WO2016110344A1 - Device for supplying a medium to fuel cells of a fuel cell stack, and fuel cell stack - Google Patents

Device for supplying a medium to fuel cells of a fuel cell stack, and fuel cell stack Download PDF

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WO2016110344A1
WO2016110344A1 PCT/EP2015/075967 EP2015075967W WO2016110344A1 WO 2016110344 A1 WO2016110344 A1 WO 2016110344A1 EP 2015075967 W EP2015075967 W EP 2015075967W WO 2016110344 A1 WO2016110344 A1 WO 2016110344A1
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WO
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media
medium
fuel cells
fuel cell
cell stack
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/075967
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Inventor
Marius WALTERS
Axel KUHLMANN
Jürgen OGRZEWALLA
Original Assignee
Fev Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
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Definitions

  • the present invention relates to a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium, comprising a media supply for supplying the medium to the individual fuel cells and a media removal for discharging the medium and / or reaction products of the individual fuel cells, wherein the media supply through the medium flow through the medium and / or the reaction products in a Ab technologicalströmungsrhythm, and further wherein the media supply to the fuel cell is serially connectable along the feed flow direction and the fluid discharge with the fuel cell is fluidly communicable in series along the Ab technologicalströmungsrhythm. Furthermore, the invention relates to a Fuel cell stack, comprising a plurality of fuel cells and a device for supplying the fuel cells with a medium.
  • Fuel cells are widely used in modern technology as energy sources.
  • multiple fuel cells are often combined to form a fuel cell stack.
  • the fuel cells in such a fuel cell stack must be supplied with an operation with different media, in particular for example with hydrogen and air.
  • a liquid cooling medium is often used for the cooling of a fuel cell stack.
  • connection points necessary for the individual media at one end of the fuel cell stack are known, for example, from EP 1 387 428 A2, EP 2 022 1 19 B1 or DE 103 04 657 A1 and shown in FIG. 1.
  • the individual fuel cells 51 are serially supplied in succession by a media supply 20 with the respective medium. After a flow through the individual fuel cells 51, the medium and / or resulting reaction products are also discharged serially successively through a media discharge 30 from the fuel cell 51, in such a way that with respect to a respective flow direction 21, 31, the connection order in the media supply 20 and in the media removal 30 is opposite.
  • the object is achieved by a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium, comprising a media supply for supplying the medium to the individual fuel cells and a media removal for discharging the medium and / or reaction products from the individual fuel cells wherein the media supply through the medium can be flowed through in a feed flow direction and the medium discharge through the medium and / or the reaction products can be flowed through in a Abriosströmungsrhythm, and further wherein the media supply to the fuel cells in series along the feed flow direction is connectable and the media discharge with the fuel cells in series along the Ab technologicalströmungsoplasty fluidkommunipreparingd is connectable.
  • a device according to the invention is characterized in that the feed flow direction and the discharge flow direction are rectified or at least substantially rectified.
  • a device according to the invention it is possible to supply the individual fuel cells of a fuel cell stack with a medium. It is further provided that this medium and / or any resulting reaction products be removed again after flowing through the individual fuel cells.
  • a device according to the invention has a media feed and a media removal.
  • the individual fuel cells can be connected in a fluid-communicating manner in series with the media supply or with respect to a discharge flow direction serially one after the other with respect to a supply flow direction.
  • the media supply and the median discharge are arranged such that the supply flow direction and the discharge flow direction are rectified or at least substantially rectified.
  • the connection sequences of the individual fuel cells to the media supply and to the media removal are thus the same.
  • the media removal with the fuel cell in Ab technologicalströmungscardi is first connectable, which is also connectable as the first in Zuzhouströmungsplatz with the media supply.
  • the flow paths in which the medium is guided in the media supply and the media removal, in sum for all fuel cells are the same or at least substantially the same.
  • a device according to the invention can be designed such that hydrogen and / or air and / or a cooling fluid can be used as the medium.
  • the respectively required fluids can be provided by a device according to the invention.
  • a device according to the invention can also be used for all other fluids required for operation of a fuel cell stack.
  • hydrogen for example, methane or pure air instead of air can be transported through an apparatus according to the invention.
  • a particularly broad applicability of a device according to the invention can thereby be provided.
  • a media return fluid communication is connected to the media removal, wherein the media return through the medium and / or the reaction products can be flowed through in a return flow direction and the return flow direction and the Ab technologicalströmungsraum are opposite or at least substantially oppositely directed ,
  • the media removal and the media return are connected in a manner that communicates with the fluid via a deflection plate.
  • a deflection plate represents a particularly simple way of providing a fluid-communicating connection between the media removal and the media return.
  • the baffle plate can have a channel and / or a conduit leading from the end of the media removal to the beginning of the media return.
  • sealing elements may be provided to ensure a lossless transfer of the medium and / or the reaction products between the media removal and the media return.
  • such a baffle plate can also be used for clamping the fuel cells of the fuel cell stack.
  • a device in a device according to the invention it can further be provided that at least two media connections are provided, wherein the media supply to the first media port and the media return to the second media port are connected in a fluid-communicating manner and the media ports can be arranged at the same end of the fuel cell stack.
  • a device can be designed such that a supply plate is provided, wherein the at least two media connections are arranged in the supply plate.
  • a supply plate represents a particularly simple way to provide the media supply of the fuel cell stack.
  • the media connections can be arranged in a particularly simple manner, at least for one medium at one end of the fuel cell stack, in particular both for the supply and for the discharge of the medium and / or of reaction products.
  • sealing elements may be provided to provide a lossless transfer of the medium or the medium and / or the reaction products between the supply plate and the media supply or the media return.
  • media ports for a plurality of media such as hydrogen, air, and / or a cooling fluid, may be disposed in a supply plate.
  • a supply plate can also be used for clamping the fuel cells of the fuel cell stack, in particular together with a baffle.
  • the supply plate and the baffle plate are formed such that at least two stacks of fuel cells can be arranged between them.
  • a fuel cell stack often has two or more parallel stacks of fuel cells, for example, in order to be able to increase the number of fuel cells used at a limited height of the fuel cell stack yet.
  • a device according to the invention with a supply plate and a baffle that are designed so large that at least two stacks of fuel cells can be arranged between them such a parallel arrangement of multiple stacks of fuel cells can be achieved particularly easily.
  • a media supply or disposal of all fuel cells of the individual stacks are provided by the supply plate and the baffle plate.
  • a device according to the invention can be designed such that the media return is formed at least in sections through openings in the fuel cells.
  • the active area of the fuel cell used to effect the reaction between, for example, hydrogen and air often fills only a portion of the fuel cell. Outside this active surface can be provided, for example, to save weight, through openings.
  • the fuel cells of a fuel cell stack are also usually arranged one above the other, whereby these openings are arranged one above the other.
  • sealing elements can also be provided here.
  • the media return is formed at least in sections by a tube.
  • a tube is a particularly simple component to provide a media return.
  • a pipe is continuous between its beginning and its end, whereby sealing measures are simplified when using a pipe.
  • a device according to the invention can be developed to the effect that the tube is mounted floating by a bearing device.
  • a floating mounting of the tube it is possible to compensate for possible changes in the fuel cell stack, for example expansion and / or contraction by the action of heat. Even vibrations of the fuel cell stack can be compensated by the floating bearing.
  • a particularly safe, in particular with respect to the tightness of the media return safe, embodiment of a device according to the invention is made possible.
  • the tube is designed to guide the fuel cells, in particular parallel to a stacking direction of the fuel cells.
  • a change in volume of the individual fuel cells may occur, for example as a result of heat generation during operation.
  • a guide on the media return formed as a pipe it is possible to prevent a movement and in particular a displacement of the individual fuel cells perpendicular to the pipe and thus perpendicular to a stacking direction of the fuel cells.
  • the occurrence of leakage for example, caused by shear forces, which may occur in such lateral movements of the fuel cell, can be prevented.
