DE102019103555A1

DE102019103555A1 - Fuel cell arrangement with improved media flow

Info

Publication number: DE102019103555A1
Application number: DE102019103555.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Achtert
Original assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Current assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3). Ein erster Stapel (2a) und ein zweiter Stapel (2b) sind in einer Richtung (y) senkrecht zu einer Stapellängsrichtung (x) nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet. In der Stapellängsrichtung (x) ist die Abfolge von Anodenströmungsfeldplatten (10) und von Kathodenströmungsfeldplatten (9) im ersten Stapel (2a) umgekehrt zur Abfolge von Anodenströmungsfeldplatten (10) und von Kathodenströmungsfeldplatten (9) im zweiten Stapel (2b). An einem ersten Ende (19) der Brennstoffzellenanordnung (1) sind eine Anoden-Endplatte (7) eines des ersten und zweiten Stapels (2a; 2b) und eine Kathoden-Endplatte (8) des jeweils anderen des ersten und zweiten Stapels (2b; 2a) zur spannungsführenden Kopplung mit einem elektrischen Verbraucher der Brennstoffzellenanordnung (1) ausgebildet und an einem zweiten Ende (20) der Brennstoffzellenanordnung (1), das in der Stapellängsrichtung (x) dem ersten Ende (19) gegenüberliegt, ist eine dem ersten und zweiten Stapel (2a, 2b) gemeinsame Medienzuführeinrichtung (6) vorgesehen, durch die wenigstens ein Teil der von den Brennstoffzellen (3) des ersten und zweiten Stapels (2a, 2b) benötigten Medien dem ersten und zweiten Stapel (2a, 2b) parallel zuführbar ist.The invention relates to a fuel cell arrangement (1) with a plurality of fuel cells (3). A first stack (2a) and a second stack (2b) are arranged next to one another and at a distance from one another in a direction (y) perpendicular to a stack longitudinal direction (x). In the longitudinal direction of the stack (x) the sequence of anode flow field plates (10) and of cathode flow field plates (9) in the first stack (2a) is the reverse of the sequence of anode flow field plates (10) and of cathode flow field plates (9) in the second stack (2b). At a first end (19) of the fuel cell arrangement (1) are an anode end plate (7) of one of the first and second stacks (2a; 2b) and a cathode end plate (8) of the other of the first and second stacks (2b; 2a) designed for live coupling with an electrical consumer of the fuel cell arrangement (1) and at a second end (20) of the fuel cell arrangement (1), which is opposite the first end (19) in the longitudinal direction (x) of the stack, one of the first and second ends Stack (2a, 2b) common media supply device (6) is provided through which at least some of the media required by the fuel cells (3) of the first and second stacks (2a, 2b) can be fed to the first and second stacks (2a, 2b) in parallel .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere wenigstens einen ersten Stapel und einen zweiten Stapel mit jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die in dem ersten Stapel und dem zweiten Stapel entlang einer gemeinsamen Stapellängsrichtung gestapelt angeordnet sind, aufweist, bei der der erste Stapel und der zweite Stapel in einer Richtung senkrecht zur Stapellängsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Kathodenströmungsfeldplatte, eine Anodenströmungsfeldplatte und eine zwischenliegende Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) aufweisen.The present invention relates to a fuel cell arrangement with a plurality of fuel cells, which in particular has at least a first stack and a second stack each with a plurality of fuel cells which are stacked in the first stack and the second stack along a common stack longitudinal direction, in which the first stack and the second stack are arranged next to one another and at a distance from one another in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the stack, the fuel cells each having a cathode flow field plate, an anode flow field plate and an intermediate membrane-electrode arrangement (MEA).

Brennstoffzellenanordnungen haben typischerweise die Form von Brennstoffzellenstapeln, in denen mehrere, elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen übereinander bzw. nebeneinander (je nach Orientierung des Stapels im Raum) angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle weist Elektroden, d.h., eine Anode und eine Kathode, und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, z.B. eine Polymerelektrolytmembran (PEM), die gemeinsam eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bilden. Außerdem weisen Brennstoffzellen typischerweise jeweils Strömungsfeldplatten auf, d.h., eine Anodenströmungsfeldplatte und eine Kathodenströmungsfeldplatte. Die Anodenströmungsfeldplatte ist der Anode zugeordnet und weist auf der der Anode zugewandten Oberfläche eine offene Kanalstruktur, das Anodenströmungsfeld, auf, während die Kathodenströmungsfeldplatte der Kathode zugeordnet ist und an der der Kathode zugewandten Oberfläche ebenfalls eine offene Kanalstruktur, das Kathodenströmungsfeld, aufweist. Das Anodenströmungsfeld dient der Zuführung von Anodenbetriebsgas, insbesondere Wasserstoff, zu der Anode, und das Kathodenströmungsfeld dient der Zuführung von Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zu der Kathode. Üblicherweise besitzen die Anodenströmungsfeldplatte und/oder die Kathodenströmungsfeldplatte auch an derjenigen Oberfläche, die dem Anodenströmungsfeld bzw. dem Kathodenströmungsfeld abgewandt ist, eine offene Kanalstruktur. Diese Kanalstruktur dient der Zuführung und Abführung von Kühlmittel, wie z.B. Wasser.Fuel cell arrangements typically have the form of fuel cell stacks in which several fuel cells, electrically connected in series, are arranged one above the other or next to one another (depending on the orientation of the stack in space). Each fuel cell has electrodes, i.e., an anode and a cathode, and an electrolyte interposed therebetween, e.g. a polymer electrolyte membrane (PEM), which together form a membrane-electrode assembly (MEA). In addition, fuel cells typically each have flow field plates, i.e., an anode flow field plate and a cathode flow field plate. The anode flow field plate is assigned to the anode and has an open channel structure, the anode flow field, on the surface facing the anode, while the cathode flow field plate is assigned to the cathode and also has an open channel structure, the cathode flow field, on the surface facing the cathode. The anode flow field is used to supply anode operating gas, in particular hydrogen, to the anode, and the cathode flow field is used to supply cathode operating gas, in particular air, to the cathode. Usually, the anode flow field plate and / or the cathode flow field plate also have an open channel structure on that surface which faces away from the anode flow field or the cathode flow field. This channel structure is used to supply and discharge coolant, such as Water.

So sind zum Beispiel für jede Brennstoffzelle im Inneren eines Stapels eine Anodenströmungsfeldplatte mit Strömungskanälen für Anodenbetriebsgas an einer Hauptfläche und Strömungskanälen für Kühlmittel (zur Bildung eines sogenannten Kühlmittelflussfeldes) an der anderen Hauptfläche, sowie eine Kathodenströmungsfeldplatte mit Strömungskanälen für Kathodenbetriebsgas an einer Hauptfläche und Strömungskanälen für Kühlmittel an der anderen Hauptfläche vorgesehen. Es kann aber auch nur eine der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten Strömungskanäle für Kühlmittel aufweisen, die zusammen mit der jeweils gegenüberliegenden Platte geschlossene Kühlkanäle bilden. Jeweils eine Anodenströmungsfeldplatte und eine Kathodenströmungsfeldplatte sind an den Oberflächen, an denen das Kühlmittel entlang strömt, einander zugewandt und elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei geschlossene Kühlmittelkanäle gebildet werden. Der Verbund wird als bipolare Platte bezeichnet, die bipolare Platte stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Kathode benachbarter Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels her.For example, for each fuel cell inside a stack there is an anode flow field plate with flow channels for anode operating gas on one main surface and flow channels for coolant (to form a so-called coolant flow field) on the other main surface, as well as a cathode flow field plate with flow channels for cathode operating gas on one main surface and flow channels for coolant provided on the other main surface. However, only one of the anode and cathode flow field plates can have flow channels for coolant which, together with the respective opposite plate, form closed cooling channels. In each case one anode flow field plate and one cathode flow field plate face one another on the surfaces along which the coolant flows and are connected to one another in an electrically conductive manner, closed coolant channels being formed. The composite is called a bipolar plate; the bipolar plate establishes an electrical connection between the anode and the cathode of adjacent fuel cells of a fuel cell stack.

