DE102008015350A1 - Polymer-electrolyte-fuel cell stack, has component carrier comprising groove-spring system that is provided for accommodation of components in form of fuel cells, cooling cells and fuel cell-compartments - Google Patents

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Abstract

The stack has a component carrier comprising a groove-spring system that is provided for accommodation of components in the form of fuel cells, cooling cells and fuel cell-compartments. The fuel cells are formed from a membrane-electrode unit comprising two electrodes, an anode, a cathode and a membrane that is arranged between the anode and the cathode. Supply lines are arranged on a side of the component carrier and provided for separately supplying the components with operating resources. An independent claim is also included for a method for insertion of a component in the form of a fuel cell or cooling cell into a fuel cell stack.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, der modular aufgebaut ist.The The invention relates to a fuel cell stack, in particular a Fuel cell stack, which is modular.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Anode steht in Kontakt mit dem Brennstoff (Wasserstoff, Methan, Ethanol oder Methanol), der dort oxidiert wird. Der Kathode wird das Oxidationsmittel, z. B. in Form von Luft, Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid zugeleitet, welches reduziert wird.A Fuel cell consists of electrodes passing through a membrane or Electrolyte are separated. The anode is in contact with the fuel (hydrogen, methane, ethanol or methanol), which is oxidized there. The cathode is the oxidizing agent, for. B. in the form of air, oxygen or hydrogen peroxide, which is reduced.

Die verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich. Die Bipolarplatten bestehen meist aus Graphit oder Metall. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel den teuren Edelmetallen Platin oder Ruthenium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.The The materials used vary depending on the fuel cell type. The bipolar plates are usually made of graphite or metal. For better Catalysis they are coated with a catalyst, for example the precious precious metals platinum or ruthenium. As an electrolyte can for example, solved Alkalis or acids, Alkalicarbonatschmelzen, ceramics or membranes serve.

Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25°C. Da in der Praxis jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1 V erreicht werden, werden mehrere Zellen zu einem Stock (engl. für 'Stapel') in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung zu erhalten.The delivered voltage is theoretically at 1.23 volts for the hydrogen-oxygen cell at a temperature of 25 ° C. However, since in practice only voltages of 0.5 to 1 V are reached multiple cells are placed in series to form a 'stack', to a higher one To get tension.

Zur Gruppe der Niedertemperatur-Brennstoffzellen gehören die Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) oder auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engt. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC). Als Brennstoffzellen mit einer speziellen Polymermembran gelten die Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (engl. Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Neben den Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, die üblicherweise bei Temperaturen zwischen 60 und 120°C betrieben werden, werden derzeit auch Hochtemperatur-PEMFCs, die bei bis zu 200°C arbeiten, entwickelt.to Group of low-temperature fuel cells include the polymer electrolyte fuel cells (Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) or proton exchange membrane fuel cells (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC). As fuel cells with a special polymer membrane are the direct methanol fuel cells (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). In addition to the polymer electrolyte fuel cells, the usual be operated at temperatures between 60 and 120 ° C, are currently also developed high temperature PEMFCs operating at up to 200 ° C.

Der Aufbau einer solchen Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfasst üblicherweise die folgenden Elemente:

  • 1. Die Bipolarplatten welche mit den eingebrachten Kanalstrukturen die Medien verteilen. Als Material kommen beispielsweise Metall, Graphit oder leitfähige Kunststoffe, die z. B. durch Zugabe von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht werden, in Frage.
  • 2. Poröse Carbon-Papiere, C-Vliese, C-Gewebe dienen als Elektroden bzw. Katalysatorträger.
  • 3. Die Reaktivschichten, die meist beidseitig auf der Ionomermembran aufgebracht sind. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Medium (Porosität) miteinander in Kontakt.
  • 4. Die Protonen leitende Ionomermembran, die gasdicht und nicht Elektronen leitend ausgebildet ist.
The structure of such a low-temperature proton exchange membrane fuel cell usually comprises the following elements:
  • 1. The bipolar plates which distribute the media with the introduced channel structures. As a material, for example, metal, graphite or conductive plastics, the z. B. be made electrically conductive by adding carbon nanotubes, in question.
  • 2. Porous carbon papers, C-fleeces, C-fabrics serve as electrodes or catalyst supports.
  • 3. The reactive layers, which are usually applied on both sides of the ionomer membrane. Here, the four phases catalyst (Pt), electron conductors (carbon black or carbon nanomaterials), proton conductors (ionomer) and medium (porosity) are in contact with each other.
  • 4. The proton-conducting ionomer membrane, which is gas-tight and not electronically conductive.

