-Water is introduced into the high-pressure area (5 1 ) of the reaction gas supply or into the throttle device (23), the water being removed from the 1065 onsgas-Volumenstrom mitgenommen wird, das Reaktionsgas mit mitgenommenem Wasser beim Austritt aus der Drosselvorrichtung (23) und Eintritt in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung überkritisch entspannt wird, wobei das Wasser zu Tröpfchen zerteilt wird,1065 onsgas volume flow is entrained, the reaction gas with entrained water as it emerges from the throttle device (23) and enters the low-pressure region (6) of the reaction gas supply is relaxed in a supercritical manner, the water being broken down into droplets, 1070 - der geregelte Reaktionsgas-Volumenstrom mit darin dispergiertem Wasser dem Brennstoffzellen-Stapel (2) zugeführt wird, unverbrauchtes Reaktionsgas aus dem Brennstoffzellen-Stapel in eine Reaktionsgas-Rückführung (26) eingespeist wird, in der Reaktionsgas-Rückführung (26) durch Ansaugen von Gas und Was- 1075 ser aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) und der Reaktionsgas-Rückführung1070 - the regulated reaction gas volume flow with water dispersed therein is fed to the fuel cell stack (2), unused reaction gas from the fuel cell stack is fed into a reaction gas return (26) in the reaction gas return (26) by sucking in gas and water from the fuel cell stack (2) and the reaction gas return (26) mittels des Gasstrahlers (22) ein geringerer Druck als im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung erzeugt wird, und das mittels Gasstrahler (22) angesaugte Gas in die Reaktionsgas-Zuführung eingespeist wird.(26) by means of the gas jet (22) a lower pressure is generated than in the low pressure region (6) of the reaction gas supply, and the gas sucked in by means of gas jet (22) is fed into the reaction gas supply. 10801080 19. Brennstoffzellen-System (1) aufweisend: mindestens einen Brennstoffzellen-Stapel (2), eine Reaktionsgas-Zuführung zu dem Brennstoffzellen-Stapel, eine in der Reaktionsgas-Zuführung angeordnete Drosselvorrichtung (20), 1085 die bei Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (1) einen Hochdruck- (51) und einen Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, und eine stromauf von der Drosselvorrichtung (20) oder in der Drosselvorrichtung (20) in die Reaktionsgas-Zuführung mündende Wasserzuführung (21).19. A fuel cell system (1) comprising: at least one fuel cell stack (2), a reaction gas supply to the fuel cell stack, a throttle device (20) arranged in the reaction gas supply, 1085 which when the fuel cell system is in operation ( 1) separates a high-pressure (5 1 ) and a low-pressure region (6) of the reaction gas supply, and a water supply (21) opening upstream of the throttle device (20) or in the throttle device (20) into the reaction gas supply. 1090 20. Brennstoffzellen-System (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtung eine konvergente Düse oder Blende ist.1090 20. Fuel cell system (1) according to claim 19, characterized in that the throttle device is a convergent nozzle or orifice. 21. Brennstoffzellen-System (1) nach Anspruch 19 oder 20,21. Fuel cell system (1) according to claim 19 or 20, 1095 dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gasstrahler (22) mit Treibdüse (23), Einlass zur Gasansaugung (24) und Fangdüse (25) und eine in den Gasstrahler mündende Reaktionsgas-Rückführung (26) aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) aufweist, wobei die Treibdüse (23) des Gasstrahlers (22) die Drosselvorrichtung bildet und die Mündung der Reaktionsgas-Rückführung (26) den Einlass zur1095 characterized in that it has a gas jet (22) with a driving nozzle (23), inlet for gas suction (24) and capture nozzle (25) and a reaction gas return (26) opening into the gas jet from the fuel cell stack (2), wherein the driving nozzle (23) of the gas jet (22) forms the throttle device and the mouth of the reaction gas recirculation (26) the inlet to 1100 Gasansaugung (24) des Gasstrahlers bildet. 11051100 gas intake (24) of the gas jet forms. 1105 22. Verfahren zum Dispergieren von Wasser in einem Reaktionsgas eines Brennstoffzellen-Systems (1) mit mindestens einem Brennstoffzellen-Stapel (2), einer Reaktionsgas-Zuführung zu dem Brennstoffzellen-Stapel und einer Drosselvorrichtung (20) in der Reaktionsgas-Zuführung, die einen Hochdruckbereich (5!)22. A method for dispersing water in a reaction gas of a fuel cell system (1) with at least one fuel cell stack (2), a reaction gas supply to the fuel cell stack and a throttle device (20) in the reaction gas supply, the one High pressure area (5 ! ) 1110 und einen Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung trennt, folgende1110 and a low-pressure area (6) of the reaction gas supply, the following Schritte aufweisend:Showing steps: Einbringen eines Reaktionsgases mit einem Druck pi in den Hochdruckbereich (5') der Reaktionsgas-Zuführung, Strömenlassen des Reaktionsgases durch die Drosselvorrichtung (20) in denIntroducing a reaction gas with a pressure pi into the high pressure region (5 ') of the reaction gas feed, allowing the reaction gas to flow through the