EP3607600A1 - Media management plate comprising water trap and water reservoir, and fuel cell system - Google Patents

Media management plate comprising water trap and water reservoir, and fuel cell system

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Publication number
EP3607600A1
EP3607600A1 EP18726325.6A EP18726325A EP3607600A1 EP 3607600 A1 EP3607600 A1 EP 3607600A1 EP 18726325 A EP18726325 A EP 18726325A EP 3607600 A1 EP3607600 A1 EP 3607600A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel cell
anode
media management
coolant
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18726325.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Quirin MEDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Proton Motor Fuel Cell GmbH filed Critical Proton Motor Fuel Cell GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a media management board incorporating the lines, sensors, and actuators necessary to supply the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas, and coolant, a fuel cell system with media management panel, and a method of operating a fuel cell system having a media management panel ,
  • Fuel cells generate electrical energy from hydrogen and oxygen. In addition, they need a coolant, such as water or a glycol / water mixture for cooling. These fuel cell media must be supplied to the fuel cells and also discharged again after flowing through the fuel cells. Cooling water is usually conducted in a cooling water circuit and only occasionally supplemented or drained and refilled. Oxygen is typically supplied continuously in the form of air, and the oxygen-depleted air after passing through the fuel cells is continuously removed. Hydrogen or other anode operating gas must be supplied from a reservoir, such as a pressure bottle or LPG tank. The hydrogen must be brought to and maintained at the pressure suitable for the operation of the fuel cells, and after flowing through the fuel cells, unused hydrogen can not simply be released into the environment. That would be both dangerous and expensive.
  • a coolant such as water or a glycol / water mixture for cooling.
  • anode exhaust gas contains not only unspent hydrogen, but also water vapor, nitrogen, carbon dioxide and traces of other gaseous impurities, some of which have already been present as impurities in the freshly supplied hydrogen, partly generated by the fuel cell reaction, and partly from the cathode side by the electrolyte or have passed from the cooling water into the anode exhaust gas. If the anodes exhaust gas were simply recirculated continuously, these impurities would accumulate more and more, the fuel cell power would decrease, and eventually the fuel cell reaction would come to a standstill.
  • the ports for supplying and draining the fuel cell media may be differently oriented relative to the direction of the action of gravity, which in turn implies that the components of a single unit hydrogen circuit may also have different orientations relative to the direction of the action of gravity.
  • the fuel cell exhaust gases also contain water in liquid form, which tends to flow in the direction of the effect of gravity, there is a risk that the flow of fuel cell media in the lines is hindered by liquid water.
  • the fuel cell is shut down at ambient temperatures below freezing, there is also the risk that freezing water will damage the pipes or other components.
  • Fuel cells are often used in a wide temperature range. Fuel cells in motor vehicles should be able to cope with an operating range between -40 ° C and + 85 ° C. At temperatures that may well be well below freezing point of water, there may not only be problems with product water possibly freezing in the lines. Rather, it is necessary to keep all icing-prone components, ie lines, sensors, actuators (valves, regulators, etc.) free of ice, or to free them of ice very quickly when the fuel cell system starts up. Therefore, it is customary to equip all icing-prone components with a device for heating. For this purpose, the icing-endangered components are usually wrapped with heating wires. Even heating cartridges and resistors are used.
  • the orientation of the components can be chosen such that problems with an unfavorable effect of gravity on the media flowing into the line are minimized, but this procedure is cumbersome, time-consuming and costly, especially because of the required safety devices. In addition, the result is often visually unsatisfactory.
  • Object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and to simplify the supply and discharge of the necessary for the operation of fuel cells media constructively.
  • the object of the present invention is, in particular, to simplify the construction of the hydrogen circuit and its sealing.
  • Another object of the present invention is to improve the safety of fuel cell systems when starting up after prolonged downtime at sub-freezing temperatures of the water.
  • the supply and discharge of all necessary for the operation of fuel cells media should be such that a trouble-free supply and discharge at different locations of the fuel cell to be supplied is ensured.
  • one of the fuel cell media, the coolant is used to keep lines, sensors, and actuators free of ice.
  • the functionality of the media management plate is guaranteed even in freezing conditions and cold starts under freezing conditions.
  • the serviceability of the media management panel under freezing conditions is improved by advantageous placement and shaping of the components of the media management panel.
  • the individual components of the media management plate are designed and arranged such that the supply of the fuel cell media and the discharge of the used media, both horizontally installed fuel cells and vertically installed fuel cells is possible.
  • Such an arrangement and design also has the advantage that located in the lines of water can flow into areas where frozen water is not or only slightly disturbing.
  • the media management panel is compact and extremely easy to use due to the small number of components to handle. Since it can be dispensed with electric heaters, it is also safe in the application, but still easily used under freezing conditions.
  • Media management panels that allow fuel cell media to be fed and drained both in a direction perpendicular to the action of gravity and in alignment parallel to the action of gravity assure a high degree of flexibility.
  • Experience-proven media management plates in which at least particularly components susceptible to icing are particularly advantageous are heated by means of coolant lines for receiving coolant which has been heated outside the media management plate and which are in contact with the components susceptible to icing, and which are also flexible with regard to their installation position.
  • the media management plate consists of a plate body, mounted on the plate body valves, measuring and control devices and connections for the supply and discharge of the media to be fed and discharged and for connection to a fuel cell assembly.
  • the media to be supplied and discharged are anode operating gas, anode exhaust gas, liquid water separated from the anode exhaust gas, cathode operating gas, cathode exhaust gas, fresh coolant, and used coolant.
  • the anode operating gas is typically hydrogen
  • the cathode operating gas is typically air. It will be understood, however, that the invention is not limited to the use of hydrogen and air, but is basically applicable to all anode operating gases and cathode operating gases.
  • An exemplary media management panel of the present invention comprises a panel body, such as metal or plastic.
  • a panel body such as metal or plastic.
  • Under a plate is a flat geometric body to be understood, which is bounded by two opposite major surfaces and narrow sides on its outer periphery.
  • the main body may, in plan view, have any shape, but usually has a similar shape as the fuel cell assembly to which it is to be attached, that is, a rectangular shape.
  • the major surface of the disc base body intended for attachment to a fuel cell assembly is referred to herein as the first major surface.
  • the second major surface is a media conduit system with conduits for supplying the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas and coolant and for draining the used fuel cell media.
  • the anode operating gas line for supplying anode operating gas has a terminal for connection to an anode operating gas source at the second main surface.
  • the anode operating gas line passes through the plate body to the first major surface where there is a port for connection to an anode operating gas inlet of a fuel cell assembly.
  • the anode exhaust gas conduit has a port on the first main surface for connection to an anode exhaust gas outlet of the fuel cell assembly.
  • the anode exhaust gas line leads through the plate body to the second major surface of the plate body and to a water separator. There, entrained liquid water is separated in the anode exhaust gas and collected in a water reservoir.
  • the anode exhaust gas line continues to lead to a A connection for a recirculation pump, which can be attached to the second main surface or can be provided separately.
  • a further line is provided on the second main surface, which opens into the anode operating gas line and has a connection for connection to the recirculation pump.
  • a jet nozzle (Venturi nozzle) can also be provided.
  • Venturi nozzle When using a Venturi nozzle, this is located in the anode operating gas line, and the exhaust pipe coming from the water reservoir leads directly into the Venturi nozzle.
  • an anode exhaust discharge line branches, through which periodically anode exhaust gas can be flushed out of the system.
  • the anode exhaust discharge line has a port for connection to an anode exhaust gas disposal device. This can be, for example, a device which utilizes hydrogen thermally to a collecting container, or even to a line for discharge into the environment, if the place of use of the fuel cell system allows discharge of anode exhaust gas into the environment.
  • valves, gauges, controllers, and safety devices required for the delivery of anode operating gas and the discharge of anode exhaust gas.
  • the pipes have the appropriate connections, valve seats, and locations for mounting sensors such as pressure sensors and temperature sensors. Such sensors may be provided directly in the anode operating gas or anode exhaust gas lines or in a separate metering branch line.
  • the cathode operating gas line for supplying cathode operating gas has a connection to a cathode operating gas source at the second main surface.
  • the cathode operating gas source is a fan that provides air to the fuel cell system, but a pressurized gas container with an oxygen / nitrogen mixture or any other source of cathode operating gas may also be used.
  • the cathode working gas line passes through the plate body to the first major surface where there is a port for a cathode operating gas inlet of a fuel cell assembly.
  • the cathode exhaust gas conduit has a port on the first major surface of the disc body for communication with a cathode exhaust port of the fuel cell assembly. It leads through the plate body through from the first main surface to second main surface, where there is a connection for connecting the cathode exhaust gas line with a cathode exhaust gas disposal device.
  • the cathode exhaust gas purifier is typically a conduit through which the cathode exhaust gas is released into the environment.
  • sensors for measuring pressure and temperature, or the flow velocity are also required in the cathode operation gas line and the cathode exhaust line.
  • valves or safety devices can be provided.
  • the pipes have appropriate connections or seats for the required sensors, actuators, valves, or regulators located on the second main surface of the disk base in a ready-to-use media management board.
  • the water reservoir On the second main surface of the plate body is also the water reservoir, in which the liquid water is collected, which is separated by means of a water separator at the entrance of the water reservoir from the anode exhaust gas.
  • the water can be drained from the reservoir via a channel.
  • the water reservoir is equipped with a level switch, which causes the opening of a valve in the water channel upon reaching a predetermined level.
  • the level switch, the water drain valve and a port that allows the removal of water from the water channel are also attached to the second major surface of the plate body.
  • the media management board has a coolant line for supplying coolant to the fuel cell assembly, and a used coolant line for discharging coolant from the fuel cell assembly.
  • the coolant conduit has a port for connection to a coolant source at the second major surface of the disc body. It leads through the plate body to the first major surface where there is a port for connection to a coolant inlet of the fuel cell assembly.
  • the used coolant line has a port on the first main surface for connection to a used coolant outlet of the fuel cell assembly.
  • the used coolant line leads from the first main surface through the plate body to the second main surface, where there is a port for connection to a used coolant dispenser.
  • the coolant can be circulated, that is to say the coolant source can be identical to the coolant removal device, for example a collecting container, the replenishment of the coolant as needed or replacement of the coolant if necessary allowed.
  • the lines for coolant and used coolant preferably have sensors for measuring the temperature and optionally the coolant flow rate.
  • the attachment of these sensors to the plate body also takes place on its second major surface.
  • the lines and the other components, such as the water reservoir and a Venturi nozzle, the media conduit system may be completely on the second major surface of the disk base body, or they may be fully or partially integrated into the volume of the disk body.
  • a part of the components of the media conduit system may be integrated in the disk base body, while the other part is located on the second main surface of the disk base body.
  • the "hydrogen circle”, i. the anode operating gas line, the anode exhaust gas line, the anode exhaust gas recirculation line leading to a venturi nozzle, the venturi nozzle itself, the anode exhaust gas discharge line and possibly a measuring branch line are completely integrated into the volume of the plate main body, while the water reservoir with water reservoir is partially integrated into the plate main body.
  • the cathode working gas line and the cathode exhaust gas line, as well as the refrigerant line and the used coolant line, may be simply passages through the plate body, i.e., through openings from the first main surface to the second main surface, depending on the position of the cathode operating gas inlet, the cathode exhaust outlet, the coolant inlet, and the used coolant outlet of the fuel cell assembly. be educated.
  • At the inlet and outlet terminals can be attached, in which the required sensors and / or controllers are integrated.
  • the plate body is preferably prepared in the 3D printing process.
  • the production in the SD printing process allows a simple and precise training of all required cavities within the disk body. Also a production by casting is possible.
  • a particular advantage of integrating as many components of the media conduit system as possible into the volume of the panel base body is that no seals are required within the panel base body. So there can be no leaks, which is very important especially for the very easily diffusing hydrogen.
  • the lines of the media conduit system may be attached as separate components on the second main surface of the plate body and connect to each other.
  • Mixed forms may also be advantageous, that is to say part of the components of the media conduit system may be integrated in the volume of the base body, while another part of the components may be fastened in the form of separate components to the second main surface of the panel base body and integrated with those in the panel base body Components of the media line system is connected.
  • a preferred embodiment of the media management plate according to the invention is designed so that icing-prone components can be heated by means of the coolant.
  • water is formed which can condense in the pipes. Normally this is not a problem during operation of a fuel cell system, but at a standstill of the fuel cell system at sub-zero temperatures of water, the entrained product water freezes in the conduits and other voids. This can result in a re-commissioning of the fuel cell system at a temperature below freezing point of water is not possible because lines are blocked by ice, valves can not be moved, or even sensors were destroyed by the pressure of the freezing water.
  • the problem is counteracted by electrical heating of icing-prone components. There are electrical sparks in the immediate vicinity of the fuel cells.
  • the coolant line of the media management board is laid so that a heat transfer from the coolant to icy or potentially icing components of the media management board is possible.
  • the heat transfer should be as efficient as possible. Therefore, in the media management plate according to the invention, the coolant line is preferably in contact with the icing-prone components, wherein the contact surfaces between the coolant line and the components to be heated are made as large as possible.
  • Preferred materials for the coolant line and the components to be heated are good heat-conducting materials such as metals.
  • Particular icing-endangered components are in particular the lines of the hydrogen circuit with the required valves, measuring devices, control devices and the water separator with water reservoir.
  • the cathode exhaust gas line is also highly susceptible to icing.
  • the coolant line preferably runs in heat-conducting contact with these lines and their valves, measuring devices and control devices.
  • heating and heating lines can be provided with common insulation. If heating and heated line are formed as cavities in the volume of the plate body, the corresponding cavities are preferably made with the smallest distance from each other, which is manufacturing technology possible.
  • coolant branching lines which branch off from the coolant line or branch off and can be opened or closed by means of a valve for the throughflow with coolant.
  • the valve is closed and the coolant flows into the fuel cell assembly by the shortest route. If there is any suspicion or certainty that frozen water is in the fluid line system, the valve leading to the coolant branch lines is opened so that coolant can flow to the icy parts and thaw the ice. Thereafter, the valve is closed again, so that the coolant flows by the shortest route in the fuel cell assembly.
  • coolant manifold (s) the same as set forth above for the coolant line, that is the coolant branch line (s) must be laid so or run so that an efficient heat transfer can take place from the coolant on the icing-prone components ,
  • the coolant is fed from a coolant reservoir into the coolant line.
  • the used coolant is supplied to the same reservoir, ie the coolant is circulated.
  • the coolant reservoir is heatable, so that the coolant in the container, which has assumed the ambient temperature after a prolonged downtime of the fuel cell system, so may have a temperature well below the freezing point of water or even frozen, suitable for preheating the media line system Temperature can be heated, for example to a temperature between 3 and 8 ° C.
  • the heating of the coolant reservoir can be done, for example, electrically, wherein the coolant reservoir does not need to be located in the immediate vicinity of the fuel cell.
  • the media management panel which allows heating of components susceptible to icing by coolant, therefore improves the flexibility of fuel cell systems equipped with it with respect to the service temperature range, i. in terms of ambient temperatures, where a reliable and safe operation, and in particular a safe restart after a longer downtime, is possible.
  • Fuel cell assemblies may, in principle, consist of a single fuel cell, but typically consist of a fuel cell stack or multiple fuel cell stacks.
  • the fuel cell assemblies have inputs for anode operating gas, cathode operating gas and coolant through which the medium in question is fed into a distribution system from where it is distributed to the individual fuel cells. Additionally, the fuel cell assemblies have anode exhaust, cathode off-gas, and second-hand coolant exits through which these media, coming from appropriate collection devices, are discharged.
  • a media management panel has respective outlets and inlets for anode operating gas and anode exhaust gas, cathode operating gas and cathode exhaust gas, and coolants and used coolant at the appropriate locations such that by placing the media management panel on the fuel cell assembly and attaching to the fuel cell assembly, a gas tight connection between anode operating gas outlet of the media management panel and Anode operating gas inlet of the fuel cell assembly, between the anode exhaust inlet of the media management panel and anode exhaust outlet of the fuel cell assembly, between the cathode operating gas outlet of the media management panel and cathode operating gas inlet of the fuel cell assembly, between cathode exhaust inlet of the media management panel and cathode exhaust outlet of the fuel cell assembly, and a fluid tight connection between the coolant outlet of the media management panel and the coolant inlet of the fuel cell assembly fuel cell assembly, and between the used coolant inlet of the media management panel and the used coolant outlet of the fuel cell assembly.
  • the fixation of the media management plate on the fuel cell assembly results in a change in the position of the fuel cell assembly, for example example, a rotation, a corresponding change in the position of the media management board conditionally.
  • fuel cell assemblies are not normally operated as isolier te unit, but installed somewhere, for example in a motor vehicle, the orientation of the fuel cell assembly can vary according to the particular spatial conditions.
  • the installation of fuel cell assemblies is such that the stacking direction of the fuel cells is either parallel or perpendicular to the direction of the action of gravity. Accordingly, then the main surfaces of the disk base body of the media management plate are aligned par ⁇ allel or perpendicular to the direction of the effect of gravity.
  • the problem is solved by a suitable course of the lines of the media conduit system, by a suitable Nete shape or arrangement of water reservoir and sensor cavities, and by a suitable arrangement of the leads and outlets into the water reservoir in and out of it.
  • areas are defined by means of which the spatial relationship of the components of the media management plate to one another can be defined.
  • proximal and distal refer to relative positions in a direction perpendicular to the direction of extension of the disc body.
  • the proximal region is closer to the first major surface of the disc body than the distal region, that is, when the media management plate is attached to a fuel cell assembly, it is “proximal” closer to the fuel cell assembly than “distal.”
  • inside and outside denote relative positions in a direction parallel to the extension direction of the panel base body.
  • the outer area is closer to the edge, i. on the outer circumference, the media management panel as the inner area.
  • top and bottom or “top / top” and
  • lower / lower range refers to relative positions with respect to the direction of the effect of gravity. By definition, gravity acts from top to bottom.
  • a “vertical” media management panel is oriented parallel to the direction of the action of gravity, and a “horizontal” media management panel or “horizontal” panel body is oriented perpendicular to the direction of gravity action.
  • the water reservoir is located in the outer region of the plate base body and has a shape which has a proximal and a distal region.
  • the distal area of the water reservoir should at the same time be as far outside as possible so that the media management plate can be oriented vertically so that the distal area is at the bottom. In this way it is ensured that the product separated from the anode exhaust gas collected with horizontal alignment of the media management plate in the distal region of the water reservoir, and collects in vertical alignment of the media management plate in the lower part of the water reservoir.
  • a water separator with an anode exhaust inlet and an anode exhaust outlet are located in the inner proximal region of the water reservoir, which is also the uppermost region of the water reservoir when the media management plate is aligned vertically. This is the area that is filled last with water as the water level in the reservoir rises.
  • the reservoir is also provided with a level switch which is located more proximal than distal, and more internal than the outer region of the water reservoir, but more distal and more external than the anode exhaust inlet and the anode exhaust outlet. In this way, it is ensured that the water reservoir is never completely filled and that liquid water does not pass from the water reservoir into the anode exhaust gas inlet and the anode exhaust gas outlet in the case of horizontal or vertical alignment of the media management plate.
  • the water outlet of the reservoir is located in the distal outer region of the reservoir, which is at the same time the lower region of the water reservoir with a vertical orientation of the media management plate. This ensures that product water separated from the anode exhaust gas can be released both when the media management plate is horizontal and vertical.
  • the lines of the media conduit system are provided with sensors for temperature and pressure or the flow rate of the media flowing in the media conduit system.
  • sensors are not housed directly in the lines in which the operating gases and exhaust gases flow, but in separate cavities (sensor cavities), which are in fluid communication with these lines.
  • the sensor cavities are staggered relative to the respective conduit to be measured, distally, ie, spaced further from the first major surface of the media management panel than the conduit itself. The staggered arrangement is necessary to allow the sensors sufficient space have, ie do not come into spatial conflict with the disk base body.
  • the sensor cavities must be above the conduit to which they are in fluid communication. This ensures that, when the media management plate is aligned vertically, water from the sensor cavities enters the associated lines and when the media management plate is oriented horizontally, so much water can not accumulate in the sensor cavities that it affects the sensor. If the water freezes, the sensor remains fully functional. Sensors integrated into ports eliminate the need for a staggered arrangement. It only has to be ensured that water can not accumulate on the sensors when the media management plate is horizontal or vertical.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic, highly simplified illustrations of alternative embodiments of fuel cell systems according to the invention.
  • 3A, 3B show schematic perspective views of a media management plate according to the invention
  • FIG. 3C is a schematic representation of the coolant flow in a coolant branch line of the media management plate of FIGS. 3A and 3B;
  • FIGS. 4A to 4C show schematic representations of the water reservoir of a media management plate according to the invention with different orientations of the media management plate
  • FIGS. 5A to 5F show schematic representations of various forms of a water reservoir
  • FIGS. 6A to 6D are schematic representations of pressure sensor cavities and their arrangement on a media management plate
  • FIG 7 is a schematic representation of the connection of a media management plate according to the invention with a fuel cell assembly.
  • Figures 1 and 2 show schematically the structure of inventive fuel cell systems 10.
  • the fuel cell systems 10 each have a fuel cell assembly 5, which are supplied by means of a media management panel 1 according to the invention the necessary media for operation, while used media are also derived again and optionally treated.
  • the fuel cell system of Figure 1 and the fuel cell system of Figure 2 differ only in that in the embodiment of Figure 1, a recirculation pump 49 is used to recirculate the anode exhaust gas, while in the embodiment of Figure 2, a venturi 29 is used for recirculation of the anode exhaust gas.
  • the fuel cell system 10 has a conventional fuel cell arrangement 5, which is shown schematically in FIG. 1 by a single fuel cell with an anode 6, a cathode 7 and a cooling plate 8.
  • the fuel cell assembly 5 has an anode operating gas inlet 61, an anode exhaust outlet 62, a cathode operating gas inlet 71, a cathode exhaust outlet 72, a coolant inlet 81 and a used coolant outlet 82.
  • the media management board 1 has a flat base, which is typically made of metal or plastic.
  • the main body has a first main surface 3, with which it is attached to the fuel cell assembly and a second main surface 4, to which the conduit system for supplying and discharging fresh or used fuel cell media, and the required valves, sensors, actuators and treatment devices are attached.
  • the individual elements are described in connection with the method for operating the fuel cell system.
  • fresh anode operating gas such as hydrogen
  • an anode operating gas source not shown
  • the anode operating gas flows to an outlet 15 where it exits the media management panel 1.
  • a shut-off valve 13 in the anode operating gas line 11
  • the supply of fresh anode operating gas is started or stopped as needed.
  • a pressure reducer 14 which serves to set the anode operating gas pressure required for fuel cell operation.
  • the anode operating gas line 11 also contains a particle filter 39 which filters out particles entrained in the anode operating gas.
  • the anode operating gas flowing out of the outlet 15 directly enters the anode operating gas inlet 61 of the fuel cell assembly 5.
  • Used anode operating gas exits the fuel cell assembly 5 as anode exhaust gas through the anode exhaust outlet 62 and enters directly into the anode exhaust inlet 17 of the anode exhaust line 16 of the media management board 1.
  • the anode exhaust gas flows to a water separator 30, for example to a swirl separator, in which the entrained product water is separated from the anode exhaust gas.