Beim Zusammenbau einer Brennstoffeinzelzelle werden die vorgenannten einzelnen Elemente dabei teilweise über Flachdichtungen gegeneinander abgedichtet. Beim Aufbau eines Brennstoffzellenstapels werden bislang alle Einzelzellen übereinander gestapelt und anschließend mittels einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise mittels Zuganker oder Zugbänder, verspannt. Die Medienzuführung erfolgt in der Regel orthogonal zu den Zellen, d. h. durch die einzelnen Zellen hindurch. Erst durch das Verspannen erfolgt die Abdichtung der Medien führenden Zuleitungen gegenüber den Zellen.At the Assembly of a single fuel cell will be the aforementioned individual elements partially sealed by flat gaskets against each other. When building a fuel cell stack so far, all the individual cells are stacked on top of each other and subsequently by means of a suitable device, for example by means of tie rods or drawstrings, braced. The media feeder is usually orthogonal to the cells, d. H. through the individual Cells through. Only by the clamping takes place the seal leading the media Supply lines opposite the cells.

Die schlechteste Zelle eines Brennstoffzellenstapels bestimmt die elektrochemische Performance desselben. Eine Entnahme, bzw. ein Austausch einer solchen Zelle, ist bislang nur möglich, wenn der gesamte Stack entspannt und teilweise oder komplett deassembliert wird. Ein erneuter Zusammenbau bringt in der Regel Probleme mit sich. Beispielsweise können sich die ausgebauten Zellen beim Entspannen des Stapels geringfügig verschieben, was beim erneuten Zusammenbau entsprechend ausgeglichen werden muss. Ferner müssen all die Zellen bis zu dem Bereich, an dem die defekte Zelle ausgetauscht wurde, wieder erneut eingebaut werden. Es hat sich gezeigt, dass sich im Betrieb Teile einer Brennstoffzelle durch Quellung durch die Betriebsmedien, durch zyklischen Temperaturbelastung und Wärmeausdehnung oder ähnliches verformen können, was beim erneuten Zusammenbau wiederum Probleme mit sich bringen kann. Es ist beim wiederholten Zusammenbau auf eine genaue Positionierung der einzelnen Bauteile zu achten.The worst cell of a fuel cell stack determines the electrochemical Performance of the same. A removal, or an exchange of such Cell, so far is only possible if the entire stack relaxed and partially or completely disassembled becomes. Reassembling usually causes problems yourself. For example, you can the removed cells move slightly as the stack is released, what needs to be compensated accordingly when reassembling. Furthermore, all must the cells up to the area where the defective cell replaced was to be reinstalled again. It has been shown that during operation parts of a fuel cell by swelling the operating media, by cyclic temperature load and thermal expansion or similar can deform, which in turn bring problems with reassembly can. It is in the repeated assembly to a precise positioning to pay attention to the individual components.

Bei Brennstoffzellentypen, bei denen eine Kühlung verfahrenstechnisch notwendig ist, beispielsweise bei der Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC), besteht hierbei immer die Gefahr, dass bei einer Deassemblierung des Stapels das verwendete Kühlmedium auf die elektrochemisch aktiven Schichten der Zellen gelangen und diese dabei beschädigen kann.at Fuel cell types in which a cooling process technically necessary is, for example, in the high-temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEFC), there is always the danger that in a Deassemblierung of the stack, the cooling medium used get to the electrochemically active layers of the cells and damage them can.

Aufgabe und LösungTask and solution

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel (PEFC) zu schaffen, bei dem ein einfacher Austausch von Brennstoffeinzelzellen möglich ist, ohne dass der gesamte übrige Stapel dazu deassembliert werden muss und die vorgenannten Nachteile auftreten.The object of the invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell stack (PEFC), in which a simple replacement of fuel cells is possible without the ge entire remaining stack must be deassembled and the aforementioned disadvantages occur.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Baugruppe für ein Brennstoffzellensystem mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen der Baugruppe sind den darauf rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.The The object of the invention is achieved through an assembly for a fuel cell system with the entirety of features according to the main claim. Advantageous embodiments of the assembly are related to it dependent claims refer to.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Grundlage der Erfindung ist eine Art Haltevorrichtung, in die die einzelnen Brennstoffzellen oder auch Gruppen von mehreren (n) Zellen als ein Stapel unabhängig voneinander eingesetzt und somit auch wieder entfernt werden können.basis The invention is a type of holding device in which the individual Fuel cells or groups of multiple (s) cells as a stack independently used by each other and thus can be removed again.