Gängige Brennstoffzellenstapel weisen mehrere gleiche Einzelbrennstoffzellen auf, etwa 50 oder 100 oder auch noch mehr Einzelbrennstoffzellen. Diese Einzelbrennstoffzellen werden zu einem Stapel zusammengespannt. An den beiden endständigen Brennstoffzellen (Randzellen) befinden sich jeweils Stromsammler, die Anschlüsse für die Ableitung des von der Brennstoffzellenanordnung erzeugten Stroms besitzen.Common fuel cell stacks have several identical individual fuel cells, for example 50 or 100 or even more individual fuel cells. These individual fuel cells are clamped together to form a stack. On the two terminal fuel cells (edge cells) there are each current collectors that have connections for the discharge of the current generated by the fuel cell arrangement.

Ein Brennstoffzellenstapel wird unter anderem durch die aktive Zellfläche, d.h., die Querschnittfläche des Brennstoffzellenstapels, und durch seine Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen definiert. Dabei ist die Zellfläche für die Höhe des elektrischen Stroms I_Zelle aus der Zelle ausschlaggebend während die Zellenanzahl in ihrer Summe die Stapelspannung Uges ergibt.A fuel cell stack is defined, inter alia, by the active cell area, ie the cross-sectional area of the fuel cell stack, and by its number of individual fuel cells. The cell area is decisive for the level of the electrical current I _cell from the cell, while the sum of the number of cells gives the stack voltage Uges.

Das Produkt aus dem Zellstrom I_Zelle und der Stapelspannung Uges ergibt die Gesamtleistung P_ges des Stapels. $P_{ges} = I_{Zelle} \times U_{ges}$

The product of the cell current I _cell and the stack voltage Uges results in the total power P _tot of the stack.

P_{total} = {I.}_{cell} \times U_{total}

Somit kann eine Leistungssteigerung auf mehrere Arten erzielt werden: Vergrößerung der Zellfläche zur Erhöhung des Stromes und/oder Verlängerung des Stapels, d.h., Erhöhen der Gesamtanzahl von einzelnen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel, zur Erhöhung der Spannung.Thus, an increase in performance can be achieved in several ways: increasing the cell area to increase the current and / or lengthening the stack, i.e. increasing the total number of individual fuel cells in the fuel cell stack to increase the voltage.

Die Vergrößerung der Zellfläche zur Erhöhung des Stroms bedingt einen großen Anstieg in den Anforderungen an die Leistungsverkabelung und/oder an nachfolgende DC/DC-Wandler, wodurch das Gesamtsystem schnell an Größe und Gewicht zunimmt und somit die Kosten steigen.The enlargement of the cell area to increase the current causes a great increase in the requirements for the power cabling and / or for the downstream DC / DC converters, whereby the overall system quickly increases in size and weight and thus the costs.

Die Erhöhung der Spannung Uges wird bspw. insbesondere durch den Einsatz von sogenannten Long-Stacks (siehe 3) umgesetzt. Solche Long-Stacks zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Brennstoffzellen aus, z.B. eine Anzahl von mehr als 150 einzelnen Brennstoffzellen pro Stapel. Mit höherer Anzahl von Brennstoffzellen pro Stapel kann jedoch die Medienversorgung zumindest in einem entfernteren Teil der in einem Long-Stack gestapelten Brennstoffzellen zunehmend schwieriger werden.The increase in voltage Uges is, for example, in particular through the use of so-called long stacks (see 3 ) implemented. Such long stacks are characterized by a large number of fuel cells, for example a number of more than 150 individual fuel cells per stack. With However, a higher number of fuel cells per stack can make the media supply increasingly difficult at least in a more distant part of the fuel cells stacked in a long stack.

Eine andere Möglichkeit, die Spannung Uges zu erhöhen, liegt darin, mehrere Brennstoffzellenstapel mit einer durchschnittlichen Länge, z.B. mit einer Anzahl zwischen 20 und 150 einzelnen Brennstoffzellen, nebeneinander anzuordnen und in Reihe zu schalten, wie in 4 beispielhaft anhand von zwei Stapeln dargestellt. Solche Anordnungen werden auch als Multi-Stack-Systeme bezeichnet. Bei solchen Anordnungen ist die Medienversorgung der in einem Stapel gestapelten Brennstoffzellen aufgrund der kürzeren Länge der Stapel verbessert, jedoch führt dies zu einem höheren Aufwand an Leistungsverkabelungen, um die einzelnen Stapel elektrisch leitend miteinander zu verbinden.Another possibility to increase the voltage Utot is to arrange several fuel cell stacks with an average length, for example with a number between 20 and 150 individual fuel cells, next to one another and to connect them in series, as in FIG 4th shown as an example using two stacks. Such arrangements are also referred to as multi-stack systems. In such arrangements, the media supply to the fuel cells stacked in a stack is improved due to the shorter length of the stacks, but this leads to a higher cost of power cabling to connect the individual stacks to one another in an electrically conductive manner.

Eine Problematik der bekannten Systeme liegt somit in einer adäquaten Medienversorgung der Brennstoffzellen in den Brennstoffzellenstapeln, insbesondere im höheren Leistungsbereich, die aufgrund einer großen Stapellänge oder Größe des Zellfeldes in Teilbereichen eines Stapels ineffektiv werden kann und damit zu Leistungseinbußen führen kann.One problem with the known systems is an adequate supply of media to the fuel cells in the fuel cell stacks, especially in the higher power range, which can become ineffective in partial areas of a stack due to a large stack length or size of the cell field and can thus lead to performance losses.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung zu stellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung mit einer verbesserten Medienversorgung bereitzustellen, insbesondere ohne Leistung einzubüßen ohne dabei den Aufwand für die Leistungsverkabelung bzw. die elektrische Verschaltung wesentlich zu erhöhen.The object of the invention is therefore to provide a fuel cell arrangement which avoids the disadvantages known from the prior art. In particular, it is the object of the invention to provide a fuel cell arrangement with an improved media supply, in particular without sacrificing power, without significantly increasing the outlay for power cabling or electrical interconnection.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Stapellängsrichtung die Abfolge der Anodenströmungsfeldplatten und der Kathodenströmungsfeldplatten im ersten Stapel umgekehrt zur Abfolge der Anodenströmungsfeldplatten und der Kathodenströmungsfeldplatten im zweiten Stapel ist, und an einem ersten Ende der Brennstoffzellenanordnung eine Anoden-Endplatte eines des ersten und zweiten Stapels und eine Kathoden-Endplatte des jeweils anderen des ersten und zweiten Stapels zur spannungsführenden Kopplung mit einem elektrischen Verbraucher der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet sind und an einem zweiten Ende der Brennstoffzellenanordnung, das in der Stapellängsrichtung dem ersten Ende gegenüberliegt, eine dem ersten und zweiten Stapel gemeinsame Medienzuführeinrichtung vorgesehen ist, durch die wenigstens ein Teil der von den Brennstoffzellen des ersten und zweiten Stapels benötigten Medien dem ersten und zweiten Stapel parallel zuführbar ist.The object is achieved according to the invention in a generic fuel cell arrangement in that in the longitudinal direction of the stack the sequence of the anode flow field plates and the cathode flow field plates in the first stack is the reverse of the sequence of the anode flow field plates and the cathode flow field plates in the second stack, and an anode end plate is one at a first end of the fuel cell arrangement of the first and second stacks and a cathode end plate of the respective other of the first and second stacks are designed for live coupling with an electrical consumer of the fuel cell arrangement and at a second end of the fuel cell arrangement, which is opposite the first end in the longitudinal direction of the stack, one of the first and one second stack common media feed device is provided through which at least some of the media required by the fuel cells of the first and second stacks parallel to the first and second stacks el can be supplied.