  • the separated water collects in the reservoir 31 while the anode off-gas leaves the reservoir 31 through the anode off-gas outlet 32 and flows in an anode exhaust gas line 16 'and an anode off-gas recirculation line 22 to a connection point 23 for a recirculation pump 49.
  • the recirculation pump 49 When the recirculation pump 49 is connected, the anode exhaust gas leaves the media management plate 1 at the connection point 23 and reenters the media management plate 1 through the connection point 24 for the recirculation pump. From there, the anode exhaust gas, which still contains unconsumed anode operating gas, flows to a point 25 at which the anode exhaust gas recirculation line 22 discharges into the anode operating gas line 11.
  • anode exhaust gas must be purged from the line system to prevent accumulation of undesirable gases such as nitrogen or carbon dioxide in the anode exhaust gas.
  • Rinsing occurs via the anode exhaust bleed line 19, which branches off at the location 18 from the anode exhaust line 16 'and leads to an anode exhaust gas outlet 20.
  • An anode exhaust purge valve 21 closes the anode exhaust gas discharge line 19 and is regularly opened during fuel cell operation for purge of anode exhaust gas.
  • pressure switches are provided for monitoring the anode operating gas pressure or the anode exhaust pressure in the lines for anode operating gas and anode exhaust pressure sensors are provided, and to ensure that a predetermined maximum pressure is not exceeded.
  • pressure switches are provided in the illustrated embodiment, there are a pressure sensor 28 and two pressure switches 27, 27 '(redundant for safety reasons) in the measuring branch line 26, which branches off from the anode exhaust gas recirculation line 22.
  • a measuring branch line does not necessarily have to be present. Rather, the pressure sensor 28 and the overpressure switches 27, 27 'may also be attached to other locations of the anode operating gas or anode exhaust line system, such as in the anode exhaust line 16 or in the anode exhaust recirculation line 22.
  • the pressure sensor 28 continuously detects the pressure in the piping system during fuel cell operation , If the determined pressure is below the predetermined target pressure, the valve of the pressure reducer 14 is opened so far that the target pressure is maintained. Monitor the overpressure switches 27, 27 ' the pressure in the line system and switch when a predetermined maximum pressure is exceeded, the system via a safety circuit in a safe state, for example by closing the Anoden istsgasabsperrventils 13th
  • Cathode operating gas from a cathode operating gas source (not shown) is fed to the cathode working gas line 50 through the inlet 51. It exits the cathode operating gas line through the outlet 52, from where it is directly fed to the cathode operating gas inlet 71 of the fuel cell assembly 5.
  • the cathode operating gas line 50 is equipped with a sensor 53 for measuring the cathode operating gas pressure and a sensor 54 for measuring the cathode operating gas temperature.
  • air is typically used, which is supplied from a blower as a cathode operating gas source.
  • the invention is applicable to any cathode operating gases.
  • the cathode exhaust gas leaves the fuel cell assembly 5 through the cathode exhaust outlet 72, from where it passes directly into the cathode exhaust inlet 56 of the cathode exhaust gas line 55.
  • the cathode exhaust leaves the media management plate 1 through the cathode exhaust outlet 57, wherein in the case of the cathode exhaust gas, unlike the anode exhaust gas, discharge into the environment is easily possible.
  • the cathode exhaust pipe 55 is equipped with a temperature sensor 58 and a check valve 59.
  • the check valve allows the cathode exhaust gas to escape as long as it exceeds a desired setpoint pressure. Falls below the target pressure closes the check valve 59, so that no penetration of ambient air or other substances in the cathode exhaust gas line 55 is possible.
  • Coolant is supplied through the coolant line 40 to the media management board 1 of the fuel cell assembly 5, and discharged again through the used coolant line 65 of the media management board 1.
  • the coolant line 40 has a coolant inlet 41 through which coolant from a coolant reservoir (not shown) is fed into the coolant line 40.
  • the coolant leaves the coolant line 40 through the coolant outlet 47, from where it is fed directly into the coolant inlet 81 of the fuel cell assembly 5.
  • the heated coolant exits the fuel cell assembly 5 through the used coolant outlet 82, whence it directly enters the used coolant inlet 66 of the used coolant line 65.
  • the used coolant exits the line 65 through the used coolant outlet 67, and is preferably directed back into the coolant reservoir from where it can be re-fed to the coolant line 40.
  • Sensors 42, 68 in the coolant line 40 and the used coolant line 65 are used for the measurements of the temperature of the coolant and the used coolant.
  • the water separated from the anode exhaust gas during operation of the fuel cell assembly and collected in the water reservoir 31 may be drained through the water channel 34.
  • the water channel 34 is normally closed by the water drainage valve 35.
  • Valve 35 is opened when a level switch 37 in communication with the water reservoir indicates that the maximum level of the reservoir has been reached.
  • the water channel 34 opens into the cathode exhaust line 55 at location 36, and the drained water exits the media management panel 1 along with the cathode exhaust gas through the cathode exhaust outlet 57. After draining a predetermined amount of water, the water drain valve 35 is closed again.
  • the recirculation pump 49 is replaced by a jet nozzle (venturi nozzle) 29.
  • the anode off-gas leaves the water reservoir 31 through the anode exhaust gas line 16 ', which merges into the anode exhaust gas discharge line 19 and the anode exhaust gas recirculation line 22 at the point 18.
  • the anode exhaust gas is sucked through the venturi 29 into the anode operation gas line 11.
  • the coolant is used to heat icing-prone components, especially pipes and other cavities in which process water can accumulate.
  • the coolant is passed, if necessary, through a coolant branch line 44, which branches off at the point 43 from the coolant line 40 and opens at the point 46 in the used coolant line 65.
  • the coolant branch line 44 may be opened or closed by a valve 48. When the valve 48 is open, coolant flows both through the coolant branch line 44 and directly to the fuel cell arrangement 5.
  • the branch line 44 is shown with branch lines 45 for reasons of clarity, rather than a line extending from the other components of the media management board 1.
  • FIGS. 3A to 3C show plan views of the second main surface 4 of a panel base 2, to which the components explained in connection with FIGS. 1 and 2 are mounted.
  • the coolant branch line 44 and its branch lines 45a, 45b are shown hatched. Since they are partially covered by the components to be heated, their course is again schematically shown in Figure 3C.
  • the coolant line 40 (the coolant inlet 41, the ports 97 and the temperature sensor 42 are visible) are the used coolant line 65 (the used coolant outlet 67, the port 98 and the temperature sensor 68 are visible ), the cathode operating gas line 50 (the cathode operating gas inlet 51, the connecting pipe 95 and the sensors 53, 54 are visible), the cathode exhaust gas line 55 (the cathode exhaust gas outlet 57, the connecting pipe 96, the sensor 58 and the non-return valve 59 are visible) as feedthroughs formed the plate body 2.
  • the coolant branch line 44 begins at the coolant inlet 41 and is in contact with the anode exhaust outlet 20 (port 92), anode operating gas shut-off valve 13, anode operating gas pressure reducer 14, pressure sensor 28, and over-pressure switches 27, 27 '(which in the illustrated embodiment in the anode working gas line) and eventually leads to the valve 48 and to the coolant outlet 67.
  • the valve 48 in this embodiment is at the end of the branch line.
  • a branch line 45a branches off the branch line 44 immediately after the coolant inlet 41 and passes under the water reservoir 31 to the water drain valve 35, the cathode exhaust outlet 57 and finally to the coolant valve 48.
  • branch line 45b branches between the pressure reducer 14 and the pressure sensor 28 of FIG the branch line 44 and leads to the recirculation pump port 23 (visible is the connecting piece 93) and to the Anodeabgas Whyventil 21, to finally open into the branch line 45 a.
  • the coolant is removed from a coolant reservoir and returned to the coolant reservoir after passing the media management plate.
  • the coolant reservoir is preferably electrically heated, so that the coolant can be heated to a desired temperature before it is fed into the coolant line 40.
  • the coolant is heated prior to startup of the fuel cell system at a temperature below freezing point of water to a temperature between 3 and 8 ° C, before it enters the coolant line is fed.
  • the fuel cell system can be "thawed" within a few minutes, ie, any frozen water in the fluid line system is liquefied and the system is ready for trouble-free operation.
  • Gefro renes water in the water reservoir 31 need not be completely thawed when the valve 48 is closed and so the coolant is passed exclusively to the fuel cell assembly 5.
  • the plate body 2 of the media management board 1 is shown as a thin, honeycomb-reinforced plate on the second Schoflä surface 4 all lines, sensors, valves, and the water separator are mounted with water reservoir.
  • the plate main body 2 has a correspondingly greater thickness, depending on whether the lines are to extend completely inside the plate main body or should still be visible on the second main surface 4, or if possibly the complete water reservoir 31 completely in the volume of the plate body should be included.
  • Plate main body, the volume in the integrated lines and possibly other integrated into the volume components such as a Venturi integrated into the volume, are preferably prepared by casting or 3D printing.
  • 3D printing is preferred because it can easily obtain a solid block with arbitrarily shaped cavities.
  • the media management plates according to the invention are each fixed to a fuel cell arrangement such that the first main surface of the plate main body faces the fuel cell arrangement.
  • the position of the fuel cell media inlets and the used fuel cell media outlets on a fuel cell assembly will respectively determine the position of the outlets for the respective fuel cell media and the inlets for the corresponding used fuel cell media.
  • a preferred embodiment of the media management plate according to the invention is designed so that it is both horizontally lying (areal extent perpendicular to the direction of the effect of gravity) and vertically standing (planar extent parallel to the direction of the action of gravity) is functional.
  • Vertically “standing”, the media management board is laterally attached to a fuel cell assembly, horizontally “lying” it is attached to the underside of a fuel cell assembly.
  • “Above” and “below” refers to the direction of the action of gravity. By definition, gravity acts from top to bottom.
  • the course of the lines as well as the shape and arrangement of cavities such as sensor cavities are selected so that as little water as possible can accumulate on both a vertical and a horizontal media management plate.
  • the water reservoir is shaped and arranged so that both vertical and horizontal media management plate trouble-free inflow and outflow of anode exhaust gas and a discharge of the collected water is possible. As far as the lines are concerned, this is achieved in a simple way by avoiding line courses with bulges downwards. Water reservoirs and sensor cavities are described below.
  • Figures 4A and 4B show a water reservoir 31 of a horizontal or a vertical plate main body 2.
  • the reservoir 31 has a substantially square base with the corners A, B, C, D, with which it at the second Main surface 4 of the disk base is attached.
  • the reservoir 31 extends away from the plate body 2 (distally) to the corners E and F.
  • the anode exhaust inlet 38 and the anode exhaust outlet 32 are located in a region of the water reservoir 31 which is as close as possible to the plate body 2 (proximal) and as possible near the middle of the plate body 2 (inside) is.
  • the anode exhaust gas inlet 38 and the anode exhaust gas outlet 32 are "upwards" both in the case of a horizontal media management plate and in the case of a vertical media management plate, ie at locations which are reached as late as possible in the reservoir 31 as the water level rises.
  • the separated from the anode exhaust gas accumulates, following gravity, in the lower region of the reservoir 31st With the media management panel horizontal, the accumulation begins at the edge E / F, and with the media management panel vertical, the accumulation begins on the CDFE surface.
  • Fig. 4C shows a plan view of the surface CEFD of the water reservoir shown in Fig. 4A.
  • the discharged water in the channel 34 leading to the second major surface 4 of the disc main body 2 rises upward against the direction of gravity. Responsible for this is the prevailing in the reservoir 31 pressure of the anode exhaust gas.
  • the reservoir 31 is mounted as close to the outer periphery of the plate body 2. This ensures that a vertical media management plate can be aligned or rotated so that the reservoir 31 is "down". It is understood that the vertical media management plate could theoretically also be rotated so that the reservoir is no longer “down”, but, for example, rotated by 180 ° exactly "up” is arranged. However, in a vertical media management panel, the directions “up” and “down” are dictated by the location of the ports for the delivery of fresh fuel cell media to the fuel cell assembly, and the discharge of used fuel cell media from the fuel cell assembly. These connections should be arranged so that, in the case of a vertical media management plate, the reservoir 31 is in a position which guarantees that anode exhaust gas can flow freely in and out and collected water can be released unhindered.
  • the water reservoir 31 is also equipped with a level switch that opens the water outlet 33 as soon as a predetermined level is reached.
  • this level switch becomes more proximal than distal, and more so inner than in the outer region of the water reservoir 31, but more distal and more outer than the anode exhaust inlet 38 and the anode exhaust outlet 32.
  • the shape of the water reservoir 31 is basically arbitrary, as long as it is ensured that anode exhaust gas can flow in and out unhindered, and accumulated water can be drained if necessary, both in horizontal and vertical media management plate. Some exemplary shapes are shown in FIGS. 5A to 5G. The triangles each indicate possible positions for a level switch.
  • Fig. 5A shows the reservoir shown in Fig. 4.
  • the anode exhaust inlet 38 is in the area BCE
  • the anode exhaust outlet 32 is in the area ABEF
  • the level switch 37 is also mounted on the area ABEF
  • the water outlet 33 is in the area ADF.
  • FIG. 5E shows a section through the water reservoir shown in FIG. 5A along the dot-dash line.
  • Fig. 5B shows a reservoir similar to Fig. 5A, but with the CDFE surface inclined downwardly, as viewed in the vertical media management plate.
  • the water outlet 33 is located at the lowest point of the reservoir, so that the reservoir can be completely emptied with each orientation.
  • FIG. 5F shows a sectional view through the reservoir of FIG. 5B along the dot-dash line.
  • the reservoir 31 shown in Fig. 5C is a polyhedron in which the anode exhaust inlet 38 is in the area BEF, the anode exhaust outlet 32 and the level switch 37 are in the area ABFG, and the water outlet 33 is in the area AGH.
  • the embodiment of a water reservoir 31 shown in FIGS. 5D and 5G has a pointed cone shape.
  • the water outlet 33 is located at the top of the cone, the cone being distorted so that the water outlet is at the deepest point of the reservoir for a vertical media management plate.
  • FIGS. 6A to 6D show how cavities for receiving sensors have to be arranged so that larger amounts of water, which freeze at low temperatures and thereby damage the sensor, can not accumulate in them either when the media management plate is horizontal or vertical. Illustrated by way of example is a pressure measuring cell 28 in a cavity 26 'of the measuring branch line 26.
  • FIGS. 6B and 6D show the arrangement of the measuring branch line 26 on a horizontally oriented plate main body 2 (FIG. 6B) and on a vertically aligned plate main body 2 (FIG. 6D). Also shown is the water reservoir 31.
  • the measuring branch line 26 is located above the water reservoir 31 when the base body 2 is vertical.
  • “Above" means that the connection means to the fuel cell assembly 5 predetermine or at least allow such an orientation.
  • the cavity 26 'for receiving the sensor 28 (sensor cavity 26') is disposed in fluid communication with the conduit 26 but offset from the conduit 26, i. H. it is further spaced from the first major surface 3 of the media management board 1 than the conduit 26. In addition, it is located in the vertical media management plate on the line 26. In this way it is ensured that with vertical media management plate water from the cavity 26 'flows into the conduit 26 (Fig. 6C, Fig. 6D), and with a horizontal media management plate, so much water can not accumulate in the sensor cavity 26 'that freezing water could damage the sensor 28 (Figs. 6A, 6B).
  • Such sensor cavities are required in particular in the lines for anode operating gas or anode exhaust gas.
  • the lines for cathode operating gas and for cathode exhaust gas are preferably designed as passages through the media management plate, so that sensors are usually housed in connecting pieces.
  • FIG. 7 shows schematically how a media management panel according to the invention can be connected to a fuel cell system 10 with a fuel cell arrangement.
  • the port 63 connects the anode working gas outlet to the first main surface 3 of the plate body 2 to the anode working gas inlet of the fuel cell assembly 5.
  • the port 64 connects the anode exhaust inlet of the plate body 2 to the anode exhaust outlet of the fuel cell assembly 5.
  • the port 73 connects the cathode operating gas outlet of the plate body 2 to the cathode operating gas inlet of the fuel cell assembly 5.
  • the port 74 connects the cathode exhaust port of the fuel cell assembly 5 to the cathode exhaust inlet of the disk main body 2.
  • the port 83 connects the coolant outlet of the disk main body 2 to the coolant inlet of the fuel cell assembly 5.
  • the port 84 connects the used coolant outlet of the fuel cell assembly 5 to the used coolant inlet of the disk main body 2.
  • connection 91 to the anode operating gas inlet 12 On the second main surface 4 of the plate main body 2 are the connection 91 to the anode operating gas inlet 12, the connection 92 to the anode exhaust gas outlet 20, the connection 95 to the cathode operating gas inlet 51, the connection 96 to the cathode exhaust outlet 57, the connection 97 to the coolant inlet 41 and the connection 98 to the used coolant outlet 67.
  • Coolant lines 44, 45 for heating components susceptible to icing are schematically indicated between the coolant line 40 and the used coolant line 65.
  • the embodiment shown in FIG. 7 has no connections for a recirculation pump. Rather, in the illustrated embodiment, a Venturi nozzle is provided for recirculating the anode exhaust gas.

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Abstract

The invention relates to a media management plate (1) for a fuel cell assembly (5), a fuel cell system (10) which comprises the media management plate and a fuel cell assembly, and a method for operating a fuel cell system (10) comprising a fuel cell assembly (5) and the media management plate (1). All lines for feeding and discharging the fuel cell media, and devices necessary for treating the fuel cell media, for example a water trap (30) and a water reservoir (31), are integrated in the media management plate (1). The media management plate (1) can be heated by means of coolant via coolant branch lines (44) and is functional both when oriented vertically and horizontally.

Description

MEDIENMANAGEMENTPLATTE MIT WASSERABSCHEIDER UND WASSERRESERVOIR,  MEDIA MANAGEMENT PLATE WITH WATER SEPARATOR AND WATER RESERVOIR,
SOWIE BRENNSTOFFZELLENSYSTEM  AS WELL AS FUEL CELL SYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Medienmanagementplatte, in die die zur Zuleitung der Brennstoffzellenmedien Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel, sowie die zur Ableitung der gebrauchten Medien erforderlichen Leitungen, Sensoren und Aktoren integriert sind, ein Brennstoffzellensystem mit Medienmanagementplatte, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Medienmanagementplatte. The present invention relates to a media management board incorporating the lines, sensors, and actuators necessary to supply the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas, and coolant, a fuel cell system with media management panel, and a method of operating a fuel cell system having a media management panel ,
Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem benötigen sie ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder ein Glykol/Wasser- Gemisch zur Kühlung. Diese Brennstoffzellenmedien müssen den Brennstoffzellen zugeführt und nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen auch wieder abgeführt werden. Kühlwasser wird meist in einem Kühlwasserkreislauf geführt und nur gelegentlich ergänzt oder abgelassen und neu aufgefüllt. Sauerstoff wird typischerweise in Form von Luft kontinuierlich zugeführt, und die nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen an Sauerstoff verarmte Luft wird kontinuierlich wieder abgeführt. Wasserstoff oder ein anderes Anodenbetriebsgas muss aus einem Vorratsbehälter zugeführt werden, beispielsweise aus einer Druckflasche oder einem Flüssiggastank. Der Wasserstoff muss auf den für den Betrieb der Brennstoffzellen geeigneten Druck gebracht und bei diesem Druck gehalten werden, und nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen kann unverbrauchter Wasserstoff nicht einfach in die Umgebung entlassen werden. Das wäre einerseits gefährlich und andererseits zu teuer. Deshalb wird das Anodenabgas rezirkuliert und dem frischen Wasserstoff, der den Brennstoffzellen zugeführt wird, wieder beigemischt. Allerdings enthält Anodenabgas nicht nur unverbrauchten Wasserstoff, sondern auch Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Spuren weiterer gasförmiger Verunreinigungen, die teilweise schon als Verunreinigungen in dem frisch zugeführten Wasserstoff vorhanden waren, teilweise bei der Brennstoffzellenreaktion entstanden sind, und teilweise von der Kathodenseite her durch den Elektrolyten oder aus dem Kühlwasser in das Anodenabgas gelangt sind. Würde das Anodenabgas einfach kontinuierlich rezirkuliert werden, würden sich diese Verunreinigungen immer mehr anreichern, die Brennstoffzellenleistung würde sinken, und irgendwann würde die Brennstoffzellenreaktion ganz zum Erliegen kommen. Deshalb wird kontinuierlich Wasser aus dem Anodenabgas abgetrennt, und von Zeit zu Zeit wird ein Teil des Anodenabgases nicht rezirkuliert, sondern mit Hilfe von frischem Wasserstoff ausgespült. Es ist also ein Leitungssystem zur Zuführung von frischem Wasserstoff und zur Behandlung, Rezirkulierung und Abführung von Anodenabgas mit Sensoren zur Überwachung des Gasdrucks und/oder der Gas-Strömungsmengen, mit Aktoren wie Ventilen oder Reglern, mit Sicherheitsschaltern und Behandlungseinrichtungen wie einem Wasserabscheider erforderlich. Die Montage eines solchen "Wasserstoffkreises", das heißt aller erforderlichen Leitungen, Sensoren, Aktoren und Behandlungseinrichtungen, ist zeitaufwendig und umständlich sowie abdichtungstechnisch anspruchsvoll, da Wasserstoff eine hohe Diffusionstendenz hat. Fuel cells generate electrical energy from hydrogen and oxygen. In addition, they need a coolant, such as water or a glycol / water mixture for cooling. These fuel cell media must be supplied to the fuel cells and also discharged again after flowing through the fuel cells. Cooling water is usually conducted in a cooling water circuit and only occasionally supplemented or drained and refilled. Oxygen is typically supplied continuously in the form of air, and the oxygen-depleted air after passing through the fuel cells is continuously removed. Hydrogen or other anode operating gas must be supplied from a reservoir, such as a pressure bottle or LPG tank. The hydrogen must be brought to and maintained at the pressure suitable for the operation of the fuel cells, and after flowing through the fuel cells, unused hydrogen can not simply be released into the environment. That would be both dangerous and expensive. Therefore, the anode off-gas is recirculated and remixed with the fresh hydrogen supplied to the fuel cells. However, anode exhaust gas contains not only unspent hydrogen, but also water vapor, nitrogen, carbon dioxide and traces of other gaseous impurities, some of which have already been present as impurities in the freshly supplied hydrogen, partly generated by the fuel cell reaction, and partly from the cathode side by the electrolyte or have passed from the cooling water into the anode exhaust gas. If the anodes exhaust gas were simply recirculated continuously, these impurities would accumulate more and more, the fuel cell power would decrease, and eventually the fuel cell reaction would come to a standstill. Therefore, water is continuously separated from the anode off-gas and, from time to time, part of the anode off-gas is not recirculated but flushed out with the aid of fresh hydrogen. Thus, there is a piping system for supplying fresh hydrogen and for treating, recirculating and discharging anode exhaust with sensors for monitoring the gas pressure and / or the gas flow rates, with actuators such as valves or regulators, with safety switches and treatment facilities such as a water separator required. The assembly of such a "hydrogen circuit", that is, all the necessary lines, sensors, actuators and treatment facilities is time-consuming and cumbersome and sealing technology demanding, since hydrogen has a high tendency to diffuse.
Eine Zusammenfassung aller Komponenten eines Wasserstoffkreises zu einer dauerhaft montierten Einheit ist schwierig, da Brennstoffzellenanordnungen oft in verschiedenen Ausrichtungen relativ zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft verbaut werden. Pooling all the components of a hydrogen loop into a permanently assembled unit is difficult because fuel cell assemblies are often installed in different orientations relative to the direction of the action of gravity.
