WO1997024914A1 - Process for operating pem fuel cells - Google Patents

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WO1997024914A1
WO1997024914A1 PCT/DE1996/002459 DE9602459W WO9724914A1 WO 1997024914 A1 WO1997024914 A1 WO 1997024914A1 DE 9602459 W DE9602459 W DE 9602459W WO 9724914 A1 WO9724914 A1 WO 9724914A1
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Horst GRÜNE
Peter Buchner
Rittmar Von Helmolt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating PEM fuel cells with gaseous reactants and a cooling medium.
  • a liquid is generally used as the transport medium because of the large amount of heat; the cooling water circuit of the fuel cell battery serves in particular for this.
  • the periphery of a fuel line unit which must also include, for example, the return of the product water to the humidifiers, requires a relatively large outlay.
  • An essential feature of the method according to the invention is thus the so-called internal moistening.
  • this process is preferably carried out in such a way that both reactants, namely hydrogen on the one hand and oxygen or air on the other hand, dry the cells, i.e. are supplied without moisture. It is therefore possible to dispense with (external) humidifiers, as a result of which the associated disadvantages are eliminated.
  • one of the two reaction gases can also be humidified, in particular the hydrogen; the other reaction gas is then generally fed to the cells dry.
  • partially humidified reaction gases it is also possible to use partially humidified reaction gases.
  • the term “partially moistened” means that the dew point of the reaction gas is significantly lower than the average cell temperature, in particular by approximately 20 to 40 ° C.
  • the reaction gas then generally contains only a third of that amount of water , which corresponds to the saturation at the mean cell temperature.
  • Dry or partially humidified reaction gases are passed through the cells parallel to the temperature gradient. If a reaction gas is completely humidified, such a parallel guidance can be omitted with this gas.
  • the temperature difference required in the method according to the invention is preferably set via the cooling medium, ie via the air, specifically via the flow rate.
  • the air flows freely between the cells through, ie there are no cooling elements or cooling layers between the cells.
  • the temperature difference can be generated by conduction, in particular by heating or cooling at the cell ends with water.
  • a temperature difference is set in the cells, specifically starting from the cell entrance.
  • the incoming dry reaction gas takes water with it at the cell entrance, but the cell or battery temperature in the inlet area of the reaction gases is kept so low that the membrane cannot dry out appreciably.
  • an increase in the temperature is then permissible or possible because the controlled absorption and entrainment of product water from the membrane prevents subsequent areas from drying out.
  • This temperature difference is preferably approximately 10 to 80 ° C., in particular approximately 20 to 40 ° C.
  • This temperature distribution is preferably achieved by a parallel flow of cooling medium, ie air, and reaction gas.
  • the cell or battery power reduced in the entrance area of the cells - due to the relatively low temperature - may require a somewhat larger battery (up to approx. 30%).
  • this disadvantage is more than compensated for by an overall smaller construction volume.
  • air is used as the cooling medium. Air cooling is particularly advantageous when using fuel cells for electric traction.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for operating fuel cells or batteries, as described in DE-PS 44 42 285; air cooling takes place here.
  • This procedure offers the following additional advantages:
  • Water delivery to a dry inflowing gas is strongly temperature-dependent. If a temperature profile corresponding to the formation of product water is set over the membrane surface, as is the case with the method according to the invention, then the water can be removed in gaseous form without the membrane drying out.
  • T (A) the reaction gas
  • a cooling air flow of approx. 144 m 3 / h is necessary at a pressure difference of 0.8 mbar.
  • the figure shows an air-cooled cell stack of a PEM fuel cell battery according to the invention, which has a lower temperature at the cell or gas inlet than at the outlet.
  • the associated temperature profile is shown schematically.
  • a cell active area: 100 cm 2
  • oxygen and hydrogen is cooled at the oxygen inlet and heated at the outlet.
  • a temperature of 35 to 40 ° C is set at the input and a temperature of 65 to 75 ° C at the output.
