DE102008004949A1

DE102008004949A1 - Fuel cell system with a stack and method for changing the stack

Info

Publication number: DE102008004949A1
Application number: DE102008004949A
Authority: DE
Inventors: Morten H. Christensen; Martin Zipkat
Original assignee: Sabik Informationssysteme GmbH
Current assignee: Sabik Informationssysteme GmbH
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-23
Also published as: EP2243185A1; WO2009089817A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks zu entwickeln, bei dem kein Brennstoff aus den Zuleitungen der Anschlüsse des Stacks, insbesondere beim Transport und beim Wechsel des Stacks, austreten kann. Erreicht wird dies dadurch, dass die fluidführenden Anschlüsse (7') des Stacks (3) jeweils mindestens ein Ventil aufweisen. Derartige Brennstoffzellensysteme werden zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt.The invention is based on the object to develop a generic fuel cell system with a stack and an associated method for changing the stack, in which no fuel from the leads of the terminals of the stack, especially during transport and when changing the stack exit. This is achieved in that the fluid-carrying connections (7 ') of the stack (3) each have at least one valve. Such fuel cell systems are used to supply energy to electrical consumers.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Stack nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks dieses Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Derartige Brennstoffzellensysteme werden zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt.The The invention relates to a fuel cell system with a stack according to the preamble of claim 1 and an associated Method for changing the stack of this fuel cell system according to the preamble of claim 17. Such fuel cell systems are used to supply energy to electrical consumers.

Eine Brennstoffzelle wird als umweltfreundliche und einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Stromquelle genutzt, bei der durch eine elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z. B. Wasserstoff, Hydrazin, Methanol) mit einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff, Luft) chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Dazu besitzt die Brennstoffzelle ein Elektrolyt und zwei Elektroden, wobei an der Anode die oxidierbare Substanz und an der Kathode das Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt werden. Bei einer Niedertemperaturbrennstoffzelle und einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle (0–150°C und 150–250°C) werden als Reaktionsstoffe Sauerstoff und Wasserstoff oder Methanol verwendet. In einer Hochtemperaturbrennstoffzelle werden dagegen bei 500 bis 1100°C reaktionsfähige Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen (Ammoniak, Hydrazin) als Brennstoffe eingesetzt.A Fuel cell is considered environmentally friendly and high efficiency used by a power source, in which by an electrochemical Oxidation of an easily oxidizable substance (eg hydrogen, Hydrazine, methanol) with an oxidizing agent (e.g., oxygen, Air) chemical energy is converted directly into electrical energy. For this purpose, the fuel cell has an electrolyte and two electrodes, wherein at the anode the oxidizable substance and at the cathode the Oxidizing agents are fed continuously. At a Low temperature fuel cell and a medium temperature fuel cell (0-150 ° C and 150-250 ° C) used as reactants oxygen and hydrogen or methanol. In a high-temperature fuel cell, however, at 500 to 1100 ° C reactive hydrocarbons or Nitrogen-hydrogen compounds (ammonia, hydrazine) as fuels used.

Der Gegenstand der hier vorgestellten Vorrichtung betrifft vorzugsweise die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC).Of the The subject of the device presented here preferably relates the direct methanol fuel cell (DMFC).

Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus und ihrer geringen Investitionskosten können DMFC in stationären und mobilen Anlagen als Ergänzung zur Energieversorgung eingesetzt werden. Dabei eignen sie sich besonders für Anwendungen in sicherheitskritischen Bereichen, weil der Betrieb der Brennstoffzelle mit flüssigem Methanol wesentlich sicherer als mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen ist. Außerdem ist bei DMFC der logistische Aufwand bei der Versorgung mit Brennstoff bedeutend geringer als bei Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Brennstoff, da Methanol eine höhere Energiedichte als Wasserstoff aufweist.by virtue of their relatively simple structure and their low investment costs can DMFC in stationary and mobile equipment be used as a supplement to the energy supply. They are particularly suitable for applications in safety-critical Areas, because the operation of the fuel cell with liquid methanol much safer than hydrogen fuel cells is. In addition, the logistical effort is included with DMFC the supply of fuel significantly lower than fuel cells with hydrogen as fuel, since methanol has a higher Has energy density as hydrogen.

Zur Erhöhung der Effektivität der DMFC werden meist mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, einem sog. Stack, zusammengefasst, wobei der Stack aus mehreren, miteinander verspannten Bipolar- und zwei außen angeordneten Endplatten besteht, die jeweils durch eine Membran voneinander getrennt sind und bei dem die Endplatten Anschlüsse zur Brennstoff- und Luftversorgung sowie elektrische Anschlüsse aufweisen.to Increasing the effectiveness of the DMFC will be mostly several individual fuel cells to a fuel cell stack, a so-called stack, where the stack consists of several clamped together bipolar and two outside End plates consists, each separated by a membrane and where the end plates have connections to the fuel and air supply and electrical connections.

Zur Brennstoff- und Luftversorgung der Brennstoffzellen des Stacks sind Pumpen mit Steuerungs- und Leistungselektronik erforderlich. Die Pumpen mit Steuerungs- und Leistungselektronik sowie alle notwendigen Verbindungen werden deshalb zusammen mit dem Stack als ein so genanntes Brennstoffzellensystem ausgeführt, wobei der Stack fest im Brennstoffzellensystem integriert ist. Derzeit sind bei Brennstoffzellensystemen die Lebensdauern der Pumpen und der Steuerungs- und Leistungselektronik deutlich höherer als die der Stacks. Aus den verschiedenen Lebensdauern der Einzelkomponenten der Brennstoffzellensysteme ergibt sich für ihren Einsatz der Nachteil, dass die Lebensdauer der Brennstoffzellensysteme durch die Lebensdauer der Stacks stark begrenzt wird. Dadurch werden die Kosten für den Einsatz der Brennstoffzellensysteme erhöht.to Fuel and air supply of the fuel cells of the stack are Pumps with control and power electronics required. The pumps with control and power electronics as well as all necessary connections are therefore together with the stack as a so-called fuel cell system running, with the stack stuck in the fuel cell system is integrated. Currently, in fuel cell systems, the lifetimes of Pumps and the control and power electronics much higher than the stacks. From the different lifetimes of the individual components the fuel cell systems results for their use the disadvantage that the life of the fuel cell systems by the lifetime of the stacks is severely limited. This will be the Costs for the use of fuel cell systems increased.