Der Brennstoffzellenstapel in seiner klassischen Form ist im Rahmen dieser Erfindung in der erfindungsgemäßen Form in mehrere Gruppen aufgeteilt. So gibt es zunächst einen Baugruppenträger in Form einer Haltevorrichtung, auch Rack ge nannt. Dieser ist ein nach wenigstens einer Seite hin offenes Gehäuse, welches für die Aufnahme einzelner Baugruppen, z. B. einzelner Brennstoffzellen, Brennstoffzellen-Kompartimente incl. notwendiger Kühlzellen, vorgesehen ist. Baugruppenträger und Baugruppen bilden dann zusammen einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel.Of the Fuel cell stack in its classic form is in the frame this invention in the form according to the invention in several groups divided up. So there is first a rack in the form of a holding device, also called ge rack. This one is after at least one side open housing, which for the recording individual assemblies, z. B. individual fuel cells, fuel cell compartments including necessary cold rooms, provided is. rack and assemblies then together form one or more fuel cell stacks.

Brennstoffeinzelzellen sind üblicherweise als ein dünnes Sandwich konzipiert und aus einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) aufgebaut, die zwei Elektoden, Anode und Kathode, sowie eine zwischen diesen angeordnete Membran umfasst, wobei sich an den äußeren Seiten der MEA jeweils eine anodische und eine kathodische Flowfieldplatte mit einem Flowfield zur Verteilung der Betriebsmittel über die entsprechende Elektrode anschließen.Individual fuel cells are common as a thin one Sandwich designed and made from a membrane electrode assembly (MEA) built, the two electrodes, anode and cathode, and one between them arranged diaphragm, wherein on the outer sides of the MEA respectively an anodic and a cathodic flowfield plate with a flowfield for distributing the equipment via the corresponding electrode connect.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine Baugruppe einer Brennstoffeinzelzelle und/oder einer Kühlzelle. Jede der einzelnen Zellen lässt sich auf einfache Weise in den Baugruppenträger einbauen oder durch Herausziehen aus dem Baugruppenträger entfernen. Hierfür werden die Anschlüsse für die Versorgung mit den Betriebsmedien notwendigerweise derart ausgeführt, dass diese nicht mehr – wie es beim Stand der Technik zu finden ist – orthogonal zur Zellfläche durch den gesamten Stapel geführt werden, sondern jede Brennstoffzelle einzeln nun von geeigneter Seite mit den notwendigen Betriebsstoffen versorgt wird. Dafür beinhaltet der Baugruppenträger eine Versorgungsschiene mit mehreren Versorgungsleitungen, um die Baugruppen Brennstoffzelle und evtl. Kühlzelle mit den benötigten Medien, insbesondere mit einem Brennstoffmedium, einem Oxidationsmedium und gegebenenfalls einem Kühlmedium zu versorgen. Die einzelnen Versorgungsleitungen weisen in einer vorteilhaften Ausführungsform geeignete Absperrvorrichtungen auf, so dass die Zu- bzw. Abfuhr von Betriebsmitteln von den Versorgungsleitungen in und aus den Einzelzellen geeignet unterbrochen werden kann. Solche geeigneten Absperrvorrichtungen können beispielsweise selbstsperrende Schnellkupplungen, Absperrhähne oder Ventile sein.In A first embodiment of the invention corresponds to an assembly a single fuel cell and / or a cooling cell. Each of the individual Leaves cells easily install in the rack or by pulling out from the rack remove. Therefor become the connections for the Supply with the operating media necessarily carried out such that these no more - like it can be found in the prior art - orthogonal to the cell surface through led the entire stack but each fuel cell individually now of more appropriate Side is supplied with the necessary supplies. For that includes the rack a supply rail with multiple supply lines to the Assemblies fuel cell and possibly cooling cell with the required media, in particular with a fuel medium, an oxidation medium and optionally a cooling medium to supply. The individual supply lines point in one advantageous embodiment suitable shut-off devices, so that the supply and discharge of equipment from the supply lines in and out of Single cells can be interrupted suitably. Such suitable Shutters can For example, self-locking quick-release, stopcocks or Be valves.