  • a device according to the invention can also be designed in a further development such that a guide element is provided, wherein stacking of the fuel cells (51) during assembly of the fuel cell stack (50) can be supported by the guide element and the tube (42).
  • the individual fuel cells are preferably arranged one on top of another to form the stack.
  • a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells and a device for supplying the fuel cells with a medium.
  • a fuel cell stack according to the invention is characterized in that the device is designed according to the first aspect of the invention. Accordingly, a fuel cell stack according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a device according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • a fuel cell stack according to the invention may have a plurality of devices according to the invention, in particular preferably one device for each fluid used.
  • a supply plate and / or a deflection plate may also be part of a plurality of devices according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a U-like flow according to the
  • FIG. 2 shows the principle of a Z-like flow through the fuel cells 51 of a fuel cell stack 50 made possible by an apparatus 10 according to the invention.
  • a medium is introduced into a media supply 20.
  • the individual fuel cells 51 are connected in fluid communication with the media supply 20 in series with respect to a supply flow direction 21.
  • a media flow 53 in the individual fuel cells 51 is possible, with only one media flow 53 being identified by way of example.
  • the fuel cells 51 are also connected in a fluid-communicating manner to a median outlet 30, wherein the connection points with respect to a discharge flow direction 31 are also arranged serially one after the other in the medium discharge 30.
  • a second media connection 13 By a second media connection 13, the medium and / or a resulting reaction product is discharged from the fuel cell stack 50 again.
  • a Z-like flow is realized according to the invention. This is made possible in particular by the fact that the flow directions 21, 31 are rectified and thereby the connection sequence in the media supply 20 and in the media discharge 30 is the same with respect to the respective flow direction 21, 31. It is clearly visible that the path from the first media connection 12 to the second media connection 13 is the same or at least substantially the same length for all fuel cells 51.
  • a uniform supply of the respective fluid for example hydrogen, air or a cooling fluid can be ensured.
  • FIGS. 3a, b, c, d which will be described jointly below, a possible embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention with a device 10 according to the invention is shown.
  • FIGS. 3 a, b, c show individual components of the fuel cell stack 50 and the device 10 and FIG. 3 d shows the finished fuel cell stack 50.
  • a fuel cell stack 50 according to the invention has a plurality of fuel cells 51, one of which is shown schematically in FIG is.
  • an active surface is arranged, in which takes place during operation of the fuel cell stack 50, the reaction between, for example, hydrogen and air.
  • some media flows 53 are shown in this active area.
  • the medium for example hydrogen
  • the medium is supplied to the fuel cell 51 through a media supply 20 of a device 10 according to the invention.
  • a media removal 30 of a device 10 according to the invention unconsumed medium and / or reaction products are discharged again.
  • the media supply 20 and the media discharge 30 are integrated in the fuel cell 51 in this embodiment.
  • the fuel cell 51 outside the active surface openings 52 are arranged, for example, for weight reduction.
  • One of these openings 52 is used in the illustrated embodiment for forming a media return 40 of a device 10 according to the invention.
  • the medium recirculation 40 is thus also at least partially integrated into the individual fuel cells 51.
  • a deflection plate 14 is provided to form a fluid-communicating connection between the media outlet 30 and the media return 40.
  • This baffle 14 forms the lower end of the fuel cell stack 50.
  • a supply plate 1 1 is arranged at the opposite upper end of the fuel cell stack 50.
  • This supply plate 11 has two media connections 12, 13, of which the first media connection 12 is connected in a fluid-communicating manner to the media supply 20 and the second media connection 13 to the media return 40.
  • the supply plate 1 1 and the baffle 14 can also be used to brace the entire fuel cell stack 50.
  • even more components such as sealing elements may be provided.
  • the entire fuel cell stack 50 is shown, wherein additionally in dashed form, the essential components of the installed device 10 according to the invention are shown.
  • the media connections 12, 13 are arranged at one end of the fuel cell stack 50.
  • space can be saved because, for example, the necessary leads can be arranged to save space.
  • the flow directions 21, 31, 41 in the media supply 20, the media discharge 30 and the media return 40 are also shown. As a result, it can clearly be seen that the supply flow direction 21 and the purge flow direction 31 are rectified and at the same time the return flow direction 41 is directed opposite thereto.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention with a device 10 according to the invention.
  • the medium return 40 is formed in sections as a tube 42.
  • this tube 42 is floatingly supported by a bearing device 43.
  • changes and / or loads on the fuel cell stack 50 for example an expansion upon exposure to heat and / or vibrations during operation, can be compensated by such a floating mounting. A reliable, trouble-free operation of the fuel cell stack 50 can thereby be made possible.

Abstract

The invention relates to a device (10) for supplying a medium to fuel cells (51) of a fuel cell stack (50), having a media feed (20) for feeding the medium to the individual fuel cells (51) and a media discharge (30) for discharging the medium and/or reaction products from the individual fuel cells (51). The medium can flow through the media feed (20) in a feed flow direction (21), and the medium and/or the reaction products can flow through the media discharge (30) in a discharge flow direction (31). Furthermore, the media feed (20) can be connected to the fuel cells (51) in series along the feed flow direction (21), and the media discharge (30) can be fluidically connected to the fuel cells (51) serially along the discharge flow direction (31). The invention further relates to a fuel cell stack (50) having multiple fuel cells (51) and a device (10) for supplying a medium to the fuel cells (51).

Description

Vorrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium sowie  Apparatus for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium and
Brennstoffzellenstapel  fuel cell stack
B e s c h r e i b u n g Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium, aufweisend eine Medienzuführung zum Zuführen des Mediums zu den einzelnen Brennstoffzellen und eine Medienabführung zum Abführen des Mediums und/oder von Reaktionsprodukten von den einzelnen Brennstoffzellen, wobei die Medienzuführung durch das Medium in einer Zuführströmungsrichtung durchströmbar ist und die Medienabführung durch das Medium und/oder die Reaktionsprodukte in einer Abführströmungsrichtung durchströmbar ist, und wobei ferner die Medienzuführung mit den Brennstoffzellen seriell entlang der Zuführströmungsrichtung verbindbar ist und die Medienabführung mit den Brennstoffzellen seriell entlang der Abführströmungsrichtung fluidkommunizierend verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend mehrere Brennstoffzellen und eine Vorrichtung zur Versorgung der Brennstoffzellen mit einem Medium. The present invention relates to a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium, comprising a media supply for supplying the medium to the individual fuel cells and a media removal for discharging the medium and / or reaction products of the individual fuel cells, wherein the media supply through the medium flow through the medium and / or the reaction products in a Abführströmungsrichtung, and further wherein the media supply to the fuel cell is serially connectable along the feed flow direction and the fluid discharge with the fuel cell is fluidly communicable in series along the Abführströmungsrichtung. Furthermore, the invention relates to a Fuel cell stack, comprising a plurality of fuel cells and a device for supplying the fuel cells with a medium.
Brennstoffzellen werden in der modernen Technik vielfältig als Energiequellen eingesetzt. Insbesondere werden dabei oftmals mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Die Brennstoffzellen in einem derartigen Brennstoffzellenstapel müssen bei einem Betrieb mit verschiedenen Medien versorgt werden, insbesondere beispielsweise mit Wasserstoff und Luft. Auch für die Kühlung eines Brennstoffzellenstapels wird oftmals ein flüssiges Kühlmedium verwendet. Fuel cells are widely used in modern technology as energy sources. In particular, multiple fuel cells are often combined to form a fuel cell stack. The fuel cells in such a fuel cell stack must be supplied with an operation with different media, in particular for example with hydrogen and air. Also for the cooling of a fuel cell stack, a liquid cooling medium is often used.