Aus der WO 2004/023588 A1 ist eine modulare Brennstoffzelle bekannt, die aus einem Modulgehäuse und einem Stack besteht, wobei in dem Modulgehäuse sämtliche, für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendigen Komponenten integriert sind. Das Modulgehäuse besitzt ein im Querschnitt trapezförmiges Einschubfach zur Aufnahme des Stacks. Der Stack ist in seiner Außenform derart dem Einschubfach angepasst, dass seine Endplatten zu den Schrägen des im Querschnitt trapezförmigen Einschubfaches gerichtet sind. Über diese Endplatten und den Schrägen des im Querschnitt trapezförmigen Einschubfaches erfolgen die fluidführenden Anschlüsse. Die stromführenden Anschlüsse, welche als Steckkontakte ausgelegt sind, befinden sich am Boden des Einschubfaches. Die fluidführenden Anschlüsse werden über im Modulgehäuse angeordnete Federventile realisiert, die mit dem Hineinstecken des Stacks in das Einschubfach über am Stack angeordnete Arme ausgelöst werden. Von Nachteil dieser Lösung ist aber, dass der Stack im eingeschobenen Zustand nur durch die Steckkontakte der stromführenden Anschlüsse in dem Einschubfach festgehalten wird. Diese Steckkontakte können aber den Stack, beispielsweise bei einer Kopfüberstellung des Modulgehäuses, nicht im Modulgehäuse festhalten. Dabei ist es auch von Nachteil, dass die Kraftwirkung der Federventile entgegen der Festhaltekraft der Steckkontakte gerichtet ist. Dadurch wird bei der Kopfüberstellung des Modulgehäuses die Gewichtskraft des Stacks durch die Federkraft der Federventile ergänzt, die in der Summe größer als die Festhaltekraft der Steckkontakte ist. Von Nachteil ist aber auch, dass nur das Modulgehäuse Ventile zum Verschluss der fluidführenden Anschlüsse aufweist. Dagegen sind an dem Stack keine Ventile zum Verschluss der fluidführenden Anschlüsse angeordnet. Dadurch können Reste an Brennstoff, die sich noch in den Zuleitungen der Anschlüsse befinden, aus dem Stack auslaufen und das Modulgehäuse verschmutzen. Außerdem besteht die Gefahr, dass diese Brennstoffreste zu den stromführenden Anschlüsse gelangen, wodurch beim Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks und der damit verbundenen Funkenbildung eine Entzündung des explosiven Brennstoff-Luftgemisches erfolgen kann. Dabei ist von besonderem Nachteil, dass mit dem Hineinstecken des Stacks in das Einschubfach die fluidführenden und die stromführenden Anschlüsse gleichzeitig ausgelöst werden, wodurch die Explosionsgefahr erhöht wird.From the WO 2004/023588 A1 a modular fuel cell is known, which consists of a module housing and a stack, wherein in the module housing all, necessary for the operation of a fuel cell components are integrated. The module housing has a trapezoidal cross-section slot for receiving the stack. The stack is adapted in its outer shape to the insertion compartment, that its end plates are directed to the slopes of the trapezoidal in the insertion compartment. About this end plates and the slopes of the trapezoidal in cross-section of the slot insert the fluid-carrying connections. The current-carrying connections, which are designed as plug contacts, are located at the bottom of the insertion compartment. The fluid-carrying connections are realized via spring valves arranged in the module housing, which are triggered by inserting the stack into the insertion compartment via arms arranged on the stack. The disadvantage of this solution, however, is that the stack is held in the inserted state only by the plug contacts of the current-carrying terminals in the insertion compartment. However, these plug contacts can not hold the stack in the module housing, for example when the head housing of the module housing is in the top position. It is also disadvantageous that the force of the spring valves is directed against the holding force of the plug contacts. As a result, the weight of the stack is supplemented by the spring force of the spring valves in the header of the module housing, which is greater than the retention force of the plug contacts in the sum. However, it is also disadvantageous that only the module housing has valves for closing the fluid-carrying connections. By contrast, no valves for closing the fluid-carrying connections are arranged on the stack. As a result, residues of fuel, which are still in the supply lines of the connections, leak from the stack and pollute the module housing. In addition, there is a risk that these fuel residues too reach the current-carrying terminals, which can be done when inserting or pulling out of the stack and the associated sparking an ignition of the explosive fuel-air mixture. It is of particular disadvantage that with the insertion of the stack into the insertion compartment, the fluid-carrying and the current-carrying connections are triggered simultaneously, whereby the risk of explosion is increased.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks dieses Brennstoffzellensystems zu entwickeln, bei dem kein Brennstoff aus den Zuleitungen der Anschlüsse des Stacks, insbesondere beim Transport und beim Wechsel des Stacks austreten kann.Of the The invention is therefore based on the object, a generic Fuel cell system with a stack and an associated Method for changing the stack of this fuel cell system to develop at which no fuel from the supply lines of the connections of the stack, especially during transport and when changing the stack can escape.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 17 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 16 und 18 bis 23.These Task is device side by the characterizing features of claim 1 and procedurally by the characterizing features of claim 17 solved. Expedient embodiments emerge from the dependent claims 2 to 16 and 18 to 23rd

Das neue Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.The new fuel cell system with a stack and an associated Methods for changing the stack eliminate the disadvantages mentioned of the prior art.

Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Brennstoffzellensystems mit einem Stack ist es, dass die fluidführenden Anschlüsse des Stacks jeweils mindestens ein Ventil aufweisen. Dadurch können keine Reste an Brennstoff, die sich noch in den Zuleitungen der Anschlüsse befinden, aus dem Stack auslaufen und das Systemgehäuse verschmutzen. Außerdem wird die Explosionsgefahr durch die mit dem Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks verbundene Funkenbildung gemindert, da sich kein explosives Brennstoff-Luftgemisch bilden kann. Auch ist ein mit Ventilen verschlossener Stack, der mit Medium gefüllt ist, selbst nach einem längeren Lagerzeitraum sofort einsatzbereit.Advantageous when using the new fuel cell system with a stack it is that the fluid carrying connections of the Stacks each have at least one valve. This can not be Remnants of fuel remaining in the supply lines of the connections to run out of the stack and the system chassis pollute. In addition, the risk of explosion the one associated with inserting or removing the stack Sparking reduced as there is no explosive fuel-air mixture can form. Also is a closed with valves stack, the filled with medium, even after a longer one Storage period immediately ready for use.

Von Vorteil ist auch, wenn das Systemgehäuse eine Arretierung zur kraftschlüssigen Befestigung des Stacks in das Einschubfach aufweist, wobei die Arretierung mechanisch auslösbar ist. Dadurch wird der Stack am Systemgehäuse auch bei einer Kopfüberstellung des Systemgehäuses durch die Arretierung festgehalten und kann nicht aus dem Systemgehäuse herausrutschen.From Advantage is also, if the system housing a lock for non-positive attachment of the stack in the slot has, wherein the lock is mechanically triggered. As a result, the stack on the system housing is also at a Upside down of the system housing by the Locking detained and can not come out of the system housing slip out.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Arretierung mindestens ein Klemmbügel oder mindestens ein Spannband ist, wobei jeder Klemmbügel bzw. Spannband am Systemgehäuse befestigt ist und den in das Einschubfach eingeschobenen Stack überspannt. Dabei sind sowohl der Klemmbügel als auch das Spannband jeweils eine kostengünstige, einfache und sichere Variante der Arretierung und Verriegelung. Auch ist es von Vorteil, wenn die Arretierung eine das Einschubfach verschließende und den eingeschobenen Stack vollständig abdeckende Abdeckung ist, wobei die Abdeckung als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse verspannter oder verschraubter Deckel ausgeführt ist. Dabei sind diese Varianten der Arretierung kostengünstig, einfach und sicher. Zudem Schützen sie den Stack vor Verschmutzungen und Feuchtigkeit.Farther is advantageous if the lock at least one clamp or at least one strap, each strap or strap is attached to the system housing and the in the insert slot spans the inserted stack. there Both the clamp and the strap are respectively a cost effective, simple and safe variant of the Locking and locking. Also it is beneficial if the Locking a the insertion compartment occlusive and the inserted stack is completely covering cover, the cover as a flap with a hinge and a Closure or as one on the system housing strained or screwed lid is executed. There are these variants the locking cost-effective, simple and secure. moreover Protect the stack from dirt and moisture.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Arretierung mindestens eine Federkeilverbindung ist, wobei jede Federkeilverbindung aus einer am Stack angebrachten Keiltasche und einem am Einschubfach angeordneten Federkeil besteht, wobei beim in das Einschubfach eingeschobenen Stack der Federkeil in die Keiltasche greift. Mit dieser Arretierung ist insbesondere ein einfacher Austausch des Stacks möglich. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Anschlüsse des Systemgehäuses auf einem Boden des Einschubfaches und die Anschlüsse des Stacks auf einer Grundfläche einer Endplatte des Stacks angeordnet sind, wobei die Anschlüsse auf dem Boden des Einschubfaches und die Anschlüsse auf der Grundfläche der Endplatte des Stacks spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind. Dadurch wird eine hohe Passgenauigkeit der Anschlüsse gewährleistet.From It is also advantageous if the lock at least one spring key connection is where each spring key connection from one attached to the stack Wedge pocket and a spring wedge arranged on the insertion compartment, wherein when inserted into the insertion compartment stack of the spring wedge into the wedge pocket. With this lock is in particular a easy replacement of the stack possible. It continues beneficial if the connections of the system housing on a bottom of the slot and the connections of the Stacks on a footprint of an end plate of the stack are arranged, with the connections on the bottom of the Insertion compartment and the connections on the base the end plate of the stack mirror-symmetrically aligned are. This will ensure a high accuracy of fit of the connections guaranteed.