Dementsprechend können die Anschlüsse zur Zuleitung und Ableitung der Brennstoffzellenmedien relativ zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft unterschiedlich orientiert sein, was wiederum bedingt, dass die Komponenten eines Wasserstoffkreises in Form einer einzigen Baueinheit ebenfalls relativ zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft verschiedene Ausrichtungen haben können. Da die Brennstoffzellenabgase auch Wasser in flüssiger Form enthalten, das bestrebt ist, in Richtung der Wirkung der Schwerkraft zu fließen, besteht die Gefahr, dass die Strömung der Brennstoffzellenmedien in den Leitungen durch flüssiges Wasser behindert wird. Bei einer Außerbetriebsetzung der Brennstoffzellen bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt besteht zudem die Gefahr, dass gefrierendes Wasser die Leitungen oder andere Bauteile beschädigt. Accordingly, the ports for supplying and draining the fuel cell media may be differently oriented relative to the direction of the action of gravity, which in turn implies that the components of a single unit hydrogen circuit may also have different orientations relative to the direction of the action of gravity. Since the fuel cell exhaust gases also contain water in liquid form, which tends to flow in the direction of the effect of gravity, there is a risk that the flow of fuel cell media in the lines is hindered by liquid water. When the fuel cell is shut down at ambient temperatures below freezing, there is also the risk that freezing water will damage the pipes or other components.
Brennstoffzellen werden häufig in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt. Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen sollten etwa einen Einsatzbereich zwischen -40°C und +85°C bewältigen können. Bei Temperaturen, die unter Umständen weit unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegen können, kann es nicht nur Probleme mit eventuell in den Leitungen gefrierendem Produktwasser geben. Vielmehr ist es erforderlich, alle ver- eisungsgefährdeten Bauteile, das heißt Leitungen, Sensoren, Aktoren (Ventile, Regler, etc.) eisfrei zu halten, beziehungsweise bei einem Anfahren des Brennstoffzellensystems sehr schnell von Eis zu befreien. Deshalb ist es üblich, alle vereisungsgefährdeten Bauteile mit einer Einrichtung zum Beheizen auszustatten. Zu diesem Zweck werden die vereisungsgefährdeten Bauteile für gewöhnlich mit Heizdrähten umwickelt. Auch Heizpatronen und Widerstände kommen zum Einsatz. Fuel cells are often used in a wide temperature range. Fuel cells in motor vehicles should be able to cope with an operating range between -40 ° C and + 85 ° C. At temperatures that may well be well below freezing point of water, there may not only be problems with product water possibly freezing in the lines. Rather, it is necessary to keep all icing-prone components, ie lines, sensors, actuators (valves, regulators, etc.) free of ice, or to free them of ice very quickly when the fuel cell system starts up. Therefore, it is customary to equip all icing-prone components with a device for heating. For this purpose, the icing-endangered components are usually wrapped with heating wires. Even heating cartridges and resistors are used.
Bei konventionellen Brennstoffzellensystemen werden Zuleitungen und Ableitungen für Anodenbetriebsgas (z. B. Wasserstoff), Kathodenbetriebsgas (Sauerstoff beziehungsweise Luft) und Kühlmittel jeweils einzeln an einen Brennstoffzellenstapel herangeführt, der Wasserstoffkreis aus seinen einzelnen Bauteilen wie Leitungen, Sensoren, Ventilen, Reglern, Wasserabscheidern etc. zusammengesetzt, und schließlich alle vereisungsge- fährdeten Bauteile mit Heizwicklungen oder anderen elektrischen Heizeinrichtungen ausgestattet. Diese Heizeinrichtungen müssen gegen Überhitzung abgesichert und explosionsgeschützt ausgeführt werden. Insbesondere beim Anfahren eines Brennstoffzellensystems nach längerem Stillstand besteht die Gefahr, dass während der Stillstandszeit Wasserstoff ausdiffundiert ist und sich in der unmittelbaren Brennstoffzellenumgebung ein explosionsfähiges Wasserstoff/Luft-Gemisch gebildet hat. Wird dann in dieser Umgebung eine elektrische Heizeinrichtung eingeschaltet, kann es zu einer Knallgasexplosion kommen. In conventional fuel cell systems, supply lines and discharges for anode operating gas (eg hydrogen), cathode operating gas (oxygen or air) and coolant are each individually introduced to a fuel cell stack, the hydrogen circuit from its individual components such as lines, sensors, valves, Finally, all icing-endangered components are equipped with heating coils or other electrical heating devices. These heaters must be protected against overheating and must be explosion-proof. In particular, when starting a fuel cell system after a long standstill there is a risk that during the downtime hydrogen has diffused out and in the immediate fuel cell environment an explosive hydrogen / air mixture has formed. If then an electric heater is turned on in this environment, it may cause a blast gas explosion.
Werden alle zur Zuleitung und Ableitung der Brennstoffzellenmedien erforderlichen Bauteile und Behandlungseinrichtungen jeweils einzeln mit einer Brennstoffzellenanordnung verbunden, kann die Ausrichtung der Komponenten zwar so gewählt werden, dass Probleme mit einer ungünstigen Auswirkung der Schwerkraft auf die in den Leitung strömenden Medien minimiert werden, aber diese Vorgehensweise ist umständlich, zeitaufwendig und kostspielig, insbesondere auch wegen der erforderlichen Sicherheitseinrichtun- gen. Zudem ist das Ergebnis oft optisch unbefriedigend. If all components and treatment devices required for the supply and discharge of the fuel cell media are each individually connected to a fuel cell arrangement, the orientation of the components can be chosen such that problems with an unfavorable effect of gravity on the media flowing into the line are minimized, but this procedure is cumbersome, time-consuming and costly, especially because of the required safety devices. In addition, the result is often visually unsatisfactory.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und die Zuleitung und Ableitung der zum Betrieb von Brennstoffzellen erforderlichen Medien konstruktiv zu vereinfachen. Object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and to simplify the supply and discharge of the necessary for the operation of fuel cells media constructively.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, den Aufbau des Wasserstoffkreises und seine Abdichtung zu vereinfachen. The object of the present invention is, in particular, to simplify the construction of the hydrogen circuit and its sealing.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, die Funktionsfähigkeit von Brennstoffzellensystemen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers zu verbessern. It is also an object of the present invention to improve the operability of fuel cell systems at temperatures below the freezing point of the water.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Sicherheit von Brennstoffzellensystemen beim Anfahren nach längeren Stillstandszeiten bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers zu verbessern. Another object of the present invention is to improve the safety of fuel cell systems when starting up after prolonged downtime at sub-freezing temperatures of the water.
Gemäß einer weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll die Zuleitung und Ableitung aller zum Betrieb von Brennstoffzellen erforderlichen Medien so erfolgen, dass eine störungsfreie Zuleitung und Ableitung bei unterschiedlichen Lagen der zu versorgenden Brennstoffzellen gewährleistet ist. According to a further object of the present invention, the supply and discharge of all necessary for the operation of fuel cells media should be such that a trouble-free supply and discharge at different locations of the fuel cell to be supplied is ensured.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Medienmanagementplatte mit dem Merkmalen, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben sind, durch das Brennstoffzeilenystem mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 21 angegeben sind, und durch das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 22 angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. The objects are solved by the media management panel having the features as recited in claims 1 and 2 by the fuel cell system the features as recited in claim 21, and by the method of operating a fuel cell system having the features as recited in claim 22. Embodiments of the invention are set forth in the respective dependent claims.
Erfindungsgemäß werden alle Leitungen und Anschlüsse zur Zuleitung und Ableitung der für den Betrieb von Brennstoffzellen erforderlichen Medien, mit den benötigten Sensoren, Ventilen und Reglern sowie insbesondere auch der Anodenbetriebsmittelkreis mit allen Sensoren, Aktoren, und Sicherheitseinrichtungen in einem einzigen Bauteil, der Medienmanagementplatte, zusammengefasst. According to the invention, all lines and connections for the supply and discharge of the necessary for the operation of fuel cells media, with the required sensors, valves and regulators, and in particular the anode medium circuit with all sensors, actuators, and safety devices in a single component, the media management board summarized.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eines der Brennstoffzellenmedien, das Kühlmittel, dazu verwendet, um Leitungen, Sensoren und Aktoren eisfrei zu halten. So ist die Funktionstüchtigkeit der Medienmanagementplatte auch bei Frostbedingungen und bei Kaltstarts unter Frostbedingungen gewährleistet. In one embodiment of the invention, one of the fuel cell media, the coolant, is used to keep lines, sensors, and actuators free of ice. Thus, the functionality of the media management plate is guaranteed even in freezing conditions and cold starts under freezing conditions.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Funktionstüchtigkeit der Medienmanagementplatte unter Frostbedingungen durch eine vorteilhafte Anordnung und Formgebung der Komponenten der Medienmanagementplatte verbessert. Bei dieser Ausführungsform sind die Einzelkomponenten der Medienmanagementplatte so gestaltet und angeordnet, dass die Zuführung der Brennstoffzellenmedien und die Ableitung der gebrauchten Medien, sowohl bei horizontal verbauten Brennstoffzellen als auch bei vertikal verbauten Brennstoffzellen möglich ist. Eine derartige Anordnung und Gestaltung hat auch den Vorteil, dass in den Leitungen befindliches Wasser in Bereiche abfließen kann, in denen gefrorenes Wasser nicht oder nur wenig störend ist. In another embodiment of the invention, the serviceability of the media management panel under freezing conditions is improved by advantageous placement and shaping of the components of the media management panel. In this embodiment, the individual components of the media management plate are designed and arranged such that the supply of the fuel cell media and the discharge of the used media, both horizontally installed fuel cells and vertically installed fuel cells is possible. Such an arrangement and design also has the advantage that located in the lines of water can flow into areas where frozen water is not or only slightly disturbing.
Die Medienmanagementplatte ist kompakt und wegen der geringen Anzahl an zu handhabenden Komponenten äußerst benutzerfreundlich. Da auf elektrische Heizeinrichtungen verzichtet werden kann, ist sie auch sicher in der Anwendung, aber dennoch auch unter Frostbedingungen problemlos einsetzbar. Medienmanagementplatten, die eine Zuführung und Abführung der Brennstoffzellenmedien sowohl bei einer Ausrichtung senkrecht zur Wirkung der Schwerkraft als auch bei einer Ausrichtung parallel zur Wirkung der Schwerkraft erlauben, gewährleisten ein hohes Maß an Flexibilität. Ganz besonders vorteilhaft sind erfahrungsgemäße Medienmanagementplatten, bei denen zumindest besonders vereisungsgefährdete Bauteile mittels Kühlmittelleitungen zurAufnahme von Kühlmittel, das außerhalb der Medienmanagementplatte aufgeheizt wurde, und die mit den vereisungsgefährdeten Bauteilen in Berührung stehen, beheizt werden können, und die außerdem flexibel hinsichtlich ihrer Einbaulage sind. Die erfindungsgemäße Medienmanagementplatte besteht aus einem Plattengrundkörper, an dem Plattengrundkörper angebrachten Ventilen, Mess- und Regeleinrichtungen sowie Anschlüssen zur Zu- und Ableitung der zuzuleitenden und abzuleitenden Medien und zur Anbindung an eine Brennstoffzellenanordnung. Die zuzuleitenden und abzuleitenden Medien sind Anodenbetriebsgas, Anodenabgas, aus dem Anodenabgas abgetrenntes flüssiges Wasser, Kathodenbetriebgsgas, Kathodenabgas, frisches Kühlmittel und gebrauchtes Kühlmittel. Das Anodenbetriebsgas ist typischerweise Wasserstoff, und das Kathodenbetriebsgas ist typischerweise Luft. 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 bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Glykol Wasser-Gemisch verwendet, beispielsweise im Verhältnis von Glykol: Wasser = 1 : 1 , aber es können selbstverständlich auch andere Kühlmittel, beispielsweise reines Wasser oder andere Kühlmittelgemische verwendet werden. The media management panel is compact and extremely easy to use due to the small number of components to handle. Since it can be dispensed with electric heaters, it is also safe in the application, but still easily used under freezing conditions. Media management panels that allow fuel cell media to be fed and drained both in a direction perpendicular to the action of gravity and in alignment parallel to the action of gravity assure a high degree of flexibility. Experience-proven media management plates in which at least particularly components susceptible to icing are particularly advantageous are heated by means of coolant lines for receiving coolant which has been heated outside the media management plate and which are in contact with the components susceptible to icing, and which are also flexible with regard to their installation position. The media management plate according to the invention consists of a plate body, mounted on the plate body valves, measuring and control devices and connections for the supply and discharge of the media to be fed and discharged and for connection to a fuel cell assembly. The media to be supplied and discharged are anode operating gas, anode exhaust gas, liquid water separated from the anode exhaust gas, cathode operating gas, cathode exhaust gas, fresh coolant, and used coolant. The anode operating gas is typically hydrogen, and the cathode operating gas is typically air. It will be understood, however, that the invention is not limited to the use of hydrogen and air, but is basically applicable to all anode operating gases and cathode operating gases. As the refrigerant in the present invention, a glycol water mixture is preferably used, for example, in the ratio of glycol: water = 1: 1, but of course other refrigerants, for example, pure water or other refrigerant mixtures may be used.
Eine beispielhafte Medienmanagementplatte der vorliegenden Erfindung weist einen Plattengrundkörper auf, beispielsweise aus Metall oder Kunststoff. Unter einer Platte ist ein flacher geometrischer Körper zu verstehen, der von zwei entgegengesetzten Hauptflächen und Schmalseiten an seinem Außenumfang begrenzt wird. Der Grundkörper kann, in Aufsicht, eine beliebige Form aufweisen, hat aber üblicherweise eine ähnliche Form wie die Brennstoffzellenanordnung, an der er angebracht werden soll, das heißt eine rechteckige Form. An exemplary media management panel of the present invention comprises a panel body, such as metal or plastic. Under a plate is a flat geometric body to be understood, which is bounded by two opposite major surfaces and narrow sides on its outer periphery. The main body may, in plan view, have any shape, but usually has a similar shape as the fuel cell assembly to which it is to be attached, that is, a rectangular shape.
Die zurAnbringung an einer Brennstoffzellenanordnung vorgesehene Hauptfläche des Plattengrundkörpers wird hierin als die erste Hauptfläche bezeichnet. An der anderen Hauptfläche, der zweiten Hauptfläche, befindet sich ein Medienleitungssystem mit Leitungen zur Zuleitung der Brennstoffzellenmedien Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel und zur Ableitung der gebrauchten Brennstoffzellenmedien. The major surface of the disc base body intended for attachment to a fuel cell assembly is referred to herein as the first major surface. On the other major surface, the second major surface, is a media conduit system with conduits for supplying the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas and coolant and for draining the used fuel cell media.
Die Anodenbetriebsgasleitung zur Zuleitung von Anodenbetriebsgas hat an der zweiten Hauptfläche einen Anschluss zur Verbindung mit einer Anodenbetriebsgasquelle. Die Anodenbetriebsgasleitung führt durch den Plattengrundkörper hindurch zur ersten Hauptfläche, wo sich ein Anschluss zur Verbindung mit einem Anodenbetriebsgaseinlass einer Brennstoffzellenanordnung befindet. Die Anodenabgasleitung hat an der ersten Hauptfläche einen Anschluss zur Verbindung mit einem Anodenabgasauslass der Brennstoffzellenanordnung. Die Anodenabgasleitung führt durch den Plattengrundkörper hindurch zur zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers und zu einem Wasserabscheider. Dort wird in dem Anodenabgas mitgeführtes flüssiges Wasser abgetrennt und in einem Wasserreservoir gesammelt. Von dem Reservoir führt die Anodenabgasleitung weiter zu ei- nem Anschluss für eine Rezirkulationspumpe, die an der zweiten Hauptfläche befestigt werden kann oder separat vorgesehen werden kann. Zur Schließung des Anodenabgas- rezirkulationskreises ist an der zweiten Hauptfläche eine weitere Leitung vorgesehen, die in die Anodenbetriebsgasleitung mündet und einen Anschluss zur Verbindung mit der Rezirkulationspumpe aufweist. The anode operating gas line for supplying anode operating gas has a terminal for connection to an anode operating gas source at the second main surface. The anode operating gas line passes through the plate body to the first major surface where there is a port for connection to an anode operating gas inlet of a fuel cell assembly. The anode exhaust gas conduit has a port on the first main surface for connection to an anode exhaust gas outlet of the fuel cell assembly. The anode exhaust gas line leads through the plate body to the second major surface of the plate body and to a water separator. There, entrained liquid water is separated in the anode exhaust gas and collected in a water reservoir. From the reservoir, the anode exhaust gas line continues to lead to a A connection for a recirculation pump, which can be attached to the second main surface or can be provided separately. To close the anode exhaust gas recirculation circuit, a further line is provided on the second main surface, which opens into the anode operating gas line and has a connection for connection to the recirculation pump.
Alternativ zur Rezirkulationspumpe kann auch eine Strahldüse (Venturidüse) vorgesehen werden. Bei Verwendung einer Venturidüse befindet sich diese in der Anodenbetriebsgasleitung, und die aus dem Wasserreservoir kommende Abgasleitung führt direkt in die Venturidüse. As an alternative to the recirculation pump, a jet nozzle (Venturi nozzle) can also be provided. When using a Venturi nozzle, this is located in the anode operating gas line, and the exhaust pipe coming from the water reservoir leads directly into the Venturi nozzle.
Von der Anodenabgasleitung zweigt eine Anodenabgasentlassungsleitung ab, durch die periodisch Anodenabgas aus dem System ausgespült werden kann. Die Anodenabgasentlassungsleitung verfügt über einen Anschluss zur Verbindung mit einer Anodenabgas- entsorgungseinrichtung. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Einrichtung handeln, die Wasserstoff thermisch verwertet, um einen Sammelbehälter, oder auch um eine Leitung zur Entlassung in die Umgebung, falls der Einsatzort des Brennstoffzellensystems eine Entlassung von Anodenabgas in die Umgebung zulässt. From the anode exhaust gas line, an anode exhaust discharge line branches, through which periodically anode exhaust gas can be flushed out of the system. The anode exhaust discharge line has a port for connection to an anode exhaust gas disposal device. This can be, for example, a device which utilizes hydrogen thermally to a collecting container, or even to a line for discharge into the environment, if the place of use of the fuel cell system allows discharge of anode exhaust gas into the environment.
An der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers sind auch die Ventile, Messeinrichtungen, Regeleinrichtungen und Sicherheitseinrichtungen, die für die Zuleitung von Anodenbetriebsgas und die Ableitung von Anodenabgas erforderlich sind, angebracht. Die Leitungen verfügen über die entsprechenden Anschlüsse, Ventilsitze, und Stellen zur Anbringung von Sensoren wie Drucksensoren und Temperatursensoren. Derartige Sensoren können direkt in den Leitungen für Anodenbetriebsgas oder Anodenabgas oder in einer separaten Messzweigleitung vorgesehen werden. Also attached to the second major surface of the disc body are the valves, gauges, controllers, and safety devices required for the delivery of anode operating gas and the discharge of anode exhaust gas. The pipes have the appropriate connections, valve seats, and locations for mounting sensors such as pressure sensors and temperature sensors. Such sensors may be provided directly in the anode operating gas or anode exhaust gas lines or in a separate metering branch line.
Die Kathodenbetriebsgasleitung zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas hat an der zweiten Hauptfläche einen Anschluss an eine Kathodenbetriebsgasquelle. Meist ist die Kathodenbetriebsgasquelle ein Gebläse, das das Brennstoffzellensystem mit Luft versorgt, aber es kann ebenso ein Druckgasbehälter mit einem Sauerstoff/Stickstoffgemisch oder irgendeine andere Kathodenbetriebsgasquelle verwendet werden. Die Kathodenbetriebsgasleitung führt durch den Plattengrundkörper hindurch zur ersten Hauptfläche, wo sich ein Anschluss für einen Kathodenbetriebsgaseinlass einer Brennstoffzellenanordnung befindet. The cathode operating gas line for supplying cathode operating gas has a connection to a cathode operating gas source at the second main surface. Most often, the cathode operating gas source is a fan that provides air to the fuel cell system, but a pressurized gas container with an oxygen / nitrogen mixture or any other source of cathode operating gas may also be used. The cathode working gas line passes through the plate body to the first major surface where there is a port for a cathode operating gas inlet of a fuel cell assembly.
Die Kathodenabgasleitung hat an der ersten Hauptfläche des Plattengrundkörpers einen Anschluss zur Verbindung mit einem Kathodenabgasauslass der Brennstoffzellenanordnung. Sie führt durch den Plattengrundkörper hindurch von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche, wo sich ein Anschluss zur Verbindung der Kathodenabgasleitung mit einer Kathodenabgasentsorgungseinrichtung befindet. Die Kathodenabgasentsor- gungseinrichtung ist typischerweise eine Leitung, über die das Kathodenabgas in die Umgebung entlassen wird. The cathode exhaust gas conduit has a port on the first major surface of the disc body for communication with a cathode exhaust port of the fuel cell assembly. It leads through the plate body through from the first main surface to second main surface, where there is a connection for connecting the cathode exhaust gas line with a cathode exhaust gas disposal device. The cathode exhaust gas purifier is typically a conduit through which the cathode exhaust gas is released into the environment.
Wie bei der Anodenbetriebsgasleitung und der Anodenabgasleitung sind auch bei der Kathodenbetriebsgasleitung und der Kathodenabgasleitung Sensoren zur Messung von Druck und Temperatur beziehungsweise der Strömungsgeschwindigkeit erforderlich. Auch Ventile oder Sicherungseinrichtungen können vorgesehen werden. Die Leitungen verfügen über entsprechende Anschlüsse oder Sitze für die benötigten Sensoren, Aktoren, Ventile oder Regler, die sich bei einer betriebsfertigen Medienmanagementplatte an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befinden. As with the anode operation gas line and the anode exhaust line, sensors for measuring pressure and temperature, or the flow velocity, are also required in the cathode operation gas line and the cathode exhaust line. Also valves or safety devices can be provided. The pipes have appropriate connections or seats for the required sensors, actuators, valves, or regulators located on the second main surface of the disk base in a ready-to-use media management board.
An der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befindet sich auch das Wasserreservoir, in dem das flüssige Wasser gesammelt wird, das mittels eines Wasserabscheiders am Eingang des Wasserreservoirs aus dem Anodenabgas abgeschieden wird. Das Wasser kann über einen Kanal aus dem Reservoir abgelassen werden. Bevorzugt ist das Wasserreservoir mit einem Füllstandsschalter ausgestattet, der bei Erreichen eines vorgegebenen Füllstands das Öffnen eines Ventils in dem Wasserkanal veranlasst. Der Füllstandsschalter, das Wasserablassventil sowie ein Anschluss, der die Entnahme des Wassers aus dem Wasserkanal ermöglicht, sind ebenfalls an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers angebracht. On the second main surface of the plate body is also the water reservoir, in which the liquid water is collected, which is separated by means of a water separator at the entrance of the water reservoir from the anode exhaust gas. The water can be drained from the reservoir via a channel. Preferably, the water reservoir is equipped with a level switch, which causes the opening of a valve in the water channel upon reaching a predetermined level. The level switch, the water drain valve and a port that allows the removal of water from the water channel are also attached to the second major surface of the plate body.