Um Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweisen, hat es sich als nützlich herausgestellt, die für die einzelnen Medien notwendigen Anschlussstellen an einem Ende des Brennstoffzellenstapels zusammenzufassen. Derartige Brennstoffzellenstapel sind beispielsweise aus der EP 1 387 428 A2, der EP 2 022 1 19 B1 oder der DE 103 04 657 A1 bekannt und in Fig. 1 gezeigt. Bei diesen Brennstoffzellenstapeln 50 werden die einzelnen Brennstoffzellen 51 seriell nacheinander durch eine Medienzuführung 20 mit dem jeweiligen Medium versorgt. Nach einer Durchströmung der einzelnen Brennstoffzellen 51 wird das Medium und/oder entstandene Reaktionsprodukte ebenfalls seriell nacheinander durch eine Medienabführung 30 von den Brennstoffzellen 51 abgeführt, und zwar derart, dass bezüglich einer jeweiligen Strömungsrichtung 21 , 31 die Anschlussreihenfolge in der Medienzuführung 20 und in der Medienabführung 30 entgegengesetzt ist. Dadurch ist es möglich, die notwendigen Medienanschlüsse 12, 13 ein einem Ende des Brennstoffzellenstapels 50 zusammenzufassen. Als nachteilig hat sich bei einer derartigen U-artigen Durchströmung jedoch herausgestellt, dass sich in den einzelnen Brennstoffzellen 51 des Brennstoffzellenstapels 50 ein unterschiedlicher Druckabfall einstellt. Dies kann insbesondere dadurch begründet sein, dass die Medienflüsse 53, von denen einer in Fig. 1 exemplarisch gekennzeichnet ist, durch die einzelnen Brennstoffzellen 51 unterschiedlich lang sind. Eine gleichmäßige Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen 51 mit dem jeweiligen Medium kann so nicht zu jederzeit sichergestellt werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium sowie einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine gleichmäßige Versorgung der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium ermöglichen und sicherstellen. In order to provide fuel cell stacks which have the smallest possible space requirement, it has been found useful to combine the connection points necessary for the individual media at one end of the fuel cell stack. Such fuel cell stacks are known, for example, from EP 1 387 428 A2, EP 2 022 1 19 B1 or DE 103 04 657 A1 and shown in FIG. 1. In these fuel cell stacks 50, the individual fuel cells 51 are serially supplied in succession by a media supply 20 with the respective medium. After a flow through the individual fuel cells 51, the medium and / or resulting reaction products are also discharged serially successively through a media discharge 30 from the fuel cell 51, in such a way that with respect to a respective flow direction 21, 31, the connection order in the media supply 20 and in the media removal 30 is opposite. This makes it possible to summarize the necessary media connections 12, 13 one end of the fuel cell stack 50. However, it has proven to be disadvantageous in the case of such a U-like throughflow that a different pressure drop occurs in the individual fuel cells 51 of the fuel cell stack 50. This may be due in particular to the fact that the media flows 53, one of which is identified by way of example in FIG. 1, are of different lengths through the individual fuel cells 51. A uniform supply of the individual fuel cells 51 with the respective medium can not be ensured at any time so. It is therefore an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium and a fuel cell stack, which enable and ensure a uniform supply of fuel cells of a fuel cell stack with a medium in a particularly simple and cost-effective manner.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium, aufweisend eine Medienzuführung zum Zuführen des Mediums zu den einzelnen Brennstoffzellen und eine Medienabführung zum Abführen des Mediums und/oder von Reaktionsprodukten von den einzelnen Brennstoffzellen, wobei die Medienzuführung durch das Medium in einer Zuführströmungsrichtung durchströmbar ist und die Medienabführung durch das Medium und/oder die Reaktionsprodukte in einer Abführströmungsrichtung durchströmbar ist, und wobei ferner die Medienzuführung mit den Brennstoffzellen seriell entlang der Zuführströmungsrichtung verbindbar ist und die Medienabführung mit den Brennstoffzellen seriell entlang der Abführströmungsrichtung fluidkommunizierend verbindbar ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführströmungsrichtung und die Abführströmungsrichtung gleichgerichtet oder zumindest im Wesentlichen gleichgerichtet sind. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, die einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Medium zu versorgen. Ferner ist vorgesehen, dieses Medium und/oder eventuell entstehende Reaktionsprodukte nach einem Durchströmen der einzelnen Brennstoffzellen wieder abzutransportieren. Dafür weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Medienzuführung und eine Medienabführung auf. Die einzelnen Brennstoffzellen sind dabei bezüglich einer Zuführströmungsrichtung seriell nacheinander mit der Medienzuführung bzw. bezüglich einer Abführströmungsrichtung seriell nacheinander mit der Medienabführung fluidkommunizierend verbindbar. The above object is achieved by a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium having the features of independent claim 1. Further, the object is achieved by a fuel cell stack with the features of claim 10. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims , the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the device according to the invention, of course, also in connection with the fuel cell stack according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or can be. According to a first aspect of the invention, the object is achieved by a device for supplying fuel cells of a fuel cell stack with a medium, comprising a media supply for supplying the medium to the individual fuel cells and a media removal for discharging the medium and / or reaction products from the individual fuel cells wherein the media supply through the medium can be flowed through in a feed flow direction and the medium discharge through the medium and / or the reaction products can be flowed through in a Abführströmungsrichtung, and further wherein the media supply to the fuel cells in series along the feed flow direction is connectable and the media discharge with the fuel cells in series along the Abführströmungsrichtung fluidkommunizierend is connectable. A device according to the invention is characterized in that the feed flow direction and the discharge flow direction are rectified or at least substantially rectified. By means of a device according to the invention, it is possible to supply the individual fuel cells of a fuel cell stack with a medium. It is further provided that this medium and / or any resulting reaction products be removed again after flowing through the individual fuel cells. For this purpose, a device according to the invention has a media feed and a media removal. The individual fuel cells can be connected in a fluid-communicating manner in series with the media supply or with respect to a discharge flow direction serially one after the other with respect to a supply flow direction.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Medienzuführung und die Medianabführung derart angeordnet sind, dass die Zuführströmungsrichtung und die Abführströmungsrichtung gleichgerichtet oder zumindest im Wesentlichen gleichgerichtet sind. Die Anschlussreihenfolgen der einzelnen Brennstoffzellen an die Medienzuführung und an die Medienabführung sind somit gleich. So ist beispielsweise die Medienabführung mit derjenigen Brennstoffzelle in Abführströmungsrichtung als erstes verbindbar, die auch als erstes in Zuführströmungsrichtung mit der Medienzuführung verbindbar ist. Dadurch sind die Strömungswege, in denen das Medium in der Medienzuführung und der Medienabführung geführt ist, in Summe für alle Brennstoffzellen gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich. Durch diese Z-artige Durchströmung kann somit eine gleichmäßige Medienversorgung für alle Brennstoffzellen und gleiche Bedingungen, wie beispielsweise Druckabfall, Strömungsgeschwindigkeit oder je nach zugeführtem Medium auch Stochiometrie oder Kühlleistung, in allen Brennstoffzellen sichergestellt werden. Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Medienzuführung und die Medienabführung bezüglich der einzelnen Brennstoffzellen gegenüberliegend, insbesondere diagonal gegenüberliegend, anordenbar sind. Dadurch kann insbesondere eine möglichst einfache direkte Strömung des Mediums in der Brennstoffzelle von der Medienzuführung zur Medienabführung ermöglicht werden. Eine Umkehrung der Strömungsrichtung des Mediums in der Brennstoffzelle, die beispielsweise bei einer Anordnung der Medienzuführung und der Medienabführung nebeneinander an derselben Seite der Brennstoffzelle notwendig wäre, kann so vermieden werden. Strömungsverluste in der Brennstoffzelle können dadurch verringert und die Brennstoffzelle kann dadurch insgesamt effektiver und verlustärmer betrieben werden. According to the invention, it is provided that the media supply and the median discharge are arranged such that the supply flow direction and the discharge flow direction are rectified or at least substantially rectified. The connection sequences of the individual fuel cells to the media supply and to the media removal are thus the same. Thus, for example, the media removal with the fuel cell in Abführströmungsrichtung is first connectable, which is also connectable as the first in Zuführströmungsrichtung with the media supply. As a result, the flow paths in which the medium is guided in the media supply and the media removal, in sum for all fuel cells are the same or at least substantially the same. By this Z-like flow thus a uniform media supply for all fuel cells and the same conditions, such as pressure drop, flow rate or depending on the supplied medium and stochiometry cooling power can be ensured in all fuel cells. Furthermore, it can be provided in a device according to the invention that the media supply and the media removal with respect to the individual fuel cells opposite, in particular diagonally opposite, can be arranged. As a result, in particular the simplest possible direct flow of the medium in the fuel cell from the media supply to the media removal can be made possible. A reversal of the flow direction of the medium in the fuel cell, which would be necessary for example in an arrangement of the media supply and the media discharge side by side on the same side of the fuel cell, can be avoided. As a result, flow losses in the fuel cell can be reduced and the fuel cell as a whole can be operated more effectively and with less loss.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass als Medium Wasserstoff und/oder Luft und/oder ein Kühlfluid verwendbar ist. Somit können sowohl für eine Kathodenseite der Brennstoffzellen, eine Anodenseite der Brennstoffzellen und für ein Kühlsystem der Brennstoffzellen bzw. des Brennstoffzellenstapels die jeweils benötigten Fluide durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt werden. Selbstverständlich kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch für alle anderen für einen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels benötigten Fluide verwendet werden. Statt Wasserstoff ist beispielsweise auch Methan oder statt Luft reiner Sauerstoff durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung transportierbar. Eine besonders breite Einsetzbarkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden. Particularly preferably, a device according to the invention can be designed such that hydrogen and / or air and / or a cooling fluid can be used as the medium. Thus, both for a cathode side of the fuel cell, an anode side of the fuel cell and for a cooling system of the fuel cell or the fuel cell stack, the respectively required fluids can be provided by a device according to the invention. Of course, a device according to the invention can also be used for all other fluids required for operation of a fuel cell stack. Instead of hydrogen, for example, methane or pure air instead of air can be transported through an apparatus according to the invention. A particularly broad applicability of a device according to the invention can thereby be provided.
Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ferner vorgesehen sein, dass eine Medienrückführung fluidkommunizierend mit der Medienabführung verbunden ist, wobei die Medienrückführung durch das Medium und/oder die Reaktionsprodukte in einer Rückführströmungsrichtung durchströmbar ist und die Rückführströmungsrichtung und die Abführströmungsrichtung entgegengesetzt oder zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind. Durch eine derartige Medienrückführung ist es somit möglich, das Medium und/oder die Reaktionsprodukte zu einem Medienanschluss zu transportieren, der wieder in Richtung eines Medienanschlusses der Medienzuführung liegt. Insbesondere ist dies möglich, ohne die oben beschriebenen Vorteile einer Z-artigen Durchströmung der einzelnen Brennstoffzellen zu verlieren. Dies ist insbesondere durch die zur Abführströmungsrichtung und damit auch zur Zuführströmungsrichtung entgegengesetzt oder zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt gerichteten Rückführströmungsrichtung in der Medienrückführung ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Medienanschlüsse der Medienzuführung und der Medienrückführung an einem Ende des Brennstoffzellenstapels kann dadurch ermöglicht werden. Eine Reduzierung des für den Brennstoffzellenstapel nötigen Bauraums ist dadurch ebenfalls möglich. In einer Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass die Medienabführung und die Medienrückführung über eine Umlenkplatte fluidkommunizierend verbunden sind. Eine derartige Umlenkplatte stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Medienabführung und der Medienrückführung bereitzustellen. Die Umlenkplatte kann dafür beispielsweise einen Kanal und/oder eine Leitung aufweisen, die vom Ende der Medienabführung zum Anfang der Medienrückführung führt. Selbstverständlich können auch Dichtelemente vorgesehen sein, um ein verlustfreies Überführen des Mediums und/oder der Reaktionsprodukte zwischen der Medienabführung und der Medienrückführung sicherzustellen. Darüber hinaus kann eine derartige Umlenkplatte auch für ein Verspannen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verwendet werden. It can also be provided in a device according to the invention that a media return fluid communication is connected to the media removal, wherein the media return through the medium and / or the reaction products can be flowed through in a return flow direction and the return flow direction and the Abführströmungsrichtung are opposite or at least substantially oppositely directed , By means of such media recirculation, it is thus possible to transport the medium and / or the reaction products to a media connection, which again lies in the direction of a media connection of the media supply. In particular, this is possible without losing the advantages of a Z-like flow through the individual fuel cells described above. This is made possible, in particular, by the return flow direction in the media return, which is opposite or at least substantially opposite to the discharge flow direction and thus also to the feed flow direction. A summary of the media connections of the media supply and the media return at one end of the fuel cell stack can thereby be made possible. A reduction of the space required for the fuel cell stack space is also possible. In a further development of a device according to the invention, it can further be provided that the media removal and the media return are connected in a manner that communicates with the fluid via a deflection plate. Such a deflection plate represents a particularly simple way of providing a fluid-communicating connection between the media removal and the media return. For example, the baffle plate can have a channel and / or a conduit leading from the end of the media removal to the beginning of the media return. Of course, sealing elements may be provided to ensure a lossless transfer of the medium and / or the reaction products between the media removal and the media return. In addition, such a baffle plate can also be used for clamping the fuel cells of the fuel cell stack.
Besonders bevorzugt kann ferner bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass zumindest zwei Medienanschlüssen vorgesehen sind, wobei die Medienzuführung mit dem ersten Medienanschluss und die Medienrückführung mit dem zweiten Medienanschluss fluidkommunizierend verbunden sind und die Medienanschlüsse am selben Ende des Brennstoffzellenstapels anordenbar sind. Dadurch ist es ermöglicht, sowohl eine Versorgung mit einem Medium als auch eine Entsorgung des Mediums und/oder von Reaktionsprodukten für den jeweiligen Brennstoffzellenstapel an einem Ende des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Eine besonders platzsparende und kompakte Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere auch hinsichtlich von Zu-bzw. Ableitungen für die benötigten Medien, kann dadurch ermöglicht werden. Gleichzeitig können die Vorteile, die sich, wie oben beschrieben, aus dem Vorhandensein einer Zuführströmungsrichtung und einer dazu gleichgerichteten Abführströmungsrichtung ergeben, weiterhin genutzt werden. Particularly preferably, in a device according to the invention it can further be provided that at least two media connections are provided, wherein the media supply to the first media port and the media return to the second media port are connected in a fluid-communicating manner and the media ports can be arranged at the same end of the fuel cell stack. This makes it possible to provide both a supply of a medium and a disposal of the medium and / or reaction products for the respective fuel cell stack at one end of the fuel cell stack. A particularly space-saving and compact design of a fuel cell stack, in particular also with regard to supply or. Derivatives for the required media, can be made possible. At the same time, the advantages which, as described above, result from the presence of a feed flow direction and a rectified discharge flow direction, can continue to be utilized.