Eine solche Brennstoffzellenanordnung hat den Vorteil, dass zumindest ein Teil der benötigten Medien über die gemeinsame Medienzuführeinrichtung zu- und abgeführt wird, was zum einen eine gleichmäßige Medienverteilung in den Stapeln ermöglicht und zum anderen die Komplexität der Medienzuführung bzw. - abführung verringert. Darüber hinaus ermöglicht eine solche Anordnung, dass die Gesamtspannung Uges auf einer Seite der Brennstoffzellenanordnung abgegriffen werden kann. Das verringert zum einen den Bauraumbedarf als auch den Aufwand sowie Gewicht und Kosten. Ein erfindungsgemäßer Aufbau kann sich sogar vorteilhaft auf die Geräuschemission auswirken, da bspw. kleinere Gebläse, insbesondere kleinere Reaktionsluftgebläse, eingesetzt werden können.Such a fuel cell arrangement has the advantage that at least part of the required media is supplied and discharged via the common media supply device, which on the one hand enables an even distribution of media in the stacks and on the other hand reduces the complexity of the media supply and removal. In addition, such an arrangement enables the total voltage Uges to be tapped on one side of the fuel cell arrangement. On the one hand, this reduces the installation space requirement as well as the effort, weight and costs. A structure according to the invention can even have an advantageous effect on the noise emission since, for example, smaller fans, in particular smaller reaction air fans, can be used.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und werden nachfolgend erläutert.Advantageous training and further developments are described in the dependent claims and are explained below.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Medienzuführeinrichtung als eine dem ersten und dem zweiten Stapel gemeinsame Medienmanagementplatte ausgebildet ist, die sich insbesondere senkrecht zur Stapellängsrichtung den ersten und zweiten Stapel überdeckend erstreckt. Die Medienzuführeinrichtung dient allgemein dazu, zumindest einen Teil, vorzugsweise jedoch alle, benötigten Medien dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Zu den benötigten Medien zählen unter anderem ein Anodenbetriebsgas, wie bspw. Wasserstoff, ein Kathodenbetriebsgas, wie bspw. Luft oder Sauerstoff, und ein Kühlmittel, wie bspw. Wasser. Die Medienmanagementplatte ist hierbei derart ausgebildet, dass die Medienzuführung und -abführung möglichst effizient gestaltet ist. Insbesondere kann die Medienmanagementplatte nach Art einer Medienmanagementplatte, wie sie z.B. aus der DE 10 2017 107 479 A1 bekannt ist, ausgebildet sein.An advantageous embodiment provides that the media feed device is designed as a media management plate that is common to the first and second stacks and extends, in particular, perpendicular to the longitudinal direction of the stack, covering the first and second stacks. The media supply device generally serves to supply at least some, but preferably all, of the media required to the fuel cell stack. The media required include, inter alia, an anode operating gas such as hydrogen, a cathode operating gas such as air or oxygen, and a coolant such as water. The media management plate is designed in such a way that the media feed and discharge is designed as efficiently as possible. In particular, the media management plate in the manner of a media management plate, such as from the DE 10 2017 107 479 A1 is known to be trained.

Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass an dem ersten Ende die Kathoden-Endplatte eines des ersten und zweiten Stapels und die Anoden-Endplatte des jeweils anderen des ersten und zweiten Stapels voneinander elektrisch isoliert sind. Dadurch kann die Gesamtspannung der Brennstoffzellenanordnung zwischen diesen beiden Endplatten, welche an dem gleichen Ende der Brennstoffzellenanordnung angeordnet sind, abgegriffen werden. Dies erleichtert das Anschließen eines Verbrauchers erheblich, da sich die dafür notwendigen Kontakte auf einer Seite der Brennstoffzellenanordnung befinden. Somit sind deutlich weniger Leistungsverbindungen, bspw. in Form von Kabeln, nötig, um den Verbraucher an der Brennstoffzellenanordnung anzuschließen.Furthermore, it has been shown to be advantageous that the cathode end plate of one of the first and second stacks and the anode end plate of the other of the first and second stacks are electrically insulated from one another at the first end. As a result, the total voltage of the fuel cell arrangement can be tapped between these two end plates, which are arranged at the same end of the fuel cell arrangement. This makes it much easier to connect a consumer, since the contacts required for this are located on one side of the fuel cell arrangement. This means that significantly fewer power connections, for example in the form of cables, are required to connect the consumer to the fuel cell arrangement.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die gemeinsame Medienzuführeinrichtung eine elektrische Leistungsverbindung zwischen dem ersten Stapel und dem zweiten Stapel aufweist oder als solche ausgebildet ist. Dadurch sind die beiden nebeneinander angeordneten Stapel über die Medienzuführeinrichtung elektrisch miteinander verbunden, und somit in Reihe geschaltet, ohne weitere, zusätzliche Bauteile zu benötigen. Alternativ können die beiden Stapel auch über ein von der Medienzuführungseinrichtung separates Element elektrisch leitend miteinander verbunden sein. A particularly advantageous embodiment provides that the common media supply device has an electrical power connection between the first stack and the second stack or is designed as such. As a result, the two stacks arranged next to one another are electrically connected to one another via the media feed device and are thus connected in series without the need for any additional components. Alternatively, the two stacks can also be connected to one another in an electrically conductive manner via an element that is separate from the media supply device.

Zusätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Medienzuführeinrichtung sowohl zur Zuleitung wenigstens eines Teils der benötigten Medien zu dem ersten und dem zweiten Stapel hin als auch zur Ableitung von verbrauchten Medien von dem ersten und dem zweiten Stapel weg, für beide Stapel zusammen, ausgebildet ist. Somit ist der gesamte Kreislauf des wenigstens einen Teils der benötigten Medien an der Medienzuführeinrichtung gebündelt, was die Handhabung der Medien vereinfacht.In addition, it has proven to be advantageous if the media feed device is designed both for supplying at least part of the required media to the first and second stacks and for diverting used media away from the first and second stacks, for both stacks together is. Thus, the entire cycle of the at least some of the media required is bundled at the media feed device, which simplifies the handling of the media.

Eine mögliche vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass Brennstoffzellen-Hauptschütze an der Kathoden-Endplatte eines der Stapel und der Anoden-Endplatte des anderen der Stapel (an einem Ende der Brennstoffzellenanordnung), die zueinander isoliert sind, angeschlossen sind. Die Hauptschütze dienen dem anzuschließenden Verbraucher, bspw. einem DC/DC-Wandler, als elektrische Kontakte.A possible advantageous embodiment provides that fuel cell main contactors are connected to the cathode end plate of one of the stacks and the anode end plate of the other of the stacks (at one end of the fuel cell arrangement), which are insulated from one another. The main contactors serve the consumer to be connected, for example a DC / DC converter, as electrical contacts.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass ein DC/DC-Wandler direkt an der Kathoden-Endplatte eines der Stapel und der Anoden-Endplatte des anderen der Stapel (an einem Ende der Brennstoffzellenanordnung), die zueinander isoliert sind, angeschlossen ist. So können weiterer Bauraum und zusätzliche Bauteile eingespart werden.An alternative embodiment provides that a DC / DC converter is connected directly to the cathode end plate of one of the stacks and the anode end plate of the other of the stacks (at one end of the fuel cell arrangement), which are isolated from one another. This saves additional installation space and components.

Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Medienzuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass eine Versorgung mit Anodenbetriebsgas über einen gemeinsamen Ventilblock erfolgt. Das reduziert die Komplexität der Medienzuführung und den Bauraum.It has also been shown to be advantageous if the media supply device is designed in such a way that anode operating gas is supplied via a common valve block. This reduces the complexity of the media supply and the installation space.

Ebenfalls kann es von Vorteil sein, wenn die Medienzuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass Versorgungen mit Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel für beide Stapel getrennt ausgebildet sind. Da diese beiden Medien keine sehr komplexe Vor- und/oder Aufbereitung benötigen, können diese möglichst bauraumsparend bzw. bauraumoptimierend angeordnet werden.It can also be advantageous if the media supply device is designed in such a way that supplies with cathode operating gas and coolant are designed separately for both stacks. Since these two media do not require any very complex preparation and / or processing, they can be arranged to save space or optimize space as possible.

Hierfür hat es sich insbesondere als vorteilhaft gezeigt, wenn die Versorgung mit dem Kathodenbetriebsgas mit je einem Gebläse für den ersten Stapel und den zweiten Stapel erfolgt. Zwei separat vorgesehene Gebläse können im Vergleich zu einem großen Gebläse, welches für beide Stapel vorgesehen ist, verhältnismäßig klein ausgebildet sein. Das kann die Geräuschemission erheblich reduzieren.For this purpose it has been shown to be particularly advantageous if the cathode operating gas is supplied with one fan each for the first stack and the second stack. Two separately provided fans can be made relatively small compared to a large fan, which is provided for both stacks. This can significantly reduce noise emissions.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Stapel und der zweite Stapel eine gemeinsame Einhausung aufweisen. Dadurch ist es möglich beide Stapel mit nur einem Druck- und H₂-Sensor zu überwachen. Darüber hinaus ist die Brennstoffzellenanordnung aufgrund der kompakten Bauweise mechanisch stabiler.An advantageous embodiment provides that the first stack and the second stack have a common housing. This makes it possible to monitor both stacks with just one pressure and H ₂ sensor. In addition, the fuel cell arrangement is mechanically more stable due to the compact design.

Eine Anzahl von zumindest 70 Brennstoffzellen pro Stapel, insbesondere eine Anzahl zwischen 96 und 120 Brennstoffzellen pro Stapel, hat sich als vorteilhaft gezeigt. Bei dieser Länge kann eine konventionelle Zellspannungsüberwachung eingesetzt werden, welche eine Messleiste pro Stapel und ein gemeinsames Master-Modul beinhaltet. Dies spart Kosten, weil Standardteile verwendet werden können.A number of at least 70 Fuel cells per stack, in particular a number between 96 and 120 Fuel cells per stack has been shown to be advantageous. With this length, a conventional cell voltage monitoring system can be used, which includes a measuring strip per stack and a common master module. This saves costs because standard parts can be used.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Sie sind schematisch, nicht maßstabsgetreu, und zeigen jeweils nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale. Es versteht sich, dass weitere Merkmale, wie sie einem Fachmann geläufig sind, vorliegen können. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittansicht einer Brennstoffzelle,
2 eine beispielhafte Darstellung des Medienflusses in einer einzelnen Brennstoffzelle,
3 eine erste beispielhafte Brennstoffzellenanordnung aus dem Stand der Technik,
4 eine zweite beispielhafte Brennstoffzellenanordnung aus dem Stand der Technik, und
5 eine Brennstoffzellenanordnung mit zwei Brennstoffzellenstapeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

The invention is described in more detail below with reference to drawings. The drawings are only to be understood as examples. They are schematic, not to scale, and each show only the features essential for understanding the present invention. It goes without saying that further features as they are familiar to a person skilled in the art can be present. In the drawings, the same reference numerals denote the same or corresponding elements. Show it:

1 a schematic cross-sectional view of a fuel cell,
2 an exemplary representation of the media flow in a single fuel cell,
3 a first exemplary fuel cell arrangement from the prior art,
4th a second exemplary fuel cell assembly from the prior art, and
5 a fuel cell arrangement with two fuel cell stacks according to an embodiment of the invention.

1 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Brennstoffzelle 3 anhand ihres Querschnitts. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Kathodenströmungsfeldplatte 9, eine Anodenströmungsfeldplatte 10 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 11 auf. Die MEA 11 beinhaltet eine Anode, eine Kathode und einen dazwischenliegenden Elektrolyten, bspw. eine Polymerelektrolytmemebran (PEM). Die Kathodenströmungsfeldplatte 9 und die Anodenströmungsfeldplatte 10 haben jeweils die Form eines flachen Körpers mit einer ersten Hauptfläche, einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche und Schmalseiten (entgegengesetzte Stirnseiten) am Außenumfang des flachen Körpers. Die erste Hauptfläche 12 der Kathodenströmungsfeldplatte 9 ist zur Anströmung von Kühlmittel ausgebildet und weist hierfür Kühlmittelkanalabschnitte 13 auf, welche in einem Stapel mehrerer Brennstoffzellen 3 zusammen mit an der ersten Hauptfläche 14 der Anodenströmungsfeldplatte 10 ausgebildeten Kühlmittelkanalabschnitten 13 der benachbarten Brennstoffzelle 3 Kühlmittelkanäle ausbilden. Alternativ können die Kühlmittelkanalabschnitte 13 auch nur an einer der ersten Hauptflächen 12, 14 ausgebildet sein während die andere der ersten Hauptflächen 14, 12 eben ausgebildet ist. Die zweite Hauptfläche 15 der Kathodenströmungsfeldplatte 9 weist Kathodenbetriebsgas-Strömungskanäle 16 auf, welche ein Kathodenströmungsfeld bilden, das der Kathode gegenüberliegend angeordnet ist und zu dieser hin offen ist. Die offene Kanalstruktur dient der Zuführung des Kathodenbetriebsgases zur Kathode. Die zweite Hauptfläche 17 der Anodenströmungsfeldplatte 11 weist Anodenbetriebsgas-Strömungskanäle 18 auf, welche ein Anodenströmungsfeld bilden, das der Anode gegenüberliegend angeordnet ist und zu dieser hin offen ist. Analog dient die offene Kanalstruktur der Zuführung des Anodenbetriebsgases zur Anode. 1 shows an example of the structure of a fuel cell 3 based on their cross-section. The fuel cell 3 has a cathode flow field plate 9 , an anode flow field plate 10 and a membrane electrode assembly (MEA) 11 on. The MEA 11 includes an anode, a cathode and an intermediate electrolyte, e.g. a polymer electrolyte membrane (PEM). The cathode flow field plate 9 and the anode flow field plate 10 each have the shape of a flat body with a first major surface, one opposite second main surface and narrow sides (opposite end faces) on the outer circumference of the flat body. The first major face 12th the cathode flow field plate 9 is designed for the flow of coolant and has coolant duct sections for this purpose 13th on which in a stack of several fuel cells 3 together with on the first main surface 14th the anode flow field plate 10 formed coolant channel sections 13th the neighboring fuel cell 3 Form coolant channels. Alternatively, the coolant channel sections 13th also only on one of the first main surfaces 12th , 14th be formed while the other of the first main surfaces 14th , 12th is flat. The second major face 15th the cathode flow field plate 9 has cathode operating gas flow channels 16 which form a cathode flow field which is arranged opposite the cathode and is open to this. The open channel structure is used to supply the cathode operating gas to the cathode. The second major face 17th the anode flow field plate 11 has anode process gas flow channels 18th which form an anode flow field which is arranged opposite the anode and is open to this. Similarly, the open channel structure is used to supply the anode operating gas to the anode.