  • the oxygen is used dry, ie not humidified
  • the hydrogen is humidified.
  • no drying out of the membrane can be observed, which would be associated with a drop in the voltage.

Abstract

A process for operating PEM fuel cells with gaseous reactants and a coolant comprises the steps: at least one of the gaseous reactants is fed to the cells either dry or slightly moistened; between the inlet and outlet of the dry or slightly moistened reactants, a temperature difference is established across the cells, where the inlet temperature is lower than the outlet temperature; the dry or slightly moistened reactants are taken through the cells parallel to the temperature gradient; the coolant is air, fed through between the cells.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Betrieb von PEM-BrennstoffzellenProcess for operating PEM fuel cells
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von PEM- Brennstoffzellen mit gasförmigen Reaktanten und einem Kühl¬ medium.The invention relates to a method for operating PEM fuel cells with gaseous reactants and a cooling medium.
In Brennstoffzellen, die mit gasförmigen Reaktanten betrieben werden, entsteht als Reaktionsprodukt zwar Wasser, durch die abströmenden Reaktanten wird aus den Zellen aber ständig Feuchtigkeit ausgetragen. Bei Brennstoffzellen mit einer ionenleitenden Polymermembran als Elektrolyt, sogenannten PEM-Brennstoffzellen (PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran) , muß deshalb für eine ausreichende Feuchtigkeit in der Membran gesorgt werden. Ist dies nicht der Fall, so trocknet die Mem¬ bran aus, was zu einer Verschlechterung der Leistung oder so¬ gar zu einem Defekt bzw. Ausfall der Brennstoffzelle führt. Aber auch zu viel Wasser in den Zellen hat einen Leistungs- abfall zur Folge, weil dann die Versorgung der Zelle mit den gasförmigen Reaktanten schlechter wird.In fuel cells that are operated with gaseous reactants, water is produced as the reaction product, but the reactants flowing out continuously remove moisture from the cells. In the case of fuel cells with an ion-conducting polymer membrane as the electrolyte, so-called PEM fuel cells (PEM = polymer electrolyte membrane), sufficient moisture must therefore be provided in the membrane. If this is not the case, the membrane dries out, which leads to a deterioration in performance or even to a defect or failure of the fuel cell. However, too much water in the cells also results in a drop in performance, because then the supply of the gaseous reactants to the cell becomes poorer.
Bislang werden PEM-Brennstoffzellen dadurch feucht gehalten, daß die zugeführten gasförmigen Reaktanten, d.h. die Reak- tionsgase, befeuchtet werden. Diese Gase werden dazu in Be¬ feuchtern, die den Zellen vorgeschaltet sind, auf die in den Zellen herrschende Temperatur gebracht, so daß sie am Gas¬ eingang, d.h. beim Eintritt in die Brennstoffzelle, mit Wasserdampf gesättigt sind (siehe dazu beispielsweise DE-OS 42 01 632) . Diese Vorgehensweise gewährleistet zwar insbeson¬ dere am Gaseingang eine ausreichende Befeuchtung der Membran, für die Befeuchter ist aber ein nicht unerheblicher konstruk¬ tiver Aufwand erforderlich. Bei der Befeuchtung über eine Membran (siehe DE-OS 42 01 632) ist bei Luftbetrieb der Brennstoffzellen eine sehr große Membranfläche erforderlich, um bei einer typischen Betriebstemperatur von ca. 80°C die Luft vollständig zu befeuchten. Um die erforderliche Verdampfungswärme von den Brennstoff¬ zellen an die Befeuchter abzugeben, wird - wegen der großen Wärmemenge - als Transportmedium im allgemeinen eine Flüssig¬ keit benützt; dazu dient insbesondere der Kühlwasserkreislauf der Brennstoffzellenbatterie. Damit erfordert aber die Peri¬ pherie eines BrennstoffZeilenaggregates, die beispielsweise auch die Rückführung des Produktwassers zu den Befeuchtern beinhalten muß, einen relativ großen Aufwand.Until now, PEM fuel cells have been kept moist by moistening the gaseous reactants supplied, ie the reaction gases. For this purpose, these gases are brought to the temperature prevailing in the cells in humidifiers which are connected upstream of the cells, so that they are saturated with water vapor at the gas inlet, ie when they enter the fuel cell (see, for example, DE-OS 42 01 632). Although this procedure ensures adequate moistening of the membrane, in particular at the gas inlet, a not inconsiderable design effort is required for the humidifiers. When humidifying via a membrane (see DE-OS 42 01 632), a very large membrane area is required for air operation of the fuel cells in order to completely humidify the air at a typical operating temperature of approx. 80 ° C. In order to deliver the required heat of vaporization from the fuel cells to the humidifiers, a liquid is generally used as the transport medium because of the large amount of heat; the cooling water circuit of the fuel cell battery serves in particular for this. However, the periphery of a fuel line unit, which must also include, for example, the return of the product water to the humidifiers, requires a relatively large outlay.