Von besonderem Vorteil ist dann, wenn die Anschlüsse zum Öffnen und Schließen der Brennstoffanschlüsse und der Luftanschlüsse jeweils ein auf dem Boden des Einschubfaches und jeweils ein auf der Grundfläche der Endplatte des Stacks angeordnetes Scheibenventil ist. Dadurch wird ein Herauslaufen von Brennstoff aus den Anschlüssen verhindert, weil Scheibenventile in ihrer Bauform besonders schmal sind und deshalb am Ende der Zuleitungen angeordnet sind.From particular advantage is when the connections to open and closing the fuel connections and the Air connections one on the bottom of the slot and one each on the base of the end plate of the stack arranged disc valve is. This will cause a run out of Fuel from the connections prevented because disc valves are particularly narrow in their design and therefore at the end of the leads are arranged.

Auch ist es von Vorteil, wenn die Scheibenventile mit einem zwischen zwei Endstellungen mechanisch verschiebbaren Bedienhebel verbunden sind, wobei in der einen Endstellung alle Scheibenventile geöffnet und in der anderen Endstellung alle Scheibenventile verschlossen sind. Dadurch ist eine sichere Bedienung der Scheibenventile gewährleistet.Also It is advantageous if the disc valves with an intermediate two end positions mechanically displaceable operating lever are connected, wherein in the one end position all disc valves open and closed in the other end position all disc valves are. This ensures safe operation of the disc valves.

Von besonderem Vorteil ist dann, wenn die Arretierung und die Anschlüsse mechanisch miteinander verbunden sind, wobei durch die Betätigung der Arretierung die Anschlüsse ausgelöst werden. Dadurch wird erreicht, dass mit Betätigung der Arretierung erst der Stack im Einschubfach des Systemgehäuses verriegelt wird und erst nach der Verriegelung die Anschlüsse angesteuert werden.From particular advantage is when the lock and the connections are mechanically connected to each other, wherein the actuation of the Arrest the connections are triggered. Thereby is achieved that with actuation of the lock only the stack is locked in the slot of the system chassis and only after locking the connections are controlled become.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Anschlüsse derart angeordnet sind, dass die Anschlüsse nacheinander ausgelöst werden. Dadurch werden beim Einschieben des Stacks zuerst die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere die Scheibenventile geschlossen und anschließenden der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemmen geschlossen. Ebenso werden beim Herausnehmen des Stacks zuerst die Brennstoff- und Luftanschlüsse, insbesondere die Scheibenventile geöffnet und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemme geöffnet.From It is also an advantage if the connections are arranged in this way are that triggered the connections one after the other become. As a result, when inserting the stack first the fuel connections and the air connections, in particular the butterfly valves closed and then the at least one sensor connection and the at least one power terminals closed. Likewise when removing the stack, first the fuel and air connections, in particular, the disc valves open and then the at least one sensor terminal and the at least one power terminal open.

Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahren zum Wechseln des Stacks ist es, dass nach dem Einschieben des Stacks in das Systemgehäuse die fluidführenden Anschlüsse jeweils durch ein Ventil geöffnet und vor dem Herausnehmen des Stacks aus dem Systemgehäuse die fluidführenden Anschlüsse durch diese Ventile verschlossen werden. Durch die Ventile wird verhindert, dass Reste an Brennstoff aus dem Stack austreten und ein explosives Brennstoff-Luftgemisches bilden können, welches sich durch die mit dem Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks verbundene Funkenbildung entzünden könnte.Advantageous when applying the new method of changing the stack it that after inserting the stack into the system chassis the fluid-carrying connections in each case by a Valve open and off before removing the stack the system housing, the fluid-carrying connections be closed by these valves. Through the valves will prevents leftovers of fuel from escaping from the stack and can form an explosive fuel-air mixture, which by the insertion or withdrawal of the Could ignite stacks associated sparking.

Von Vorteil ist es dabei, wenn beim Einschieben des Stacks zuerst die stromführenden Anschlüsse und anschließend die fluidführenden Anschlüsse verbunden werden sowie beim Herausnehmen des Stacks zuerst die fluidführenden Anschlüsse und anschließend die stromführenden Anschlüsse getrennt werden.From The advantage is that when inserting the stack first the live connections and then the fluid-carrying connections are connected and when removing the stack, first the fluid-carrying Connections and then the current-carrying Connections are disconnected.

Dabei ist es von Vorteil, wenn beim Einschieben des Stacks der Stack in ein Einschubfach eingeführt wird, bis der Stack in eine Arretierung einrastet und den Stack kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse verbindet. Dadurch werden mit dem Einrasten des Stacks in der Arretierung die stromführenden Anschlüsse und anschließend mechanisch die verschlossenen fluidführenden Anschlüsse geöffnet und paarweise miteinander verbunden. Ebenso ist es von Vorteil, wenn beim Herausnehmen des Stacks mechanisch die geöffneten fluidführenden Anschlüsse jeweils geschlossen und voneinander getrennt werden und anschließend durch Herausziehen des Stacks aus dem Einschubfach die Arretierung gelöst wird, wobei mit dem Lösen der Arretierung die stromführenden Anschlüsse sich öffnen.there It is an advantage if the stack is pushed in when inserting the stack a drawer is inserted until the stack into a Lock engages and the stack with non-positively connects to the system housing. This will lock in place of the stack in the lock the live connections and then mechanically the closed fluid-carrying Ports open and in pairs connected. Likewise, it is advantageous if when removing the Stacks mechanically the open fluid-conducting Terminals each closed and separated and then by pulling the stack out the drawer the lock is released, with the release of the lock, the current-carrying terminals open.

Von besonderem Vorteil ist es dann, wenn die Anschlüsse nacheinander ausgelöst werden, wobei beim Einschieben des Stacks zuerst mindestens ein Sensoranschluss und mindestens eine Stromklemme angeschlossen und anschließend die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere durch Öffnen der Scheibenventile, angeschlossen werden, sowie beim Herausnehmen des Stacks zuerst die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere durch Schließen der Scheibenventile, abgetrennt und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemme abgetrennt werden.From It is especially advantageous if the connections are in succession triggered, with the insertion of the stack first at least one sensor connection and at least one power terminal connected and then the fuel connections and the air connections, in particular by opening the butterfly valves, are connected, as well as when removing of the stack first the fuel connections and the air connections, in particular by closing the disc valves, separated and then the at least one sensor terminal and the at least one power terminal are disconnected.