Mit Hilfe eines solchen Baugruppenträgers ist ein besonders einfacher Ein- und Ausbau einzelner Zellen des Brennstoffzellenstapels möglich. Vorteilhaft ist auch, dass der Betrieb mit einigen defekten Zellen möglich ist, ohne dass es zu größeren Leistungseinbußen kommt, indem bei der defekten Brennstoffzelle einfach die Versorgung mit Betriebsmitteln unterbrochen wird, und die Zelle elektrisch überbrückt wird.With Help of such a subrack is a particularly simple installation and removal of individual cells of the fuel cell stack possible. It is also advantageous that the operation with some defective cells possible is, without it comes to larger power losses, by simply supplying the defective fuel cell with the supply Equipment is interrupted, and the cell is electrically bypassed.

Der erfindungsgemäße Baugruppenträger weist eine maximale Anzahl von Aufnahmeplätzen für einzelne Baugruppen, insbesondere Zellen, d. h. Brennstoffzellen oder Kühlzellen auf, die jedoch für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels nicht zwingend alle besetzt werden müssen. Somit wäre auch ein Betrieb mit weniger Zellen möglich. Dies könnte sich immer dann als vorteilhaft herausstellen, wenn eine Anpassungsmöglichkeit der elektrischen Zellstapelleistung benötigt wird. So wäre es beispielsweise auch möglich, bei einem Baugruppenträger mit nicht vollständig besetzten Aufnahmeplätzen, im Nachhinein die elektrische Zellstapelleistung durch Aufnahme weiterer Brennstoffzellen zu erhöhen.Of the inventive subrack has a maximum number of slots for individual modules, in particular Cells, d. H. Fuel cells or cold rooms, however, for the operation the fuel cell stack does not necessarily have to be filled all. Consequently would be one too Operation with fewer cells possible. This could be up always turn out to be advantageous if an adjustment option the electrical cell stack performance is needed. That's the way it would be also possible, in a rack with not complete occupied reception areas, in retrospect, the electrical cell stack performance by recording to increase further fuel cells.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Baugruppenträgers ist es, dass sich auch mehrere Brennstoffzellen zu einem Kompartiment zusammenlegen lassen. Diese können dann als eine Baugruppe fungieren, welche dann über eine Versorgungsleitung für die Betriebsmedien verfügt. Hierdurch ist es möglich, den vorhandenen Bauraum optimal auszunutzen und entsprechend mehrere Brennstoffzellen-Kompartiments zusammenzustellen und diese getrennt voneinander zu positionieren.One Another advantage of the subrack according to the invention is it, that also several fuel cells to a compartment merge. these can then act as an assembly, which then via a supply line for the Operating media. This makes it possible make optimum use of the available space and accordingly several To assemble fuel cell compartments and separate them from each other.

Die Versorgungsleitungen mit entsprechenden Versorgungsanschlüssen für die Einzelzellen können vorteilhaft auf nur einer Seite der Zellen, und damit auf nur einer Seite des Baugruppenträgers angeordnet sein. Es ist aber bei der Erfindung auch möglich, die Zufuhr eines Kühlmittels, beispielsweise für separate Kühlzellen, auf einer weiteren Seite der Zellen vorzusehen, und damit getrennte Versorgungsleitungen an zwei verschiedenen Seiten des Baugruppenträgers anzuordnen.The Supply lines with corresponding supply connections for the individual cells can be advantageous on only one side of the cells, and thus on only one side of the cell rack be arranged. But it is also possible in the invention, the Supply of a coolant, for example separate cold rooms, to provide on another side of the cells, and thus separate To arrange supply lines on two different sides of the rack.

Die Einzelzellen weisen dann eine daran angepasste Geometrie bezüglich der Versorgung auf.The Single cells then have a geometry adapted to them Supply on.