Zur Zuleitung und Ableitung von Kühlmittel verfügt die Medienmanagementplatte über eine Kühlmittelleitung zur Zuleitung von Kühlmittel zu der Brennstoffzellenanordnung, und über eine Gebrauchtkühlmittelleitung zur Ableitung von Kühlmittel aus der Brennstoffzellenanordnung. Die Kühlmittelleitung hat an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers einen Anschluss zur Verbindung mit einer Kühlmittelquelle. Sie führt durch den Plattengrundkörper hindurch zur ersten Hauptfläche, wo sich ein Anschluss zur Verbindung mit einem Kühlmitteleinlass der Brennstoffzellenanordnung befindet. Die Gebrauchtkühlmittelleitung hat an der ersten Hauptfläche einen Anschluss zur Verbindung mit einem Gebrauchtkühlmittelauslass der Brennstoffzellenanordnung. Die Gebrauchtkühlmittelleitung führt von der ersten Hauptfläche durch den Plattengrundkörper hindurch zur zweiten Hauptfläche, wo sich ein Anschluss zur Verbindung mit einer Gebrauchtkühl- mittelentsorgungseinrichtung befindet. For supplying and discharging coolant, the media management board has a coolant line for supplying coolant to the fuel cell assembly, and a used coolant line for discharging coolant from the fuel cell assembly. The coolant conduit has a port for connection to a coolant source at the second major surface of the disc body. It leads through the plate body to the first major surface where there is a port for connection to a coolant inlet of the fuel cell assembly. The used coolant line has a port on the first main surface for connection to a used coolant outlet of the fuel cell assembly. The used coolant line leads from the first main surface through the plate body to the second main surface, where there is a port for connection to a used coolant dispenser.
Das Kühlmittel kann im Kreis geführt werden, das heißt, die Kühlmittelquelle kann identisch sein mit der Kühlmittelentsorgungseinrichtung, beispielsweise ein Sammelbehälter, der ein Ergänzen des Kühlmittels bei Bedarf beziehungsweise einen Austausch des Kühlmittels bei Bedarf erlaubt. The coolant can be circulated, that is to say the coolant source can be identical to the coolant removal device, for example a collecting container, the replenishment of the coolant as needed or replacement of the coolant if necessary allowed.
Die Leitungen für Kühlmittel und Gebrauchtkühlmittel verfügen bevorzugt über Sensoren zur Messung der Temperatur und gegebenenfalls der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit. Die Anbringung dieser Sensoren an dem Plattengrundkörper erfolgt ebenfalls an dessen zweiter Hauptfläche. The lines for coolant and used coolant preferably have sensors for measuring the temperature and optionally the coolant flow rate. The attachment of these sensors to the plate body also takes place on its second major surface.
Die Leitungen sowie die übrigen Bestandteile, wie beispielsweise das Wasserreservoir und eine Venturidüse, des Medienleitungssystems können sich vollständig auf der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befinden, oder sie können ganz oder teilweise in das Volumen des Plattengrundkörpers integriert sein. Natürlich kann auch ein Teil der Bestandteile des Medienleitungssystems in den Plattengrundkörper integriert sein, während sich der andere Teil an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befindet. Beispielsweise kann der "Wasserstoff-kreis", d.h. die Anodenbetriebsgasleitung, die Anodenabgasleitung, die zu einer Venturidüse führende Anodenabgasrezirkulierungslei- tung, die Venturidüse selbst, die Anodenabgasentlassungsleitung und gegebenenfalls eine Messzweigleitung vollständig in das Volumen des Plattengrundkörpers integriert sein, während der Wasserabscheider mit Wasserreservoir teilweise in den Plattengrundkörper integriert ist. Die Kathodenbetriebsgasleitung und die Kathodenabgasleitung sowie die Kühlmittelleitung und die Gebrauchtkühlmittelleitung können, je nach Position des Kathodenbetriebsgaseinlasses, des Kathodenabgasauslasses, des Kühlmitteleinlasses und des Gebrauchtkühlmittelauslasses der Brennstoffstoffzellenanordnung, einfach als Durchführungen durch den Plattengrundkörper, das heißt als von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche durchgehende Öffnungen, ausgebildet sein. An den Einlassen und Auslassen können Anschlüsse befestigt werden, in die die benötigten Sensoren und/oder Regler integriert sind. The lines and the other components, such as the water reservoir and a Venturi nozzle, the media conduit system may be completely on the second major surface of the disk base body, or they may be fully or partially integrated into the volume of the disk body. Of course, a part of the components of the media conduit system may be integrated in the disk base body, while the other part is located on the second main surface of the disk base body. For example, the "hydrogen circle", i. the anode operating gas line, the anode exhaust gas line, the anode exhaust gas recirculation line leading to a venturi nozzle, the venturi nozzle itself, the anode exhaust gas discharge line and possibly a measuring branch line are completely integrated into the volume of the plate main body, while the water reservoir with water reservoir is partially integrated into the plate main body. The cathode working gas line and the cathode exhaust gas line, as well as the refrigerant line and the used coolant line, may be simply passages through the plate body, i.e., through openings from the first main surface to the second main surface, depending on the position of the cathode operating gas inlet, the cathode exhaust outlet, the coolant inlet, and the used coolant outlet of the fuel cell assembly. be educated. At the inlet and outlet terminals can be attached, in which the required sensors and / or controllers are integrated.
Ist eine teilweise oder vollständige Integration aller Leitungen oder eines Teils der Leitungen des Medienleitungssystems und sonstiger Bestandteile wie beispielsweise einer Venturidüse in das Volumen des Plattengrundkörpers gewünscht, wird der Plattengrundkörper bevorzugt im 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Herstellung im SD-Druckverfahren ermöglicht eine einfache und präzise Ausbildung aller benötigten Hohlräume innerhalb des Plattengrundkörpers. Auch eine Herstellung durch Gießen ist möglich. Ein besonderer Vorteil der Integration möglichst vieler Bestandteile des Medienleitungssystems ins Volumen des Plattengrundkörpers liegt darin, dass innerhalb des Plattengrundkörpers keine Dichtungen benötigt werden. Es kann also auch keine undichten Stellen geben, was insbesondere bei dem sehr leicht diffundierenden Wasserstoff sehr wichtig ist. Bei einer Medienmanagementplatte mit maximalem Integrationsgrad sind an der ersten und der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers nur die Anschlussstellen für Leitungen zur Heranführung der Brennstoffzellenmedien und zur Ableitung der gebrauchten Brennstoffzellenmedien sowie Anschlussstellen für Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen sichtbar. An diesen Anschlussstellen werden dann die jeweils benötigten Anschlussstutzen beziehungsweise die Ventile, Sensoren und Aktoren angebracht. If a partial or complete integration of all lines or a part of the lines of the media conduit system and other components such as a Venturi nozzle in the volume of the plate body desired, the plate body is preferably prepared in the 3D printing process. The production in the SD printing process allows a simple and precise training of all required cavities within the disk body. Also a production by casting is possible. A particular advantage of integrating as many components of the media conduit system as possible into the volume of the panel base body is that no seals are required within the panel base body. So there can be no leaks, which is very important especially for the very easily diffusing hydrogen. With a media management panel with maximum degree of integration are at the first and the second main surface of the plate body only the connection points for lines for bringing the fuel cell media and for deriving the used fuel cell media and connection points for valves, measuring devices and control devices visible. At these junctions then the respectively required connection piece or the valves, sensors and actuators are attached.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Leitungen des Medienleitungssystems als separate Bauteile an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers zu befestigen und miteinander zu verbinden. Auch Mischformen können vorteilhaft sein, das heißt, es kann ein Teil der Bestandteile des Medienleitungssystems in das Volumen des Grundkörpers integriert sein, während ein anderer Teil der Bestandteile in Form von separaten Bauteilen an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befestigt und mit den in den Plattengrundkörper integrierten Bestandteilen des Medienleitungssystems verbunden ist. Alternatively, it is of course also possible to attach the lines of the media conduit system as separate components on the second main surface of the plate body and connect to each other. Mixed forms may also be advantageous, that is to say part of the components of the media conduit system may be integrated in the volume of the base body, while another part of the components may be fastened in the form of separate components to the second main surface of the panel base body and integrated with those in the panel base body Components of the media line system is connected.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte ist so gestaltet, dass vereisungsgefährdete Bauteile mittels des Kühlmittels erwärmt werden können. Wie bekannt ist, entsteht bei der Brennstoffzellenreaktion Wasser, das in den Leitungen kondensieren kann. Während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems stellt dies normalerweise kein Problem dar, aber bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser gefriert das mitgeführte Produktwasser in den Leitungen und sonstigen Hohlräumen. Das kann dazu führen, dass eine erneute Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser nicht möglich ist, weil Leitungen durch Eis blockiert sind, Ventile nicht bewegt werden können, oder gar Sensoren durch den Druck des gefrierenden Wassers zerstört wurden. Bei konventionellen Brennstoffzellensystemen wird dem Problem durch elektrische Beheizung vereisungsgefährdeter Bauteile entgegen gewirkt. Dabei gibt es elektrische Zündfunken in unmittelbarer Nähe der Brennstoffzellen. A preferred embodiment of the media management plate according to the invention is designed so that icing-prone components can be heated by means of the coolant. As is known, in the fuel cell reaction, water is formed which can condense in the pipes. Normally this is not a problem during operation of a fuel cell system, but at a standstill of the fuel cell system at sub-zero temperatures of water, the entrained product water freezes in the conduits and other voids. This can result in a re-commissioning of the fuel cell system at a temperature below freezing point of water is not possible because lines are blocked by ice, valves can not be moved, or even sensors were destroyed by the pressure of the freezing water. In conventional fuel cell systems, the problem is counteracted by electrical heating of icing-prone components. There are electrical sparks in the immediate vicinity of the fuel cells.
Die Probleme des Standes der Technik werden erfindungsgemäß vermieden, indem die Kühlmittelleitung der Medienmanagementplatte so verlegt wird, dass eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf vereiste oder potentiell vereisende Bauteile der Medienmanagementplatte möglich ist. Die Wärmeübertragung sollte möglichst effizient sein. Deshalb befindet sich bei der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte die Kühlmittelleitung bevorzugt in Kontakt mit den vereisungsgefährdeten Bauteilen, wobei die Kontaktflächen zwischen Kühlmittelleitung und den zu erwärmenden Bauteilen möglichst groß gemacht werden. Bevorzugte Materialien für die Kühlmittelleitung und die zu erwärmenden Bauteile sind gut wärmeleitende Materialien wie beispielsweise Metalle. Besonderes vereisungsgefährdete Bauteile sind insbesondere die Leitungen des Wasserstoffkreises mit den benötigten Ventilen, Messeinrichtungen, Regeleinrichtungen und dem Wasserabscheider mit Wasserreservoir. Auch die Kathodenabgasleitung ist stark vereisungsgefährdet. Die Kühlmittelleitung verläuft bevorzugt in wärmeleitendem Kontakt mit diesen Leitungen und ihren Ventilen, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen. Wenn sich die Leitungen an der Oberfläche, das heißt an der zweiten Hauptfläche des Plattengrundkörpers befinden, können erwärmende und erwärmte Leitung mit einer gemeinsamen Isolierung ausgestattet werden. Wenn erwärmende und erwärmte Leitung als Hohlräume im Volumen des Plattengrundkörpers ausgebildet sind, werden die entsprechenden Hohlräume bevorzugt mit dem geringsten Abstand voneinander, der fertigungstechnisch möglich ist, hergestellt. The problems of the prior art are inventively avoided by the coolant line of the media management board is laid so that a heat transfer from the coolant to icy or potentially icing components of the media management board is possible. The heat transfer should be as efficient as possible. Therefore, in the media management plate according to the invention, the coolant line is preferably in contact with the icing-prone components, wherein the contact surfaces between the coolant line and the components to be heated are made as large as possible. Preferred materials for the coolant line and the components to be heated are good heat-conducting materials such as metals. Particular icing-endangered components are in particular the lines of the hydrogen circuit with the required valves, measuring devices, control devices and the water separator with water reservoir. The cathode exhaust gas line is also highly susceptible to icing. The coolant line preferably runs in heat-conducting contact with these lines and their valves, measuring devices and control devices. When the leads are on the surface, that is, on the second major surface of the plate body, heating and heating lines can be provided with common insulation. If heating and heated line are formed as cavities in the volume of the plate body, the corresponding cavities are preferably made with the smallest distance from each other, which is manufacturing technology possible.
Es ist möglich, die Kühlmittelleitung so zu verlegen beziehungsweise verlaufen zu lassen, dass sie mit allen Bauteilen in Berührung kommt, deren Beheizbarkeit mittels Kühlmittel gewünscht wird. Vorteilhafter ist es jedoch, eine oder mehrere Kühlmittelverzwei- gungsleitung(en) vorzusehen, die von der Kühlmittelleitung abzweigt beziehungsweise abzweigen und mittels eines Ventils für die Durchströmung mit Kühlmittel geöffnet oder geschlossen werden kann/können. Bei normalem Brennstoffzellenbetrieb ist das Ventil geschlossen, und das Kühlmittel strömt auf kürzestem Wege in die Brennstoffzellenanordnung. Besteht der Verdacht oder die Gewissheit, dass sich gefrorenes Wasser in dem Medienleitungssystem befindet, wird das zu den Kühlmittel-Verzweigungsleitungen führende Ventil geöffnet, so dass Kühlmittel zu den vereisten Bauteilen strömen und das Eis auftauen kann. Danach wird das Ventil wieder geschlossen, so dass das Kühlmittel auf kürzestem Weg in die Brennstoffzellenanordnung strömt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform mit Kühlmittelverzweigungsleitung(en) gilt natürlich das oben für die Kühlmittelleitung dargelegte analog, das heißt die Kühlmittelverzweigungsleitung(en) muss (müssen) so verlegt werden beziehungsweise so verlaufen, dass eine effiziente Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf die vereisungsgefährdeten Bauteile stattfinden kann. It is possible to lay or run the coolant line so that it comes into contact with all components whose heatability is desired by means of coolant. It is more advantageous, however, to provide one or more coolant branching lines which branch off from the coolant line or branch off and can be opened or closed by means of a valve for the throughflow with coolant. During normal fuel cell operation, the valve is closed and the coolant flows into the fuel cell assembly by the shortest route. If there is any suspicion or certainty that frozen water is in the fluid line system, the valve leading to the coolant branch lines is opened so that coolant can flow to the icy parts and thaw the ice. Thereafter, the valve is closed again, so that the coolant flows by the shortest route in the fuel cell assembly. In this preferred embodiment with coolant manifold (s), of course, the same as set forth above for the coolant line, that is the coolant branch line (s) must be laid so or run so that an efficient heat transfer can take place from the coolant on the icing-prone components ,
Das Kühlmittel wird aus einem Kühlmittelvorratsbehälter in die Kühlmittelleitung eingespeist. Bevorzugt wird das Gebrauchtkühlmittel demselben Vorratsbehälter zugeführt, d.h. das Kühlmittel wird im Kreis geführt. Der Kühlmittelvorratsbehälter ist beheizbar, so dass das Kühlmittel in dem Behälter, das nach einer längeren Stillstandszeit des Brennstoffzellensystems die Umgebungstemperatur angenommen hat, also unter Umständen eine Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser hat oder sogar ebenfalls gefroren ist, auf eine zum Vorwärmen des Medienleitungssystems geeignete Temperatur aufgeheizt werden kann, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 3 und 8°C. Das Beheizen des Kühlmittelvorratsbehälters kann beispielsweise elektrisch erfolgen, wobei sich der Kühlmittelvorratsbehälter nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffzellen zu befinden braucht. The coolant is fed from a coolant reservoir into the coolant line. Preferably, the used coolant is supplied to the same reservoir, ie the coolant is circulated. The coolant reservoir is heatable, so that the coolant in the container, which has assumed the ambient temperature after a prolonged downtime of the fuel cell system, so may have a temperature well below the freezing point of water or even frozen, suitable for preheating the media line system Temperature can be heated, for example to a temperature between 3 and 8 ° C. The heating of the coolant reservoir can be done, for example, electrically, wherein the coolant reservoir does not need to be located in the immediate vicinity of the fuel cell.
Die Medienmanagementplatte, die ein Beheizen vereisungsgefährdeter Bauteile durch Kühlmittel erlaubt, verbessert daher die Flexibilität von mit ihr ausgestatteten Brennstoffzellensystemen hinsichtlich des Einsatztemperaturbereichs, d.h. hinsichtlich der Umgebungstemperaturen, bei denen ein zuverlässiger und sicherer Betrieb, und insbesondere eine sichere erneute Inbetriebnahme nach längeren Stillstandszeiten, möglich ist. The media management panel, which allows heating of components susceptible to icing by coolant, therefore improves the flexibility of fuel cell systems equipped with it with respect to the service temperature range, i. in terms of ambient temperatures, where a reliable and safe operation, and in particular a safe restart after a longer downtime, is possible.
Brennstoffzellenanordnungen können im Prinzip aus einer einzigen Brennstoffzelle bestehen, aber typischerweise bestehen sie aus einem Brennstoffzellen Stapel oder aus mehreren Brennstoffzellenstapeln. Die Brennstoffzellenanordnungen weisen Eingänge für Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel auf, durch die das betreffende Medium in ein Verteilersystem eingespeist wird, von wo aus es auf die einzelnen Brennstoffzellen verteilt wird. Außerdem weisen die Brennstoffzellenanordnungen Ausgänge für Anodenabgas, Kathodenabgas und Gebrauchtkühlmittel auf, durch die diese Medien, von entsprechenden Sammel-einrichtungen kommend, entlassen werden. Fuel cell assemblies may, in principle, consist of a single fuel cell, but typically consist of a fuel cell stack or multiple fuel cell stacks. The fuel cell assemblies have inputs for anode operating gas, cathode operating gas and coolant through which the medium in question is fed into a distribution system from where it is distributed to the individual fuel cells. Additionally, the fuel cell assemblies have anode exhaust, cathode off-gas, and second-hand coolant exits through which these media, coming from appropriate collection devices, are discharged.
Eine Medienmanagementplatte verfügt über entsprechende Auslasse und Einlasse für Anodenbetriebsgas und Anodenabgas, Kathodenbetriebsgas und Kathodenabgas, und Kühlmittel und Gebrauchtkühlmittel an den passenden Stellen, so dass durch Aufsetzen der Medienmanagementplatte auf die Brennstoffzellenanordnung und Befestigen an der Brennstoffzellenanordnung eine gasdichte Verbindung zwischen Anodenbetriebsgasaus- lass der Medienmanagementplatte und Anodenbetriebsgaseinlass der Brennstoffzellenanordnung, zwischen Anodenabgaseinlass der Medienmanagementplatte und Anoden- abgasauslass der Brennstoffzellenanordnung, zwischen Kathodenbetriebsgasauslass der Medienmanagementplatte und Kathodenbetriebsgaseinlass der Brennstoffzellenanordnung, zwischen Kathodenabgaseinlass der Medienmanagementplatte und Kathoden- abgasauslass der Brennstoffzellenanordnung, und eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Kühlmittelauslass der Medienmanagementplatte und dem Kühlmittelein- lass der Brennstoffzellenanordnung, und zwischen dem Gebrauchtkühlmitteleinlass der Medienmanagementplatte und dem Gebrauchtkühlmittelauslass der Brennstoffzellenanordnung hergestellt wird. Auf diese Weise wird durch die Anbringung der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte an einer Brennstoffzellenanordnung in einem einzigen Schritt die Versorgung mit den für den Brennstoffzellenbetrieb benötigten Medien sowie deren Behandlung und Entsorgung sichergestellt. A media management panel has respective outlets and inlets for anode operating gas and anode exhaust gas, cathode operating gas and cathode exhaust gas, and coolants and used coolant at the appropriate locations such that by placing the media management panel on the fuel cell assembly and attaching to the fuel cell assembly, a gas tight connection between anode operating gas outlet of the media management panel and Anode operating gas inlet of the fuel cell assembly, between the anode exhaust inlet of the media management panel and anode exhaust outlet of the fuel cell assembly, between the cathode operating gas outlet of the media management panel and cathode operating gas inlet of the fuel cell assembly, between cathode exhaust inlet of the media management panel and cathode exhaust outlet of the fuel cell assembly, and a fluid tight connection between the coolant outlet of the media management panel and the coolant inlet of the fuel cell assembly fuel cell assembly, and between the used coolant inlet of the media management panel and the used coolant outlet of the fuel cell assembly. In this way, the supply of the media required for the fuel cell operation and their treatment and disposal is ensured by the attachment of the media management plate according to the invention to a fuel cell assembly in a single step.
Die Fixierung der Medienmanagementplatte an der Brennstoffzellenanordnung hat natürlich zur Folge, dass eine Änderung der Lage der Brennstoffzellenanordnung, beispiels- weise eine Drehung, eine entsprechende Änderung der Lage der Medienmanagementplatte bedingt. Nun werden Brennstoffzellenanordnungen normalerweise nicht als isolier te Einheit betrieben, sondern irgendwo eingebaut, beispielsweise in ein Kraftfahrzeug, wobei die Ausrichtung der Brennstoffzellenanordnung entsprechend den jeweiligen räumlichen Gegebenheiten variieren kann. Üblicherweise erfolgt der Einbau von Brennstoffzellenanordnungen so, dass die Stapelrichtung der Brennstoffzellen entweder parallel oder senkrecht zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft ist. Dementsprechend sind dann auch die Hauptflächen des Plattengrundkörpers der Medienmanagementplatte par¬ allel oder senkrecht zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft ausgerichtet. Da Flüssigkeiten wie Prozesswasser in Richtung der Schwerkraftwirkung zu fließen pflegen, muss bei der Anordnung der Leitungen zur Zuleitung und Ableitung der Brennstoffzellenmedien, der Sensoren und etwaiger Wassersammelbehälter der Medienmanagementplatte darauf geachtet werden, dass flüssiges Wasser problemlos abließen kann. Bei Tempera¬ turen unter dem Gefrierpunkt von Wasser könnte sich sonst Wasser ansammeln, gefrieren, und durch die Ausdehnung beim Gefrieren die Medienmanagementplatte erheblich beschädigen. Of course, the fixation of the media management plate on the fuel cell assembly results in a change in the position of the fuel cell assembly, for example example, a rotation, a corresponding change in the position of the media management board conditionally. Now fuel cell assemblies are not normally operated as isolier te unit, but installed somewhere, for example in a motor vehicle, the orientation of the fuel cell assembly can vary according to the particular spatial conditions. Typically, the installation of fuel cell assemblies is such that the stacking direction of the fuel cells is either parallel or perpendicular to the direction of the action of gravity. Accordingly, then the main surfaces of the disk base body of the media management plate are aligned par ¬ allel or perpendicular to the direction of the effect of gravity. Since liquids such as process water tend to flow in the direction of the force of gravity, care must be taken when arranging the lines for the supply and discharge of the fuel cell media, the sensors and any water collection container of the media management board that liquid water can easily drain. In tempera ¬ tures below the freezing point of water might otherwise accumulate water, freeze and cause serious damage by the expansion during freezing media management panel.