Von besonderem Vorteil ist es weiter, wenn das Verbinden und das Trennen des Stacks mit dem Systemgehäuse jeweils stufenweise erfolgt, wobei beim Verbinden zuerst der Stack kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse verbunden wird, anschließend die stromführenden Anschlüsse ausgelöst und abschließenden die fluidführenden Anschlüsse ausgelöst werden. Beim Trennen hingegen werden zuerst die fluidführenden Anschlüsse und anschließend die stromführenden Anschlüsse ausgelöst und abschließend wird die kraftschlüssige Verbindung des Stacks mit dem Systemgehäuse gelöst.From It is particularly advantageous if the connecting and disconnecting the stack with the system housing takes place in stages, wherein when connecting first the stack frictionally with the System housing is connected, then the energized connections triggered and final fluid-carrying connections to be triggered. When separating, however, the first fluid-carrying connections and then the live connections triggered and finally, the non-positive connection of the stack with the system housing solved.

Durch den einfachen Aufbau des neuen Brennstoffzellensystems ist ein leichter Austausch des Stacks möglich, so dass die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen nur durch die Lebensdauern der Pumpen und der Steuerungs- und Leistungselektronik bestimmt wird. Auch ist dieses Brennstoffzellensystem billiger als bekannte Brennstoffzellensysteme, da beim Ausfall des Stacks nur dieser ersetzt und die zur Brennstoff- und Luftversorgung der Brennstoffzellen des Stacks notwendigen Pumpen mit Steuerungs- und Leistungselektronik weiter verwendet werden können.By The simple construction of the new fuel cell system is a simple one Exchange of the stacks possible, so that the life of the fuel cell system essentially only by the lifespan of the pumps and the control and Power electronics is determined. Also, this fuel cell system cheaper than known fuel cell systems, since the failure of the Stacks only replaced these and those for fuel and air the fuel cells of the stack necessary pumps with control and power electronics can continue to be used.

Auch liegt ein Vorteil des Brennstoffzellensystems darin, dass der Stack nach einem Defekt oder einer durch den Betrieb verursachten Degradation bzw. dem Erreichen des Endes der Lebensdauer schnell und ohne Demontage des gesamten Brennstoff zellensystems getauscht werden kann. Der getauschte defekte Stack kann somit regeneriert werden, ohne dass es zu einem längeren Ausfall des Brennstoffzellensystems kommt.Also One advantage of the fuel cell system is that the stack after a defect or a degradation caused by the operation or reaching the end of the life quickly and without disassembly the entire fuel cell system can be exchanged. Of the exchanged defective stack can thus be regenerated without that it leads to a longer failure of the fuel cell system comes.

Auch können die an den Endplatten angeordneten Anschlüsse derart realisiert werden, in dem die Stromklemme, die Sensoranschlüsse sowie die Versorgungsleitungen für Anode oder Kathode z. B. seitlich an den Bipolarplatten vorbei oder durch die Bipolarplatten hindurch von einer zur anderen Endplatte geführt werden. Dadurch kann, unabhängig von der Geometrie der Anschlüsse, an einer Endplatte je nach Bedarf ein leistungsstärkerer oder schwächerer Stack eingesetzt werden. Hierzu muss der Stack lediglich um die Anzahl der Einzelzellen angepasst werden.Also can be arranged on the end plates connections be realized in such a way in which the current terminal, the sensor terminals and the supply lines for anode or cathode z. B. laterally past the bipolar plates or through the bipolar plates be passed through from one to the other end plate. This allows, regardless of the geometry of the connections, on an end plate as needed a more powerful or weaker stack can be used. This requires the stack just be adapted to the number of single cells.

Die für die Regelung und zur Überwachung benötigten Sensoren des Stacks können auch fest mit einer integrierten Mikroprozessoreinheit am Stack angebracht werden. Hierdurch wird die mechanische Beanspruchung der Steckverbindung zwischen dem Stack und dem Brennstoffzellensystem minimiert. Zusätzlich können die Sensoren dann bei der Regeneration neu kalibriert werden.The stack sensors needed for control and monitoring can also be fixed to the stack with an integrated microprocessor unit. This will be the mecha nische stress on the connector between the stack and the fuel cell system minimized. In addition, the sensors can then be recalibrated during regeneration.

Vorzugsweise wird als Brennstoff im Stack Methanol verwendet, wobei der Brennstoff in Wasser gelöster Form ist und als dreiprozentige Methanollösung dem Stack durch die Leitungen zugeführt wird. Dabei weist diese Methanollösung eine deutlich geringere Entzündungsgefahr als andere Brennstoffe, wie z. B. Wasserstoff auf.Preferably is used as fuel in the stack of methanol, the fuel dissolved in water and as a three percent methanol solution the stack is fed through the lines. It points This methanol solution significantly reduces the risk of ignition than other fuels, such as. B. hydrogen.

Das neue Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks sollen nun an drei Ausführungsbeispielen erläutert werden.The new fuel cell system with a stack and an associated Methods for changing the stack are now to three embodiments be explained.

Dazu zeigen:To demonstrate:

1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Stack in einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 : Schematic representation of a fuel cell system with a stack in a first embodiment,

2: Schematische Darstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem ersten Ausführungsbeispiel, 2 FIG. 2: Schematic representation of a stack of the fuel cell system according to the first exemplary embodiment, FIG.

3: Schematische Darstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel, 3 : Schematic representation of a stack of the fuel cell system in a second embodiment,

4: Schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit einem Stack in einem dritten Ausführungsbeispiel, 4 : Schematic representation of the fuel cell system with a stack in a third embodiment,

5: Explosivdarstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel, 5 FIG. 1 shows an exploded view of a stack of the fuel cell system according to the third exemplary embodiment, FIG.

6: Schematische Darstellung des Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel und 6 : Schematic representation of the stack of the fuel cell system according to the third embodiment and

7: Schematische Darstellung der Grundfläche des Einschubfaches des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel. 7 : Schematic representation of the base of the insertion compartment of the fuel cell system according to the third embodiment.

Das neue Brennstoffzellensystem besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel, gem. 1, aus einem Systemgehäuse 1 mit einem Einschubfach 2 für einen Stack 3, wobei in dem Systemgehäuse 1 sämtliche, in der 1 nicht dargestellte Komponenten integriert sind, die für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendig sind. Hierzu gehört:

– eine Luftbereitstellungseinheit mit einem Luftfilter und einer Luftförderpumpe,
– eine Methanolversorgungseinheit mit einem, ebenfalls in der 1 nicht dargestellten, externen Versorgungstank und einer Methanolpumpe,
– eine Wasseraufbreitungseinheit mit einem Wärmetauscher, einem Luftbefeuchter und einer Wasserpumpe sowie
– eine Steuerungseinheit mit der Leistungselektronik und weitere elektronische und mechanische Elemente.

The new fuel cell system consists in a first embodiment, acc. 1 , from a system housing 1 with a slot 2 for a stack 3 , wherein in the system housing 1 all, in the 1 not shown components are integrated, which are necessary for the operation of a fuel cell. Which also includes:

An air supply unit with an air filter and an air pump,
- A methanol supply unit with a, also in the 1 not shown, external supply tank and a methanol pump,
- a water circulation unit with a heat exchanger, a humidifier and a water pump as well
- A control unit with the power electronics and other electronic and mechanical elements.