throttle device (20) into the 1115 Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung mit einem Druck p2, wobei der Druck am engsten Querschnitt der Drosselvorrichtung (20) mindestens pkπt beträgt und p2 < Pkm < pi ist,1115 low-pressure region (6) of the reaction gas supply with a pressure p 2 , the pressure at the narrowest cross section of the throttle device (20) being at least pkπt and p 2 <Pkm <pi, Einbringen von Wasser in den Hochdruckbereich (5') der Reaktionsgas-Zuführung oder in die Drosselvorrichtung (20), wobei das Wasser vom strö-Introducing water into the high-pressure area (5 ') of the reaction gas feed or into the throttle device (20), the water being discharged from the 1120 menden Reaktionsgas mitgenommen wird, überkritisches Entspannen des Reaktionsgases mit mitgenommenem Wasser beim Austritt aus der Drosselvorrichtung (20) und Eintritt in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung, wobei das Wasser zu Tröpfchen zerteilt wird.1120 menden reaction gas is entrained, supercritical expansion of the reaction gas with entrained water as it emerges from the throttle device (20) and entry into the low-pressure region (6) of the reaction gas supply, the water being broken down into droplets. 11251125 23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem außerdem Wasser aus dem Brennstoffzellen-System (1) ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionsgas-Zuführung ein Gasstrahler (22) mit einer Treibdüse (23),23. The method according to claim 22, in which water is also expelled from the fuel cell system (1), characterized in that in the reaction gas supply a gas jet (22) with a propelling nozzle (23), 1130 einem Einlass zu Gasansaugung (24) und einer Fangdüse (25) vorgesehen wird, wobei die Treibdüse (23) die Drosselvorrichtung bildet, das Reaktionsgas durch die Treibdüse (23) des Gasstrahlers (22) aus dem Hochdruckbereich (5') in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung, in den Brennstoffzellen-Stapel (2) und durch den Brennstoffzellen-1130 an inlet for gas suction (24) and a trap nozzle (25) is provided, the driving nozzle (23) forming the throttle device, the reaction gas through the driving nozzle (23) of the gas jet (22) from the high pressure area (5 ') to the low pressure area (6) the reaction gas supply, in the fuel cell stack (2) and through the fuel cell 1135 Stapel hindurch geströmt wird, unverbrauchtes Reaktionsgas aus dem Brennstoffzellen-Stapel in eine Reaktionsgas-Zuführung (26) eingespeist wird, in der Reaktionsgas-Zuführung (26) durch Ansaugen von Gas und Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stapel (2) und der Reaktionsgas-Zuführung (26) 1140 mittels des Gasstrahlers (22) ein geringerer Druck als im Niederdruckbereich1135 stack is flowed through, unused reaction gas from the fuel cell stack is fed into a reaction gas supply (26), in the reaction gas supply (26) by suction of gas and water from the fuel cell stack (2) and the reaction gas supply (26) 1140 by means of the gas jet (22) a lower pressure than in the low pressure range (6) der Reaktionsgas-Zuführung erzeugt wird, und das mittels Gasstrahler (22) angesaugte Gas in die Reaktionsgas-Zuführung eingespeist wird.(6) of the reaction gas supply is generated, and the gas sucked in by means of gas emitter (22) is fed into the reaction gas supply. 1145 24. Brennstoffzellen-Leistungssystem, das für veränderliche elektrische Anforderungen eines elektrischen Verbrauchers (30) ausgelegt ist, aufweisend: mindestens einen Brennstoffzellen-Stapel (2), einen mit dem Brennstoffzellen-Stapel elektrisch verbundenen Verbraucher (30),24. The fuel cell power system, which is designed for changing electrical requirements of an electrical consumer (30), comprising: at least one fuel cell stack (2), one consumer (30) electrically connected to the fuel cell stack, 1150 - eine Reaktionsgas-Zuführung zu dem Brennstoffzellen-Stapel mit einem Reaktionsgas-Einlassventil (8), einem Hochdruckbereich (5, 5') und einem Niederdruckbereich (6), eine Vorrichtung (31) zur Vorgabe eines Soll-Werts eines Reaktionsgas-Volumenstroms oder eines gewünschten Soll-Werts einer elektrischen Größe,1150 - a reaction gas supply to the fuel cell stack with a reaction gas inlet valve (8), a high pressure area (5, 5 ') and a low pressure area (6), a device (31) for specifying a target value of a reaction gas volume flow or a desired target value of an electrical quantity, 1155 - eine Vorrichtung (32) zur Erfassung des Soll-Werts des Reaktionsgas-Volumenstroms und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils (8) entsprechend der Soll-Wertvorgabe, oder eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ist-Werts der elektrischen Größe und eine Vorrichtung zum Vergleich des ermittelten Ist-Werts mit dem vorgege-1155 - a device (32) for detecting the target value of the reaction gas volume flow and for controlling the reaction gas inlet valve (8) in accordance with the target value specification, or a device for determining the actual value of the electrical variable and a device for comparison the determined actual value with the specified 1160 benen Soll-Wert und zur Ansteuerung