Wenn alle Leitungen und sonstigen Baueinheiten, die zur Zuleitung und Ableitung der Brennstoffzellenmedien benötigt werden, separat an der Brennstoffzellenanordnung angebracht werden, stellt es kein Problem dar, sie an unterschiedlich ausgerichteten Brenn Stoffzellenanordnungen jeweils so anzubringen, dass ein ungehindertes Abfließen von Flüssigkeiten gewährleistet ist. Anders ist es, wenn alle diese Leitungen und sonstigen Bauteile zu einer einzigen Einheit zusammengefasst sind und somit hinsichtlich ihrer Lage und Ausrichtung unveränderlich fixiert sind, wie dies bei der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte der Fall ist. Um die Medienmanagementplatte sowohl für Brennstoffzellenanordnungen, die parallel zur Richtung der Schwerkraftwirkung (Stapelrichtung parallel zur Richtung der Schwerkraftrichtung) als auch für Brennstoffzellenanordnungen, die senkrecht zur Richtung der Schwerkraftrichtung verbaut sind, verwenden zu können, muss gewährleistet sein, dass sich bei keiner der beiden Ausrichtungen Prozesswasser irgendwo ansammeln kann, abgesehen natürlich von dem Wasserreservoir, in dem aus dem Anodenabgas abgeschiedenes Prozesswasser gesammelt wird. Bei diesem Wasserreservoir muss gewährleistet sein, dass bei beiden Ausrichtungen der Medienmanagementplatte Anodenabgas ungehindert einströmen und wieder ausströmen kann, ohne dass Wasser aus dem Wasserreservoir in die Anodenabgasleitungen gelangt, und gesammeltes Wasser auch bei beiden Ausrichtungen der Medienmanagementplatte aus dem Wasserreservoir abgelassen werden kann. If all the lines and other assemblies needed to supply and discharge the fuel cell media are attached separately to the fuel cell assembly, it will not be a problem to attach them to differently aligned fuel cell assemblies, respectively, so as to ensure unimpeded fluid flow. It is different if all these lines and other components are combined into a single unit and thus fixed in terms of their position and orientation immutable, as is the case with the media management panel according to the invention. In order to be able to use the media management plate both for fuel cell arrangements parallel to the direction of gravity (stacking direction parallel to the direction of gravity) and for fuel cell arrangements installed perpendicular to the direction of gravity, it must be ensured that neither of the two orientations Process water can accumulate somewhere, except, of course, from the water reservoir in which process water separated from the anode exhaust gas is collected. In this water reservoir, it must be ensured that in both orientations of the media management plate, anode exhaust gas can freely flow in and out without water from the water reservoir entering the anode exhaust gas lines, and collected water can be drained from the water reservoir even at both orientations of the media management plate.
Bei der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte wird das Problem gelöst durch einen geeigneten Verlauf der Leitungen des Medienleitungssystems, durch eine geeig- nete Form beziehungsweise Anordnung von Wasserreservoir und Sensorhohlräumen, und durch eine geeignete Anordnung der Zuleitungen und Ableitungen in das Wasserreservoir hinein und aus ihm heraus. In the media management panel according to the invention, the problem is solved by a suitable course of the lines of the media conduit system, by a suitable Nete shape or arrangement of water reservoir and sensor cavities, and by a suitable arrangement of the leads and outlets into the water reservoir in and out of it.
Zur Erläuterung, was im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter "geeignet" zu verstehen ist, werden Bereiche definiert, mit deren Hilfe die räumliche Beziehung der Komponenten der Medienmanagementplatte zueinander festgelegt werden kann. To clarify what is meant by "suitable" in the context of the present invention, areas are defined by means of which the spatial relationship of the components of the media management plate to one another can be defined.
Die Begriffe "proximal" und "distal" bezeichnen relative Lagen in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Plattengrundkörpers. Der proximale Bereich befindet sich näher an der ersten Hauptfläche des Plattengrundkörpers als der distale Bereich, d.h., ist die Medienmanagementplatte an einer Brennstoffzellenanordnung angebracht, ist„proximal" näher an der Brennstoffzellenanordnung als„distal". The terms "proximal" and "distal" refer to relative positions in a direction perpendicular to the direction of extension of the disc body. The proximal region is closer to the first major surface of the disc body than the distal region, that is, when the media management plate is attached to a fuel cell assembly, it is "proximal" closer to the fuel cell assembly than "distal."
Die Begriffe "innen" und "außen" beziehungsweise "innerer Bereich" und "äußerer Bereich" hingegen bezeichnen relative Lagen in einer Richtung parallel zur Erstreckungsrichtung des Plattengrundkörpers. The terms "inside" and "outside" or "inner area" and "outer area", on the other hand, denote relative positions in a direction parallel to the extension direction of the panel base body.
Der äußere Bereich befindet sich näher am Rand, d.h. am Außenumfang, der Medienmanagementplatte als der innere Bereich. The outer area is closer to the edge, i. on the outer circumference, the media management panel as the inner area.
Die Begriffe "oben" und "unten" beziehungsweise "oberer/oberster Bereich" und The terms "top" and "bottom" or "top / top" and
"unterer/unterster Bereich" bezeichnen relative Lagen bezogen auf die Richtung der Wirkung der Schwerkraft. Die Schwerkraft wirkt definitionsgemäß von oben nach unten. "lower / lower range" refers to relative positions with respect to the direction of the effect of gravity. By definition, gravity acts from top to bottom.
Es wird betont, dass die Begriffe jeweils nicht absolut zu verstehen sind, sondern Lagen der Komponenten relativ zueinander definieren. It is emphasized that the terms are not absolute terms, but rather define positions of the components relative to each other.
Eine "senkrechte" Medienmanagementplatte beziehungsweise ein "senkrechter" Plattengrundkörper ist parallel zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft ausgerichtet, und eine "waagrechte" Medienmanagementplatte beziehungsweise ein "waagrechter" Plattengrundkörper ist senkrecht zur Richtung der Schwerkraftwirkung ausgerichtet. A "vertical" media management panel is oriented parallel to the direction of the action of gravity, and a "horizontal" media management panel or "horizontal" panel body is oriented perpendicular to the direction of gravity action.
Bei einer erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte befindet sich das Wasserreservoir im äußeren Bereich des Plattengrundkörpers und besitzt eine Form, die einen proximalen und einen distalen Bereich aufweist. Der distale Bereich des Wasserreservoirs sollte gleichzeitig möglichst weit außen sein, so dass die Medienmanagementplatte senkrecht so ausgerichtet werden kann, dass sich der distale Bereich unten befindet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich das aus dem Anodenabgas abgeschiedene Pro- duktwasser bei waagrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte im distalen Bereich des Wasserreservoirs sammelt, und bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte im unteren Bereich des Wasserreservoirs sammelt. In a media management plate according to the invention, the water reservoir is located in the outer region of the plate base body and has a shape which has a proximal and a distal region. The distal area of the water reservoir should at the same time be as far outside as possible so that the media management plate can be oriented vertically so that the distal area is at the bottom. In this way it is ensured that the product separated from the anode exhaust gas collected with horizontal alignment of the media management plate in the distal region of the water reservoir, and collects in vertical alignment of the media management plate in the lower part of the water reservoir.
Ein Wasserabscheider mit Anodenabgaseinlass sowie ein Anodenabgasauslass befinden sich im inneren proximalen Bereich des Wasserreservoirs, der bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte gleichzeitig der oberste Bereich des Wasserreservoirs ist. Dies ist der Bereich, der bei steigendem Wasserstand in dem Reservoir zuletzt mit Wasser gefüllt wird. Bevorzugt ist das Reservoir auch mit einem Füllstandsschalter ausgestattet, der sich mehr im proximalen als im distalen Bereich, und mehr im inneren als im äußeren Bereich des Wasserreservoirs befindet, aber distaler und weiter außen als der Anodenabgaseinlass und der Anodenabgasauslass. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Wasserreservoir niemals vollständig gefüllt wird und weder bei waagrechter noch bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte flüssiges Wasser aus dem Wasserreservoir in den Anodenabgaseinlass und den Anodenabgasauslass gelangt. A water separator with an anode exhaust inlet and an anode exhaust outlet are located in the inner proximal region of the water reservoir, which is also the uppermost region of the water reservoir when the media management plate is aligned vertically. This is the area that is filled last with water as the water level in the reservoir rises. Preferably, the reservoir is also provided with a level switch which is located more proximal than distal, and more internal than the outer region of the water reservoir, but more distal and more external than the anode exhaust inlet and the anode exhaust outlet. In this way, it is ensured that the water reservoir is never completely filled and that liquid water does not pass from the water reservoir into the anode exhaust gas inlet and the anode exhaust gas outlet in the case of horizontal or vertical alignment of the media management plate.
Der Wasserauslass des Reservoirs befindet sich im distalen äußeren Bereich des Reservoirs, der bei einer senkrechten Ausrichtung der Medienmanagementplatte gleichzeitig der untere Bereich des Wasserreservoir ist. So wird sichergestellt, dass aus dem Anodenabgas abgeschiedenes Produktwasser sowohl bei waagrechter als auch bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte abgelassen werden kann. The water outlet of the reservoir is located in the distal outer region of the reservoir, which is at the same time the lower region of the water reservoir with a vertical orientation of the media management plate. This ensures that product water separated from the anode exhaust gas can be released both when the media management plate is horizontal and vertical.
Zur Messung der Temperatur und des Drucks und/oder der Strömungsgeschwindigkeit der in dem Medienleitungssystem strömenden Betriebsgase und Abgase sind die Leitungen des Medienleitungssystems mit Sensoren für Temperatur und Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit der in dem Medienleitungssystem strömenden Medien ausgestattet. Diese Sensoren werden nicht direkt in den Leitungen untergebracht, in denen die Betriebsgase und Abgase strömen, sondern in separaten Hohlräumen (Sensorkavitäten), die mit diesen Leitungen in Fluidverbindung sind. Die Sensorkavitäten sind gegenüber der jeweiligen Leitung, in der gemessen werden soll, versetzt angeordnet, und zwar in distaler Richtung, d.h. sie sind von der ersten Hauptfläche der Medienmanagementplatte weiter beabstandet als die Leitung selbst. Die versetzte Anordnung ist notwendig, damit die Sensoren ausreichend Platz haben, d. h. nicht in räumlichen Konflikt mit dem Plattengrundkörper kommen. Außerdem müssen sich die Sensorkavitäten, wenn die Medienmanagementplatte senkrecht an einer Brennstoffzellenanordnung angebracht ist, wobei sich das Wasserreservoir unten befindet, über der Leitung, mit der sie in Fluidverbindung sind, befinden. So wird sichergestellt, dass bei einer senkrechten Ausrichtung der Medienmanagementplatte Wasser aus den Sensorkavitäten in die zugehörigen Leitungen abfließt und bei einer waagrechten Ausrichtung der Medienmanagementplatte nicht so viel Wasser in den Sensorkavitäten angesammelt werden kann, dass es den Sensor beeinträchtigt. Sollte das Wasser gefrieren, bleibt der Sensor voll funktionsfähig. Bei Sensoren, die in Anschlüsse integriert sind, entfällt die Notwendigkeit einer versetzten Anordnung. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass sich weder bei waagrechter noch bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte Wasser an den Sensoren ansammeln kann. For measuring the temperature and pressure and / or the flow rate of the operating gases and exhaust gases flowing in the media conduit system, the lines of the media conduit system are provided with sensors for temperature and pressure or the flow rate of the media flowing in the media conduit system. These sensors are not housed directly in the lines in which the operating gases and exhaust gases flow, but in separate cavities (sensor cavities), which are in fluid communication with these lines. The sensor cavities are staggered relative to the respective conduit to be measured, distally, ie, spaced further from the first major surface of the media management panel than the conduit itself. The staggered arrangement is necessary to allow the sensors sufficient space have, ie do not come into spatial conflict with the disk base body. In addition, if the media management panel is mounted vertically to a fuel cell assembly with the water reservoir down, the sensor cavities must be above the conduit to which they are in fluid communication. This ensures that, when the media management plate is aligned vertically, water from the sensor cavities enters the associated lines and when the media management plate is oriented horizontally, so much water can not accumulate in the sensor cavities that it affects the sensor. If the water freezes, the sensor remains fully functional. Sensors integrated into ports eliminate the need for a staggered arrangement. It only has to be ensured that water can not accumulate on the sensors when the media management plate is horizontal or vertical.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind und jeweils nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale zeigen. Es versteht sich, dass jeweils weitere Merkmale vorhanden sein können, und dass die dargestellten Merkmale gegebenenfalls in einer anderen Anordnung oder in Kombination mit anderen Merkmalen vorliegen können. Maßgeblich ist jeweils das Verständnis des Fachmanns. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen The invention will be described in more detail with reference to drawings. It should be understood that the drawings are not to scale and in each case show only the features essential for understanding the present invention. It is understood that each additional features may be present, and that the illustrated features may optionally be present in a different arrangement or in combination with other features. Decisive is the understanding of the skilled person. Like reference numerals designate like or corresponding elements. Show it
Figuren 1 und 2 schematische, stark vereinfachte Darstellungen alternativer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennstoffstellensysteme, FIGS. 1 and 2 are schematic, highly simplified illustrations of alternative embodiments of fuel cell systems according to the invention;
Figur 3A, 3B schematische Perspektivansichten einer erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte, 3A, 3B show schematic perspective views of a media management plate according to the invention,
Figur 3C eine schematische Darstellung der Kühlmittelströmung in einer Kühlmittelzweigleitung der Medienmanagementplatte der Figuren 3A und 3B, FIG. 3C is a schematic representation of the coolant flow in a coolant branch line of the media management plate of FIGS. 3A and 3B;
Figuren 4A bis 4C schematische Darstellungen des Wasserreservoirs einer erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte bei verschiedenen Ausrichtungen der Medienmanagementplatte, FIGS. 4A to 4C show schematic representations of the water reservoir of a media management plate according to the invention with different orientations of the media management plate,
Figuren 5A bis 5F schematische Darstellungen verschiedener Formen eines Wasserreservoirs, FIGS. 5A to 5F show schematic representations of various forms of a water reservoir,
Figuren 6A bis 6D schematische Darstellungen von Drucksensor-Kavitäten und ihrer Anordnung an einer Medienmanagementplatte, FIGS. 6A to 6D are schematic representations of pressure sensor cavities and their arrangement on a media management plate;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Verbindung einer erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte mit einer Brennstoffzellenanordnung. Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme 10. Die Brennstoffzellensysteme 10 weisen jeweils eine Brennstoffzellenanordnung 5 auf, der mittels einer erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte 1 die für den Betrieb erforderlichen Medien zugeführt werden, während gebrauchte Medien auch wieder abgeleitet und gegebenenfalls behandelt werden. Das Brennstoffzellensystem von Figur 1 und das Brennstoffzellensystem von Figur 2 unterscheiden sich lediglich dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 eine Rezirkulationspumpe 49 zum Rezirkulieren des Anodenabgases verwendet wird, während bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 eine Venturidüse 29 zur Rezirkulierung des Anodenabgases verwendet wird. Figure 7 is a schematic representation of the connection of a media management plate according to the invention with a fuel cell assembly. Figures 1 and 2 show schematically the structure of inventive fuel cell systems 10. The fuel cell systems 10 each have a fuel cell assembly 5, which are supplied by means of a media management panel 1 according to the invention the necessary media for operation, while used media are also derived again and optionally treated. The fuel cell system of Figure 1 and the fuel cell system of Figure 2 differ only in that in the embodiment of Figure 1, a recirculation pump 49 is used to recirculate the anode exhaust gas, while in the embodiment of Figure 2, a venturi 29 is used for recirculation of the anode exhaust gas.
Zunächst wird das in Figur 1 dargestellte Brenn Stoffzellen System beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine konventionelle Brennstoffzellenanordnung 5 auf, die in Figur 1 schematisch durch eine einzige Brennstoffzelle mit einer Anode 6, einer Kathode 7 und einer Kühlplatte 8 dargestellt ist. Die Brennstoffzellenanordnung 5 besitzt einen Anodenbetriebsgaseinlass 61 , einen Anodenabgasauslass 62, einen Kathodenbe- triebsgaseinlass 71 , einen Kathodenabgasauslass 72, einen Kühlmitteleinlass 81 und einen Gebrauchtkühlmittelauslass 82. First, the fuel cell system shown in Figure 1 will be described. The fuel cell system 10 has a conventional fuel cell arrangement 5, which is shown schematically in FIG. 1 by a single fuel cell with an anode 6, a cathode 7 and a cooling plate 8. The fuel cell assembly 5 has an anode operating gas inlet 61, an anode exhaust outlet 62, a cathode operating gas inlet 71, a cathode exhaust outlet 72, a coolant inlet 81 and a used coolant outlet 82.
Die Medienmanagementplatte 1 weist einen flachen Grundkörper auf, der typischerweise aus Metall oder Kunststoff besteht. Der Grundkörper besitzt eine erste Hauptfläche 3, mit der er an der Brennstoffzellenanordnung befestigt wird und eine zweite Hauptfläche 4, an der das Leitungssystem zur Zuleitung und Ableitung frischer beziehungsweise gebrauchter Brennstoffzellenmedien, und die benötigten Ventile, Sensoren, Aktoren und Behandlungseinrichtungen befestigt sind. Die einzelnen Elemente werden im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems beschrieben. The media management board 1 has a flat base, which is typically made of metal or plastic. The main body has a first main surface 3, with which it is attached to the fuel cell assembly and a second main surface 4, to which the conduit system for supplying and discharging fresh or used fuel cell media, and the required valves, sensors, actuators and treatment devices are attached. The individual elements are described in connection with the method for operating the fuel cell system.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird frisches Anodenbetriebsgas, beispielsweise Wasserstoff, aus einer (nicht dargestellten) Anodenbetriebsgasquelle durch den Einlass 12 in die Anodenbetriebsgasleitung 11 der Medienmanagementplatte eingespeist. In der Leitung 11 strömt das Anodenbetriebsgas zu einem Auslass 15, wo es die Medienmanagementplatte 1 verlässt. Durch Betätigung eines Absperrventils 13 in der Anodenbetriebsgasleitung 11 wird die Zuleitung von frischem Anodenbetriebsgas je nach Bedarf begonnen oder beendet. Zwischen dem Absperrventil 13 und dem Auslass 15 befindet sich ein Druckminderer 14, der zur Einstellung des für den Brennstoffzellenbetrieb benötigten Anodenbetriebsgasdrucks dient. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform befindet sich in der Anodenbetriebsgasleitung 11 auch ein Partikelfilter 39, der in dem Anodenbetriebsgas mitgeführte Partikel herausfiltert. Das aus dem Auslass 15 strömende Anodenbetriebsgas tritt unmittelbar in den Anodenbetriebsgaseinlass 61 der Brennstoffzellenanordnung 5 ein. Gebrauchtes Anodenbetriebsgas verlässt die Brennstoffzellenanordnung 5 als Anodenabgas durch den Anodenabgasauslass 62 und tritt unmittelbar in den Anodenabgasein- lass 17 der Anodenabgasleitung 16 der Medienmanagementplatte 1 ein. Durch die Anodenabgasleitung 16 strömt das Anodenabgas zu einem Wasserabscheider 30, beispielsweise zu einem Drallabscheider, in dem das mitgeführte Produktwasser von dem Anodenabgas abgetrennt wird. Das abgetrennte Wasser sammelt sich in dem Reservoir 31 , während das Anodenabgas das Reservoir 31 durch den Anodenabgasauslass 32 verlässt und in einer Anodenabgasleitung 16' und einer Anodenabgasrezirkulierungslei- tung 22 zu einer Anschlussstelle 23 für eine Rezirkulationspumpe 49 strömt. Bei angeschlossener Rezirkulationspumpe 49 verlässt das Anodenabgas die Medienmanagementplatte 1 an der Anschlussstelle 23 und tritt durch die Anschlussstelle 24 für die Rezirkulationspumpe wieder in die Medienmanagementplatte 1 ein. Von dort strömt das Anodenabgas, das noch unverbrauchtes Anodenbetriebsgas enthält, zu einer Stelle 25, an der die Anodenabgasrezirkulierungsleitung 22 in die Anodenbetriebsgasleitung 11 mündet. In operation of the fuel cell system 10, fresh anode operating gas, such as hydrogen, is fed from an anode operating gas source (not shown) through the inlet 12 to the anode operating gas line 11 of the media management board. In line 11, the anode operating gas flows to an outlet 15 where it exits the media management panel 1. By operating a shut-off valve 13 in the anode operating gas line 11, the supply of fresh anode operating gas is started or stopped as needed. Between the shut-off valve 13 and the outlet 15 is a pressure reducer 14, which serves to set the anode operating gas pressure required for fuel cell operation. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the anode operating gas line 11 also contains a particle filter 39 which filters out particles entrained in the anode operating gas. The anode operating gas flowing out of the outlet 15 directly enters the anode operating gas inlet 61 of the fuel cell assembly 5. Used anode operating gas exits the fuel cell assembly 5 as anode exhaust gas through the anode exhaust outlet 62 and enters directly into the anode exhaust inlet 17 of the anode exhaust line 16 of the media management board 1. Through the anode exhaust gas line 16, the anode exhaust gas flows to a water separator 30, for example to a swirl separator, in which the entrained product water is separated from the anode exhaust gas. The separated water collects in the reservoir 31 while the anode off-gas leaves the reservoir 31 through the anode off-gas outlet 32 and flows in an anode exhaust gas line 16 'and an anode off-gas recirculation line 22 to a connection point 23 for a recirculation pump 49. When the recirculation pump 49 is connected, the anode exhaust gas leaves the media management plate 1 at the connection point 23 and reenters the media management plate 1 through the connection point 24 for the recirculation pump. From there, the anode exhaust gas, which still contains unconsumed anode operating gas, flows to a point 25 at which the anode exhaust gas recirculation line 22 discharges into the anode operating gas line 11.
Von Zeit zu Zeit muss Anodenabgas aus dem Leitungssystem ausgespült werden, um eine Anreicherung unerwünschter Gase wie Stickstoff oder Kohlendioxid in dem Anodenabgas zu verhindern. Das Ausspülen geschieht über die Anodenabgasenttassungsleitung 19, die an der Stelle 18 von der Anodenabgasleitung 16' abzweigt und zu einem Anodenabgasauslass 20 führt. Ein Anodenabgasspülventil 21 verschließt die Anodenabgasent- lassungsleitung 19 und wird während des Brennstoffzellenbetriebs regelmäßig zum Ausspülen von Anodenabgas geöffnet. From time to time, anode exhaust gas must be purged from the line system to prevent accumulation of undesirable gases such as nitrogen or carbon dioxide in the anode exhaust gas. Rinsing occurs via the anode exhaust bleed line 19, which branches off at the location 18 from the anode exhaust line 16 'and leads to an anode exhaust gas outlet 20. An anode exhaust purge valve 21 closes the anode exhaust gas discharge line 19 and is regularly opened during fuel cell operation for purge of anode exhaust gas.