Zur Aufnahme des Stacks 3 ist das Einschubfach 2 des Systemgehäuses 1 derart dimensioniert, dass bei eingeschobenen Stack 3 die Außenflächen 4 und 5 plan abschließen. Der Boden 6 des Einschubfaches 2 weist mehrere Anschlüsse 7 zur Verbindung des Stacks 3 mit dem Systemgehäuse 1 auf.To pick up the stack 3 is the slot 2 of the system housing 1 dimensioned such that when inserted stack 3 the outer surfaces 4 and 5 complete plan. The floor 6 of the slot 2 has several connections 7 to connect the stack 3 with the system housing 1 on.

Der Stack 3 besteht, gem. 2, aus mehreren, zu einem Stapel verbundenen Bipolarplatten 9 und jeweils einer, den Stapel zu beiden Seiten abschließende Endplatte 8. Die Bipolarplatten 9 werden über eine stackinterne Elektronik gebündelt, die ebenso wie die Endplatten 8 jeweils an einer Außenseite die Anschlüsse 7' zur Verbindung des Stacks 3 mit dem Modulgehäuse 1 aufweisen. Dabei sind die Anschlüsse 7' auf der Außenseite 10 des Stacks 3 angeordnet, die im eingeschobenen Zustand des Stacks 3 in Richtung Boden 6 des Einschubfaches 2 zeigt. Die Anordnung der Anschlüsse 7' auf der Außenseite 10 des Stacks 3 ist spiegelsymmetrisch zu der Anordnung der Anschlüsse 7 auf den Boden 6 des Einschubfaches 2. Die Anschlüsse 7, 7', die ein Gas oder eine Flüssigkeit führen, sind als leckagefreie Kupplungen, insbesondere als Ventilkupplungen ausgeführt. Die stromführenden Anschlüsse 7, 7' sind Steckverbindungen.The stack 3 exists, gem. 2 , of a plurality of bipolar plates connected to a stack 9 and one each, the stack on both sides final end plate 8th , The bipolar plates 9 are bundled via a stack-internal electronics, as well as the end plates 8th each on one outside the connections 7 ' to connect the stack 3 with the module housing 1 exhibit. Here are the connections 7 ' on the outside 10 of the stack 3 arranged in the inserted state of the stack 3 towards the ground 6 of the slot 2 shows. The arrangement of the connections 7 ' on the outside 10 of the stack 3 is mirror-symmetrical to the arrangement of the connections 7 on the ground 6 of the slot 2 , The connections 7 . 7 ' , which carry a gas or a liquid, are designed as leak-free couplings, in particular as valve couplings. The live connections 7 . 7 ' are plug connections.

Die Anschlüsse 7, 7' umfassen mehrere Sensoranschlüsse 11, zwei Stromklemmen 12 sowie jeweils zwei Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14, wobei jeder Sensoranschluss 11 über eine gemeinsame Sensoreinheit 15 mit den Bipolarplatten 9 verbunden ist sowie die Sensoreinheit 15 und die Sensoranschlüsse 11 mittig auf der Außenseite 10 des Stacks 3 angeordnet sind. Die Stromklemmen 12 und die Brennstoffanschlüsse 13 sind auf den Endplatten 8 angeordnet, wobei sich jeweils eine Stromklemme 12 mittig und jeweils zwei Brennstoffanschlüsse 13 am äußeren Rand der Endplatten 8 befinden. Dabei dienen die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 jeder Endplatte 8 der Anoden- und der Kathodenversorgung, indem in den Anodenraum kontinuierlich eine wässrige Methanollösung und in den Kathodenraum kontinuierlich Luft zugeführt wird sowie aus dem Anodenraum entstandenes Kohlendioxid und aus dem Kathodenraum entstandenes Wasser abgeführt wird. Dazu sind die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 derart paarweise angeordnet sind, dass die Brennstoffanschlüsse 13 der einen Endplatten 8 den Luftanschlüssen 14 der anderen Endplatte 8 gegenüberliegen.The connections 7 . 7 ' include multiple sensor ports 11 , two power terminals 12 as well as two fuel connections 13 and air connections 14 where each sensor port 11 via a common sensor unit 15 with the bipolar plates 9 connected as well as the sensor unit 15 and the sensor connections 11 centered on the outside 10 of the stack 3 are arranged. The current clamps 12 and the fuel connections 13 are on the end plates 8th arranged, each with a current terminal 12 in the middle and two fuel connections each 13 on the outer edge of the end plates 8th are located. Here are the fuel connections 13 and air connections 14 every end plate 8th the anode and the cathode supply by continuously into the anode compartment an aqueous methanol solution and in the cathode space continuously air is supplied as well as from the anode space formed carbon dioxide and water resulting from the cathode space is dissipated. These are the fuel connections 13 and air connections 14 are arranged in pairs so that the fuel connections 13 one end plate 8th the air connections 14 the other end plate 8th are opposite.

Der Stack 3 besitzt in einem zweiten Ausführungsbeispiel, gem. 3, alle Anschlüsse 7' auf einer Grundfläche einer Endplatte 8, wobei die in der 3 nicht dargestellten Anschlüsse 7 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 spiegelsymmetrisch zu den Anschlüssen 7' auf einer Grundfläche der Endplatte 8 angeordnet sind. Dabei befinden sich die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 in jeweils einer Ecke der Endplatte 8. Zwischen den Brennstoffanschlüssen 13 sind die Sensoranschlüsse 11 und die Stromklemme 12 angeordnet.The stack 3 owns in a second embodiment, acc. 3 , all connections 7 ' on a base of an end plate 8th , where in the 3 not shown connections 7 on the ground 6 of the slot 2 mirror-symmetrical to the connections 7 ' on a base of the end plate 8th are arranged. Here are the fuel connections 13 and air connections 14 in each case in a corner of the end plate 8th , Between the fuel connections 13 are the sensor connections 11 and the current clamp 12 arranged.

In einer besonderen Ausgestaltung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels kann der eingeschobene Stack 3 zum Schutz vor Schmutz und äußeren Einwirkungen durch eine in den 1 bis 3 nicht dargestellten Abdeckung verschlossen werden, wobei die Abdeckung beispielhaft als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse 1 verschraubter Deckel ausgeführt sein kann. Auch ist es denkbar, den Stack 3 mit dem Einschubfach 2 kraftschlüssig zu verbinden, in dem mindestens ein Klemmbügel oder mindestens ein Spannband am Systemgehäuse 1 befestigt ist und den in das Einschubfach 2 eingeschobenen Stack 3 überspannt.In a particular embodiment of the first and second embodiments, the inserted stack 3 for protection against dirt and external influences by a in the 1 to 3 not shown, the cover exemplified as a flap with a hinge and a closure or as a system housing 1 screwed lid can be performed. Also, it is conceivable the stack 3 with the slot 2 to connect non-positively, in which at least one clamp or at least one strap on the system housing 1 is attached and in the slot 2 inserted stack 3 spans.