Wenn andererseits die Verdampfungswärme des den Befeuchtern zugeführten Wassers nicht aus der Abwärme der Brennstoff¬ zellen aufgebracht wird, dann ist ein geringerer Wirkungsgrad des Gesamtsystems die Folge. Auch aus diesem Grunde kommt bislang bei Brennstoffzellenbatterien nur eine Kühlung mit- tels Wasser in Frage. Nachteile einer Wasserkühlung sind aber die Frostgefahr bei Betriebspausen, die einen Frostschutz für das Kühlmittel oder eine ständige Beheizung erfordert, sowie die elektrischen Verluste im Kühlmittel und die Gefahr einer elektrochemischen Korrosion, die eine aufwendige dauernde Kontrolle und Aufbereitung des Kühlwassers erforderlich macht.If, on the other hand, the heat of vaporization of the water supplied to the humidifiers is not applied from the waste heat of the fuel cells, then the overall system becomes less efficient. For this reason too, only cooling with water has been considered in fuel cell batteries. Disadvantages of water cooling are the risk of frost during breaks in operation, which requires frost protection for the coolant or constant heating, as well as the electrical losses in the coolant and the risk of electrochemical corrosion, which necessitates time-consuming control and treatment of the cooling water.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das die bisher beim Betrieb von PEM-Brennstoffzellen auf- tretenden Probleme bei der Befeuchtung der Reaktionsgase wei¬ testgehend vermieden werden und wobei auch auf eine Flüssig¬ keitskühlung verzichtet werden kann.It is an object of the invention to provide a method by which the problems with the humidification of the reaction gases which have previously occurred during the operation of PEM fuel cells are avoided as far as possible and liquid cooling can also be dispensed with.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens einer der gasförmigen Reaktanten den Zellen trocken oder lediglich teilbefeuchtet zugeführt wird, daß über die Zellen - zwischen dem Eintritt und dem Austritt der trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten - eine Temperaturdifferenz ein¬ gestellt wird, wobei die Eintrittstemperatur T(E) niedriger ist als die Austrittstemperatur T(A) , daß die trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten parallel zum Temperaturgradienten durch die Zellen geführt werden, daß als Kühlmedium Luft ver- wendet wird, und daß die Luft zwischen den Zellen hindurch¬ geführt wird.This is achieved according to the invention in that at least one of the gaseous reactants is supplied to the cells dry or only partially moistened, that a temperature difference is set via the cells - between the inlet and the outlet of the dry or partially moistened reactants, the inlet temperature T (E) is lower than the outlet temperature T (A), that the dry or partially moistened reactants are passed through the cells parallel to the temperature gradient, that air is used as the cooling medium. is turning, and that the air between the cells is passed ¬.
Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung besteht somit in der sogenannten internen Befeuchtung. Dies bedeutet, daß eine externe Befeuchtung der Reaktionsgase ganz oder zumindest teilweise entfällt. Dementsprechend wird die¬ ses Verfahren vorzugsweise in der Weise durchgeführt, daß beide Reaktanten, nämlich Wasserstoff einerseits und Sauer- stoff bzw. Luft andererseits, den Zellen trocken, d.h. un- befeuchtet zugeführt werden. Somit kann auf (externe) Be¬ feuchter verzichtet werden, wodurch die damit verbundenen Nachteile entfallen.An essential feature of the method according to the invention is thus the so-called internal moistening. This means that external humidification of the reaction gases is completely or at least partially eliminated. Accordingly, this process is preferably carried out in such a way that both reactants, namely hydrogen on the one hand and oxygen or air on the other hand, dry the cells, i.e. are supplied without moisture. It is therefore possible to dispense with (external) humidifiers, as a result of which the associated disadvantages are eliminated.
Beim Verfahren nach der Erfindung kann aber auch eines der beiden Reaktionsgase befeuchtet werden, insbesondere der Wasserstoff; das andere Reaktionsgas wird den Zellen dann im allgemeinen trocken zugeführt. Es ist aber auch möglich, teilbefeuchtete Reaktionsgase einzusetzen.In the method according to the invention, however, one of the two reaction gases can also be humidified, in particular the hydrogen; the other reaction gas is then generally fed to the cells dry. However, it is also possible to use partially humidified reaction gases.
Der Begriff „teilbefeuchtet" bedeutet im Rahmen der vorlie¬ genden Patentanmeldung, daß der Taupunkt des Reaktionsgases deutlich geringer ist als die mittlere Zelltemperatur, ins¬ besondere um ca. 20 bis 40°C. Das Reaktionsgas enthält dann im allgemeinen lediglich ein Drittel derjenigen Wassermenge, die der Sättigung bei der mittleren Zelltemperatur ent¬ spricht.In the context of the present patent application, the term “partially moistened” means that the dew point of the reaction gas is significantly lower than the average cell temperature, in particular by approximately 20 to 40 ° C. The reaction gas then generally contains only a third of that amount of water , which corresponds to the saturation at the mean cell temperature.
Trockene bzw. teilbefeuchtete Reaktionsgase werden parallel zum Temperaturgradienten durch die Zellen geleitet. Wird ein Reaktionsgas vollständig befeuchtet, so kann bei diesem Gas eine derartige Parallelführung entfallen.Dry or partially humidified reaction gases are passed through the cells parallel to the temperature gradient. If a reaction gas is completely humidified, such a parallel guidance can be omitted with this gas.
Die beim Verfahren nach der Erfindung erforderliche Tempera- turdifferenz wird vorzugsweise über das Kühlmedium, d.h. über die Luft, eingestellt, und zwar über die Strömungsgeschwin¬ digkeit. Die Luft strömt dabei frei zwischen den Zellen hin- durch, d.h. zwischen den Zellen befinden sich keine Kühl¬ elemente bzw. Kühlschichten. Außerdem kann die Erzeugung der Temperaturdifferenz durch Wärmeleitung erfolgen, insbesondere durch Heizen bzw. Kühlen an den Zellenden mit Wasser.The temperature difference required in the method according to the invention is preferably set via the cooling medium, ie via the air, specifically via the flow rate. The air flows freely between the cells through, ie there are no cooling elements or cooling layers between the cells. In addition, the temperature difference can be generated by conduction, in particular by heating or cooling at the cell ends with water.