Zur Überwachung des Anodenbetriebsgasdrucks beziehungsweise des Anodenabgasdrucks in den Leitungen für Anodenbetriebsgas und Anodenabgas sind Drucksensoren vorgesehen, und zur Sicherstellung, dass ein vorbestimmter Maximaldruck nicht überschritten wird, sind Überdruckschalter vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform befinden sich ein Drucksensor 28 sowie zwei Überdruckschalter 27, 27' (aus Sicherheitsgründen redundant) in der Messzweigleitung 26, die von der Anodenabgasrezirkulie- rungsleitung 22 abzweigt. Eine derartige Messzweigleitung muss jedoch nicht zwingend vorhanden sein. Vielmehr können der Drucksensor 28 und die Überdruckschalter 27, 27' auch an anderen Stellen des Leitungssystems für Anodenbetriebsgas oder Anodenabgas angebracht sein, beispielsweise in der Anodenabgasleitung 16 oder in derAnoden- abgasrezirkulierungsleitung 22. Der Drucksensor 28 ermittelt während des Brennstoffzellenbetriebs kontinuierlich den Druck in dem Leitungssystem. Liegt der ermittelte Druck unterhalb des vorgegebenen Solldrucks, wird das Ventil des Druckminderers 14 so weit geöffnet, dass der Solldruck gehalten wird. Die Überdruckschalter 27, 27' überwachen den Druck in dem Leitungssystem und schalten bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks das System über eine Sicherheitsschaltung in einen sicheren Zustand, beispielsweise durch Schließen des Anodenbetriebsgasabsperrventils 13. For monitoring the anode operating gas pressure or the anode exhaust pressure in the lines for anode operating gas and anode exhaust pressure sensors are provided, and to ensure that a predetermined maximum pressure is not exceeded, pressure switches are provided. In the illustrated embodiment, there are a pressure sensor 28 and two pressure switches 27, 27 '(redundant for safety reasons) in the measuring branch line 26, which branches off from the anode exhaust gas recirculation line 22. However, such a measuring branch line does not necessarily have to be present. Rather, the pressure sensor 28 and the overpressure switches 27, 27 'may also be attached to other locations of the anode operating gas or anode exhaust line system, such as in the anode exhaust line 16 or in the anode exhaust recirculation line 22. The pressure sensor 28 continuously detects the pressure in the piping system during fuel cell operation , If the determined pressure is below the predetermined target pressure, the valve of the pressure reducer 14 is opened so far that the target pressure is maintained. Monitor the overpressure switches 27, 27 ' the pressure in the line system and switch when a predetermined maximum pressure is exceeded, the system via a safety circuit in a safe state, for example by closing the Anodenbetriebsgasabsperrventils 13th
Kathodenbetriebsgas aus einer (nicht dargestellten) Kathodenbetriebsgasquelle wird durch den Einlass 51 in die Kathodenbetriebsgasleitung 50 eingespeist. Es verlässt die Kathodenbetriebsgasleitung durch den Auslass 52, von wo aus es unmittelbar in den Ka- thodenbetriebsgaseinlass 71 der Brennstoffzellenanordnung 5 eingespeist wird. In der dargestellten Ausführungsform ist die Kathodenbetriebsgasleitung 50 mit einem Sensor 53 zur Messung des Kathodenbetriebsgasdrucks und mit einem Sensor 54 zur Messung der Kathodenbetriebsgastemperatur ausgestattet. Als Kathodenbetriebsgas wird typischerweise Luft verwendet, die von einem Gebläse als Kathodenbetriebsgasquelle zugeführt wird. Die Erfindung ist jedoch für beliebige Kathodenbetriebsgase anwendbar. Cathode operating gas from a cathode operating gas source (not shown) is fed to the cathode working gas line 50 through the inlet 51. It exits the cathode operating gas line through the outlet 52, from where it is directly fed to the cathode operating gas inlet 71 of the fuel cell assembly 5. In the illustrated embodiment, the cathode operating gas line 50 is equipped with a sensor 53 for measuring the cathode operating gas pressure and a sensor 54 for measuring the cathode operating gas temperature. As the cathode operating gas, air is typically used, which is supplied from a blower as a cathode operating gas source. However, the invention is applicable to any cathode operating gases.
Das Kathodenabgas verlässt die Brennstoffzellenanordnung 5 durch den Kathodenab- gasauslass 72, von wo aus es unmittelbar in den Kathodenabgaseinlass 56 der Kathodenabgasleitung 55 gelangt. Das Kathodenabgas verlässt die Medienmanagementplatte 1 durch den Kathodenabgasauslass 57, wobei im Falle des Kathodenabgases, im Gegensatz zum Anodenabgas, ein Entlassen in die Umwelt problemlos möglich ist. In der dargestellten Ausführungsform der Medienmanagementplatte 1 ist die Kathodenabgasleitung 55 mit einem Temperatursensor 58 und einer Rückschlagklappe 59 ausgestattet. Die Rückschlagklappe lässt das Kathodenabgas entweichen, solange es einen gewünschten Solldruck überschreitet. Bei Unterschreiten des Solldrucks schließt die Rückschlagklappe 59, so dass kein Eindringen von Umgebungsluft oder anderer Stoffe in die Kathodenabgasleitung 55 möglich ist. The cathode exhaust gas leaves the fuel cell assembly 5 through the cathode exhaust outlet 72, from where it passes directly into the cathode exhaust inlet 56 of the cathode exhaust gas line 55. The cathode exhaust leaves the media management plate 1 through the cathode exhaust outlet 57, wherein in the case of the cathode exhaust gas, unlike the anode exhaust gas, discharge into the environment is easily possible. In the illustrated embodiment of the media management board 1, the cathode exhaust pipe 55 is equipped with a temperature sensor 58 and a check valve 59. The check valve allows the cathode exhaust gas to escape as long as it exceeds a desired setpoint pressure. Falls below the target pressure closes the check valve 59, so that no penetration of ambient air or other substances in the cathode exhaust gas line 55 is possible.
Kühlmittel wird durch die Kühlmittelleitung 40 der Medienmanagementplatte 1 der Brennstoffzellenanordnung 5 zugeführt, und durch die Gebrauchtkühlmittelleitung 65 der Medienmanagementplatte 1 wieder abgeleitet. Die Kühlmittelleitung 40 hat einen Kühlmitte- leinlass 41 , durch den Kühlmittel aus einem (nicht dargestellten) Kühlmittelvorratsbehälter in die Kühlmittelleitung 40 eingespeist wird. Das Kühlmittel verlässt die Kühlmittelleitung 40 durch den Kühlmittelauslass 47, von wo aus es unmittelbar in den Kühlmittelein- lass 81 der Brennstoffzellenanordnung 5 eingespeist wird. Das erwärmte Kühlmittel verlässt die Brennstoffzellenanordnung 5 durch den Gebrauchtkühlmittelauslass 82, von wo aus es unmittelbar in den Gebrauchtkühlmitteleinlass 66 der Gebrauchtkühlmittelleitung 65 gelangt. Das Gebrauchtkühlmittel verlässt die Leitung 65 durch den Gebrauchtkühlmittelauslass 67, und wird bevorzugt zurück in den Kühlmittelvorratsbehälter geleitet, von wo aus es erneut in die Kühlmittelleitung 40 eingespeist werden kann. Sensoren 42, 68 in der Kühlmittelleitung 40 und der Gebrauchtkühlmittelleitung 65 dienen der Messungen der Temperatur des Kühlmittels und des Gebrauchtkühlmittels. Coolant is supplied through the coolant line 40 to the media management board 1 of the fuel cell assembly 5, and discharged again through the used coolant line 65 of the media management board 1. The coolant line 40 has a coolant inlet 41 through which coolant from a coolant reservoir (not shown) is fed into the coolant line 40. The coolant leaves the coolant line 40 through the coolant outlet 47, from where it is fed directly into the coolant inlet 81 of the fuel cell assembly 5. The heated coolant exits the fuel cell assembly 5 through the used coolant outlet 82, whence it directly enters the used coolant inlet 66 of the used coolant line 65. The used coolant exits the line 65 through the used coolant outlet 67, and is preferably directed back into the coolant reservoir from where it can be re-fed to the coolant line 40. Sensors 42, 68 in the coolant line 40 and the used coolant line 65 are used for the measurements of the temperature of the coolant and the used coolant.
Von der Kühlmittelleitung 40 zweigt eine Zweigleitung 44 mit Verzweigungsleitungen 45 ab, die weiter unten beschrieben werden. From the coolant line 40 branches off a branch line 44 with branch lines 45, which are described below.
Das während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung aus dem Anodenabgas abgeschiedene und in dem Wasserreservoir 31 gesammelte Wasser kann durch den Wasserkanal 34 abgelassen werden. Der Wasserkanal 34 ist normalerweise durch das Wasserablassventil 35 verschlossen. Das Ventil 35 wird geöffnet, wenn ein mit dem Wasserreservoir in Verbindung stehender Füllstandsschalter 37 anzeigt, dass der maximale Füllstand des Reservoirs erreicht ist. In der dargestellten Ausführungsform mündet der Wasserkanal 34 an der Stelle 36 in die Kathodenabgasleitung 55, und das abgelassene Wasser verlässt die Medienmanagementplatte 1 zusammen mit dem Kathodenabgas durch den Kathodenabgasauslass 57. Nach dem Ablassen einer vorgegebenen Menge Wasser wird das Wasserablassventil 35 wieder geschlossen. The water separated from the anode exhaust gas during operation of the fuel cell assembly and collected in the water reservoir 31 may be drained through the water channel 34. The water channel 34 is normally closed by the water drainage valve 35. Valve 35 is opened when a level switch 37 in communication with the water reservoir indicates that the maximum level of the reservoir has been reached. In the illustrated embodiment, the water channel 34 opens into the cathode exhaust line 55 at location 36, and the drained water exits the media management panel 1 along with the cathode exhaust gas through the cathode exhaust outlet 57. After draining a predetermined amount of water, the water drain valve 35 is closed again.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Medienmanagementplatte 1 ist die Rezirkulationspumpe 49 durch eine Strahldüse (Venturidüse) 29 ersetzt. Bei der dargestellten Ausführungsform verlässt das Anodenabgas das Wasserreservoir 31 durch die Anodenabgasleitung 16', die an der Stelle 18 in die Anodenabgasentlassungsleitung 19 sowie in die Anodenabgasrezirkulierungsleitung 22 übergeht. Aus derAnodenabgasrezir- kulierungsleitung 22 wird das Anodenabgas durch die Venturidüse 29 in die Anodenbetriebsgasleitung 11 eingesaugt. Bevorzugt befindet sich in derAnodenabgasrezirkulie- rungsleitung 22 ein Ventil, dass jeweils geschlossen wird, wenn das Anodenabgasspül- ventil 21 geöffnet wird. In the embodiment of the media management plate 1 shown in FIG. 2, the recirculation pump 49 is replaced by a jet nozzle (venturi nozzle) 29. In the illustrated embodiment, the anode off-gas leaves the water reservoir 31 through the anode exhaust gas line 16 ', which merges into the anode exhaust gas discharge line 19 and the anode exhaust gas recirculation line 22 at the point 18. From the anode exhaust gas recirculation line 22, the anode exhaust gas is sucked through the venturi 29 into the anode operation gas line 11. Preferably, in the anode exhaust gas recirculation line 22, there is a valve that closes when the anode exhaust purging valve 21 is opened.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte wird das Kühlmittel verwendet, um vereisungsgefährdete Bauteile, insbesondere Leitungen und sonstige Hohlräume, in denen sich Prozesswasser ansammeln kann, zu beheizen. Dazu wird das Kühlmittel bei Bedarf durch eine Kühlmittelzweigleitung 44 geleitet, die an der Stelle 43 von der Kühlmittelleitung 40 abzweigt und an der Stelle 46 in die Gebrauchtkühlmittelleitung 65 mündet. Die Kühlmittelzweigleitung 44 kann durch ein Ventil 48 geöffnet oder geschlossen werden. Bei geöffnetem Ventil 48 strömt Kühlmittel sowohl durch die Kühlmittelzweigleitung 44 als auch direkt zu der Brennstoffzellenanordnung 5. In den Figuren 1 und 2 ist die Zweigleitung 44 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit als von den übrigen Bauteilen der Medienmanagementplatte 1 getrennt verlaufende Leitung mit Verzweigungsleitungen 45 dargestellt. Tatsächlich verläuft die Kühlmittelzweigleitung 44 und, falls vorhanden, die Verzweigungsleitungen 45, in wärmelei- tendem Kontakt mit den vereisungsgefährdeten Bauteilen der Medienmanagementplatte 1 . Ein beispielhafter Verlauf der Kühlmittelzweigleitung 44 ist in den Figuren 3A bis 3C dargestellt. Die Figuren 3A und 3B zeigen Aufsichten auf die zweite Hauptfläche 4 eines Plattengrundkörpers 2, an der die im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläuterten Bauteile montiert sind. Die Kühlmittelzweigleitung 44 und ihre Verzweigungsleitungen 45a, 45b sind schraffiert dargestellt. Da sie zum Teil durch die zu beheizenden Bauteile verdeckt sind, ist ihr Verlauf nochmals schematisch in Figur 3C dargestellt. In a preferred embodiment of the media management plate according to the invention, the coolant is used to heat icing-prone components, especially pipes and other cavities in which process water can accumulate. For this purpose, the coolant is passed, if necessary, through a coolant branch line 44, which branches off at the point 43 from the coolant line 40 and opens at the point 46 in the used coolant line 65. The coolant branch line 44 may be opened or closed by a valve 48. When the valve 48 is open, coolant flows both through the coolant branch line 44 and directly to the fuel cell arrangement 5. In FIGS. 1 and 2, the branch line 44 is shown with branch lines 45 for reasons of clarity, rather than a line extending from the other components of the media management board 1. In fact, the coolant branch line 44 and, if present, the branch lines 45 run in heat-conducting mode. tending contact with the components of the media management panel 1 which are subject to icing. An exemplary profile of the coolant branch line 44 is shown in FIGS. 3A to 3C. FIGS. 3A and 3B show plan views of the second main surface 4 of a panel base 2, to which the components explained in connection with FIGS. 1 and 2 are mounted. The coolant branch line 44 and its branch lines 45a, 45b are shown hatched. Since they are partially covered by the components to be heated, their course is again schematically shown in Figure 3C.
Bei den in Figur 3A und 3B dargestellten Ausführungsformen der Medienmanagementplatte 1 sind die Kühlmittelleitung 40 (sichtbar sind der Kühlmitteleinlass 41 , derAn- schlussstuzen 97 und der Temperatursensor 42), die Gebrauchtkühlmittelleitung 65 (sichtbar sind der Gebrauchtkühlmittelauslass 67, der Anschlussstutzen 98 und der Temperatursensor 68), die Kathodenbetriebgsgasleitung 50 (sichtbar sind der Kathodenbe- triebsgaseinlass 51 , der Anschlussstutzen 95 und die Sensoren 53, 54), die Kathodenabgasleitung 55 (sichtbar sind der Kathodenabgasauslass 57, der Anschlussstutzen 96, der Sensor 58 und die Rückschlagklappe 59) als Durchführungen durch den Plattengrundkörper 2 ausgebildet. Die Kühlmittelzweigleitung 44 beginnt bei dem Kühlmitteleinlass 41 und verläuft in Kontakt mit dem Anodenabgasauslass 20 (Anschlussstutzen 92), dem Anodenbetriebsgas-Absperrventil 13, dem Anodenbetriebsgas-Druckminderer 14, dem Drucksensor 28 und den Überdruckschaltern 27, 27' (die sich bei der dargestellten Ausführungsform in der Anodenbetriebsgasleitung befinden) und führt schließlich zu dem Ventil 48 und zu dem Kühlmittelauslass 67. Das Ventil 48 befindet sich bei dieser Ausführungsform, anders als bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, am Ende der Zweigleitung. Eine Verzweigungsleitung 45a zweigt unmittelbar nach dem Kühlmitteleinlass 41 von der Zweigleitung 44 ab und führt unter dem Wasserreservoir 31 hindurch zu dem Wasserablassventil 35, dem Kathodenabgasauslass 57 und schließlich zu dem Kühlmittelventil 48. Eine weitere Verzweigungsleitung 45b zweigt zwischen dem Druckminderer 14 und dem Drucksensor 28 von der Zweigleitung 44 ab und führt zu dem Rezirkulationspumpenanschluss 23 (sichtbar ist der Anschlussstutzen 93) und zu dem Anodenabgasspülventil 21 , um schließlich in die Verzweigungsleitung 45a zu münden. In the embodiments of the media management panel 1 shown in FIGS. 3A and 3B, the coolant line 40 (the coolant inlet 41, the ports 97 and the temperature sensor 42 are visible) are the used coolant line 65 (the used coolant outlet 67, the port 98 and the temperature sensor 68 are visible ), the cathode operating gas line 50 (the cathode operating gas inlet 51, the connecting pipe 95 and the sensors 53, 54 are visible), the cathode exhaust gas line 55 (the cathode exhaust gas outlet 57, the connecting pipe 96, the sensor 58 and the non-return valve 59 are visible) as feedthroughs formed the plate body 2. The coolant branch line 44 begins at the coolant inlet 41 and is in contact with the anode exhaust outlet 20 (port 92), anode operating gas shut-off valve 13, anode operating gas pressure reducer 14, pressure sensor 28, and over-pressure switches 27, 27 '(which in the illustrated embodiment in the anode working gas line) and eventually leads to the valve 48 and to the coolant outlet 67. The valve 48 in this embodiment, unlike the embodiment shown in Figs. 1 and 2, is at the end of the branch line. A branch line 45a branches off the branch line 44 immediately after the coolant inlet 41 and passes under the water reservoir 31 to the water drain valve 35, the cathode exhaust outlet 57 and finally to the coolant valve 48. Another branch line 45b branches between the pressure reducer 14 and the pressure sensor 28 of FIG the branch line 44 and leads to the recirculation pump port 23 (visible is the connecting piece 93) and to the Anodeabgasspülventil 21, to finally open into the branch line 45 a.
Das Kühlmittel wird aus einem Kühlmittelvorratsbehälter entnommen und nach dem Passieren der Medienmanagementplatte wieder in den Kühlmittelvorratsbehälter zurückgeführt. Der Kühlmittelvorratsbehälter ist bevorzugt elektrisch beheizbar, so dass das Kühlmittel auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann, bevor es in die Kühlmittelleitung 40 eingespeist wird. Bevorzugt wird das Kühlmittel vor einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser auf eine Temperatur zwischen 3 und 8°C aufgeheizt, bevor es in die Kühlmittelleitung eingespeist wird. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem innerhalb weniger Minuten "aufgetaut" werden, d. h. etwaiges gefrorenes Wasser in dem Medienleitungssystem wird verflüssigt und das System ist für einen störungsfreien Betrieb bereit. Gefro renes Wasser in dem Wasserreservoir 31 braucht nicht vollständig aufgetaut zu sein, wenn das Ventil 48 geschlossen wird und so das Kühlmittel ausschließlich zu der Brennstoffzellenanordnung 5 geleitet wird. The coolant is removed from a coolant reservoir and returned to the coolant reservoir after passing the media management plate. The coolant reservoir is preferably electrically heated, so that the coolant can be heated to a desired temperature before it is fed into the coolant line 40. Preferably, the coolant is heated prior to startup of the fuel cell system at a temperature below freezing point of water to a temperature between 3 and 8 ° C, before it enters the coolant line is fed. In this way, the fuel cell system can be "thawed" within a few minutes, ie, any frozen water in the fluid line system is liquefied and the system is ready for trouble-free operation. Gefro renes water in the water reservoir 31 need not be completely thawed when the valve 48 is closed and so the coolant is passed exclusively to the fuel cell assembly 5.
In den Figuren 3A und 3B ist der Plattengrundkörper 2 der Medienmanagementplatte 1 als dünne, mittels Wabenstruktur verstärkte Platte dargestellt, an deren zweiter Hauptflä che 4 alle Leitungen, Sensoren, Ventile, sowie der Wasserabscheider mit Wasserreservoir montiert sind. Alternativ ist es jedoch auch möglich, alle Leitungen oder einen Teil der Leitungen des Medienleitungssystems und gewünschtenfalls auch den Wasserabscheider und das Wasserreservoir ganz oder teilweise in das Volumen des Plattengrund körpers 2 zu integrieren. In diesem Fall hat der Plattengrundkörper 2 eine entsprechend größere Dicke, je nach dem, ob die Leitungen vollständig im Inneren des Plattengrundkörpers verlaufen sollen oder noch an der zweiten Hauptfläche 4 sichtbar sein sollen, oder ob gegebenenfalls das komplette Wasserreservoir 31 vollständig in das Volumen des Plattengrundkörpers aufgenommen werden soll. Plattengrundkörper, die in das Volu men integrierte Leitungen und ggf. sonstige in das Volumen integrierte Bauteile, wie beispielsweise eine in das Volumen integrierte Venturidüse, aufweisen, werden bevorzugt durch Gießen oder 3D-Druck hergestellt. Insbesondere 3D-Druck ist bevorzugt, weil sich dadurch leicht ein massiver Block mit beliebig geformten Hohlräumen erhalten lässt. In Figures 3A and 3B, the plate body 2 of the media management board 1 is shown as a thin, honeycomb-reinforced plate on the second Hauptflä surface 4 all lines, sensors, valves, and the water separator are mounted with water reservoir. Alternatively, it is also possible to integrate all or part of the lines of the media line system and, if desired, the water and water reservoir completely or partially in the volume of the plate body 2. In this case, the plate main body 2 has a correspondingly greater thickness, depending on whether the lines are to extend completely inside the plate main body or should still be visible on the second main surface 4, or if possibly the complete water reservoir 31 completely in the volume of the plate body should be included. Plate main body, the volume in the integrated lines and possibly other integrated into the volume components such as a Venturi integrated into the volume, are preferably prepared by casting or 3D printing. In particular, 3D printing is preferred because it can easily obtain a solid block with arbitrarily shaped cavities.
Durch die Integration möglichst vieler Bestandteile des Medienleitungssystems in das Vo lumen des Plattengrundkörpers wird die Anzahl der benötigten Verschraubungen, Verschweißungen oder sonstiger Verbindungen minimiert, was die Abdichtungsproblematik insbesondere beim Wasserstoffkreis erheblich entschärft. In Verbindung mit einer Beheizung durch Kühlmittel, das räumlich getrennt von der Medienmanagementplatte auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann, wird die Sicherheit und Einsatzfähigkeit von Brennstoffzellensystemen in einem breiten Temperaturbereich, insbesondere auch bei sehr tiefen Temperaturen, gegenüber konventionellen Brennstoffzellensystemen deutlich verbessert. By integrating as many components of the media line system into the volume of the plate body as possible, the number of screw connections, welds or other connections required is minimized, which considerably mitigates the sealing problem, particularly in the hydrogen cycle. In conjunction with a heating by coolant, which can be heated spatially separated from the media management panel to the desired temperature, the safety and operational capability of fuel cell systems in a wide temperature range, especially at very low temperatures, compared to conventional fuel cell systems significantly improved.