In Funktion des neuen Brennstoffzellensystems nach den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird zum Einschieben des Stacks 3 dieser Stack 3 in das Einschubfach 2 derart weit eingeführt, bis der Stack 3 den Boden 6 des Einschubfaches 2 erreicht. Dabei werden mit dem Erreichen des Bodens 6 die stromführenden Anschlüsse 7, 7' und anschließend die fluidführenden Anschlüsse 7, 7' verbunden. Zum kraftschlüssig Verbinden des Stacks 3 mit dem Systemgehäuse 1 kann das am Systemgehäuse 1 befestigte Spannband oder der an dem Systemgehäuse 1 befestigte Klemmbügel den in das Einschubfach 2 eingeschobenen Stack 3 überspannen und arretieren. Alternativ kann auch die als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse 1 verschraubter Deckel ausgeführte Abdeckung geschlossen werden. Dabei dient die Abdeckung des Stacks 3 sowohl dem Schutz vor Verschmutzung und Feuchtigkeit als auch der Arretierung und Verriegelung im Einschubfach 2.In function of the new fuel cell system according to the first two embodiments is for inserting the stack 3 this stack 3 in the slot 2 so far introduced until the stack 3 the ground 6 of the slot 2 reached. In doing so, with the reaching of the soil 6 the live connections 7 . 7 ' and then the fluid-carrying connections 7 . 7 ' connected. For frictional connection of the stack 3 with the system housing 1 can that be the case of the system 1 fixed strap or on the system housing 1 attached clamp in the slot 2 inserted stack 3 span and lock. Alternatively, as a flap with a hinge and a closure or as a system case 1 screwed lid executed cover closed. The cover of the stack is used 3 both the protection against dirt and moisture as well as the locking and locking in the insertion compartment 2 ,

In einem dritten Ausführungsbeispiel des neuen Brennstoffzellensystems, gem. 4, weist das Systemgehäuse 1 für den Stack 3 anstelle eines geschlossen Einschubfaches 2 ein zweiseitig offenes Einschubfach 2' auf, wobei im Systemgehäuse 1, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, sämtliche für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendigen Komponenten integriert sind. Außerdem besitzt das neue Brennstoffzellensystem eine Arretierung 16, über die der Stack 3 kraftschlüssig in das Einschubfach 2' des Systemgehäuses 1 befestigt ist, und einem aus dem Systemgehäuse 1 herausragenden Bedienhebel 17.In a third embodiment of the new fuel cell system, acc. 4 , indicates the system case 1 for the stack 3 instead of a closed slot 2 a two-sided open slot 2 ' on, being in the system case 1 , As in the previous embodiments, all necessary for the operation of a fuel cell components are integrated. In addition, the new fuel cell system has a lock 16 over which the stack is 3 non-positively in the slot 2 ' of the system housing 1 is attached, and one from the system housing 1 outstanding control lever 17 ,

Der Stack 3 ist, gem. 5, von einem Stackgehäuse 18 umgeben, wobei der Stack 3 in das Stackgehäuse 18 einsteckbar ist. Das Stackgehäuse 18 besitzt eine Handgriff 19 zum Herausziehen und Hineinstecken des Stacks 3 in das Einschubfach 2' des Systemgehäuses 1.The stack 3 is, gem. 5 , from a stack case 18 surrounded, with the stack 3 in the stack housing 18 is pluggable. The stack case 18 has a handle 19 to pull out and insert the stack 3 in the slot 2 ' of the system housing 1 ,

Am Stack 3 sind, gem. 6, ebenso wie im zweiten Ausführungsbeispiel, alle Anschlüsse 7' auf einer Grundfläche der Endplatte 8 angeordnet, wobei sich die Sensoranschlüsse 11 und die Stromklemmen 12 seitlich an der Grundfläche der Endplatte 8 befinden.On the stack 3 are, gem. 6 , as well as in the second embodiment, all connections 7 ' on a base of the end plate 8th arranged, with the sensor connections 11 and the power terminals 12 laterally at the base of the end plate 8th are located.

Die Anschlüsse 7' auf der Endplatte 8 sind spiegelsymmetrisch zu den in der 7 dargestellten Anschlüsse 7 im Boden 6 des Einschubfaches 2 angeordnet. Dabei weisen die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 sowohl auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 als auch auf der Grundfläche der Endplatte 8 jeweils zwei Scheibenventile 20, 20' auf, welche jeweils zum Verschluss eines Brennstoffanschlusses 13 und eines Luftanschlusses 14 dienen. Durch eine Drehplatte 21 sind die zwei Scheibenventile 20 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 sowie die zwei Scheibenventile 20' auf der Grundfläche der Endplatte 8 mechanisch verbunden. Dazu befindet sich auf der horizontalen Tangente um die Drehachse der Drehplatte 21 jeweils ein Mitnehmerstift 22, der durch das jeweilige Scheibenventil 20 hindurch ragt und die im eingesteckten Zustand des Stacks 3 in das Einschubfach 2 des Modulgehäuses 1 kraftschlüssige Verbindung mit jeweils einer in den Scheibenventilen 20' angeordneten Mitnehmeröffnung 23 herstellt. Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Mitnehmerstift 22 und Mitnehmeröffnung 23 können diese nur synchrone Drehbewegungen ausführen, so dass alle Scheibenventile 20, 20' gleichzeitig angesteuert werden.The connections 7 ' on the end plate 8th are mirror - symmetrical to those in the 7 illustrated connections 7 in the ground 6 of the slot 2 arranged. This shows the fuel connections 13 and air connections 14 both on the ground 6 of the slot 2 as well as on the base of the end plate 8th two disc valves each 20 . 20 ' on, which in each case for closing a fuel connection 13 and an air connection 14 serve. Through a turntable 21 are the two butterfly valves 20 on the ground 6 of the slot 2 as well as the two disc valves 20 ' on the base of the end plate 8th mechanically connected. For this purpose is located on the horizontal tangent to the axis of rotation of the rotary plate 21 one driving pin each 22 passing through the respective disc valve 20 protrudes through and in the inserted state of the stack 3 in the slot 2 of the module housing 1 non-positive connection with one in the disc valves 20 ' arranged driver opening 23 manufactures. Due to the non-positive connection between driving pin 22 and driver opening 23 These can only perform synchronous rotations, so all disc valves 20 . 20 ' be controlled simultaneously.

Der Mitnehmerstift 22 ist außerdem über ein in der 7 nicht dargestelltes Hebelsystem mit dem Bedienhebel 17 verbunden. Dieser Bedienhebel 17 ist zwischen zwei Endstellungen manuell verschiebbar, wobei in der einen Endstellung alle Scheibenventile 20, 20' geöffnet und in der anderen Endstellung alle Scheibenventile 20, 20' verschlossen sind.The driving pin 22 is also a in the 7 not shown lever system with the operating lever 17 connected. This operating lever 17 is manually displaceable between two end positions, wherein in one end position all disc valves 20 . 20 ' opened and in the other end position all disc valves 20 . 20 ' are closed.

Die Arretierung 16 ist als mindestens eine Federkeilverbindung 24 ausgeführt. Dazu besteht jede Federkeilverbindung 24 aus einer am Stack 3 angebrachten Keiltasche 25 und einem am Einschubfach 2' angeordneten Federkeil 26, wobei beim in das Einschubfach 2' eingeschobenen Stack 3 der Federkeil 26 in die Keiltasche 25 greift.The lock 16 is as at least one key connection 24 executed. For this there is every spring key connection 24 from one on the stack 3 attached wedge bag 25 and one at the slot 2 ' arranged spring wedge 26 , while being in the slot 2 ' inserted stack 3 the spring wedge 26 in the wedge bag 25 attacks.