des Reaktionsgas-Einlassventils (8) entsprechend der Soll-Wertvorgabe, eine Messstelle (9) zur kontinuierlichen oder regelmäßigen Messung des Drucks oder einer druckkorrellierten Messgröße im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung,1160 nominal value and for controlling the reaction gas inlet valve (8) in accordance with the nominal value specification, a measuring point (9) for continuous or regular measurement of the pressure or a pressure-correlated measurement variable in the low pressure area (6) of the reaction gas supply, 1165 - eine Vorrichtung (33) zur Erfassung und Auswertung des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße und zur Freigabe des dem Druck oder der druckkorrellierten Messgröße entsprechenden Betrags der elektrischen Größe an den elektrischen Verbraucher (30), und eine Vorrichtung (34) zur Einstellung des gewünschten Soll-Werts der elek-1165 - a device (33) for detecting and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable and for releasing the amount of the electrical variable corresponding to the pressure or the pressure-correlated measured variable to the electrical consumer (30), and a device (34) for setting the desired one Target value of the electrical 1170 trischen Größe beim elektrischen Verbraucher. 1170 size in the electrical consumer. 25. Brennstoffzellen-Leistungssystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe eine Leistung oder eine Spannung oder ein Strom ist.25. The fuel cell power system according to claim 24, characterized in that the electrical variable is a power or a voltage or a current. 11751175 26. Verfahren zur Anpassung eines Brennstoffzellen-Leistungssystems mit mindestens einem Brennstoffzellen-Stapel (2), mindestens einer Reaktionsgas-Zuführung mit einem Hochdruckbereich (5, 5') und einem Niederdruckbereich (6) und einem Reaktionsgas-Einlassventil (8), an veränderliche elektrische Anforderun-26. Method for adapting a fuel cell power system with at least one fuel cell stack (2), at least one reaction gas supply with a high pressure area (5, 5 ') and a low pressure area (6) and a reaction gas inlet valve (8) to variable electrical requirements 1180 gen eines elektrischen Verbrauchers (30), folgende Schritte aufweisend:1180 gene of an electrical consumer (30), comprising the following steps: Vorgeben eines Soll-Werts für einen Reaktionsgas-Volumenstrom oder für eine elektrische Größe,Specification of a target value for a reaction gas volume flow or for an electrical quantity, Erfassen des Soll-Werts des Reaktionsgas-Volumenstroms und Ansteuern des Reaktionsgas-Einlassventils (8) dergestalt, dass ein dem vorgegebenenDetecting the target value of the reaction gas volume flow and actuating the reaction gas inlet valve (8) in such a way that the specified 1185 Soll-Wert entsprechender Reaktionsgas-Volumenstrom in den Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung eingespeist wird, oder Ermitteln des Ist-Werts der elektrischen Größe und Vergleichen des ermittelten Ist-Werts mit dem vorgegebenen Soll-Wert und Ansteuern des Reaktionsgas-Einlassventils (8) entsprechend der Soll-Wertvorgabe,1185 target value corresponding reaction gas volume flow is fed into the low pressure area (6) of the reaction gas supply, or determining the actual value of the electrical quantity and comparing the determined actual value with the predetermined target value and controlling the reaction gas inlet valve ( 8) according to the target value specification, 1190 - kontinuierliches oder regelmäßiges Messen des Drucks oder einer druckkorrellierten Messgröße im Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung,1190 - continuous or regular measurement of the pressure or a pressure-correlated measurement variable in the low pressure area (6) of the reaction gas supply, Erfassen und Auswerten des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße durch Vergleichen des Ist-Werts mit einem vorgegebenen Soll-Wert desDetecting and evaluating the pressure or the pressure-correlated measured variable by comparing the actual value with a predetermined target value of the 1195 Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße,1195 pressure or the pressure-correlated measured variable, Freigeben eines Betrags der elektrischen Größe an den elektrischen Verbraucher, wenn der Ist-Wert den vorgegebenen Soll-Wert des Drucks oder der druckkorrellierten Messgröße in dem Niederdruckbereich (6) der Reaktionsgas-Zuführung überschreitet, undReleasing an amount of the electrical variable to the electrical consumer when the actual value exceeds the predetermined target value of the pressure or the pressure-correlated measured variable in the low-pressure region (6) of the reaction gas supply, and 1200 - Entnehmen eines Betrags der elektrischen Größe durch den elektrischen1200 - Extract an amount of the electrical quantity by the electrical Verbraucher (30) bis zur Einstellung des gewünschten Soll-Werts der elektrischen Größe beim elektrischen Verbraucher. Consumer (30) up to the setting of the desired target value of the electrical quantity at the electrical consumer.
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