Die zur Zuführung der Betriebsgase benötigten Elemente eines Brennstoffzellenstapels 2 sind hier nicht näher dargestellt. Die Kanalstrukturen des Anodenströmungsfelds und des Kathodenströmungsfelds können sich unterscheiden. Die dargestellten Formen sind lediglich beispielhaft und die Strömungsfelder können sich insbesondere auch in anderer Weise unterscheiden als durch die Form der Strömungskanäle, wie einem Fachmann bekannt ist.The elements of a fuel cell stack required for supplying the operating gases 2 are not shown here. The channel structures of the anode flow field and the cathode flow field can differ. The shapes shown are only exemplary and the flow fields can in particular also differ in other ways than by the shape of the flow channels, as is known to a person skilled in the art.

2 zeigt exemplarisch den Verlauf der Medien innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle 3. Für den Betrieb jeder Brennstoffzelle 3 wird zumindest ein Anodenbetriebsgas und ein Kathodenbetriebsgas benötigt. Ferner wird ein Kühlmittel eingesetzt, um zu verhindern, dass sich die Brennstoffzelle 3 im Betrieb zu stark erhitzt. Als Anodenbetriebsgas wird üblicherweise Wasserstoff (H₂) verwendet und als Kathodenbetriebsgas kommt üblicherweise Luft zum Einsatz. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Wasserstoff und Luft beschränkt ist, sondern grundsätzlich für alle Anodenbetriebsgase und Kathodenbetriebsgase anwendbar ist. Als Kühlmittel wird bevorzugt ein Glykol-Wasser-Gemisch verwendet, bspw. im Verhältnis von Glykol:Wasser = 1:1, aber es können selbstverständlich auch andere Kühlmittel, bspw. deionisiertes Wasser (H₂O) oder andere Kühlmittelgemische verwendet werden. 2 shows an example of the course of the media within a single fuel cell 3 . For the operation of every fuel cell 3 at least one anode operating gas and a cathode operating gas are required. A coolant is also used to prevent the fuel cell from closing 3 Heated too much during operation. Hydrogen (H ₂ ) is usually used as the anode operating gas and air is usually used as the cathode operating gas. It goes without saying, however, that the invention is not restricted to the use of hydrogen and air, but can in principle be used for all anode operating gases and cathode operating gases. A glycol-water mixture is preferably used as the coolant, for example in the ratio of glycol: water = 1: 1, but other coolants, for example deionized water (H ₂ O) or other coolant mixtures, can of course also be used.

Die Brennstoffzelle 3 hat ein rechteckähnliches Längsschnittprofil mit zwei kurzen und zwei langen Seitenkanten 23, 24, wobei sich jeweils die beiden kurzen Seitenkanten 23 und die beiden langen Seitenkanten 24 gegenüberliegen. Die kurzen Seitenkanten 23 erstrecken sich hierbei in eine Richtung z, welche senkrecht zur Richtung y verläuft, in welche sich die langen Seitenkanten 24 erstrecken. Nachfolgend werden die Eingänge, über die die Medien der Brennstoffzelle 3 zugeführt werden, mit ‚E‘ bezeichnet und die Ausgänge, an denen die verbrauchten Medien von der Brennstoffzelle 3 abgeführt werden, mit ‚A‘ bezeichnet.The fuel cell 3 has a rectangular profile with two short and two long side edges 23 , 24 , with the two short side edges 23 and the two long side edges 24 opposite. The short side edges 23 extend here in a direction z, which runs perpendicular to the direction y, in which the long side edges extend 24 extend. The following are the inputs through which the media of the fuel cell 3 are supplied, marked with 'E' and the outputs at which the consumed media from the fuel cell 3 be discharged, marked with 'A'.

Das Anodenbetriebsgas wird in 2 oben rechts in der Ecke der Brennstoffzelle 3 zugeführt (E_A ) und unten links in der Ecke wieder abgeführt (A_A ). Das Kathodenbetriebsgas wird in 2 oben links in der Ecke der Brennstoffzelle 3 zugeführt (E_K ) und unten rechts in der Ecke wieder abgeführt (A_K ). Somit ist gemäß 2 der Verlauf des Anodenbetriebsgases, hier durch einen Pfeil P_A dargestellt, gegenläufig zu dem Verlauf des Kathodenbetriebsgases, welcher durch einen Pfeil P_K dargestellt ist. Das Kühlmittel zirkuliert in einem Kühlmittelkreislauf und wird mittig (in z-Richtung) an den kurzen Seitenkanten 23 zwischen dem Anodenbetriebsgas und dem Kathodenbetriebsgas zu- und abgeführt (E_KM , A_KM ). In der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform wird das Kühlmittel mittig an der einen kurzen Seitenkante 23 (links) der Brennstoffzelle 3 zugeführt (E_KM ) und mittig an der anderen kurzen Seitenkante 23 (rechts) wieder abgeführt (A_KM ). Der Verlauf des Kühlmittels ist beispielhaft durch einen Pfeil P_KM dargestellt.The anode operating gas is in 2 top right in the corner of the fuel cell 3 fed ( E _A ) and removed again in the lower left corner ( A _A ). The cathode operating gas is in 2 top left in the corner of the fuel cell 3 fed ( E _K ) and removed again in the lower right corner ( A _K ). Thus is in accordance with 2 the course of the anode operating gas, here by an arrow P _A shown, opposite to the course of the cathode operating gas, which is indicated by an arrow P _K is shown. The coolant circulates in a coolant circuit and is centered (in the z-direction) on the short side edges 23 between the anode operating gas and the cathode operating gas supplied and discharged ( E _KM , A _KM ). In the in 2 The exemplary embodiment shown is the coolant centrally on one short side edge 23 (left) the fuel cell 3 fed ( E _KM ) and in the middle of the other short side edge 23 (right) discharged again ( A _KM ). The course of the coolant is exemplified by an arrow P _KM shown.

Die 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzellenanordnung 1, wie sie aus dem Stand der Technik bereits bekannt sind.The 3 and 4th show exemplary embodiments of a fuel cell arrangement 1 as they are already known from the prior art.

3 zeigt eine erste bekannte Brennstoffzellenanordnung 1 mit einem einzigen Brennstoffzellenstapel oder -stack 2, welche hier als ein sogenannter Long-Stack 4 ausgebildet ist. Ein solcher Long-Stack 4 zeichnet sich dadurch aus, dass er zumindest 150, vorzugsweise 240 oder mehr, einzelne Brennstoffzellen 3 aufweist, die in einen Stapel 2 aufgereiht gestapelt sind. Der Long-Stack 4 weist an einem Ende 19 eine Anoden-Endplatte 7 und an einem Ende 20, welches dem Ende 19 in der Stapellängsrichtung x gegenüberliegt, eine Kathoden-Endplatte 8 sowie eine Medienzuführeinrichtung 6 auf, wobei in der hier gezeigten Ausführungsform die Kathoden-Endplatte 8 in die Medienzuführeinrichtung 6 integriert ist. 3 shows a first known fuel cell arrangement 1 with a single fuel cell stack or stack 2, which is called a long stack here 4th is trained. Such a long stack 4th is characterized in that it has at least 150, preferably 240 or more, individual fuel cells 3 having that in a stack 2 are lined up and stacked. The long stack 4th points at one end 19th an anode end plate 7th and at one end 20th which the end 19th opposite in the longitudinal direction x of the stack is a cathode end plate 8th as well as a media feed device 6 on, with the cathode end plate in the embodiment shown here 8th into the media feeder 6 is integrated.