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung wird in den Zellen eine Temperaturdiffe¬ renz eingestellt, und zwar ausgehend vom Zelleingang. Das eintretende trockene Reaktionsgas nimmt dabei am Zelleingang zwar Wasser mit, die Zeil- bzw. Batterietemperatur im Ein¬ trittsbereich der Reaktionsgase wird aber so niedrig gehal¬ ten, daß keine merkliche Austrocknung der Membran erfolgen kann. Im weiteren Verlauf ist dann eine Erhöhung der Tempe¬ ratur zulässig bzw. möglich, weil durch die kontrollierte Auf- und Mitnahme von Produktwasser aus der Membran eine Auε- trocknung nachfolgender Bereiche vermieden wird. Bei einem derartigen Temperaturverlauf über der Zelle ist - trotz der relativ niedrigen Temperatur am Gaseintritt - aufgrund der höheren Temperatur zum Gasaustritt hin eine effektive Kühlung möglich.When operating fuel cells in accordance with the method according to the invention, a temperature difference is set in the cells, specifically starting from the cell entrance. The incoming dry reaction gas takes water with it at the cell entrance, but the cell or battery temperature in the inlet area of the reaction gases is kept so low that the membrane cannot dry out appreciably. In the further course, an increase in the temperature is then permissible or possible because the controlled absorption and entrainment of product water from the membrane prevents subsequent areas from drying out. With such a temperature profile above the cell - despite the relatively low temperature at the gas inlet - effective cooling is possible due to the higher temperature towards the gas outlet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit eine hohe Temperaturdifferenz ΔT = T(A)-T(E) über jeder Zelle. Diese Temperaturdifferenz beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 80°C, insbesondere ca. 20 bis 40°C. Typische Temperaturen bei einem stationären Betrieb sind - abhängig von Last, Betriebsdruck und Umgebungstemperatur - beispielsweise: T(E) = 20 bis 40°C und T(A) = 50 bis 100°C. Diese Temperaturverteilung wird vor¬ zugsweise durch eine Parallelführung von Kühlmedium, d.h. Luft, und Reaktiongas erreicht. Die im Eingangsbereich der Zellen - aufgrund der relativ niedrigen Temperatur - verrin¬ gerte Zeil- bzw. Batterieleistung erfordert unter Umständen eine etwas größere Batterie (bis zu ca. 30 %) . Dieser Nach¬ teil wird jedoch durch ein insgesamt geringeres Bauvolumen mehr als ausgeglichen. Beim Verfahren nach der Erfindung ist von Bedeutung, daß auf Wasser als Kühlmedium verzichtet wird. Bei diesem Verfahren dient nämlich Luft als Kühlmedium. Eine Luftkühlung ist ins¬ besondere beim Einsatz von Brennstoffzellen für die Elektro- traktion von Vorteil.An essential feature of the invention is thus a high temperature difference ΔT = T (A) -T (E) over each cell. This temperature difference is preferably approximately 10 to 80 ° C., in particular approximately 20 to 40 ° C. Typical temperatures in stationary operation are - depending on the load, operating pressure and ambient temperature - for example: T (E) = 20 to 40 ° C and T (A) = 50 to 100 ° C. This temperature distribution is preferably achieved by a parallel flow of cooling medium, ie air, and reaction gas. The cell or battery power reduced in the entrance area of the cells - due to the relatively low temperature - may require a somewhat larger battery (up to approx. 30%). However, this disadvantage is more than compensated for by an overall smaller construction volume. In the method according to the invention it is important that water is not used as the cooling medium. In this method, air is used as the cooling medium. Air cooling is particularly advantageous when using fuel cells for electric traction.
Das Verfahren nach der Erfindung kann besonders vorteilhaft zum Betrieb von Brennstoffzellen bzw. -batterien dienen, wie sie in der DE-PS 44 42 285 beschrieben sind; hierbei erfolgt eine Luftkühlung. Dieses Verfahren bietet folgende weitere Vorteile:The method according to the invention can be used particularly advantageously for operating fuel cells or batteries, as described in DE-PS 44 42 285; air cooling takes place here. This procedure offers the following additional advantages:
- es liegt ein sehr einfaches Betriebssystem vor;- there is a very simple operating system;
- es ist kein eigenes Kühlmittel erforderlich;- No own coolant is required;
- es erfolgt keine elektrochemische Korrosion durch das Kühlmedium;- There is no electrochemical corrosion by the cooling medium;
- es sind hohe Batteriespannungen möglich (einige 100 V) ;- high battery voltages are possible (some 100 V);
- es erfolgt keine Zerstörung der Membran (T(E) ist niedrig) ;- the membrane is not destroyed (T (E) is low);
- die Regelung ist sehr einfach.- The regulation is very simple.