Die erfindungsgemäßen Medienmanagementplatten werden jeweils so an einer Brennstoffzellenanordnung fixiert, dass die erste Hauptfläche des Plattengrundkörpers zu der Brennstoffzellenanordnung weist. Die Position der Einlasse für die Brennstoffzellenmedien und der Auslasse für die gebrauchten Brennstoffzellenmedien an einer Brennstoffzel- lenanordnung bestimmen jeweils die Position der Auslasse für die entsprechenden Brennstoffzellenmedien und der Einlasse für die entsprechenden gebrauchten Brenn- stoffzellenmedien an der ersten Hauptfläche der Medienmanagementplatte. Wird an einer Brennstoffzellenanordnung eine zu der Anordnung ihrer Einlasse und Auslasse passende Medienmanagementplatte fixiert, so werden bei der Fixierung gleichzeitig die Fluidverbindungen für den Austausch frischer und gebrauchter Brennstoffzellenmedien zwischen der Medienmanagementplatte und der Brennstoffzellenanordnung hergestellt. The media management plates according to the invention are each fixed to a fuel cell arrangement such that the first main surface of the plate main body faces the fuel cell arrangement. The position of the fuel cell media inlets and the used fuel cell media outlets on a fuel cell assembly will respectively determine the position of the outlets for the respective fuel cell media and the inlets for the corresponding used fuel cell media. substance cell media at the first major surface of the media management panel. If a media management plate which is suitable for the arrangement of its inlets and outlets is fixed to a fuel cell arrangement, the fluid connections for the exchange of fresh and used fuel cell media between the media management plate and the fuel cell assembly are simultaneously produced during the fixation.
Es gibt also genau eine Position, in der eine Medienmanagementplatte an der Brennstoffzellenanordnung, für die sie konzipiert wurde, befestigt werden kann. Eine Veränderung der Lage der Brennstoffzellenanordnung, beispielsweise eine Drehung, bewirkt eine entsprechende Lageveränderung der Medienmanagementplatte. So there is exactly one position where a media management panel can be attached to the fuel cell assembly for which it was designed. A change in the position of the fuel cell assembly, for example a rotation, causes a corresponding change in position of the media management panel.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Medienmanagementplatte ist so konzipiert, dass sie sowohl waagrecht liegend (flächige Erstreckung senkrecht zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft) als auch senkrecht stehend (flächige Erstreckung parallel zur Richtung der Wirkung der Schwerkraft) funktionsfähig ist. Senkrecht "stehend" ist die Medienmanagementplatte seitlich an einer Brennstoffzellenanordnung befestigt, waagrecht "liegend" ist sie an der Unterseite einer Brennstoffzellenanordnung befestigt. "Oben" und "unten" bezieht sich auf die Richtung der Wirkung der Schwerkraft. Die Schwerkraft wirkt definitionsgemäß von oben nach unten. A preferred embodiment of the media management plate according to the invention is designed so that it is both horizontally lying (areal extent perpendicular to the direction of the effect of gravity) and vertically standing (planar extent parallel to the direction of the action of gravity) is functional. Vertically "standing", the media management board is laterally attached to a fuel cell assembly, horizontally "lying" it is attached to the underside of a fuel cell assembly. "Above" and "below" refers to the direction of the action of gravity. By definition, gravity acts from top to bottom.
Bei der sowohl waagrecht als auch senkrecht funktionsfähigen Medienmanagementplatte sind der Verlauf der Leitungen sowie Form und Anordnung von Hohlräumen wie Sen- sorkavitäten so gewählt, dass sich sowohl bei senkrechter als auch bei waagrechter Medienmanagementplatte möglichst wenig Wasser ansammeln kann. Das Wasserreservoir ist so geformt und angeordnet, dass sowohl bei senkrechter als auch bei waagrechter Medienmanagementplatte ein störungsfreies Einströmen und Ausströmen von Anodenabgas und ein Ablassen des gesammelten Wassers möglich ist. Was die Leitungen betrifft, wird dies in einfacher Weise dadurch erreicht, dass Leitungsverläufe mit Wölbungen nach unten vermieden werden. Wasserreservoire und Sensorhohlräume werden nachstehend beschrieben. In the case of the horizontally and vertically operable media management plate, the course of the lines as well as the shape and arrangement of cavities such as sensor cavities are selected so that as little water as possible can accumulate on both a vertical and a horizontal media management plate. The water reservoir is shaped and arranged so that both vertical and horizontal media management plate trouble-free inflow and outflow of anode exhaust gas and a discharge of the collected water is possible. As far as the lines are concerned, this is achieved in a simple way by avoiding line courses with bulges downwards. Water reservoirs and sensor cavities are described below.
Die Figuren 4A und 4B zeigen ein Wasserreservoir 31 eines waagrecht liegenden bzw. eines senkrecht stehenden Plattengrundkörpers 2. Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Reservoir 31 eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche mit den Ecken A, B, C, D, mit der es an der zweiten Hauptfläche 4 des Plattengrundkörpers befestigt ist. Das Reservoir 31 erstreckt sich von dem Plattengrundkörper 2 weg (distal) bis zu den Ecken E und F. Der Anodenabgaseinlass 38 und derAnodenabgasauslass 32 befinden sich in einem Bereich des Wasserreservoirs 31 , der sowohl möglichst nahe an dem Plattengrundkörper 2 (proximal) als auch möglichst nahe an der Mitte des Platten- grundkörpers 2 (innen) ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich der Anodenab- gaseinlass 38 und derAnodenabgasauslass 32 sowohl bei waagrechter Medienmanagementplatte als auch bei senkrechter Medienmanagementplatte "oben" befinden, also an Stellen, die bei steigendem Wasserspiegel in dem Reservoir 31 möglichst spät erreicht werden. Das aus dem Anodenabgas abgeschiedene Wasser sammelt sich, der Schwerkraft folgend, im unteren Bereich des Reservoirs 31 . Bei waagrecht liegender Medienmanagementplatte beginnt die Ansammlung an der Kante E/F, und bei senkrecht stehender Medienmanagementplatte beginnt die Ansammlung auf der Fläche C-D-F-E. Damit das Reservoir 31 sowohl bei waagrechter als auch bei senkrechter Medienmanagementplatte problemlos geleert werden kann, befindet sich der Wasserauslass 33 des Reservoirs, durch den das gesammelte Wasser in den Kanal 34 entlassen wird, möglichst nahe an einer der Ecken E, F (Fig. 4C). Fig. 4C zeigt eine Aufsicht auf die Fläche C-E-F-D des in Fig. 4A dargestellten Wasserreservoirs. Wie aus Fig. 4C ersichtlich ist, steigt das entlassene Wasser in dem zu der zweiten Hauptfläche 4 des Plattengrundkörpers 2 führenden Kanal 34 entgegen der Richtung der Schwerkraft nach oben. Verantwortlich dafür ist der in dem Reservoir 31 herrschende Druck des Anodenabgases. Figures 4A and 4B show a water reservoir 31 of a horizontal or a vertical plate main body 2. In the illustrated embodiment, the reservoir 31 has a substantially square base with the corners A, B, C, D, with which it at the second Main surface 4 of the disk base is attached. The reservoir 31 extends away from the plate body 2 (distally) to the corners E and F. The anode exhaust inlet 38 and the anode exhaust outlet 32 are located in a region of the water reservoir 31 which is as close as possible to the plate body 2 (proximal) and as possible near the middle of the plate body 2 (inside) is. In this way, it is ensured that the anode exhaust gas inlet 38 and the anode exhaust gas outlet 32 are "upwards" both in the case of a horizontal media management plate and in the case of a vertical media management plate, ie at locations which are reached as late as possible in the reservoir 31 as the water level rises. The separated from the anode exhaust gas accumulates, following gravity, in the lower region of the reservoir 31st With the media management panel horizontal, the accumulation begins at the edge E / F, and with the media management panel vertical, the accumulation begins on the CDFE surface. So that the reservoir 31 can be easily emptied both in horizontal and vertical media management plate, the water outlet 33 of the reservoir, through which the collected water is discharged into the channel 34, as close to one of the corners E, F (Fig. 4C ). Fig. 4C shows a plan view of the surface CEFD of the water reservoir shown in Fig. 4A. As shown in FIG. 4C, the discharged water in the channel 34 leading to the second major surface 4 of the disc main body 2 rises upward against the direction of gravity. Responsible for this is the prevailing in the reservoir 31 pressure of the anode exhaust gas.
Das Reservoir 31 wird möglichst nahe am Außenumfang des Plattengrundkörpers 2 angebracht. Dadurch ist gewährleistet, dass eine senkrechte Medienmanagementplatte so ausgerichtet bzw. gedreht werden kann, dass sich das Reservoir 31 "unten" befindet. Es versteht sich, dass die senkrechte Medienmanagementplatte theoretisch auch so gedreht werden könnte, dass sich das Reservoir nicht mehr "unten" befindet, sondern beispielsweise um 180° gedreht genau "oben" angeordnet ist. Bei einer senkrechten Medienmanagementplatte werden die Richtungen "oben" und "unten" jedoch zwingend vorgegeben durch die Anordnung der Anschlüsse für die Zuleitung von frischen Brennstoffzellenmedien zu der Brennstoffzellenanordnung, und für die Ableitung von gebrauchten Brennstoffzellenmedien aus der Brennstoffzellenanordnung. Diese Anschlüsse sind so anzuordnen, dass sich bei einer senkrechten Medienmanagementplatte das Reservoir 31 an einer Stelle befindet, die garantiert, dass Anodenabgas ungehindert ein- und ausströmen kann und gesammeltes Wasser ungehindert abgelassen werden kann. The reservoir 31 is mounted as close to the outer periphery of the plate body 2. This ensures that a vertical media management plate can be aligned or rotated so that the reservoir 31 is "down". It is understood that the vertical media management plate could theoretically also be rotated so that the reservoir is no longer "down", but, for example, rotated by 180 ° exactly "up" is arranged. However, in a vertical media management panel, the directions "up" and "down" are dictated by the location of the ports for the delivery of fresh fuel cell media to the fuel cell assembly, and the discharge of used fuel cell media from the fuel cell assembly. These connections should be arranged so that, in the case of a vertical media management plate, the reservoir 31 is in a position which guarantees that anode exhaust gas can flow freely in and out and collected water can be released unhindered.
Bevorzugt ist das Wasserreservoir 31 auch mit einem Füllstandsschalter ausgestattet, der den Wasserauslass 33 öffnet, sobald ein vorgegebener Füllstand erreicht ist. Um zu gewährleisten, dass das Wasserreservoir sowohl bei waagrechter als auch bei senkrechter Medienmanagementplatte gut gefüllt werden kann, aber trotzdem der Anodenabgas- einlass 38 und derAnodenabgasauslass 32 nicht unter Wasser gesetzt werden, wird dieser Füllstandsschalter mehr im proximalen als im distalen Bereich, und mehr im inneren als im äußeren Bereich des Wasserreservoirs 31 angebracht, aber distaler und weiter außen als der Anodenabgaseinlass 38 und derAnodenabgasauslass 32. Die Form des Wasserreservoirs 31 ist grundsätzlich beliebig, solange gewährleistet ist, dass Anodenabgas ungehindert einströmen und ausströmen kann, und angesammeltes Wasser bei Bedarf abgelassen werden kann, sowohl bei waagrechter als auch bei senkrechter Medienmanagementplatte. Einige beispielhafte Formen sind in den Figuren 5A bis 5G dargestellt. Die Dreiecke bezeichnen jeweils mögliche Positionen für einen Füllstandsschalter. Preferably, the water reservoir 31 is also equipped with a level switch that opens the water outlet 33 as soon as a predetermined level is reached. In order to ensure that the water reservoir can be well filled in both horizontal and vertical media management plates, but nevertheless the anode exhaust inlet 38 and the anode exhaust outlet 32 are not submerged, this level switch becomes more proximal than distal, and more so inner than in the outer region of the water reservoir 31, but more distal and more outer than the anode exhaust inlet 38 and the anode exhaust outlet 32. The shape of the water reservoir 31 is basically arbitrary, as long as it is ensured that anode exhaust gas can flow in and out unhindered, and accumulated water can be drained if necessary, both in horizontal and vertical media management plate. Some exemplary shapes are shown in FIGS. 5A to 5G. The triangles each indicate possible positions for a level switch.
Fig. 5A zeigt das in Fig. 4 dargestellte Reservoir. Der Anodenabgaseinlass 38 befindet sich in der Fläche BCE, der Anodenabgasauslass 32 befindet sich in der Fläche ABEF, der Füllstandsschalter 37 ist ebenfalls an der Fläche ABEF angebracht, und der Was- serauslass 33 befindet sich in der Fläche ADF. Fig. 5A shows the reservoir shown in Fig. 4. The anode exhaust inlet 38 is in the area BCE, the anode exhaust outlet 32 is in the area ABEF, the level switch 37 is also mounted on the area ABEF, and the water outlet 33 is in the area ADF.
Fig. 5E zeigt einen Schnitt durch das in Fig. 5A dargestellte Wasserreservoir entlang der strichpunktierten Linie. FIG. 5E shows a section through the water reservoir shown in FIG. 5A along the dot-dash line. FIG.
Fig. 5B zeigt ein ähnliches Reservoir wie Fig. 5A, wobei jedoch die Fläche CDFE nach unten geneigt ist, bei senkrechter Medienmanagementplatte betrachtet. Der Wasseraus- lass 33 befindet sich an der tiefsten Stelle des Reservoirs, so dass das Reservoir bei jeder Ausrichtung vollständig entleert werden kann. Fig. 5B shows a reservoir similar to Fig. 5A, but with the CDFE surface inclined downwardly, as viewed in the vertical media management plate. The water outlet 33 is located at the lowest point of the reservoir, so that the reservoir can be completely emptied with each orientation.
Fig. 5F zeigt eine Schnittdarstellung durch das Reservoir von Fig. 5B entlang der strichpunktierten Linie. FIG. 5F shows a sectional view through the reservoir of FIG. 5B along the dot-dash line. FIG.
Das in Fig. 5C dargestellte Reservoir 31 ist ein Polyeder, bei dem sich der Anodenabgaseinlass 38 in der Fläche BEF befindet, der Anodenabgasauslass 32 und der Füllstandsschalter 37 sich in der Fläche ABFG befinden, und der Wasserauslass 33 sich in der Fläche AGH befindet. The reservoir 31 shown in Fig. 5C is a polyhedron in which the anode exhaust inlet 38 is in the area BEF, the anode exhaust outlet 32 and the level switch 37 are in the area ABFG, and the water outlet 33 is in the area AGH.
Die in Fig. 5D und Fig. 5G dargestellte Ausführungsform eines Wasserreservoirs 31 hat eine spitzkegelige Form. Der Wasserauslass 33 befindet sich an der Spitze des Kegels, wobei der Kegel so verzerrt ist, dass sich der Wasserauslass bei einer senkrecht stehenden Medienmanagementplatte an der tiefsten Stelle des Reservoirs befindet. The embodiment of a water reservoir 31 shown in FIGS. 5D and 5G has a pointed cone shape. The water outlet 33 is located at the top of the cone, the cone being distorted so that the water outlet is at the deepest point of the reservoir for a vertical media management plate.
Die Figuren 6A bis 6D zeigen, wie Hohlräume zur Aufnahme von Sensoren angeordnet werden müssen, damit sich in ihnen weder bei waagrechter noch bei senkrechter Ausrichtung der Medienmanagementplatte größere Mengen Wasser ansammeln können, die bei tiefen Temperaturen gefrieren und dadurch den Sensor beschädigen könnten. Beispielhaft dargestellt ist eine Druckmesszelle 28 in einer Kavität 26' der Messzweigleitung 26. Die Figuren 6B und 6D zeigen die Anordnung der Messzweigleitung 26 an einem waagrecht ausgerichteten Plattengrundkörper 2 (Fig. 6B) und an einem senkrecht ausgerichteten Plattengrundkörper 2 (Fig. 6D). Ebenfalls dargestellt ist das Wasserreservoir 31 . Die Messzweigleitung 26 befindet sich bei senkrecht stehendem Plattengrundkörper 2 über dem Wasserreservoir 31 . "Über" bedeutet, dass die Anschlusseinrichtungen an die Brennstoffzellenanordnung 5 eine derartige Ausrichtung vorgeben oder zumindest zulassen. FIGS. 6A to 6D show how cavities for receiving sensors have to be arranged so that larger amounts of water, which freeze at low temperatures and thereby damage the sensor, can not accumulate in them either when the media management plate is horizontal or vertical. Illustrated by way of example is a pressure measuring cell 28 in a cavity 26 'of the measuring branch line 26. FIGS. 6B and 6D show the arrangement of the measuring branch line 26 on a horizontally oriented plate main body 2 (FIG. 6B) and on a vertically aligned plate main body 2 (FIG. 6D). Also shown is the water reservoir 31. The measuring branch line 26 is located above the water reservoir 31 when the base body 2 is vertical. "Above" means that the connection means to the fuel cell assembly 5 predetermine or at least allow such an orientation.
Der Hohlraum 26' zur Aufnahme des Sensors 28 (Sensorkavität 26') ist in Fluidverbin- dung mit der Leitung 26, aber gegenüber der Leitung 26 versetzt angeordnet, d. h. er ist von der ersten Hauptfläche 3 der Medienmanagementplatte 1 weiter beabstandet als die Leitung 26. Außerdem befindet er sich bei senkrechter Medienmanagementplatte über der Leitung 26. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei senkrechter Medienmanagementplatte Wasser aus der Kavität 26' in die Leitung 26 abfließt (Fig. 6C, Fig. 6D), und sich bei waagrechter Medienmanagementplatte nicht so viel Wasser in der Sensorkavität 26' ansammeln kann, dass gefrierendes Wasser den Sensor 28 beschädigen könnte (Figuren 6A, 6B). The cavity 26 'for receiving the sensor 28 (sensor cavity 26') is disposed in fluid communication with the conduit 26 but offset from the conduit 26, i. H. it is further spaced from the first major surface 3 of the media management board 1 than the conduit 26. In addition, it is located in the vertical media management plate on the line 26. In this way it is ensured that with vertical media management plate water from the cavity 26 'flows into the conduit 26 (Fig. 6C, Fig. 6D), and with a horizontal media management plate, so much water can not accumulate in the sensor cavity 26 'that freezing water could damage the sensor 28 (Figs. 6A, 6B).
Derartige Sensorkavitäten werden insbesondere in den Leitungen für Anodenbetriebsgas bzw. Anodenabgas benötigt. Die Leitungen für Kathodenbetriebsgas und für Kathodenabgas werden bevorzugt als Durchführungen durch die Medienmanagementplatte gestaltet, so dass Sensoren meist in Anschlussstutzen untergebracht werden. Such sensor cavities are required in particular in the lines for anode operating gas or anode exhaust gas. The lines for cathode operating gas and for cathode exhaust gas are preferably designed as passages through the media management plate, so that sensors are usually housed in connecting pieces.
In Fig. 7 ist schematisch dargestellt, wie eine erfindungsgemäße Medienmanagementplatte mit einer Brennstoffzellenanordnung zu einem Brennstoffzellensystem 10 verbunden werden kann. DerAnschluss 63 verbindet den Anodenbetriebsgasauslass an der ersten Hauptfläche 3 des Plattengrundkörpers 2 mit dem Anodenbetriebsgaseinlass der Brennstoffzellenanordnung 5. DerAnschluss 64 verbindet den Anodenabgaseinlass des Plattengrundkörpers 2 mit dem Anodenabgasauslass der Brennstoffzellenanordnung 5. DerAnschluss 73 verbindet den Kathodenbetriebsgasauslass des Plattengrundkörpers 2 mit dem Kathodenbetriebsgaseinlass der Brennstoffzellenanordnung 5. DerAnschluss 74 verbindet den Kathodenabgasauslass der Brennstoffzellenanordnung 5 mit dem Ka- thodenabgaseinlass des Plattengrundkörpers 2. DerAnschluss 83 verbindet den Kühl- mittelauslass des Plattengrundkörpers 2 mit dem Kühlmitteleinlass der Brennstoffzellenanordnung 5. DerAnschluss 84 verbindet den Gebrauchtkühlmittelauslass der Brennstoffzellenanordnung 5 mit dem Gebrauchtkühlmitteleinlass des Plattengrundkörpers 2. FIG. 7 shows schematically how a media management panel according to the invention can be connected to a fuel cell system 10 with a fuel cell arrangement. The port 63 connects the anode working gas outlet to the first main surface 3 of the plate body 2 to the anode working gas inlet of the fuel cell assembly 5. The port 64 connects the anode exhaust inlet of the plate body 2 to the anode exhaust outlet of the fuel cell assembly 5. The port 73 connects the cathode operating gas outlet of the plate body 2 to the cathode operating gas inlet of the fuel cell assembly 5. The port 74 connects the cathode exhaust port of the fuel cell assembly 5 to the cathode exhaust inlet of the disk main body 2. The port 83 connects the coolant outlet of the disk main body 2 to the coolant inlet of the fuel cell assembly 5. The port 84 connects the used coolant outlet of the fuel cell assembly 5 to the used coolant inlet of the disk main body 2.
An der zweiten Hauptfläche 4 des Plattengrundkörpers 2 befinden sich derAnschluss 91 an den Anodenbetriebsgaseinlass 12, derAnschluss 92 an den Anodenabgasauslass 20, derAnschluss 95 an den Kathodenbetriebsgaseinlass 51 , derAnschluss 96 an den Ka- thodenabgasauslass 57, derAnschluss 97 an den Kühlmitteleinlass 41 und derAnschluss 98 an den Gebrauchtkühlmittelauslass 67. Kühlmittelleitungen 44, 45 zum Beheizen vereisungsgefährdeter Bauteile sind schematisch zwischen der Kühlmittelleitung 40 und der Gebrauchtkühlmittelleitung 65 angedeutet. Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform besitzt keine Anschlüsse für eine Rezirku- lationspumpe. Vielmehr ist bei der dargestellten Ausführungsform zum Rezirkulieren des Anodenabgases eine Venturidüse vorgesehen. On the second main surface 4 of the plate main body 2 are the connection 91 to the anode operating gas inlet 12, the connection 92 to the anode exhaust gas outlet 20, the connection 95 to the cathode operating gas inlet 51, the connection 96 to the cathode exhaust outlet 57, the connection 97 to the coolant inlet 41 and the connection 98 to the used coolant outlet 67. Coolant lines 44, 45 for heating components susceptible to icing are schematically indicated between the coolant line 40 and the used coolant line 65. The embodiment shown in FIG. 7 has no connections for a recirculation pump. Rather, in the illustrated embodiment, a Venturi nozzle is provided for recirculating the anode exhaust gas.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Medienmanagementplatte (1 ) für eine Brennstoffzellenanordnung (5) aufweisend einen Plattengrundkörper (2) mit einer ersten Hauptfläche (3) zur Anbringung an der Brennstoffzellenanordnung (5) und mit einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche1 . A media management panel (1) for a fuel cell assembly (5) comprising a panel body (2) having a first major surface (3) for attachment to the fuel cell assembly (5) and an opposing second major surface
(4), (4)
ein Medienleitungssystem zur Zuleitung der Brennstoffzellenmedien Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel zur der Brennstoffzellenanordnung (5) und zur Ableitung der gebrauchten Brennstoffzellenmedien aus der Brennstoffzellenanordnung (5), wobei das Medienleitungssystem aufweist  a media conduit system for supplying the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas and coolant to the fuel cell assembly (5) and for discharging the used fuel cell media from the fuel cell assembly (5), the media conduit system
eine Anodenbetriebsgasgasleitung (11 ), eine Kathodenbetriebsgasleitung (50) und eine Kühlmittelleitung (40), die von der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2) zur ersten Hauptfläche (3) führen, zur Zulei- tung von Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel zu der Brennstoffzellenanordnung (5), und  an anode-operation-gas-gas conduit (11), a cathode-operation-gas conduit (50) and a coolant conduit (40) leading from the second major surface (4) of the disc main body (2) to the first main surface (3), for supplying anode-operation gas, cathode-operation gas and coolant the fuel cell assembly (5), and
eine Anodenabgasleitung (16, 16', 19), eine Kathodenabgasleitung (55) und eine Gebrauchtkühlmittelleitung (65), die von der ersten Hauptfläche (3) des Plattengrundkörpers (2) zur zweiten Hauptfläche (4) führen, zur Ableitung von Anodenabgas, Kathodenabgas und Gebrauchtkühlmittel aus der Brennstoffzellenanordnung (5),  an anode exhaust gas line (16, 16 ', 19), a cathode exhaust gas line (55) and a used coolant line (65) leading from the first main surface (3) of the plate main body (2) to the second main surface (4) for discharging anode exhaust gas, cathode exhaust gas and used coolant from the fuel cell assembly (5),
einen Wasserabscheider (30) mit Wasserreservoir (31 ) zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Anodenabgas, wobei das Wasserreservoir (31 ) eine Einlassöffnung (38) und Auslassöffnungen (32, 33) für Anodenabgas und für Wasser hat,  a water separator (30) having a water reservoir (31) for separating liquid water from the anode waste gas, the water reservoir (31) having an inlet opening (38) and outlet openings (32, 33) for anode waste gas and water,
einen Kanal (34) zum Ablassen des Wassers aus dem Reservoir (31 )  a channel (34) for discharging the water from the reservoir (31)
Sitze für Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2), die mit dem Medienleitungssystem oder dem Wasserreservoir (31 ) oder dem Kanal (34) in Verbindung stehen,  Seats for valves, measuring devices and control devices on the second main surface (4) of the plate base body (2), which communicate with the medium line system or the water reservoir (31) or the channel (34),
wobei die Anodenbetriebsgasleitung (11 ), die Anodenabgasleitung (16, 16'), das Wasserreservoir (31 ) und optional der Kanal (34) miteinander in Fluidverbindung sind, und  wherein the anode operating gas line (11), the anode exhaust gas line (16, 16 '), the water reservoir (31) and optionally the channel (34) are in fluid communication with each other, and
wobei die Kühlmittelleitung (40) mindestens eine Kühlmittelverzweigungsleitung (45) aufweist, die mindestens teilweise in wärmeleitendem Kontakt ist mit dem Medienleitungssystem und/oder dem Kanal (34) und/oder den Sitzen für Ventile und/oder Messeinrichtungen und/oder Regeleinrichtungen.  wherein the coolant line (40) has at least one coolant branch line (45) which is at least partially in heat-conducting contact with the media line system and / or the channel (34) and / or the seats for valves and / or measuring devices and / or control devices.