Die Gesamtspannung des Long-Stacks 4 liegt zwischen der Anoden-Endplatte 7 an dem einen Ende 19 des Long-Stacks 4 und der Kathoden-Endplatte 8 an dem anderen Ende 20 des Long-Stacks 4 an.The total tension of the long stack 4th lies between the anode end plate 7th at one end 19th of the long stack 4th and the cathode end plate 8th at the other end 20th of the long stack 4th on.

Die Hauptproblematik eines solchen Long-Stacks 4 liegt in der Medienverteilung innerhalb des Stapels 2, welche mit zunehmender Länge immer schwieriger und komplexer wird. Darüber hinaus können sich aufgrund der Länge Nachteile bei der mechanischen Stabilität des Long-Stacks 4 sowie bei der Systemintegration ergeben. The main problem with such a long stack 4th lies in the media distribution within the stack 2 which becomes more difficult and complex with increasing length. In addition, disadvantages in the mechanical stability of the long stack can arise due to the length 4th as well as in system integration.

4 zeigt eine zweite bekannte Brennstoffzellenanordnung 1 in Form von eines sogenannten Multi-Stack-Systems 5 mit zwei Brennstoffzellenstapeln 2, mit denen zumindest die gleiche Leistung erreicht wird wie bei einem Long-Stack 4 mit derselben Gesamtanzahl von Brennstoffzellen 3. Multi-Stack-Systeme 5 zeichnen sich dadurch aus, dass zwei oder mehr Stapel 2 in Reihe geschaltet werden. Hierfür werden in sich komplette Stapel 2 in einer Richtung y senkrecht zu der Stapellängsrichtung x, entlang derer die Brennstoffzellen 3 gestapelt sind, nebeneinander angeordnet. Das bedeutet, dass jeder Stapel 2 eine eigene Medienzuführeinrichtung 6 sowie evtl. zusätzlich eine eigene Einhausung (nicht gezeigt) aufweist. Die Anordnung nach 4 vermeidet zwar die Nachteile eines Long-Stacks 4 hinsichtlich der Medienverteilung und mechanischer Stabilität, jedoch ist die Medienversorgung sowie ihre Überwachung in solchen Multi-Stack-Systemen 5 mit zunehmender Stapelanzahl sehr schnell sehr aufwendig. Darüber hinaus ist die Leistungsverkabelung für die Reihenschaltung problematisch, da eine Anoden-Endplatte 7 eines ersten Stapels 2a, welche sich an dem einen Ende 19 in Stapellängsrichtung x der Brennstoffzellenanordnung 1 befindet, mit einer Kathoden-Endplatte 8 eines zweiten Stapels 2b, welche hier in die Medienzuführeinrichtung 6 integriert ist, und sich an dem anderen (dem einen Ende 19 gegenüberliegenden) Ende 20 in Stapellängsrichtung x der Brennstoffzellenanordnung 1 befindet, verbunden werden muss. In dem hier gezeigten Multi-Stack-System 5 mit zwei Stapeln 2 liegt die Gesamtspannung der Brennstoffzellenanordnung 1 zwischen der Kathoden-Endplatte 8 des ersten Stapels 2a und der Anoden-Endplatte 7 des zweiten Stapels 2b an. Bei dieser Ausführungsform ist die Medienverteilung innerhalb der Stapel 2a, 2b jeweils gleichmäßiger, da die beiden Stapel 2 im Vergleich zu dem Long-Stack 4 (siehe 3) lediglich je eine Anzahl von bspw. 50 bis 120 Brennstoffzellen 3 aufweisen. Allerdings ist die Zuführung der Medien sehr komplex, da die Medien jedem Stapel 2 separat zu- und abgeführt werden und so die jeweiligen Medienversorgungen permanent aufeinander abgestimmt werden müssen. 4th shows a second known fuel cell arrangement 1 in the form of a so-called multi-stack system 5 with two fuel cell stacks 2 with which at least the same performance is achieved as with a long stack 4th with the same total number of fuel cells 3 . Multi-stack systems 5 are characterized by having two or more stacks 2 can be connected in series. Complete stacks are used for this 2 in a direction y perpendicular to the stack longitudinal direction x, along which the fuel cells 3 are stacked, arranged side by side. That means every stack 2 its own media feed device 6 and possibly also has its own housing (not shown). The arrangement according to 4th avoids the disadvantages of a long stack 4th with regard to media distribution and mechanical stability, however, media supply and its monitoring are in such multi-stack systems 5 very quickly very expensive as the number of stacks increases. In addition, the power cabling for the series connection is problematic as there is an anode end plate 7th of a first batch 2a which is at one end 19th in the longitudinal direction of the stack x of the fuel cell arrangement 1 located, with a cathode end plate 8th of a second batch 2 B which here in the media feed device 6 is integrated, and at the other (one end 19th opposite) end 20th in the longitudinal direction of the stack x of the fuel cell arrangement 1 must be connected. In the multi-stack system shown here 5 with two stacks 2 is the total voltage of the fuel cell arrangement 1 between the cathode end plate 8th of the first batch 2a and the anode end plate 7th of the second batch 2 B on. In this embodiment the media distribution is within the stacks 2a , 2 B each more evenly as the two stacks 2 compared to the long stack 4th (please refer 3 ) only a number of, for example, 50 to 120 Fuel cells 3 exhibit. However, feeding the media is very complex as the media is in each stack 2 must be fed and discharged separately and so the respective media supplies must be permanently coordinated with one another.

5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß der Erfindung. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist einen ersten Stapel bzw. Stack 2a und einen zweiten Stapel bzw. Stack 2b auf, welche jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 aufweisen, die in einer Stapellängsrichtung x gestapelt sind. Die beiden Stapel 2a, 2b sind in einer Richtung y senkrecht zur Stapellängsrichtung x nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet. An einem ersten Ende 19 der Brennstoffzellenanordnung 1 weist einer des ersten und zweiten Stapels 2a, 2b eine Anoden-Endplatte 7 auf während der andere des ersten und zweiten Stapels 2b, 2a eine Kathoden-Endplatte 8 aufweist. 5 shows an exemplary embodiment of a fuel cell arrangement 1 according to the invention. The fuel cell assembly 1 has a first stack 2a and a second stack 2 B each having a plurality of fuel cells 3 have which are stacked in a stack longitudinal direction x. The two stacks 2a , 2 B are arranged next to one another and spaced apart from one another in a direction y perpendicular to the longitudinal direction x of the stack. At a first end 19th the fuel cell assembly 1 has one of the first and second stacks 2a , 2 B an anode end plate 7th on during the other of the first and second stacks 2 B , 2a a cathode end plate 8th having.

Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 2 sind die Brennstoffzellen 3 derart angeordnet, dass die Kathodenströmungsfeldplatten 9 und die Anodenströmungsfeldplatten 10 durchweg alternierend angeordnet sind. Gemäß der Erfindung ist die Abfolge der Kathodenströmungsfeldplatten 9 und der Anodenströmungsfeldplatten 10 im ersten Stapel 2a umgekehrt zur Abfolge der Kathodenströmungsfeldplatten 9 und der Anodenströmungsfeldplatten 10 im zweiten Stapel 2b. Die Anoden-Endplatte 7 und die Kathoden-Endplatte 8 sind mittels einer Isolation 21 elektrisch voneinander getrennt und zur spannungsführenden Kopplung mit einem elektrischen Verbraucher (nicht dargestellt) ausgebildet.Inside a fuel cell stack 2 are the fuel cells 3 arranged such that the cathode flow field plates 9 and the anode flow field plates 10 are arranged alternately throughout. According to the invention is the sequence of the cathode flow field plates 9 and the anode flow field plates 10 in the first batch 2a reversed to the sequence of cathode flow field plates 9 and the anode flow field plates 10 in the second pile 2 B . The anode end plate 7th and the cathode end plate 8th are by means of an isolation 21st electrically separated from one another and designed for live coupling with an electrical consumer (not shown).