In einer Weiterentwicklung kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass eine Versorgungsplatte vorgesehen ist, wobei die zumindest zwei Medienanschlüsse in der Versorgungsplatte angeordnet sind. Eine derartige Versorgungsplatte stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, die Medienversorgung des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Es können dadurch die Medienanschlüsse zumindest für ein Medium an einem Ende des Brennstoffzellenstapels besonders einfach angeordnet werden, insbesondere sowohl für die Zuführung als auch für die Abführung des Mediums und/oder von Reaktionsprodukten. Selbstverständlich können auch Dichtelemente vorgesehen sein, um ein verlustfreies Überführen des Mediums bzw. des Mediums und/oder der Reaktionsprodukte zwischen der Versorgungsplatte und der Medienzuführung bzw. der Medienrückführung vorgesehen sein. Auch können in eine Versorgungsplatte Medienanschlüsse für mehrere Medien, beispielsweise Wasserstoff, Luft und/oder ein Kühlfluid, angeordnet sein. Darüber hinaus kann eine derartige Versorgungsplatte auch für ein Verspannen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verwendet werden, insbesondere zusammen mit einer Umlenkplatte. In a further development, a device according to the invention can be designed such that a supply plate is provided, wherein the at least two media connections are arranged in the supply plate. Such a supply plate represents a particularly simple way to provide the media supply of the fuel cell stack. As a result, the media connections can be arranged in a particularly simple manner, at least for one medium at one end of the fuel cell stack, in particular both for the supply and for the discharge of the medium and / or of reaction products. Of course, sealing elements may be provided to provide a lossless transfer of the medium or the medium and / or the reaction products between the supply plate and the media supply or the media return. Also, media ports for a plurality of media, such as hydrogen, air, and / or a cooling fluid, may be disposed in a supply plate. In addition, such a supply plate can also be used for clamping the fuel cells of the fuel cell stack, in particular together with a baffle.
Darüber hinaus kann in einer weiteren Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Versorgungsplatte und die Umlenkplatte derart ausgebildet sind, dass zumindest zwei Stapel aus Brennstoffzellen zwischen ihnen anordenbar sind. Ein Brennstoffzellenstapel weist oftmals zwei oder mehrere parallele Stapel an Brennstoffzellen auf, beispielsweise um bei einer begrenzten Höhe des Brennstoffzellenstapels die Anzahl an verwendeten Brennstoffzellen dennoch vergrößern zu können. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Versorgungsplatte und einer Umlenkplatte, die derart groß ausgebildet sind, dass zumindest zwei Stapel aus Brennstoffzellen zwischen ihnen anordenbar sind, kann eine derartige parallele Anordnung mehrerer Stapel aus Brennstoffzellen besonders einfach erreicht werden. Selbstverständlich kann dabei vorgesehen sein, dass eine Medienversorgung bzw. -entsorgung aller Brennstoffzellen der einzelnen Stapel durch die Versorgungsplatte und die Umlenkplatte bereitgestellt werden. Darüber hinaus auch ein Verspannen der einzelnen Stapel aus Brennstoffzellen durch die gemeinsame Versorgungsplatte und die gemeinsame Umlenkplatte vorgenommen werden. In einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Medienrückführung zumindest abschnittsweise durch Öffnungen in den Brennstoffzellen gebildet ist. In Brennstoffzellen füllt die aktive, zur Durchführung der Reaktion zwischen beispielsweise Wasserstoff und Luft verwendete, Fläche der Brennstoffzelle oftmals nur einen Teil der Brennstoffzelle aus. Außerhalb dieser aktiven Fläche können, beispielsweise zur Gewichtsersparnis, durchgehende Öffnungen vorgesehen sein. Die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels werden ferner zumeist übereinander angeordnet, wodurch diese Öffnungen übereinander angeordnet sind. Selbstverständlich können auch hier Dichtelemente vorgesehen sein. Durch die Verwendung dieser Öffnungen zumindest abschnittweise zur Bildung der Medienrückführung kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung besonders einfach ausgebildet werden. Zusätzliche Bauteile zur Bildung der Medienrückführung können eingespart oder zumindest reduziert werden. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Medienrückführung zumindest abschnittsweise durch ein Rohr gebildet ist. Ein derartiges Rohr stellt dabei ein besonders einfaches Bauelement dar, um eine Medienrückführung bereitzustellen. Insbesondere ist ein Rohr zwischen seinem Beginn und seinem Ende durchgängig, wodurch Abdichtungsmaßnahmen bei Verwendung eines Rohrs vereinfacht sind. In addition, it can be provided in a further development of a device according to the invention that the supply plate and the baffle plate are formed such that at least two stacks of fuel cells can be arranged between them. A fuel cell stack often has two or more parallel stacks of fuel cells, for example, in order to be able to increase the number of fuel cells used at a limited height of the fuel cell stack yet. By a device according to the invention with a supply plate and a baffle that are designed so large that at least two stacks of fuel cells can be arranged between them, such a parallel arrangement of multiple stacks of fuel cells can be achieved particularly easily. Of course, it can be provided that a media supply or disposal of all fuel cells of the individual stacks are provided by the supply plate and the baffle plate. In addition, a distortion of the individual stacks of fuel cells by the common supply plate and the common baffle are made. In a particularly preferred further development, a device according to the invention can be designed such that the media return is formed at least in sections through openings in the fuel cells. In fuel cells, the active area of the fuel cell used to effect the reaction between, for example, hydrogen and air often fills only a portion of the fuel cell. Outside this active surface can be provided, for example, to save weight, through openings. The fuel cells of a fuel cell stack are also usually arranged one above the other, whereby these openings are arranged one above the other. Of course, sealing elements can also be provided here. By use These openings at least in sections to form the media return, a device according to the invention can be particularly easily formed. Additional components for forming the media return can be saved or at least reduced. In an alternative or additional embodiment of a device according to the invention it can be provided that the media return is formed at least in sections by a tube. Such a tube is a particularly simple component to provide a media return. In particular, a pipe is continuous between its beginning and its end, whereby sealing measures are simplified when using a pipe.
Ferner kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Rohr durch eine Lagervorrichtung schwimmend gelagert ist. Durch eine derartige schwimmende Lagerung des Rohrs ist es möglich, mögliche Veränderungen des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise ein Ausdehnen und/oder Kontrahieren durch Wärmeeinwirkung, zu kompensieren. Auch Vibrationen des Brennstoffzellenstapels können durch die schwimmende Lagerung kompensiert werden. Eine besonders sichere, insbesondere bezüglich der Dichtheit der Medienrückführung sichere, Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch ermöglicht. Furthermore, a device according to the invention can be developed to the effect that the tube is mounted floating by a bearing device. By virtue of such a floating mounting of the tube, it is possible to compensate for possible changes in the fuel cell stack, for example expansion and / or contraction by the action of heat. Even vibrations of the fuel cell stack can be compensated by the floating bearing. A particularly safe, in particular with respect to the tightness of the media return safe, embodiment of a device according to the invention is made possible.