In Funktion des neuen Brennstoffzellensystem nach dem dritten Ausführungsbeispiel werden beim Einschieben des Stacks 3 diesen Stacks 3 in das Einschubfach 2' eingeführt, bis der Stack 3 in die Arretierung 16 in Form der Federkeilverbindung 24 einrastet. Dabei greift der Federkeil 26 in der Keiltasche 25 ein und der Stack 3 ist kraftschlüssig mit dem Modulgehäuse 1 verbunden. Gleichzeitig werden der mindestens eine Sensoranschluss 11 und die mindestens eine Stromklemme 12 geschlossen. Anschließend werden die Scheibenventile 20, 20' der Brennstoffanschlüsse 13 und der Luftanschlüsse 14 geöffnet, indem der Bedienhebel 17 von seiner ersten in seine zweiten Stellung mechanisch bewegt wird. Durch das Hebelsystem wird die Schwenkbewegung des Bedienhebels 17 in eine Drehwinkelbewegung der Drehplatte 21 übertragen. Diese Drehwinkelbewegung der Drehplatte 21 wiederum führt zu einer Linearbewegung des Mitnehmerstiftes 22, durch die beiden Scheibenventile 20 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 sowie die beiden Scheibenventile 20' auf der Grundfläche der Endplatten 8 gleichzeitig geöffnet werden.In function of the new fuel cell system according to the third embodiment will be when inserting the stack 3 these stacks 3 in the slot 2 ' introduced until the stack 3 in the lock 16 in the form of the spring key connection 24 locks. The spring wedge attacks 26 in the wedge bag 25 one and the stack 3 is non-positive with the module housing 1 connected. At the same time, the at least one sensor connection 11 and the at least one power terminal 12 closed. Subsequently, the disc valves 20 . 20 ' the fuel connections 13 and the air connections 14 opened by the operating lever 17 is mechanically moved from its first to its second position. By the lever system, the pivoting movement of the operating lever 17 in a rotational angular movement of the rotary plate 21 transfer. This rotation angle movement of the rotary plate 21 in turn leads to a linear movement of the driving pin 22 through the two butterfly valves 20 on the ground 6 of the slot 2 as well as the two disc valves 20 ' on the base of the end plates 8th be opened at the same time.

Beim Herausnehmen des Stacks 3 erfolgen die zuvor beschriebenen Schritte in umgekehrter Reihenfolge. Mit dem Betätigen des Bedienhebels 17 von seiner zweiten in seine ersten Stellung werden die Scheibenventile 20, 20' geschlossen. Ist der Bedienhebels 17 in seiner ersten Stellung, dann kann der Stack 3 aus dem Einschubfach 2' herausgezogen werden, wobei sich die Arretierung 16 löst und die stromführenden Anschlüsse 7, 7' geöffnet werden.When removing the stack 3 the steps described above are carried out in reverse order. By pressing the operating lever 17 from its second to its first position are the disc valves 20 . 20 ' closed. Is the operating lever 17 in his first position, then the stack can 3 from the slot 2 ' be pulled out, with the lock 16 triggers and the live connections 7 . 7 ' be opened.

In einer besonderen Ausgestaltung des dritten Ausführungsbeispiels kann die Arretierung 16 und die Anschlüsse 7, 7' mechanisch miteinander verbunden sind, wobei durch die Betätigung der Arretierung 16 die Anschlüsse 7, 7' ausgelöst werden. Denkbar wäre, die Arretierung 16 als einen z. B. über ein Zahngetriebe mit der Drehplatte 21 verbundenen Riegel auszuführen. Dabei weist die Drehplatte 21 in ihrer Rotationsachse ein Zahnrad auf, welches in die Zähne des Riegels eingreift, so dass die Drehbewegung der Drehplatte 21 in eine Schubbewegung des Riegels umgesetzt wird.In a particular embodiment of the third embodiment, the lock 16 and the connections 7 . 7 ' mechanically connected to each other, wherein the actuation of the lock 16 the connections 7 . 7 ' to be triggered. It would be conceivable, the lock 16 as a z. B. via a toothed gear with the rotary plate 21 to carry out connected bolt. In this case, the rotary plate 21 in its axis of rotation on a gear which engages in the teeth of the bolt, so that the rotational movement of the rotary plate 21 is converted into a pushing movement of the bolt.

In Funktion des neuen Brennstoffzellensystems nach der besonderen Ausgestaltung des dritten Ausführungsbeispiels weist der Bedienhebel 17 drei Stellungen auf, wobei in der ersten Stellung die Arretierung 16 geöffnet ist. In der zweiten Stellung sind die Arretierung 16 sowie die stromführenden Anschlüsse 7, 7' und in der dritten Stellung zusätzlich auch die fluidführenden Anschlüsse 7, 7' geschlossen bzw. die Scheibenventile 20, 20' geöffnet.In function of the new fuel cell system according to the particular embodiment of the third embodiment, the operating lever 17 three positions, wherein in the first position, the lock 16 is open. In the second position are the lock 16 as well as the current-carrying connections 7 . 7 ' and in the third position additionally also the fluid-carrying connections 7 . 7 ' closed or the disc valves 20 . 20 ' open.

In besonderer Ausgestaltung aller zuvor genannten Ausführungsbeispiele ist es auch denkbar, an einer Seitenfläche des Stackgehäuses 18 eine elektronische Überwachungseinheit 20 zu integrieren, mit der die Sensorsignale der Sensoreinheit 15 digitalisiert und an die, in dem Modulgehäuse 1 integrierten Steuerungseinheit übertragen werden. Dabei ist jede geeignete drahtlose Übertragungsart, insbesondere eine lichtoptische oder eine Funkübertragung möglich.In a particular embodiment of all the aforementioned embodiments, it is also conceivable on a side surface of the stack housing 18 an electronic monitoring unit 20 integrate with which the sensor signals of the sensor unit 15 digitized and to the, in the module housing 1 integrated control unit to be transmitted. In this case, any suitable wireless transmission, in particular a light-optical or radio transmission is possible.

11: Systemgehäusesystem Cabinets
2, 2'2, 2 ': Einschubfachinsertion tray
33: Stackstack
44: Außenflächeouter surface
55: Außenflächeouter surface
66: Bodenground
7, 7'7, 7 ': Anschlussconnection
88th: Endplatteendplate
99: Bipolarplattebipolar
1010: Außenseiteoutside
1111: Sensoranschlusssensor connection
1212: Stromklemmecurrent clamp
1313: Brennstoffanschlussfuel connection
1414: Luftanschlussair connection
1515: Sensoreinheitsensor unit
1616: Arretierunglock
1717: Bedienhebeloperating lever
1818: Stackgehäusestack housing
1919: Handgriffhandle
20, 20'20 20 ': ScheibenventilButterfly valve
2121: Drehplatteturntable
2222: MitnehmerstiftCarrier pin
2323: Mitnehmeröffnungdriving opening
2424: FederkeilverbindungSpring keying
2525: Keiltaschewedge pocket
2626: FederkeilFederkeil

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2004/023588 A1 [0007]

Claims

Fuel cell system consisting of a system housing ( 1 ) and a stack ( 3 ), whereby the system housing ( 1 ) an insertion compartment ( 2 ) for the stack ( 3 ) and via fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and live connections ( 7 . 7 ' ) with the stack ( 3 ), wherein the fluid-carrying connections ( 7 ) of the system housing ( 1 ) each having a valve, characterized in that the fluid-carrying connections ( 7 ' ) of the stack ( 3 ) each have at least one valve.

Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the system housing ( 1 ) a lock ( 16 ) for frictional attachment of the stack ( 3 ) in the slot ( 2 . 2 ' ), wherein the locking ( 16 ) is mechanically triggered.

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the locking ( 16 ) is at least one clamping strap, each clamping strap on the system housing ( 1 ) and in the slot ( 2 . 2 ' ) inserted stack ( 3 ) spans.

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the locking ( 16 ) is at least one tension band, each tension band on the system housing ( 1 ) and in the slot ( 2 . 2 ' ) inserted stack ( 3 ) spans.

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the locking ( 16 ) one the insertion compartment ( 2 . 2 ' ) and the inserted stack ( 3 ) is completely covering cover, the cover being: - as a flap with a hinge and a closure or - as one on the system housing ( 1 ) tightened or screwed lid is executed.