Die Abdichtung der Brennstoffeinzelzellen, bzw. der Kühlzellen gegenüber den Versorgungsanschlüssen erfolgt über ein geeignetes Dichtsystem. Als ein geeignetes Dichtsystem ist beispielsweise ein O-Ring, Schneidring oder ein konusförmiges Dichtelement anzusehen. Die Abdichtung der Anschlüsse erfolgt dabei in radialer Richtung.The sealing of the fuel cells, or the cooling cells with respect to the supply connections via a suitable sealing system. As a suitable sealing system, for example, an O-ring, cutting ring or a cone-shaped sealing element is to be regarded. The sealing of the connections takes place in the radial direction.

Um ein einfaches Herausziehen der Zellen zu ermöglichen, sind diese nicht, wie bislang üblich, in orthogonaler Richtung zur aktiven Zellfläche innerhalb des gesamten Stapels verspannt. Erfindungsgemäß werden sie einzeln als Zellen in Richtung der aktiven Fläche orthogonal zu den Versorgungsleitungen verspannt (z. B. durch Verschraubungen oder eine Art Klicksystem). Dazu ist es notwendig, dass die Einzelzellen an sich schon jeweils als einzelne Einheiten verspannt vorliegen.Around to allow easy extraction of the cells, these are not, as usual, in orthogonal direction to the active cell surface throughout Stacks braced. According to the invention they are orthogonal as cells in the direction of the active area strained to the supply lines (eg by screwing or a kind of click system). For this it is necessary that the single cells in itself already present as individual units braced.

Für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels muss ferner die Weiterleitung des Stroms zwischen den Einzelzellen gewährleistet sein. Beim herkömmlichen Aufbau eines Brennstoffzellenstacks wird der Strom in der Regel über die Endplatten abgegriffen. Hierfür wird der Strom orthogonal durch die einzelnen Zellen über die sog. Bipolarplatten (BPP), beispielsweise über Kontaktlaschen, durch den Stack geleitet und über die Endplatten abgegriffen.For the business the fuel cell stack must also forward the flow ensured between the individual cells be. In the conventional Build up a fuel cell stack, the electricity is usually over the Tapped end plates. Therefor the current is orthogonal through the individual cells across the So-called bipolar plates (BPP), for example via contact tabs through the Stack headed and over the end plates tapped.

Bei der Erfindung ist vorgesehen, die elektrische Kontaktierung ebenfalls orthogonal von Zelle zu Zelle zu realisieren. Jede Einzelzelle weist nunmehr Endplatten in Form von geteilten Bipolarplatten auf. Über ein geeignetes Kontaktierungskonzept lässt sich durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Materialen eine elektrische Kontaktierung mit den angrenzenden Zellen bewerkstelligen. Die Kontaktierung zum Baugruppenträger selbst könnte beispielsweise über ein Nut-Federsystem oder eine Federlaschen leicht realisiert werden. Als weitere Möglichkeiten kommen Exzenter oder auch Bolzen in Frage, die durch Federn oder eine entsprechende Hydraulik im Bedarfsfall heraus geschoben werden können, und so eine Kontaktierung zwischen benachbarten Zellen ermöglichen. Sind beispielsweise (n) Zellen zu einer Einheit (Kompartiment) zusammengefasst, so wäre es auch möglich, den Strom über die entsprechenden Endplatten mittels einer Kabelverbindung zu einem weiteren Kompartiment innerhalb desselben Bauträgers, oder auch zu einem weiteren Bauträger zu leiten.at The invention is provided, the electrical contact also to realize orthogonal from cell to cell. Each single cell has now on end plates in the form of divided bipolar plates. About one suitable contacting concept can be through the use of electrically conductive materials make electrical contact with the adjacent cells. The contact with the rack itself could for example via a Tongue and groove system or a spring tabs are easily realized. As more options come eccentric or bolt by springs or a corresponding hydraulic can be pushed out if necessary can, and thus allow a contact between adjacent cells. For example, if cells are grouped into one unit (compartment), that's how it would be also possible, the current over the corresponding end plates by means of a cable connection to another Compartment within the same developer, or to another developers to lead.

Wird nun bei der Erfindung eine Zelle oder ein Zellkompartiment aus dem Baugruppenträger entfernt, so wäre die elektrische Kontaktierung in der vorgenannten Art nicht mehr gewährleistet. Als eine mögliche Lösung hierfür könnte aber beispielsweise die betreffende Zelle durch einen 'Zelldummy' ersetzt werden, der die elektrische Kontaktierung in gleicher Weise, wie die ausgetauschte Baugruppe, übernimmt.Becomes now in the invention, a cell or a cell compartment of the Subrack removed, that would be the electrical contact in the aforementioned manner no longer guaranteed. As a possible solution therefor could but, for example, the cell in question is replaced by a 'cell dummy', the electrical contacting in the same way as the exchanged Assembly, takes over.