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ferner vorgesehen sein, dass das Rohr zum Führen der Brennstoffzellen, insbesondere parallel zu einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen, ausgebildet ist. Während eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels kann es zu einer Volumenänderung der einzelnen Brennstoffzellen kommen, beispielsweise durch eine beim Betrieb entstehende Wärmeentwicklung. Durch eine Führung an der als Rohr ausgebildeten Medienrückführung ist es dabei möglich, eine Bewegung und insbesondere ein Verschieben der einzelnen Brennstoffzellen senkrecht zum Rohr und damit senkrecht zu einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen zu verhindern. Das Auftreten von Leckagen, beispielsweise verursacht durch Scherkräfte, die bei derartigen Seitwärtsbewegungen der Brennstoffzellen auftreten können, kann dadurch verhindert werden. Das Betreiben eines Brennstoffzellenstapels kann somit durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung noch sicherer ausgestalten werden. Auch kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Weiterentwicklung dahingehend ausgebildet sein, dass ein Führungselement vorgesehen ist, wobei durch das Führungselement und das Rohr (42) ein Stapeln der Brennstoffzellen (51 ) bei der Montage des Brennstoffzellenstapels (50) unterstützbar ist. Bei einer Montage des Brennstoffzellenstapels werden bevorzugt die einzelnen Brennstoffzellen zur Bildung des Stapels aufeinander angeordnet, Durch das Führungselement und das Rohr kann es ermöglicht werden, die Brennstoffzellen bereits bei diesem Anordnen zu führen und somit ein Anordnen der einzelnen Brennstoffzellen an den vorgesehenen Positionen zu unterstützen und damit zu erleichtern. Fehlerhafte Anordnungen, die oftmals ein aufwendiges Nachbessern erfordern und schlimmstenfalls zu einer Unbrauchbarkeit des Brennstoffzellenstapels führen können, können so vermieden werden. Die Montage eines Brennstoffzellenstapels kann dadurch deutlich erleichtert werden. In addition, in a device according to the invention it can further be provided that the tube is designed to guide the fuel cells, in particular parallel to a stacking direction of the fuel cells. During operation of a fuel cell stack, a change in volume of the individual fuel cells may occur, for example as a result of heat generation during operation. By means of a guide on the media return formed as a pipe, it is possible to prevent a movement and in particular a displacement of the individual fuel cells perpendicular to the pipe and thus perpendicular to a stacking direction of the fuel cells. The occurrence of leakage, for example, caused by shear forces, which may occur in such lateral movements of the fuel cell, can be prevented. The operation of a fuel cell stack can thus be made even safer by the use of a device according to the invention. A device according to the invention can also be designed in a further development such that a guide element is provided, wherein stacking of the fuel cells (51) during assembly of the fuel cell stack (50) can be supported by the guide element and the tube (42). When mounting the fuel cell stack, the individual fuel cells are preferably arranged one on top of another to form the stack. By means of the guide element and the pipe, it is possible to guide the fuel cells already in this arrangement and thus to support the arrangement of the individual fuel cells at the intended positions to facilitate it. Faulty arrangements, which often require a costly rework and in the worst case can lead to a uselessness of the fuel cell stack can be avoided. The assembly of a fuel cell stack can be significantly facilitated.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend mehrere Brennstoffzellen und eine Vorrichtung zur Versorgung der Brennstoffzellen mit einem Medium. Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. Selbstverständlich kann dabei ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen aufweisen, insbesondere bevorzugt jeweils eine Vorrichtung für jedes verwendete Fluid. Selbstverständlich kann dabei eine Versorgungsplatte und/oder eine Umlenkplatte auch Teil von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sein. According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a fuel cell stack, comprising a plurality of fuel cells and a device for supplying the fuel cells with a medium. A fuel cell stack according to the invention is characterized in that the device is designed according to the first aspect of the invention. Accordingly, a fuel cell stack according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a device according to the invention according to the first aspect of the invention. Of course, a fuel cell stack according to the invention may have a plurality of devices according to the invention, in particular preferably one device for each fluid used. Of course, a supply plate and / or a deflection plate may also be part of a plurality of devices according to the invention according to the first aspect of the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer U-artigen Durchströmung gemäß demFurther advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. Elements with the same function and mode of operation are provided with the same reference numerals in the individual figures. They show schematically: Fig. 1 is a schematic representation of a U-like flow according to the
Stand der Technik, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Z-artigen Durchströmung, 2 shows a schematic representation of a Z-like flow,
Fig. 3a, b, c, d eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Fig. 3a, b, c, d a possible embodiment of an inventive
Brennstoffzellenstapels, und Fig. 4 eine weitere mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen  Fuel cell stack, and Fig. 4 shows another possible embodiment of an inventive
Brennstoffzellenstapels.  Fuel cell stack.
In Fig. 2 ist das Prinzip einer durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ermöglichte Z- artige Durchströmung der Brennstoffzellen 51 eines Brennstoffzellenstapels 50 gezeigt. Durch einen ersten Medienanschluss 12 wird ein Medium in eine Medienzuführung 20 eingeleitet. Die einzelnen Brennstoffzellen 51 sind bezüglich einer Zuführströmungsrichtung 21 seriell nacheinander mit der Medienzuführung 20 fluidkommunizierend verbunden. Dadurch ist ein Medienfluss 53 in den einzelnen Brennstoffzellen 51 möglich, wobei nur ein Medienfluss 53 exemplarisch gekennzeichnet ist. Die Brennstoffzellen 51 sind ferner mit einer Medianabführung 30 ebenfalls fluidkommunizierend verbunden, wobei die Verbindungsstellen bezüglich einer Abführströmungsrichtung 31 ebenfalls seriell nacheinander in der Medienabführung 30 angeordnet sind. Durch einen zweiten Medienanschluss 13 wird das Medium und/oder ein entstandenes Reaktionsprodukt wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 50 ausgeleitet. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten U- artigen Durchströmung ist erfindungsgemäß jedoch eine Z-artige Durchströmung realisiert. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Strömungsrichtungen 21 , 31 gleichgerichtet sind und dadurch bezüglich der jeweiligen Strömungsrichtung 21 , 31 die Anschlussreihenfolge in der Medienzuführung 20 und in der Medienabführung 30 gleich ist. Deutlich sichtbar ist, dass der Weg vom ersten Medienanschluss 12 bis zum zweiten Medienanschluss 13 für alle Brennstoffzellen 51 gleich lang oder zumindest im Wesentlichen gleich lang ist. Dadurch kann durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 50 für alle Brennstoffzellen 51 eine gleichmäßige Versorgung mit dem jeweiligen Fluid, beispielsweise Wasserstoff, Luft oder ein Kühlfluid, sichergestellt werden. FIG. 2 shows the principle of a Z-like flow through the fuel cells 51 of a fuel cell stack 50 made possible by an apparatus 10 according to the invention. Through a first media connection 12, a medium is introduced into a media supply 20. The individual fuel cells 51 are connected in fluid communication with the media supply 20 in series with respect to a supply flow direction 21. As a result, a media flow 53 in the individual fuel cells 51 is possible, with only one media flow 53 being identified by way of example. The fuel cells 51 are also connected in a fluid-communicating manner to a median outlet 30, wherein the connection points with respect to a discharge flow direction 31 are also arranged serially one after the other in the medium discharge 30. By a second media connection 13, the medium and / or a resulting reaction product is discharged from the fuel cell stack 50 again. In contrast to the U-like flow shown in FIG. 1, however, a Z-like flow is realized according to the invention. This is made possible in particular by the fact that the flow directions 21, 31 are rectified and thereby the connection sequence in the media supply 20 and in the media discharge 30 is the same with respect to the respective flow direction 21, 31. It is clearly visible that the path from the first media connection 12 to the second media connection 13 is the same or at least substantially the same length for all fuel cells 51. As a result, by a device 10 according to the invention in a fuel cell stack 50 according to the invention for all fuel cells 51 a uniform supply of the respective fluid, for example hydrogen, air or a cooling fluid can be ensured.