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the locking ( 16 ) at least one spring key connection ( 24 ), wherein each spring key connection ( 24 ) from one on the stack ( 3 ) attached wedge bag ( 25 ) and one at the slot ( 2 . 2 ' ) arranged spring wedge 26 ), wherein when in the slot ( 2 . 2 ' ) inserted stack ( 3 ) the spring wedge ( 26 ) in the wedge pocket ( 25 ) attacks.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the connections ( 7 . 7 ' ) at least one sensor connection ( 11 ), at least one power terminal ( 12 ) and in each case at least two fuel connections ( 13 ) and air connections ( 14 ) are.

Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the sensor connections ( 11 ) and a sensor unit ( 15 ) centered on the outside ( 10 ) of the stack ( 3 ) are arranged, each sensor terminal ( 11 ) via the sensor unit ( 15 ) each with a bipolar plate ( 9 ) connected is.

Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the connections ( 7 ) on a floor ( 6 ) of the insertion compartment ( 2 ) and the connections ( 7 ' ) on a base of an end plate ( 8th ) of the stack ( 3 ), the connections ( 7 ) on the ground ( 6 ) of the insertion compartment ( 2 ) and the connections ( 7 ' ) on the base of the end plate ( 8th ) of the stack ( 3 ) are mirror-symmetrically aligned with each other.

Fuel cell system according to one of claims 7 and 9, characterized in that the connections ( 7 . 7 ' ) for opening and closing the fuel connections ( 13 ) and the air connections ( 14 ) one on the ground ( 6 ) of the insertion compartment ( 2 ) and one each on the base of the end plate ( 8th ) of the stack ( 3 ) arranged disc valve ( 20 . 20 ' ) are.

Fuel cell system according to claim 10, characterized in that the disc valves ( 20 . 20 ' ) with a mechanically movable between two end positions operating lever ( 17 ) are connected, wherein in one end position all disc valves ( 20 . 20 ' ) and in the other end position all butterfly valves ( 20 . 20 ' ) are closed.

Fuel cell system according to claim 11, characterized in that the two disc valves ( 20 ) on the ground ( 6 ) of the insertion compartment ( 2 ) as well as the two butterfly valves ( 20 ' ) on the base of the end plates ( 8th ) mechanically by a rotary plate ( 21 ) are connected to each other, wherein on the horizontal tangent about the axis of rotation of the rotary plate ( 21 ) one entrainment pin ( 22 ), which has a lever system with the operating lever ( 17 ) and in the inserted state of the stack ( 3 ) in the slot ( 2 ) of the system housing ( 1 ) a frictional connection with one in the disc valves ( 20 ' ) arranged entrainment opening ( 23 ), so that driving pin ( 22 ) and entrainment opening ( 23 ) perform only synchronous rotations and all disc valves ( 20 . 20 ' ) are controlled simultaneously.

Fuel cell system according to claim 12, characterized in that the operating lever ( 17 ) on the system housing ( 1 ) is arranged.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized that in the system housing ( 1 ) all for the operation of the stack ( 3 ) necessary components are integrated.

Fuel cell system according to one of claims 11 to 14, characterized in that the locking ( 16 ) and the connections ( 7 . 7 ' ) are mechanically interconnected, whereby by the operation of the operating lever ( 17 ) gradually locking ( 16 ) and connections ( 7 . 7 ' ) to be triggered.

Fuel cell system according to one of claims 10 to 15, characterized in that the connections ( 7 . 7 ' ) are arranged such that the terminals ( 7 . 7 ' ) are triggered successively, whereby: - when inserting the stack ( 3 ) first the fuel connections ( 13 ) and the air connections ( 14 ), in particular the butterfly valves ( 20 . 20 ' ) and then the at least one sensor connection ( 11 ) and the at least one current terminal ( 12 ), and - when removing the stack ( 3 ) first the fuel connections ( 13 ) and the air connections ( 14 ), in particular the butterfly valves ( 20 . 20 ' ) and then the at least one sensor connection ( 11 ) and the at least one current terminal ( 12 ).

Method for changing the stack of the fuel cell system, in which when inserting the stack ( 3 ) into a system housing ( 1 ) the connections ( 7 . 7 ' ) and when removing the stack ( 3 ) from the system housing ( 1 ) the connections ( 7 . 7 ' ) are separated, characterized in that after the insertion of the stack ( 3 ) into the system housing ( 1 ) the fluid-carrying connections ( 7 ' ) each opened by a valve and before removing the stack ( 3 ) from the system housing ( 1 ) the fluid-carrying connections ( 7 ' ) are closed by these valves.

A method according to claim 17, characterized in that: - when inserting the stack ( 3 ) first the live connections ( 7 . 7 ' ) and then the fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and - when removing the stack ( 3 ) first the fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and then the live connections ( 7 . 7 ' ) are separated.

A method according to claim 18, characterized in that when inserting the stack ( 3 ) the stack ( 3 ) in a slot ( 2 . 2 ' ) until the stack ( 3 ) in a lock ( 16 ) and the stack ( 3 ) frictionally with the system housing ( 1 ), whereby with the latching of the stack ( 3 ) in the lock ( 16 ) the live connections ( 7 . 7 ' ) and then mechanically closing the closed fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) are opened and connected in pairs.

A method according to claim 18 or 19, characterized in that when removing the stack ( 3 ) mechanically open the open fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) are each closed and separated from each other and then by pulling the stack ( 3 ) from the slot ( 2 . 2 ' ) the lock ( 16 ) is solved, with the release of the lock ( 16 ) the live connections ( 7 . 7 ' ).

Method according to claims 19 and 20, characterized in that the connections ( 7 . 7 ' ) are triggered successively, whereby: - when inserting the stack ( 3 ) first the at least one sensor connection ( 11 ) and the at least one current terminal ( 12 ) and then the fuel connections ( 13 ) and the air connections ( 14 ), in particular by opening the disc valves ( 20 . 20 ' ), as well as - when removing the stack ( 3 ) first the fuel connections ( 13 ) and the air connections ( 14 ), in particular by closing the butterfly valves ( 20 . 20 ' ), and then the at least one sensor connection ( 11 ) and the at least one current terminal ( 12 ) are separated.

A method according to claim 17, characterized in that the joining and the separation of the stack ( 3 ) with the system housing ( 1 ) is carried out step by step, whereby: - first the stack ( 3 ) frictionally with the system housing ( 1 ), then the live connections ( 7 . 7 ' ) and finally the fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and - when disconnecting first the fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and then the live connections ( 7 . 7 ' ) and finally the frictional connection of the stack ( 3 ) with the system housing ( 1 ) is solved.

A method according to claim 22, characterized in that: - when inserting the stack ( 3 ) the stack ( 3 ) in a slot ( 2 . 2 ' ) until the stack ( 3 ) the ground ( 6 ) of the insertion compartment ( 2 . 2 ' ) and then a lock ( 16 ) is triggered mechanically, wherein in a first position of the lock ( 16 ) the stack ( 3 ) frictionally with the system housing ( 1 ) and the live connections ( 7 . 7 ' ) and in a second position of the lock ( 16 ) the fluidfüh rende connections ( 7 . 7 ' ) and - when removing the stack ( 3 ) first the locking ( 16 ) is triggered mechanically, wherein in a first position of the lock ( 16 ) the fluid-carrying connections ( 7 . 7 ' ) and in a second position of the lock ( 16 ) the frictional connection of the stack ( 3 ) from the system housing ( 1 ) and the current-carrying connections ( 7 . 7 ' ) getting closed.