Somit liegt die Gesamtspannung der Brennstoffzellenanordnung 1 an einem Ende 19 der Brennstoffzellenanordnung 1 an, wodurch bspw. Brennstoffzellen-Hauptschütze für die Kathode (+) und die Anode (-) in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeschlossen werden können. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, dass ein DC/DC-Wandler direkt an die Brennstoffzellenanordnung 1 angeschlossen werden kann.The total voltage of the fuel cell arrangement is thus present 1 at one end 19th the fuel cell assembly 1 whereby, for example, fuel cell main contactors for the cathode (+) and the anode (-) can be connected in the immediate vicinity of one another. This also makes it possible for a DC / DC converter to be connected directly to the fuel cell arrangement 1 can be connected.

An einem zweiten Ende 20 der Brennstoffzellenanordnung 1, welches dem ersten Ende 19 in der Stapellängsrichtung x gegenüberliegt, weist die Brennstoffzellenanordnung eine Medienzuführeinrichtung 6 auf, welche sich hier über beide Stapel 2a, 2b erstreckt und als eine gemeinsame Medienmanagementplatte 22 ausgebildet ist. Die Medienmanagementplatte 22 dient dazu, zumindest einen Teil der von den Brennstoffzellen 3 im Betrieb benötigten Medien den Brennstoffzellenstapeln 2a, 2b örtlich gebündelt zu- und abzuführen.At a second end 20th the fuel cell assembly 1 which is the first ending 19th is opposite in the longitudinal direction x of the stack, the fuel cell arrangement has a media supply device 6 on which are here over both stacks 2a , 2 B extends and as a common media management plate 22nd is trained. The media management plate 22nd serves at least part of the fuel cells 3 media required in operation in the fuel cell stacks 2a , 2 B locally bundled supply and discharge.

Die gemeinsame Medienmanagementplatte 22 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass das Anodenbetriebsgas, das Kathodenbetriebsgas und das Kühlmittel beiden Brennstoffzellenstapeln 2a, 2b parallel zu- und abgeführt werden. Hierfür erstreckt sich die Medienmanagementplatte 22 in einer Richtung y senkrecht zur Stapellängsrichtung x derart, dass sie die beiden Stapel 2a, 2b überdeckt.The common media management board 22nd is designed in the embodiment shown here such that the anode operating gas, the cathode operating gas and the coolant both fuel cell stacks 2a , 2 B are supplied and discharged in parallel. The media management plate extends for this 22nd in a direction y perpendicular to the longitudinal direction x of the stack in such a way that the two stacks 2a , 2 B covered.

Die Medienmanagementplatte 22 ist in der hier gezeigten Ausführungsform beispielhaft derart ausgeführt, dass insbesondere die Zuführung des Anodenbetriebsgases in der Erstreckungsrichtung y der Medienmanagementplatte 22 mittig so angeordnet ist, dass das Anodenbetriebsgas gebündelt beiden Stapeln 2a, 2b parallel zugeführt werden kann. Da das Anodenbetriebsgas, hier bspw. Wasserstoff, aus einem Vorratsbehälter zugeführt werden muss, z.B. eine Druckflasche oder ein Flüssiggastank, und auf den für den Betrieb der Brennstoffzellen 3 geeigneten Druck gebracht und gehalten werden muss, ist eine Bündelung der Zuführung des Anodenbetriebsgases für beide Stapel 2a, 2b sehr vorteilhaft, da der Druck des Anodenbetriebsgases so für beide Stapel 2a, 2b immer identisch ist. Darüber hinaus können dadurch Bauraum, Aufwand, Gewicht und Kosten eingespart werden. Außerdem reduziert sich die Komplexität des gesamten Systems drastisch. Eine solche Bündelung kann bspw. über einen gemeinsamen Ventilblock erfolgen.The media management plate 22nd is designed in the embodiment shown here by way of example in such a way that, in particular, the supply of the anode operating gas in the direction of extension y of the media management plate 22nd in the middle so it is arranged that the anode operating gas is bundled in both stacks 2a , 2 B can be fed in parallel. Since the anode operating gas, here for example hydrogen, has to be supplied from a storage container, for example a pressure bottle or a liquid gas tank, and to that for the operation of the fuel cells 3 A suitable pressure must be brought and maintained, is a bundling of the supply of the anode operating gas for both stacks 2a , 2 B very advantageous since the pressure of the anode operating gas is so for both stacks 2a , 2 B is always identical. In addition, installation space, effort, weight and costs can be saved as a result. In addition, the complexity of the entire system is drastically reduced. Such a bundling can take place, for example, via a common valve block.

Da in jeder Brennstoffzelle 3 das Anodenbetriebsgas und das Kathodenbetriebsgas meist / typischerweise gegenläufig verlaufen (siehe auch 2), ergibt sich durch die gebündelte Zuführung des Anodenbetriebsgases mittig in der Meidenmanagementplatte 22, dass die Zuführungen des Kathodenbetriebsgases für die beiden Stapel 2a, 2b separat, an den sich in der Erstreckungsrichtung y der Medienmanagementplatte 22 gegenüberliegenden (kurzen) Seitenkanten 23 vorgesehen sind. Analog zum Verlauf des Kathodenbetriebsgases ist der Verlauf des Kühlmittels vorgesehen.As in every fuel cell 3 the anode operating gas and the cathode operating gas usually / typically run in opposite directions (see also 2 ), results from the bundled supply of the anode operating gas in the middle of the media management plate 22nd that the supplies of the cathode operating gas for the two stacks 2a , 2 B separately, to which in the direction of extension y of the media management plate 22nd opposite (short) side edges 23 are provided. The course of the coolant is provided analogously to the course of the cathode operating gas.

Somit ergibt sich in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel folgende Anordnung für die Zuführung (E) und die Abführung (A) der benötigten Medien:

Mittig der langen Seitenkanten 24 in der Medienmanagementplatte 22 befinden sich die Zuführung des Anodenbetriebsgases (E_A ) sowie die Abführung des Kühlmittels (A_KM ) und des Kathodenbetriebsgases (A_K ) für beide Stapel 2a, 2b gebündelt, entlang der z-Richtung (Erstreckungsrichtung der kurzen Seitenkanten 23) in der genannten Reihenfolge untereinander angeordnet. An den sich gegenüberliegenden (kurzen) Seitenkanten 23 befinden sich Zuführung des Kathodenbetriebsgases (E_K ) und des Kühlmittels (E_KM ) sowie die Abführung des Anodenbetriebsgases (A_A ) separat für den jeweiligen Stapel 2a, 2b, ebenfalls entlang der z-Richtung in der genannten Reihenfolge untereinander angeordnet. Es versteht sich, dass die Reihenfolge auch von der hier beispielhaft gezeigten Reihenfolge verschieden sein kann.

Thus, in the embodiment shown here, the following arrangement results for the supply (E) and the discharge (A) of the required media:

In the middle of the long side edges 24 in the media management plate 22nd are the supply of the anode operating gas ( E _A ) as well as the discharge of the coolant ( A _KM ) and the cathode operating gas ( A _K ) for both stacks 2a , 2 B bundled, along the z-direction (direction of extent of the short side edges 23 ) arranged one below the other in the order given. On the opposite (short) side edges 23 are the supply of the cathode operating gas ( E _K ) and the coolant ( E _KM ) as well as the discharge of the anode operating gas ( A _A ) separately for the respective stack 2a , 2 B , also arranged one below the other along the z-direction in the order mentioned. It goes without saying that the order can also differ from the order shown here by way of example.