In den Fig. 3a, b, c, d, die im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, wird eine mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 3a, b, c einzelne Bauteile des Brennstoffzellenstapels 50 bzw. der Vorrichtung 10 und die Fig. 3d zeigt den fertigen Brennstoffzellenstapel 50. Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 50 weist mehrere Brennstoffzellen 51 auf, von denen eine schematisch in Fig. 3b abgebildet ist. Im Inneren der Brennstoffzelle 51 ist eine aktive Fläche angeordnet, in der während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels 50 die Reaktion zwischen beispielsweise Wasserstoff und Luft stattfindet. Exemplarisch sind einige Medienflüsse 53 in dieser aktiven Fläche eingezeichnet. Das Medium, beispielsweise Wasserstoff, wird der Brennstoffzelle 51 durch eine Medienzuführung 20 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zugeführt. Durch eine Medienabführung 30 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 werden unverbrauchtes Medium und/oder Reaktionsprodukte wieder abgeführt. Die Medienzuführung 20 und die Medienabführung 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel in die Brennstoffzelle 51 integriert. Zusätzlich sind in der Brennstoffzelle 51 außerhalb der aktiven Fläche Öffnungen 52 angeordnet, beispielsweise zur Gewichtsreduktion. Eine dieser Öffnungen 52 wird in der dargestellten Ausführungsvariante zur Bildung einer Medienrückführung 40 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 verwendet. Auch die Medienrückführung 40 ist in der gezeigten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 somit zumindest teilweise in die einzelnen Brennstoffzellen 51 integriert. Zur Bildung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Medienabführung 30 und der Medienrückführung 40 ist eine Umlenkplatte 14 vorgesehen. Diese Umlenkplatte 14 bildet den unteren Abschluss des Brennstoffzellenstapels 50. Am entgegengesetzten oberen Ende des Brennstoffzellenstapels 50 ist eine Versorgungsplatte 1 1 angeordnet. Diese Versorgungsplatte 1 1 weist zwei Medienanschlüsse 12, 13 auf, von denen der erste Medienanschluss 12 mit der Medienzuführung 20 und der zweite Medienanschluss 13 mit der Medienrückführung 40 fluidkommunizierend verbunden ist. Darüber hinaus können die Versorgungsplatte 1 1 und die Umlenkplatte 14 auch zum Verspannen des gesamten Brennstoffzellenstapels 50 verwendet werden. Selbstverständlich können, wo notwendig und sinnvoll, noch weitere Bauelemente wie beispielsweise Dichtungselemente vorgesehen sein. In Fig. 3d ist der gesamte Brennstoffzellenstapel 50 abgebildet, wobei zusätzlich in gestrichelter Form die wesentlichen Bauteile der verbauten erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 eingezeichnet sind. Dabei ist erkennbar, dass die Medienanschlüsse 12, 13 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 50 angeordnet sind. Dadurch kann Bauraum eingespart werden, da beispielsweise die notwendigen Zuleitungen platzsparender angeordnet werden können. Auch sind die Strömungsrichtungen 21 , 31 , 41 in der Medienzuführung 20, der Medienabführung 30 bzw. der Medienrückführung 40 eingezeichnet. Dadurch ist deutlich sichtbar, dass die Zuführströmungsrichtung 21 und die Abführströmungsrichtung 31 gleichgerichtet und gleichzeitig die Rückführströmungsrichtung 41 dazu entgegengesetzt gerichtet ist. Durch diese gleiche Strömungsrichtung 21 , 31 in der Medienzuführung 20 und der Medienabführung 30 ist zusammen mit dem Medienfluss 53 in den Brennstoffzellen 51 , von denen einer in Fig. 3d exemplarisch eingezeichnet ist, ergibt sich eine Z-artige Durchströmung der Brennstoffzellen 51 des Brennstoffzellenstapels 50. Eine gleichmäßige Medienversorgung, beispielsweise hinsichtlich einer Strömungsgeschwindigkeit, eines Druckabfalls oder einer Kühlleistung, der einzelnen Brennstoffzellen 51 kann dadurch erreicht werden. Gleichzeitig ermöglicht die zur Zuführ- 21 bzw. Abführströmungsrichtung 31 entgegengesetzte Rückführströmungsrichtung 41 die oben beschriebene Anordnung der Medienanschlüsse 12, 13 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 50. Eine deutliche Verbesserung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Versorgung von Brennstoffzellen 51 eines Brennstoffzellenstapels 50 mit einem Medium kann somit erreicht werden. In FIGS. 3a, b, c, d, which will be described jointly below, a possible embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention with a device 10 according to the invention is shown. Here, FIGS. 3 a, b, c show individual components of the fuel cell stack 50 and the device 10 and FIG. 3 d shows the finished fuel cell stack 50. A fuel cell stack 50 according to the invention has a plurality of fuel cells 51, one of which is shown schematically in FIG is. In the interior of the fuel cell 51, an active surface is arranged, in which takes place during operation of the fuel cell stack 50, the reaction between, for example, hydrogen and air. As an example, some media flows 53 are shown in this active area. The medium, for example hydrogen, is supplied to the fuel cell 51 through a media supply 20 of a device 10 according to the invention. By a media removal 30 of a device 10 according to the invention unconsumed medium and / or reaction products are discharged again. The media supply 20 and the media discharge 30 are integrated in the fuel cell 51 in this embodiment. In addition, in the fuel cell 51 outside the active surface openings 52 are arranged, for example, for weight reduction. One of these openings 52 is used in the illustrated embodiment for forming a media return 40 of a device 10 according to the invention. In the illustrated embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention, the medium recirculation 40 is thus also at least partially integrated into the individual fuel cells 51. To form a fluid-communicating connection between the media outlet 30 and the media return 40, a deflection plate 14 is provided. This baffle 14 forms the lower end of the fuel cell stack 50. At the opposite upper end of the fuel cell stack 50, a supply plate 1 1 is arranged. This supply plate 11 has two media connections 12, 13, of which the first media connection 12 is connected in a fluid-communicating manner to the media supply 20 and the second media connection 13 to the media return 40. In addition, the supply plate 1 1 and the baffle 14 can also be used to brace the entire fuel cell stack 50. Of course, where necessary and reasonable, even more components such as sealing elements may be provided. In Fig. 3d, the entire fuel cell stack 50 is shown, wherein additionally in dashed form, the essential components of the installed device 10 according to the invention are shown. It can be seen that the media connections 12, 13 are arranged at one end of the fuel cell stack 50. As a result, space can be saved because, for example, the necessary leads can be arranged to save space. The flow directions 21, 31, 41 in the media supply 20, the media discharge 30 and the media return 40 are also shown. As a result, it can clearly be seen that the supply flow direction 21 and the purge flow direction 31 are rectified and at the same time the return flow direction 41 is directed opposite thereto. By means of this same flow direction 21, 31 in the media supply 20 and the media removal 30, a Z-like flow through the fuel cells 51 of the fuel cell stack 50 results together with the media flow 53 in the fuel cells 51, of which one is shown by way of example in FIG. 3d A uniform media supply, for example with regard to a flow rate, a pressure drop or a cooling capacity, of the individual fuel cells 51 can thereby be achieved. At the same time, the return flow direction 41 opposite to the feed 21 or discharge flow direction 31 enables the above-described arrangement of the media connections 12, 13 at one end of the fuel cell stack 50. A clear improvement of a fuel cell stack 50 according to the invention by the use of a device 10 for supplying fuel cells 51 of the invention Fuel cell stack 50 with a medium can thus be achieved.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt. Im Unterschied zur in Fig. 3d gezeigten Ausgestaltung ist hier die Medienrückführung 40 abschnittsweise als Rohr 42 ausgebildet. Insbesondere ist dieses Rohr 42 durch eine Lagervorrichtung 43 schwimmend gelagert. Durch eine derartige schwimmende Lagerung können insbesondere Änderungen und/oder Belastungen des Brennstoffzellenstapels 50, beispielsweise eine Ausdehnung bei Wärmeeinwirkung und/oder Vibrationen während des Betriebs, kompensiert werden. Ein zuverlässiger, störungsfreier Betrieb des Brennstoffzellenstapels 50 kann dadurch ermöglicht werden. Sämtliche Vorteile durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, insbesondere begründet in der Z- artigen Durchströmung der Brennstoffzellen 51 und der Anordnung der Medienanschlüsse 12, 13 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 50, die bereits in Bezug auf die in Fig. 3d gezeigten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 beschrieben worden sind, sind selbstverständlich auch bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 50 vorhanden. FIG. 4 shows a further embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention with a device 10 according to the invention. In contrast to the configuration shown in FIG. 3d, here the medium return 40 is formed in sections as a tube 42. In particular, this tube 42 is floatingly supported by a bearing device 43. In particular, changes and / or loads on the fuel cell stack 50, for example an expansion upon exposure to heat and / or vibrations during operation, can be compensated by such a floating mounting. A reliable, trouble-free operation of the fuel cell stack 50 can thereby be made possible. All the advantages of using a device 10 according to the invention, in particular based on the Z-like flow through the fuel cell 51 and the arrangement of the media connections 12, 13 at one end of the fuel cell stack 50, which have already been described in relation to the embodiment of the fuel cell stack 50 according to the invention shown in Fig. 3d, are of course also in the embodiment of a fuel cell stack 50 according to the invention shown in FIG.