Mit dem oben beschriebenen Konzept lassen sich vorteilhaft geometrisch variable Stacks aufbauen. Insbesondere lassen sich, bei entsprechender Medienzuführung, einzelne Kompartimente räumlich entkoppeln, falls der vorhandene Bauraum dies notwendig macht.With The concept described above can be advantageous geometric build up variable stacks. In particular, can be, with appropriate Media Supply, individual compartments spatially decouple if the space available makes this necessary.

Des Weiteren ist es möglich die Medienzuführung der einzelnen Zellen oder Zellkompartimente mittels geeigneter Absperrung, z. B. über Ventile oder Drosseln, individuell einzustellen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche Zellleistungen anzugleichen, oder auch eine unterschiedliche Alterung einzelner Zellen bzw. Kompartimente durch eine Anpassung der Volumenströme mit zu berücksichtigen.Of Further it is possible the media feeder the individual cells or cell compartments by means of suitable shut-off, z. B. over Valves or throttles to be adjusted individually. That's it for example, possible to match different cell performances, or even a different one Aging of individual cells or compartments by an adaptation the volume flows to be taken into account.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einigen Figuren näher erläutert, ohne dass dadurch die Erfindung eingeschränkt wird. Ein Fachmann wird leicht die zu Grunde liegende Idee der Erfindung erkennen und weitere auch nicht explizit genannte Ausgestaltungen, sowohl der Materialien, als auch der erforderlichen Geometrien der einzelnen Komponenten, der Zellen und des Baugruppenträgers, als mit offenbart ansehen.in the The invention will be explained in more detail below with reference to a few figures, without that thereby the invention is limited. A specialist becomes easy recognize the underlying idea of the invention and others as well not explicitly mentioned embodiments, both of the materials, as well as the required geometries of the individual components, the cells and the subrack, to look at as revealed.

In 1 ist ein neuartiger Brennstoffzellenstapel mit mehreren Planaren Brennstoffeinzelzellen schematisch dargestellt. Die Betriebsmittelzu- und abfuhr erfolgt durch eine Versorgungsschiene, die außerhalb der Zellen und orthogonal zu diesen angeordnet ist. Der Brennstoff wird von der Schiene aus in Richtung MEA zugeführt (Bei herkömmlichen Systemen liegt die Versorgungsschiene/Leitung in der Regel innerhalb der Zellen).In 1 is a novel fuel cell stack with multiple Planar fuel single cells shown schematically. The resource supply and removal takes place through a supply rail, which is arranged outside the cells and orthogonal to them. The fuel is supplied from the rail towards the MEA (in conventional systems, the supply rail / conduit is typically within the cells).

Hier dargestellt ist ein Brennstoffzellenstapel mit offenen Kathoden, bei denen das Oxidationsmittel in Richtung der Zellebene zugeführt wird. Bei Brennstoffzellen, die eine Kühlung erfordern, müssen entsprechend zwei weitere Leitungen für das Kühlmedium vorgesehen werden, die die dann vorhandenen Kühlzellen versorgen.Here a fuel cell stack with open cathodes is shown, in which the oxidizing agent is supplied in the direction of the cell level. In fuel cells that have a cooling require, must be accordingly two more lines for the cooling medium be provided, which supply the then existing cooling cells.