Diese Vorteile sind prinzipiell auch dann gegeben, wenn eine Teilbefeuchtung der Reaktionsgase erfolgt, was bei bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich sein könnte.In principle, these advantages also exist if the reaction gases are partially humidified, which could be necessary under certain operating conditions.
Anhand von Beispielen und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with the aid of examples and a figure.
Die Wasseraufnahme bzw. -abgäbe von Elektrolytmembranen in PEM-Brennstoffzellen, welche Ionenaustauschermembranen sind, ist unter anderem abhängig von der Differenz des Wasserdampf- partialdruckes im Gleichgewicht und dem Wasserdampfpartial- druck des durch die Zelle strömenden Gases. Damit ist dieThe water absorption or release of electrolyte membranes in PEM fuel cells, which are ion exchange membranes, depends, among other things, on the difference in the water vapor partial pressure in equilibrium and the water vapor partial pressure of the gas flowing through the cell. So that's it
Wasserabgabe an ein trocken einströmendes Gas stark tempera¬ turabhängig. Wenn über der Membranfläche ein Temperaturprofil entsprechend der Entstehung von Produktwasser eingestellt wird, wie dies beim Verfahren nach der Erfindung der Fall ist, dann kann das Wasser gasförmig abgeführt werden, ohne daß die Membran austrocknet. Bei der Verwendung von Luft als Reaktionsgas beispielsweise, die am Gaseingang trocken mit einer Luftzahl von λ = 2 zur Verfügung steht, ist bei einer Temperatur T(A) von ca. 62°C eine Sättigung mit Wasserdampf aus dem entstehenden Produkt- wasser möglich. Die eingesparte Kühlleistung durch die Ver¬ dampfung des Produktwassers beträgt Pth/I = 0,23 W/A. Dies entspricht etwa einem Drittel der insgesamt anfallenden ther¬ mischen Leistung am Arbeitspunkt (Pe-/I « 0,75 V). Zur Luft¬ kühlung eines Zellstapels von 40 Zellen (Fläche: 100 cm2) ist ein Kühlluftstrom von ca. 144 m3/h erforderlich, bei einer Druckdifferenz von 0,8 mbar.Water delivery to a dry inflowing gas is strongly temperature-dependent. If a temperature profile corresponding to the formation of product water is set over the membrane surface, as is the case with the method according to the invention, then the water can be removed in gaseous form without the membrane drying out. For example, when using air as the reaction gas, which is available dry at the gas inlet with an air ratio of λ = 2, saturation with water vapor from the resulting product water is possible at a temperature T (A) of approx. 62 ° C. The cooling capacity saved by the evaporation of the product water is P t h / I = 0.23 W / A. This corresponds to about a third of the total thermal power at the operating point (P e / I <0.75 V). For air cooling of a cell stack of 40 cells (area: 100 cm 2 ), a cooling air flow of approx. 144 m 3 / h is necessary at a pressure difference of 0.8 mbar.
Die Figur zeigt einen luftgekühlten Zellstapel einer PEM- Brennstoffzellenbatterie nach der Erfindung, der am Zell- bzw. Gaseingang eine niedrigere Temperatur aufweist als am Ausgang. Das zugehörige Temperaturprofil ist schematisch dargestellt.The figure shows an air-cooled cell stack of a PEM fuel cell battery according to the invention, which has a lower temperature at the cell or gas inlet than at the outlet. The associated temperature profile is shown schematically.