B ez u g s ze i c h e n l i s te S e c tio n s ia s
10 Vorrichtung 10 device
11 Versorgungsplatte  11 supply plate
12 Erster Medienanschluss 12 First media connection
13 Zweiter Medienanschluss13 Second media connection
14 Umlenkplatte 14 baffle
20 Medienzuführung 20 media feed
21 Zuführströmungsrichtung  21 feed flow direction
30 Medienabführung 30 Media Transfer
31 Abführströmungsrichtung  31 discharge flow direction
40 Medienrückführung40 media return
41 Rückführstromungsrichtung41 return flow direction
42 Rohr 42 pipe
43 Lagervorrichtung  43 storage device
50 Brennstoffzellenstapel50 fuel cell stacks
51 Brennstoffzelle 51 fuel cell
52 Öffnung  52 opening
53 Medienfluss  53 Media flow

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1 . Vorrichtung (10) zur Versorgung von Brennstoffzellen (51 ) eines Brennstoffzellenstapels1 . Device (10) for supplying fuel cells (51) of a fuel cell stack
(50) mit einem Medium, aufweisend eine Medienzuführung (20) zum Zuführen des Mediums zu den einzelnen Brennstoffzellen (51 ) und eine Medienabführung (30) zum Abführen des Mediums und/oder von Reaktionsprodukten von den einzelnen Brennstoffzellen (51 ), wobei die Medienzuführung (20) durch das Medium in einer Zuführströmungsrichtung (21 ) durchströmbar ist und die Medienabführung (30) durch das Medium und/oder die Reaktionsprodukte in einer Abführströmungsrichtung (31 ) durchströmbar ist, und wobei ferner die Medienzuführung (20) mit den Brennstoffzellen(50) comprising a medium, comprising a media supply (20) for supplying the medium to the individual fuel cells (51) and a media outlet (30) for discharging the medium and / or reaction products from the individual fuel cells (51), wherein the media supply (20) through the medium in a feed flow direction (21) can be flowed through and the medium discharge (30) through the medium and / or the reaction products in a Abführströmungsrichtung (31) can be flowed through, and further wherein the media supply (20) with the fuel cells
(51 ) seriell entlang der Zuführströmungsrichtung (21 ) verbindbar ist und die Medienabführung (30) mit den Brennstoffzellen (51 ) seriell entlang der Abführströmungsrichtung (31 ) fluidkommunizierend verbindbar ist, (51) is serially connectable along the feed flow direction (21) and the media outflow (30) is fluidly communicable with the fuel cells (51) serially along the purge flow direction (31),
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Zuführströmungsrichtung (21 ) und die Abführströmungsrichtung (31 ) gleichgerichtet oder zumindest im Wesentlichen gleichgerichtet sind.  in that the supply flow direction (21) and the discharge flow direction (31) are rectified or at least substantially rectified.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , 2. Device (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Medienzuführung (20) und die Medienabführung (30) bezüglich der einzelnen Brennstoffzellen (51 ) gegenüberliegend, insbesondere diagonal gegenüberliegend, anordenbar sind.  in that the media supply (20) and the media discharge (30) can be arranged opposite one another with respect to the individual fuel cells (51), in particular diagonally opposite one another.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device (10) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass als Medium Wasserstoff und/oder Luft und/oder ein Kühlfluid verwendbar ist. in that hydrogen and / or air and / or a cooling fluid can be used as the medium.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 4. Device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine Medienrückführung (40) fluidkommunizierend mit der Medienabführung (30) verbunden ist, wobei die Medienrückführung (40) durch das Medium und/oder die Reaktionsprodukte in einer Rückführströmungsrichtung (41 ) durchströmbar ist und die Rückführströmungsrichtung (41 ) und die Abführströmungsrichtung (31 ) entgegengesetzt oder zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind.  in that a medium return (40) is connected in fluid communication with the medium discharge (30), wherein the medium return (40) can be flowed through by the medium and / or the reaction products in a return flow direction (41) and the return flow direction (41) and the discharge flow direction (31) are opposite or at least substantially oppositely directed.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, 5. Device (10) according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Medienabführung (30) und die Medienrückführung (40) über eine Umlenkplatte (14) fluidkommunizierend verbunden sind.  in that the media outflow (30) and the media return (40) are connected in a fluid-communicating manner via a deflecting plate (14).
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 6. Device (10) according to one of claims 4 or 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zumindest zwei Medienanschlüssen (12, 13) vorgesehen sind, wobei die Medienzuführung (20) mit dem ersten Medienanschluss (12) und die Medienrückführung (40) mit dem zweiten Medienanschluss (13) fluidkommunizierend verbunden sind und die Medienanschlüsse (12, 13) am selben Ende des Brennstoffzellenstapels (50) anordenbar sind.  in that at least two media connections (12, 13) are provided, the media supply (20) being in fluid communication with the first media connection (12) and the media return (40) being in fluid communication with the second media connection (13) and the media connections (12, 13) on the same end of the fuel cell stack (50) can be arranged.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, 7. Device (10) according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine Versorgungsplatte (1 1 ) vorgesehen ist, wobei die zumindest zwei Medienanschlüsse (12, 13) in der Versorgungsplatte (1 1 ) angeordnet sind.  a supply plate (11) is provided, wherein the at least two media connections (12, 13) are arranged in the supply plate (11).
8. Vorrichtung (10) nach den Ansprüchen 5 und 7, 8. Device (10) according to claims 5 and 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Versorgungsplatte (1 1 ) und die Umlenkplatte (14) derart ausgebildet sind, dass zumindest zwei Stapel aus Brennstoffzellen (51 ) zwischen ihnen anordenbar sind. the supply plate (1 1) and the deflecting plate (14) are designed in such a way that at least two stacks of fuel cells (51) can be arranged between them.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, 9. Device (10) according to one of claims 4 to 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Medienrückführung (40) zumindest abschnittsweise durch Öffnungen (52) in den Brennstoffzellen (51 ) gebildet ist.  the medium return (40) is formed at least in sections through openings (52) in the fuel cells (51).
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, 10. Device (10) according to one of claims 4 to 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Medienrückführung (40) zumindest abschnittsweise durch ein Rohr (42) gebildet ist.  the medium return (40) is formed at least in sections by a tube (42).
1 1 . Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, 1 1. Device (10) according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Rohr (42) durch eine Lagervorrichtung (43) schwimmend gelagert ist.  the tube (42) is floatingly supported by a bearing device (43).
12. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , 12. Device (10) according to one of claims 10 or 11,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Rohr (42) zum Führen der Brennstoffzellen (51 ), insbesondere parallel zu einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen (51 ), ausgebildet ist.  in that the tube (42) is designed to guide the fuel cells (51), in particular parallel to a stacking direction of the fuel cells (51).
13. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 13. Device (10) according to one of claims 10 to 12,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass ein Führungselement vorgesehen ist, wobei durch das Führungselement und das Rohr (42) ein Stapeln der Brennstoffzellen (51 ) bei der Montage des Brennstoffzellenstapels (50) unterstützbar ist.  a guide element is provided, wherein stacking of the fuel cells (51) during the assembly of the fuel cell stack (50) can be supported by the guide element and the tube (42).
14. Brennstoffzellenstapel (50), aufweisend mehrere Brennstoffzellen (51 ) und eine Vorrichtung (10) zur Versorgung der Brennstoffzellen (51 ) mit einem Medium, 14. A fuel cell stack (50), comprising a plurality of fuel cells (51) and a device (10) for supplying the fuel cells (51) with a medium,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Vorrichtung (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.  in that the device (10) is designed according to one of the preceding claims.
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