In der 2 ist eine Ausgestaltung eines geeigneten Nut/Federsystems zu sehen, bei der mehrere Baugruppen, in Form einzelner Brennstoffzellen, einzeln in den Baugruppenträger einsetzbar sind. Der Baugruppenträger weist dazu in einer ersten Variante entsprechende Federn mit seitlich angeordneten Kontaktflächen auf, auf die dann jeweils eine Baugruppe (z. B. Brennstoffzelle) mit einer entsprechenden Nut aufgesetzt werden kann. Die Kontaktflächen zweier benachbart angeordneter Federn sind, wie in der Figur angedeutet, elektrisch leitend verbunden. Die Geometrie und Abmessung der Brennstoffzellen korrespondieren entsprechend mit den Federn des Baugruppenträgers. Dazu reichen die beiden Bipolarplatten (geteilte Endplatten) einer Brennstoffzelle seitlich derart über die Feder hinweg, dass beim Einbau der Zelle in den Baugruppenträger ein elektrischer Kontakt über die Kontaktflächen der Feder sichergestellt wird. In einer zweiten Variante weist der Baugruppenträger Nutvorrichtungen mit entsprechenden Kontaktflächen (hier nicht eingezeichnet) auf, in die die Baugruppen nunmehr als Feder eingesetzt werden können. Die elektrische Kontaktierung erfolgt dabei analog zu Variante 1.In the 2 is an embodiment of a suitable groove / spring system to see in which a plurality of modules, in the form of individual fuel cells, are used individually in the rack. To this end, in a first variant, the subrack has corresponding springs with laterally arranged contact surfaces, on which an assembly (eg fuel cell) can then be placed with a corresponding groove. The contact surfaces of two adjacently arranged springs are, as indicated in the figure, electrically connected. The geometry and dimensions of the fuel cells correspond accordingly the springs of the subrack. For this purpose, the two bipolar plates (divided end plates) of a fuel cell extend laterally over the spring in such a way that, when the cell is installed in the subrack, electrical contact is ensured via the contact surfaces of the spring. In a second variant, the rack Nutvorrichtungen with corresponding contact surfaces (not shown here), in which the modules can now be used as a spring. The electrical contacting takes place analogously to variant 1.

Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, ebenfalls mit einem Nut/Federsystem. Hierbei sind vorteilhaft zunächst mehrere Einzelzellen zu einem Brennstoffzellen-Kompartiment zusammengefasst. Diese ergeben in diesem Fall eine einzige, nunmehr entsprechend breitere Nut (entsprechend Variante 1), die passgenau über zwei oder mehrere Federn des Baugruppenträgers passen, aber dennoch pro Kompartiment nur zwei Kontaktflächen des Baugruppenträgers kontaktieren.The 3 shows a further embodiment of the invention, also with a groove / spring system. Advantageously, a plurality of individual cells are initially combined to form a fuel cell compartment. These result in this case a single, now correspondingly wider groove (corresponding to variant 1), which fit exactly over two or more springs of the rack, but still contact per compartment only two contact surfaces of the rack.

Typische Parameter eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend einen Baugruppenträger und wenigstens eine Einzelzelle, können sein:

  • – Abmaße der Einzelzellen (ohne Endplatten) 100·180 bis 200·250 mm, bei Zelldicken von 3 bis 8 mm,
  • – Anzahl von Aufnahmemöglichkeiten für Einzelzellen 10 bis 100,
  • – Breite eines Kompartiments (incl. Endplatten) mit 10 Zellen ca. 70 mm.
Typical parameters of a fuel cell system according to the invention comprising a subrack and at least one individual cell can be:
  • - dimensions of the individual cells (without end plates) 100 x 180 to 200 x 250 mm, for cell thicknesses of 3 to 8 mm,
  • Number of accommodating possibilities for single cells 10 to 100,
  • - Width of a compartment (including end plates) with 10 cells about 70 mm.

In 4 ist eine Ausführungsform eines modular aufgebauten Systems mit mehreren Bauträgergruppen dargestellt. Die elektrische Kontaktierung der Stacks untereinander ist dabei nicht gezeigt. Dieser Aufbau weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

  • – einfacher modularer Aufbau – Verbindung von mehreren Stacks (Anpassung an die vorhandene Baugeometrie),
  • – die Stacks müssen nicht zwangsläufig die gleiche Zellanzahl aufweisen.
In 4 an embodiment of a modular system with several developer groups is shown. The electrical contacting of the stacks with each other is not shown. This construction has the following advantages in particular:
  • - simple modular construction - connection of several stacks (adaptation to the existing construction geometry),
  • - The stacks do not necessarily have the same number of cells.