Eine Zelle (aktive Fläche: 100 cm2), die mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird, wird am Sauerstoffeingang gekühlt und am Ausgang geheizt. Auf diese Weise wird am Eingang eine Temperatur von 35 bis 40°C eingestellt und am Ausgang eine Temperatur von 65 bis 75°C. Während der Sauerstoff trocken eingesetzt wird, d.h. unbefeuchtet, wird der Wasserstoff be- feuchtet. Messungen bei einem Überschuß an Sauerstoff von λ = 5 und einem Laststrom von 40 A, entsprechend 400 mA/cm2, zeigen, daß sich die Spannung innerhalb eines Zeitraumes von ca. 70 h nicht ändert; sie liegt im Bereich etwa zwischen 720 und 740 mV. Trotz des hohen Sauerstoffdurchsatzes iεt aber kein Austrocknen der Membran zu beobachten, was mit einem Ab¬ sinken der Spannung verbunden wäre. Das in der Zelle gebilde¬ te Reaktionswasser reicht somit für die Gasbefeuchtung aus. Dies gilt auch für einen SauerstoffÜberschuß bis zu λ = 10, was einem Luftbetrieb mit λ = 2 entspricht. Bei einem Betrieb der Zelle mit trockenem Wasserstoff ist in einem Zeitraum von mehreren Tagen lediglich ein leichtes Absinken der Spannung festzustellen. A cell (active area: 100 cm 2 ), which is operated with oxygen and hydrogen, is cooled at the oxygen inlet and heated at the outlet. In this way, a temperature of 35 to 40 ° C is set at the input and a temperature of 65 to 75 ° C at the output. While the oxygen is used dry, ie not humidified, the hydrogen is humidified. Measurements with an excess of oxygen of λ = 5 and a load current of 40 A, corresponding to 400 mA / cm 2 , show that the voltage does not change within a period of approx. 70 h; it is in the range between about 720 and 740 mV. Despite the high oxygen throughput, no drying out of the membrane can be observed, which would be associated with a drop in the voltage. The water of reaction formed in the cell is therefore sufficient for gas humidification. This also applies to an excess of oxygen up to λ = 10, which corresponds to air operation with λ = 2. If the cell is operated with dry hydrogen, only a slight drop in the voltage can be observed over a period of several days.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen mit gas¬ förmigen Reaktanten und einem Kühlmedium, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens einer der gas¬ förmigen Reaktanten den Zellen trocken oder lediglich teil¬ befeuchtet zugeführt wird, daß über die Zellen - zwischen dem Eintritt und dem Austritt der trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten - eine Temperaturdifferenz eingestellt wird, wobei die Eintrittstemperatur niedriger ist als die Austrittstempe¬ ratur, daß die trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten parallel zum Temperaturgradienten durch die Zellen geführt werden, daß als Kühlmedium Luft verwendet wird, und daß die Luft zwischen den Zellen hindurchgeführt wird.1. A method for operating PEM fuel cells with gaseous reactants and a cooling medium, characterized in that at least one of the gaseous reactants is supplied to the cells dry or only partially moistened, that via the cells - between the entry and the exit of the dry or partially moistened reactants - a temperature difference is set, the inlet temperature being lower than the outlet temperature, that the dry or partially moistened reactants are passed through the cells parallel to the temperature gradient, that air is used as the cooling medium, and that the air is passed between the cells.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n et , daß die trockenen bzw. teil¬ befeuchteten Reaktanten parallel zum Kühlmedium durch die Zellen geführt werden.2. The method of claim 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n et that the dry or partially moistened reactants are passed through the cells parallel to the cooling medium.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß beide Reaktanten den Zellen trocken zugeführt werden.3. The method of claim 1 or 2, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t that both reactants are supplied to the cells dry.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Tempe¬ raturdifferenz zwischen 10 und 80°C eingestellt wird, ins¬ besondere zwischen 20 und 40°C.4. The method according to any one of claims 1 to 3, so that a temperature difference between 10 and 80 ° C, in particular between 20 and 40 ° C, is set.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tem¬ peraturdifferenz über die Strömungsgeschwindigkeit des Kühl- mediums eingestellt wird. 5. The method according to one or more of claims 1 to 4, that the temperature difference is set by means of the flow rate of the cooling medium.
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