Zusätzlich dient die Medienmanagementplatte 22 in der hier gezeigten Ausführungsform der Erfindung auch als elektrische Leistungsverbindung der beiden Stapel 2a, 2b miteinander, wodurch die beiden Stapel 2a, 2b in Reihe geschaltet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein separates Element vorgesehen sein, welches die beiden Stapel 2a, 2b elektrisch leitend miteinander verbindet, und in Stapellängsrichtung x zwischen der Medienmanagementplatte 22 und den Stapeln 2a, 2b angeordnet ist.The media management plate is also used 22nd in the embodiment of the invention shown here also as an electrical power connection of the two stacks 2a , 2 B with each other, making the two stacks 2a , 2 B are connected in series. Alternatively or additionally, a separate element can also be provided, which the two stacks 2a , 2 B electrically conductively connects to one another, and in the longitudinal direction of the stack x between the media management plate 22nd and the stacks 2a , 2 B is arranged.

Die Stapel 2a, 2b weisen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung jeweils zumindest 70, vorzugsweise zwischen 96 und 120, Brennstoffzellen 3 auf. Diese Anzahl ermöglicht eine gleichmäßige Medienverteilung innerhalb der beiden Stapel 2a, 2b, bspw. ohne nennenswerten Druckverlust des Anodenbetriebsgases. Darüber hinaus kann mit dieser Anzahl von Brennstoffzellen 3 eine konventionelle Zellüberwachung eingesetzt werden, welche je eine Messleiste für den ersten und den zweiten Stapel 2a, 2b und ein gemeinsames Master-Modul aufweist. Die Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß der Erfindung weist eine kompakte Bauform auf, welche insbesondere durch die gemeinsame Medienmanagementplatte 22 mechanisch stabiler ist. Ferner bietet die erfindungsgemäße Anordnung der Stapel 2a, 2b die Möglichkeit, die gesamte Brennstoffzellenanordnung 1 in einer Komplett-Einhausung aufzunehmen, worin beide Stapel 2a, 2b mittels eines Druck- und H₂-Sensors überwacht werden können.The stacks 2a , 2 B have according to one embodiment of the invention each at least 70 , preferably between 96 and 120 , Fuel cells 3 on. This number enables an even distribution of media within the two stacks 2a , 2 B , for example without any significant pressure loss in the anode operating gas. It can also use this number of fuel cells 3 a conventional cell monitoring system can be used, which has a measuring strip for the first and the second stack 2a , 2 B and has a common master module. The fuel cell assembly 1 according to the invention has a compact design, which in particular by the common media management plate 22nd mechanically more stable. Furthermore, the arrangement according to the invention offers the stack 2a , 2 B the possibility of the entire fuel cell assembly 1 in a complete enclosure, in which both stacks 2a , 2 B can be monitored by means of a pressure and H ₂ sensor.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Long-Stack 4 (siehe 3) quasi in der Mitte getrennt und die vordere Stapelhälfte nach hinten umgeklappt, so dass die Kathoden-Endplatte (+) direkt neben der Anoden-Endplatte (-) liegt. Die Medienversorgung erfolgt jetzt durch eine gemeinsame Medienadapterplatte 6 in der Mitte des Zellstapels. Das bringt Vorteile durch eine gleichmäßigere Medienverteilung, aber es eröffnet auch die Möglichkeit, z.B. die Luftversorgung mit zwei kleinen Gebläsen (für beide Stapelhälften getrennt) zu realisieren. Das gleich gilt für die Kühlung. Die Wasserstoff-Versorgung kann über einen gemeinsamen Ventilblock erfolgen. Durch dieses Konzept können sowohl Bauraum, Aufwand, Gewicht und Kosten, aber auch die Geräuschemission erheblich reduziert werden, da mehrere, kleinere separate Gebläse eingesetzt werden können.According to one aspect of the invention, a long stack 4th (please refer 3 ) separated in the middle and the front half of the stack folded back so that the cathode end plate (+) lies directly next to the anode end plate (-). The media supply is now provided by a common media adapter plate 6 in the middle of the cell stack. This brings advantages through a more even distribution of media, but it also opens up the possibility of, for example, realizing the air supply with two small fans (separately for both halves of the stack). The same applies to the cooling. The hydrogen supply can take place via a common valve block. With this concept, not only installation space, effort, weight and costs, but also noise emissions can be reduced considerably, since several, smaller, separate fans can be used.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102017107479 A1 [0016]

Claims

Fuel cell arrangement (1) with a plurality of fuel cells (3), comprising: at least one first stack (2a) and a second stack (2b) each with a plurality of fuel cells (3), which are in the first stack (2a) and the second Stacks (2b) are arranged stacked along a common stack longitudinal direction (x), in which the first stack (2a) and the second stack (2b) are arranged next to one another and at a distance from one another in a direction (y) perpendicular to the stack longitudinal direction (x), wherein the fuel cells (3) each have a cathode flow field plate (9), an anode flow field plate (10) and an intermediate membrane-electrode arrangement (11), characterized in that the sequence of the anode flow field plates (10) and the cathode flow field plates in the longitudinal direction (x) of the stack (9) in the first stack (2a) is the reverse of the sequence of the anode flow field plates (10) and the cathode flow field plates (9) in the second stack (2b), u nd at a first end (19) of the fuel cell arrangement (1) an anode end plate (7) of one of the first and second stacks (2a; 2b) and a cathode end plate (8) of the other of the first and second stacks (2b; 2a) are designed for live coupling with an electrical consumer of the fuel cell arrangement (1) and at a second end (20) of the fuel cell arrangement (1) , which lies opposite the first end (19) in the longitudinal direction (x) of the stack, a media feed device (6) common to the first and second stacks (2a, 2b) is provided through which at least some of the fuel cells (3) of the first and second stack (2a, 2b) required media to the first and second stack (2a, 2b) can be fed in parallel.

Fuel cell arrangement (1) according to Claim 1 , wherein the media feed device (6) is designed as a media management plate (22) common to the first and second stacks (2a, 2b), which extends over the first and second stacks (2a, 2b) in particular perpendicular to the longitudinal direction (x) of the stack.

Fuel cell arrangement (1) according to Claim 1 at the first end (19) the anode end plate (7) of one of the first and second stacks (2a; 2b) and the cathode end plate (8) of the other of the first and second stacks (2b; 2a) from each other electrically are isolated.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the common media feed device (6) has an electrical power connection between the first stack (2a) and the second stack (2b) or is designed as such.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the media feed device (6) is designed both to feed at least part of the required media to the first and second stacks (2a, 2b) and to divert used media away from the first and second stacks (2a, 2b).

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 5 wherein fuel cell main contactors are connected to the anode end plate (7) of one of the stacks (2a; 2b) and the cathode end plate (8) of the other of the stacks (2b; 2a), which are insulated from one another.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein a DC / DC converter is connected to the anode end plate (7) of one of the stacks (2a; 2b) and the cathode end plate (8) of the other of the stacks (2b; 2a), which are isolated from one another.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 7th , wherein the media feed device (6) is designed such that anode operating gas is supplied via a common valve block.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the media supply device (6) is designed such that supplies with cathode operating gas and coolant are designed separately for both stacks (2a, 2b).

Fuel cell arrangement (1) according to Claim 9 , the supply of the cathode operating gas with one fan each for the first stack (2a) and the second stack (2b).

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 10 , wherein the first stack (2a) and the second stack (2b) have a common housing.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 11 wherein each stack (2a, 2b) has at least 70 fuel cells.