Claims (17)

Brennstoffzellensystem umfassend – einen nach wenigstens einer Seite hin offenen Baugruppenträger, zur Aufnahme wenigstens einer Baugruppe in Form einer Brennstoffeinzelzelle und/oder Kühlzelle und/oder eines Brennstoffzellen-Kompartiments, – sowie wenigstens eine Baugruppe, umfassend wenigstens eine Brennstoffeinzelzelle mit einer Anode, einem Elektrolyten und einer Kathode, – wobei der Baugruppenträger Mittel zur Aufnahme jeweils nur eine einzelne Baugruppe aufweist.Fuel cell system comprising - one to at least one side open rack, for Receiving at least one assembly in the form of a single fuel cell and / or cold room and / or a fuel cell compartment, - such as at least one assembly comprising at least one single fuel cell with an anode, an electrolyte and a cathode, - in which the rack Having means for receiving in each case only a single assembly. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, mit einem Baugruppenträger zur Aufnahme von mindestens 10 Baugruppen.Fuel cell system according to claim 1, with a rack for holding at least 10 modules. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mittel zur Aufnahme von Baugruppen eine parallele Anordnung der Baugruppen vorsieht.Fuel cell system according to claim 1 or 2, at the means for receiving assemblies a parallel arrangement the assemblies provides. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Nut-Federsystem als Mittel zur Aufnahme von Baugruppen.Fuel cell system according to claim 1 to 3, with a tongue-and-groove system as means for accommodating assemblies. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 4, bei dem der Baugruppenträger an wenigstens einer Seite Versorgungsleitungen zur Zu- und Abführung wenigstens eines Betriebsmittels aufweist.Fuel cell system according to claim 1 to 4, at the subrack at least one side supply lines for supply and discharge at least having a resource. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 5, bei dem der Baugruppenträger an einer weiteren Seite eine Versorgungsleitung zur Zu- und Abführung für ein Kühlmedium aufweist.Fuel cell system according to claim 1 to 5, at the subrack on another side of a supply line for supply and discharge for a cooling medium having. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 6, bei dem der Baugruppenträger als ein nach wenigstens einer Seite offenes Rack ausgestaltet ist.Fuel cell system according to claim 1 to 6, at the subrack is designed as an open at least one side rack. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 7, mit wenigstens einer separaten Kühlzelle als einer weiteren Baugruppe.Fuel cell system according to claim 1 to 7, with at least one separate cold storage cell as another assembly. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Baugruppe, insbesondere die Brennstoffeinzelzelle, vorverspannt ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, in which the assembly, in particular the fuel single cell, is pretensioned. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem wenigstens eine Versorgungsleitung Mittel zur Absperrung aufweist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, in which at least one supply line means for blocking having. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem alle Versorgungsleitungen Mittel zur Unterbrechung aufweisen.Fuel cell system according to one of claims 1 to 10, in which all supply lines have means for interruption. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit Ventilen oder Drosseln als Mittel zur Absperrung.Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, with valves or throttles as a means of shut-off. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Absperrungen jeweils zwischen einer Versorgungsleitung und einer vorgesehenen Baugruppe angeordnet sind.Fuel cell system according to one of claims 1 to 12, in which the barriers each between a supply line and a designated assembly are arranged. Verfahren zum Einbau einer Baugruppe in Form einer Brennstoffeinzelzelle oder Kühlzelle in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Baugruppe über ein Mittel zur Aufnahme in den Baugruppenträger an einer vorgesehenen Position eingebracht wird.Method for installing an assembly in the form of a Single fuel cell or cold storage cell in a fuel cell stack according to any one of the preceding claims 1 to 13, in which the module over a means for receiving in the rack at a designated position is introduced. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 14, bei dem die Absperrungen in den Versorgungsleitungen für diese Baugruppe nach dem Einbau der Baugruppe in den Baugruppenträger geöffnet werden.Method according to the preceding claim 14, in which the barriers in the supply lines for this module are opened after installation of the module in the rack. Verfahren zum Ausbau einer Baugruppe in Form einer Brennstoffeinzelzelle oder einer Kühlzelle aus einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Baugruppe aus einem Baugruppenträger entfernt wird.Method for removing an assembly in the form of a Single fuel cell or a cooling cell from a fuel cell stack according to one of the preceding claims 1 to 13, where the module is removed from a rack. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 16, bei dem die Absperrungen in den Versorgungsleitungen für diese Baugruppe vor dem Ausbau der Baugruppe aus dem Baugruppenträger geschlossen werden.A method according to the preceding claim 16, wherein the barriers in the supply lines for this assembly before removal the module can be closed from the rack.
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