2. Medienmanagementplatte (1 ) für eine Brennstoffzellenanordnung (5) aufweisend einen Plattengrundkörper (2) mit einer ersten Hauptfläche (3) zur Anbringung an der Brennstoffzellenanordnung (5) und mit einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche2. media management plate (1) for a fuel cell assembly (5) comprising a plate body (2) having a first major surface (3) for attachment to the fuel cell assembly (5) and having an opposite second major surface
(4), (4)
ein Medienleitungssystem zur Zuleitung der Brennstoffzellenmedien Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel zur der Brennstoffzellenanordnung (5) und zur Ableitung der gebrauchten Brennstoffzellenmedien aus der Brennstoffzellenanordnung (5), wobei das Medienleitungssystem aufweist  a media conduit system for supplying the fuel cell media anode operating gas, cathode operating gas and coolant to the fuel cell assembly (5) and for discharging the used fuel cell media from the fuel cell assembly (5), the media conduit system
eine Anodenbetriebsgasleitung (11 ), eine Kathodenbetriebsgasleitung (50) und eine Kühlmittelleitung (40), die von der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2) zur ersten Hauptfläche (3) führen, zur Zuleitung von Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas und Kühlmittel zu der Brennstoffzellenanordnung (5), und  an anode working gas line (11), a cathode operating gas line (50), and a refrigerant line (40) leading from the second main face (4) of the plate main body (2) to the first main face (3) for supplying anode working gas, cathode working gas, and coolant to the fuel cell assembly (5), and
eine Anodenabgasleitung (16, 16', 19), eine Kathodenabgasleitung (55) und eine Gebrauchtkühlmittelleitung (65), die von der ersten Hauptfläche (3) des Plattengrundkörpers (2) zur zweiten Hauptfläche (4) führen, zur Ableitung von Anodenabgas, Kathodenabgas und Gebrauchtkühlmittel aus der Brennstoffzellenanordnung (5),  an anode exhaust gas line (16, 16 ', 19), a cathode exhaust gas line (55) and a used coolant line (65) leading from the first main surface (3) of the plate main body (2) to the second main surface (4) for discharging anode exhaust gas, cathode exhaust gas and used coolant from the fuel cell assembly (5),
einen Wasserabscheider (30) mit Wasserreservoir (31 ) zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Anodenabgas, wobei das Wasserreservoir (31 ) eine Einlassöffnung (38) und Auslassöffnungen (32, 33) für Anodenabgas und für Wasser hat,  a water separator (30) having a water reservoir (31) for separating liquid water from the anode waste gas, the water reservoir (31) having an inlet opening (38) and outlet openings (32, 33) for anode waste gas and water,
einen Kanal (34) zum Ablassen des Wassers aus dem Reservoir (31 )  a channel (34) for discharging the water from the reservoir (31)
Sitze für Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2), die mit dem Medienleitungssystem oder dem Wasserreservoir (31 ) oder dem Kanal (34) in Verbindung stehen,  Seats for valves, measuring devices and control devices on the second main surface (4) of the plate base body (2), which communicate with the medium line system or the water reservoir (31) or the channel (34),
wobei die Anodenbetriebsgasleitung (11 ), die Anodenabgasleitung (16, 16'), das Wasserreservoir (31 ) und optional der Kanal (34) miteinander in Fluidverbindung sind, und  wherein the anode operating gas line (11), the anode exhaust gas line (16, 16 '), the water reservoir (31) and optionally the channel (34) are in fluid communication with each other, and
wobei die Form des Wasserreservoirs (31 ) und die Anordnung der Einlassöffnung (38) und der Auslassöffnungen (32, 33) so gewählt sind, dass die Medienmanage- mentplatte (1 ) sowohl senkrecht zur Richtung der Schwerkraftwirkung als auch parallel zur Richtung der Schwerkraftwirkung dergestalt ausgerichtet werden kann, dass sich bei von oben nach unten wirkender Schwerkraft die Einlassöffnung (38) und die Auslassöffnung (32) für Anodenabgas im obersten Bereich des Reservoirs (31 ) und die Auslassöffnung (33) für Wasser im untersten Bereich des Reservoirs (31 ) befinden.  wherein the shape of the water reservoir (31) and the arrangement of the inlet opening (38) and the outlet openings (32, 33) are selected such that the media management panel (1) is both perpendicular to the direction of gravity action and parallel to the direction of gravity action that the top-down gravity inlet port (38) and the anode exhaust outlet port (32) can be oriented at the top of the reservoir (31) and the outlet port (33) is at the bottom of the reservoir (31) are located.
3. Medienmanagementplatte (1 ) nach Anspruch 2, bei der die Kühlmittelleitung (40) mindestens eine Kühlmittelverzweigungsleitung (45) aufweist, die mindestens teilweise in wärmeleitendem Kontakt ist mit dem Medienleitungssystem und/oder dem Ka- nal (34) und/oder den Sitzen für Ventile und/oder Messeinrichtungen und/oder Regeleinrichtungen. 3. media management plate (1) according to claim 2, wherein the coolant line (40) at least one coolant branch line (45) which is at least partially in heat-conducting contact with the media line system and / or the Ka nal (34) and / or the seats for valves and / or measuring devices and / or regulating devices.
4. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem aufweisend Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen, die an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers angebracht sind, zum Messen und/oder Regeln der Menge und/oder des Drucks und/oder der Temperatur der in dem Medienleitungssystem strömenden Medien und/oder der Wassermenge in dem Wasserreservoir (31 ). A media management panel (1) according to any one of claims 1 to 3, further comprising valves, measuring means and control means mounted on the second major surface (4) of the panel body for measuring and / or controlling the amount and / or pressure and / or or the temperature of the media flowing in the media conduit system and / or the amount of water in the water reservoir (31).
5. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem aufweisend Anschlusseinrichtungen (91 , 95, 97) an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2) zum Verbinden der Anodenbetriebsgasleitung (11 ) mit einer Anodenbetriebsgasquelle und/oder der Kathodenbetriebsgasleitung (50) mit einer Kathodenbetriebsgasquelle und/oder der Kühlmittelleitung (40) mit einer Kühlmittelquelle. The media management board (1) according to any one of claims 1 to 4, further comprising connecting means (91, 95, 97) on the second major surface (4) of the disk base (2) for connecting the anode working gas pipe (11) to an anode operating gas source and / or the Cathode operating gas line (50) having a cathode operating gas source and / or the coolant line (40) having a coolant source.
6. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem aufweisend Anschlusseinrichtungen (63, 73, 83) an der ersten Hauptfläche (3) des Plattengrundkörpers (2) zum Verbinden der Anodenbetriebsgasleitung (11 ) mit einem An- odenbetriebsgaseinlass (61 ) der Brennstoffzellenanordnung (5) und/oder der Kathodenbetriebsgasleitung (50) mit einem Kathodenbetriebsgaseinlass (71 ) der Brennstoffzellenanordnung (5) und/oder der Kühlmittelleitung (40) mit einem Kühlmittelein- lass (81 ) der Brennstoffzellenanordnung (5). The media management board (1) according to any one of claims 1 to 5, further comprising connection means (63, 73, 83) on the first main surface (3) of the disk main body (2) for connecting the anode operation gas pipe (11) to an anode operation gas inlet (61 ) of the fuel cell arrangement (5) and / or the cathode operating gas line (50) with a cathode operating gas inlet (71) of the fuel cell arrangement (5) and / or the coolant line (40) with a coolant inlet (81) of the fuel cell arrangement (5).
7. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem aufweisend Anschlusseinrichtungen (64, 74, 84) an der ersten Hauptfläche (3) des Plattengrundkörpers (2) zum Verbinden der Anodenabgasleitung (16) mit einem Anodenab- gasauslass (62) der Brennstoffzellenanordnung (5) und/oder der Kathodenabgasleitung (55) mit einem Kathodenabgasauslass (72) der Brennstoffzellenanordnung (5) und/oder der Gebrauchtkühlmittelleitung (65) mit einem Gebrauchtkühlmittelauslass (82) der Brennstoffzellenanordnung (5). The media management panel (1) according to any one of claims 1 to 6, further comprising connection means (64, 74, 84) on the first major surface (3) of the panel body (2) for connecting the anode exhaust conduit (16) to an anode exhaust outlet (62 ) of the fuel cell assembly (5) and / or the cathode exhaust conduit (55) having a cathode exhaust outlet (72) of the fuel cell assembly (5) and / or the used coolant conduit (65) with a used coolant outlet (82) of the fuel cell assembly (5).
8. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, außerdem aufweisend Anschlusseinrichtungen (92, 96, 98) an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2) zum Verbinden der Anodenabgasleitung (16, 16', 19) mit einer Anodenabgasentsorgungseinrichtung und/oder der Kathodenabgasleitung (55) mit einer Kathodenabgasentsorgungseinrichtung und/oder der Gebrauchtkühlmittelleitung (65) mit einer Gebrauchtkühlmittelentsorgungseinrichtung. The media management panel (1) according to any one of claims 1 to 7, further comprising attachment means (92, 96, 98) on the second major surface (4) of the panel body (2) for connecting the anode exhaust conduit (16, 16 ', 19) to one Anode exhaust gas disposal device and / or the cathode exhaust gas line (55) with a cathode exhaust gas disposal device and / or the used coolant line (65) with a used coolant removal device.
9. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anodenabgasleitung (16. 16') eine Anodenabgasrezirkulierungsleitung (22) aufweist, die in die Anodenbetriebsgasleitung (11 ) mündet und Anschlussstellen (23, 24) für eine Re- zirkulationspumpe (49) hat. The media management panel (1) according to any one of claims 1 to 8, wherein the anode exhaust gas line (16, 16 ') has an anode exhaust gas recirculation line (22) opening into the anode operation gas line (11) and connection points (23, 24) for a recirculation pump (49).
10. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, außerdem aufweisend eine Strahldüse (29) in der Anodenbetriebsgasleitung (11 ), wobei die Anodenabgasleitung (16') in die Strahldüse (29) mündet. The media management board (1) according to any one of claims 1 to 8, further comprising a jet nozzle (29) in the anode operating gas line (11), the anode exhaust gas line (16 ') opening into the jet nozzle (29).
11 . Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der mindestens die Anodenbetriebsgasleitung (11 ), die Anodenabgasleitung (16, 16') und das Wasserreservoir (31 ) mit dem Wasserabscheider (30) an der zweiten Hauptfläche (4) des Plattengrundkörpers (2) angebracht sind. 11. A media management panel (1) according to any one of claims 1 to 10, wherein at least the anode operating gas conduit (11), the anode exhaust conduit (16, 16 ') and the water reservoir (31) with the water separator (30) on the second major surface (4) of the panel body (2) are attached.
12. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der eine oder mehrere Leitungen des Medienleitungssystems und/oder das Wasserreservoir (31 ) mit dem Wasserabscheider (30) in das Volumen des Plattengrundkörpers (2) integriert sind. 12. media management plate (1) according to one of claims 1 to 10, wherein one or more lines of the media conduit system and / or the water reservoir (31) with the water separator (30) are integrated into the volume of the disk base body (2).
13. Medienmanagementplatte (1 ) nach Anspruch 10, bei der die Anodenbetriebsgasleitung (11 ), die Anodenabgasleitung (16') und die Strahldüse (29) in das Volumen des Plattengrundkörpers (2) integriert sind. The media management panel (1) according to claim 10, wherein the anode operation gas pipe (11), the anode exhaust pipe (16 ') and the jet nozzle (29) are integrated into the volume of the disk main body (2).
14. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, bei der die mindestens eine Kühlmittelverzweigungsleitung (45) wärmeleitend in Kontakt mit mindestens der Anodenabgasleitung (16, 16') und dem Wasserreservoir (31 ) mit dem Wasserabscheider (30) verläuft. 14. media management plate (1) according to any one of claims 2 to 13, wherein the at least one coolant branch line (45) in heat-conducting in contact with at least the anode exhaust gas line (16, 16 ') and the water reservoir (31) with the water separator (30).
15. Medienmanagementplatte (1 ) nach Anspruch 14, bei der die mindestens eine Kühlmittelverzweigungsleitung (45) außerdem wärmeleitend in Kontakt mit den Sitzen für Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen und/oder Hohlräumen für Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen verläuft. The media management panel (1) of claim 14, wherein the at least one coolant manifold (45) is also heat-conductive in contact with the seats for valves, meters, and controls and / or cavities for metering and control devices.
16. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, bei der das Wasserreservoir (31 ) einen proximalen und einen distalen Bereich sowie einen inneren und einen äußeren Bereich aufweist, wobei sich der proximale Bereich näher an der ersten Hauptfläche (3) befindet als der distale Bereich, und sich der äußere Bereich näher an einem Rand der Medienmanagementplatte (1 ) befindet als der innere Bereich. The media management panel (1) of any of claims 2 to 15, wherein the water reservoir (31) has proximal and distal portions and inner and outer portions, the proximal portion being closer to the first major surface (3) as the distal area, and the outer area closer to an edge of the media management board (1) than the inner area.
17. Medienmanagementplatte (1 ) nach Anspruch 16, bei der sich der Wasserabscheider (30) mit dem Anodenabgaseinlass (38) und der Anodenabgasauslass (32) im proximalen inneren Bereich des Wasserreservoirs (31 ) befinden. The media management panel (1) of claim 16, wherein the water separator (30) having the anode exhaust inlet (38) and the anode exhaust outlet (32) are in the proximal interior region of the water reservoir (31).
18. Medienmanagementplatte (1 ) nach Anspruch 16 oder 17, bei der sich die Wasserablassöffnung (33) im distalen äußeren Bereich des Wasserreservoirs befindet. 18. media management panel (1) according to claim 16 or 17, wherein the water outlet opening (33) is located in the distal outer region of the water reservoir.
19. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, außerdem einen Füllstandsschalter (37) aufweisend, wobei sich der Füllstandsschalter (37) mehr im proximalen als distalen Bereich, und mehr im inneren als im äußeren Bereich des Wasserreservoirs (31 ) befindet, aber distaler und weiter außen als der Anodenabgaseinlass (38) und der Anodenabgasauslass (32). The media management panel (1) of any one of claims 16 to 18, further comprising a level switch (37), wherein the level switch (37) is located more in the proximal than distal region and more in the interior than the outer region of the water reservoir (31) but more distal and further outboard than the anode exhaust inlet (38) and the anode exhaust outlet (32).
20. Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, aufweisend mindestens einen Hohlraum (26') zur Aufnahme eines Sensors, wobei der Sensorhohlraum (26') mit einer Leitung des Medienleitungssystems in Fluidverbindung ist und gegenüber der Leitung (26) dergestalt versetzt angeordnet ist, dass er von der ersten Hauptfläche (3) der Medienmanagementplatte (2) weiter beabstandet ist als die Leitung (26) und sich bei einer Anordnung der Medienmanagementplatte (2) parallel zur Richtung der Schwerkraftwirkung über der Leitung (26) befindet, wenn sich das Wasserreservoir (31 ) näher am unteren Rand der Medienmanagementplatte (2) als an ihrem oberen Rand befindet. The media management panel (1) of any one of claims 16 to 19, comprising at least one cavity (26 ') for receiving a sensor, wherein the sensor cavity (26') is in fluid communication with a conduit of the media conduit system and opposite the conduit (26) staggered to be further from the first major surface (3) of the media management plate (2) than the conduit (26) and located parallel to the direction of gravity above the conduit (26) in an arrangement of the media management plate (2), when the water reservoir (31) is closer to the lower edge of the media management board (2) than at its upper edge.
21 . Brennstoffzellensystem (10) aufweisend eine Brennstoffzellenanordnung (5) und eine Medienmanagementplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Brennstoffzellenanordnung (5) und die Medienmanagementplatte (1 ) aneinander befestigt sind und zwischen der Medienmanagementplatte (1 ) und der Brennstoffzellenanordnung (5) Verbindungen (63, 73, 83) zum Einleiten von frischem Anodenbetriebsgas, frischem Kathodenbetriebsgas und frischem Kühlmittel in die Brennstoffzellenanordnung (5) hinein, und Verbindungen (64, 74, 84) zum Ausleiten von Anodenabgas, Kathodenabgas und Gebrauchtkühlmittel aus der Brennstoffzellenanordnung (5) heraus bestehen. 21. A fuel cell system (10) comprising a fuel cell assembly (5) and a media management panel (1) according to any one of claims 1 to 20, wherein the fuel cell assembly (5) and media management panel (1) are secured together and between the media management panel (1) and the fuel cell assembly (1). 5) Connections (63, 73, 83) for introducing fresh anode operating gas, fresh cathode operating gas and fresh coolant into the fuel cell assembly (5), and connections (64, 74, 84) for discharging anode exhaust, cathode exhaust and used coolant from the fuel cell assembly (5). 5) insist.
22. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) mit einer Brennstoffzellenanordnung (5) und einer Medienmanagementplatte (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, folgende Schritte aufweisend: Einleiten von Anodenbetriebsgas in die Brennstoffzellenanordnung (5) durch die Anodenbetriebsgasleitung (11 ) der Medienmanagementplatte (1 ), 22. A method for operating a fuel cell system (10) with a fuel cell assembly (5) and a media management panel (1) according to one of claims 1 to 20, comprising the following steps: Introducing anode operating gas into the fuel cell assembly (5) through the anode operating gas line (11) of the media management board (1);
Ausleiten von Anodenabgas aus der Brennstoffzellenanordnung (5) durch die Anodenabgasleitung (16, 16') der Medienmanagementplatte (1 ),  Discharging anode exhaust gas from the fuel cell assembly (5) through the anode exhaust conduit (16, 16 ') of the media management panel (1),
Rezirkulieren des Anodenabgases durch eine Anodenabgasrezirkulierungsleitung (22) in die Anodenbetriebsgasleitung (11 ) der Medienmanagementplatte (1 ),  Recirculating the anode exhaust gas through an anode exhaust gas recirculation line (22) into the anode operating gas line (11) of the media management board (1),
Einleiten von Kathodenbetriebsgas durch die Kathodenbetriebsgasleitung (50) in die Brennstoffzellenanordnung (5) und Ausleiten von Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenanordnung (5) durch die Kathodenabgasleitung (55) der Medienmanagementplatte (1 ),  Introducing cathode working gas through the cathode working gas line (50) into the fuel cell assembly (5) and discharging cathode exhaust gas from the fuel cell assembly (5) through the cathode exhaust pipe (55) of the media management board (1);
Einleiten von Kühlmittel in die Brennstoffzellenanordnung (5) durch die Kühlmittelleitung (40) der Medienmanagementplatte (1 ) und Ausleiten von Gebrauchtkühlmittel aus der Brennstoffzellenanordnung (5) durch die Gebrauchtkühlmittelleitung (65) der Medienmanagementplatte (1 ),  Introducing coolant into the fuel cell assembly (5) through the media management board (40) coolant line (40) and discharging used coolant from the fuel cell assembly (5) through the used coolant line (65) of the media management board (1);
Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Anodenabgas mittels des Wasserabscheiders (30) mit Wasserreservoir (31 ) in der Anodenabgasleitung (16, 16') der Medienmanagementplatte (1 ),  Separating liquid water from the anode exhaust gas by means of the water separator (30) with water reservoir (31) in the anode exhaust gas line (16, 16 ') of the media management board (1),
Messen und/oder Regeln der Temperatur, der Menge und/oder des Drucks der in der Medienmanagementplatte (1 ) strömenden Betriebsgase und Abgase, und/oder der Wassermenge in dem Wasserreservoir (31 ) durch in die Medienmanagementplatte (1 ) integrierte Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen,  Measuring and / or regulating the temperature, the amount and / or the pressure of the operating gases and exhaust gases flowing in the media management plate (1), and / or the amount of water in the water reservoir (31) through measuring devices and control devices integrated into the media management plate (1),
periodisch Entlassen des Anodenabgases und/oder des Wassers in dem Wasserreservoir (31 ) der Medienmanagementplatte (1 ), und optional  periodically discharging the anode exhaust and / or water in the water reservoir (31) of the media management panel (1), and optionally
Erwärmen mindestens der Anodenabgasleitungen (16, 16') und des Wasserabscheiders (30) mit Wasserreservoir (31 ) mittels Kühlmedium in einer Kühlmedium-Verzweigungsleitung (45), die wärmeleitend in Kontakt mit der Anodengasleitung (16, 16') und dem Wasserabscheider (30) mit Wasserreservoir (31 ) verläuft.  Heating at least the anode exhaust gas lines (16, 16 ') and the water separator (30) with water reservoir (31) by means of cooling medium in a cooling medium branch line (45) in heat-conducting contact with the anode gas line (16, 16') and the water separator (30 ) with water reservoir (31).
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (10) das Kühlmittel vor der Einspeisung in die Kühlmittelleitung (40) der Medienmanagementplatte (1 ) auf eine Temperatur zwischen 3 und 8°C aufgeheizt wird. 23. The method of claim 22, wherein prior to startup of the fuel cell system (10), the coolant is heated to a temperature between 3 and 8 ° C before being fed into the coolant line (40) of the media management board (1).
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