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DE20016734U1 - Polymer electrolyte membrane - fuel cell system with cooling by non, weak or strong electrically conductive fluid media - Google Patents

Polymer electrolyte membrane - fuel cell system with cooling by non, weak or strong electrically conductive fluid media

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DE20016734U1
DE20016734U1 DE20016734U DE20016734U DE20016734U1 DE 20016734 U1 DE20016734 U1 DE 20016734U1 DE 20016734 U DE20016734 U DE 20016734U DE 20016734 U DE20016734 U DE 20016734U DE 20016734 U1 DE20016734 U1 DE 20016734U1
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fuel cell
cell system
fuel
stack
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Proton Motor Fuel Cell GmbH
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Description

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K 51 787/8K 51 787/8

POLYMERELEKTROLYTMEMBRAN-BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT KÜHLUNG DURCH NICHT, SCHWACH ODER STARK ELEKTRISCH LEITENDE FLUIDE MEDIENPOLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL SYSTEM WITH COOLING BY NON, WEAKLY OR STRONGLY ELECTRICALLY CONDUCTIVE FLUID MEDIA

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System mit einer Mehrzahl an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die eine Membranelektrodeneinheit, eine anodenseitige Bipolarplatte und eine kathodenseitige Bipolarplatte aufweisen, und die in Form eines Stapels übereinander angeordnet sind, wobei das Brennstoffzellen-System zur Kühlung mit nicht, schwach oder stark elektrisch leitenden fluiden Medien geeignet ist. Bevorzugt werden die Brennstoffzellen mit Brenngas und Oxidationsmittel unter niedrigem Druck betrieben, wobei als Brenngas bevorzugt Wasserstoff oder ein Methanol-Wasser-Gemisch in flüssiger oder gasförmiger Form und als Oxidationsmittel Luft oder Sauerstoff verwendet wird.The present invention relates to a fuel cell system with a plurality of polymer electrolyte membrane fuel cells which have a membrane electrode unit, an anode-side bipolar plate and a cathode-side bipolar plate and which are arranged one above the other in the form of a stack, wherein the fuel cell system is suitable for cooling with non-, weakly or strongly electrically conductive fluid media. The fuel cells are preferably operated with fuel gas and oxidizing agent under low pressure, wherein hydrogen or a methanol-water mixture in liquid or gaseous form is preferably used as the fuel gas and air or oxygen is used as the oxidizing agent.

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen enthalten eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschermembran. Mehrere Brennstoffzellen bilden einen Brennstoffzellenstapel, wobei die einzelnen Brennstoffzellen durch als Stromsammler wirkende bipolare Platten voneinander getrennt werden. Zur Erzeugung von Elektrizität wird ein Brenngas, z.B. Wasserstoff, über Gasverteilungskanäle in den Anodenbereich und ein Oxidationsmittel, z.B. Luft oder Sauerstoff, über Gasverteilungskanäle in den Kathodenbereich eingebracht. Das Einbringen der Reaktanden kann sowohl unter Überdruck (etwa 2 · 105 bis 4 · 105 Pa) als auch annähernd bei atmosphärischem Druck (etwa 1,3 • 105 bis 1,5 · 105 Pa abs) erfolgen. Anode und Kathode enthalten in denPolymer electrolyte membrane fuel cells contain an anode, a cathode and an ion exchange membrane arranged between them. Several fuel cells form a fuel cell stack, with the individual fuel cells being separated from one another by bipolar plates acting as current collectors. To generate electricity, a fuel gas, e.g. hydrogen, is introduced into the anode area via gas distribution channels and an oxidizing agent, e.g. air or oxygen, is introduced into the cathode area via gas distribution channels. The reactants can be introduced under excess pressure (approximately 2 · 10 5 to 4 · 10 5 Pa) or at approximately atmospheric pressure (approximately 1.3 · 10 5 to 1.5 · 10 5 Pa abs). In the

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mit der Polymerelektrolytmembran in Kontakt stehenden Bereichen jeweils eine Katalysatorschicht. In der Anodenkatalysatorschicht wird der Brennstoff unter Bildung von Kationen und freien Elektronen oxidiert, in der Kathodenkatalysatorschicht wird das Oxidationsmittel durch Aufnahme von Elektronen reduziert. Die Kationen wandern durch die Ionenaustauschermembran zur Kathode und reagieren mit dem reduzierten Oxidationsmittel, wobei, wenn Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden, Wasser entsteht. Bei der Reaktion von Brenngas und Oxidationsmittel werden große Wärmemengen frei, die mittels Kühlung abgeführt werden müssen. Die Kühlung kann sowohl durch gasförmige Medien, z.B. Luft, als auch durch fluide Medien erfolgen.Each area in contact with the polymer electrolyte membrane has a catalyst layer. In the anode catalyst layer, the fuel is oxidized to form cations and free electrons, while in the cathode catalyst layer, the oxidizing agent is reduced by absorbing electrons. The cations migrate through the ion exchange membrane to the cathode and react with the reduced oxidizing agent, producing water when hydrogen is used as the fuel gas and oxygen as the oxidizing agent. When the fuel gas and oxidizing agent react, large amounts of heat are released that must be removed by cooling. Cooling can be achieved using gaseous media, e.g. air, or fluid media.

Bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln mit Flüssigkeitskühlung erfolgt die Kühlung durch Kühlkanäle in den bipolaren Platten, die aus zentralen Verteil- und Sammelleitungen gespeist werden. Da typischerweise zwischen 20 bis 50 bis hin zu mehreren hundert Einzelbrennstoffzellen in Reihe geschaltet werden, muß das Kühlmedium in den zentralen Zu- und Abführungskanälen längs in oder gegen die Stromrichtung durch den Brennstoffzellenstapel geführt werden. Um zu verhindern, daß durch das Kühlmedium die unterschiedlichen elektrischen Potentiale der in Reihe geschalteten Einzelzellen elektrisch miteinander verbunden werden und es somit zu Kurzschlüssen zwischen Zellen bzw. zu Materialzersetzungen kommt, wird als Kühlflüssigkeit deionisiertes Wasser verwendet. Deionisiertes Wasser besitzt allerdings ein hohes Aufnahmevermögen für lösliche Ionen aller Art, es muß deshalb beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen kontinuierlich ersetzt oder gereinigt werden, z.B. durch Ionentauscheranlagen. Eine derartige Reinigung ist häufig erforderlich, da die Kühlmedien üblicherweise durchIn conventional fuel cell stacks with liquid cooling, cooling is carried out by cooling channels in the bipolar plates, which are fed from central distribution and collection lines. Since typically between 20 and 50 up to several hundred individual fuel cells are connected in series, the cooling medium must be guided lengthways in or against the direction of current through the fuel cell stack in the central supply and discharge channels. In order to prevent the cooling medium from electrically connecting the different electrical potentials of the individual cells connected in series, thus causing short circuits between cells or material decomposition, deionized water is used as the cooling liquid. However, deionized water has a high absorption capacity for soluble ions of all kinds, so when used in fuel cell systems it must be continuously replaced or cleaned, e.g. by ion exchange systems. Such cleaning is often necessary, since the cooling media are usually

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Wärmetauscheranlagen geführt werden, wo sie sich mit Fremdionen anreichern. Derartige Fremdionen erhöhen nicht nur die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums in unerwünschter Weise, sondern viele der Fremdionen (Cu2+, Ni2+) schädigen zudem die Festpolymerelektrolytmembran, wenn das Kühlmedium mit der Membran in direkten Kontakt kommt.Heat exchanger systems, where they become enriched with foreign ions. Such foreign ions not only increase the electrical conductivity of the cooling medium in an undesirable way, but many of the foreign ions (Cu 2+ , Ni 2+ ) also damage the solid polymer electrolyte membrane when the cooling medium comes into direct contact with the membrane.

Die Auswahl an geeigneten Kühlmedien bei Brennstoffzellen-Systemen mit konventioneller Kühlung ist daher stark eingeschränkt. Es können keine Kühlmedien verwendet werden, die in direktem Kontakt mit Membran, Katalysatorschicht, Gasdiffusionsschicht, Dichtungssystem und/oder Bipolarplatten zur Schädigung derselben führen könnten, wie das z.B. bei Ölen, mit Fremdionen aus Wärmetauscheranlagen angereichertem Kühlwasser, Kühlwasser mit Frostschutzmitteln oder Alkoholen der Fall ist.The choice of suitable cooling media for fuel cell systems with conventional cooling is therefore very limited. Cooling media that could damage the membrane, catalyst layer, gas diffusion layer, sealing system and/or bipolar plates when in direct contact with them cannot be used, as is the case with oils, cooling water enriched with foreign ions from heat exchanger systems, cooling water with antifreeze or alcohols.

Diese Einschränkungen hinsichtlich der verwendbaren Kühlmedien bedingen Einschränkungen der Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzellen-Systeme. Wird beispielsweise ein deionisiertes Wasser als Kühlmedium verwendendes Brennstoffzellen-System in sehr kalter Umgebung abgeschaltet, kann bis zur erneuten Inbetriebnahme das Kühlmedium eingefroren sein und irreversible Schäden am Brennstoffzellen-System hervorrufen.These restrictions regarding the cooling media that can be used result in limitations on the possible applications of the fuel cell systems. For example, if a fuel cell system that uses deionized water as a cooling medium is switched off in a very cold environment, the cooling medium can be frozen by the time it is switched on again and cause irreversible damage to the fuel cell system.

Insbesondere bei Brennstoffzellen, die als Brenngas Wasserstoff, der über hervorragende Diffusionseigenschaften verfügt, verwenden, besteht die Gefahr, daß mangels einer geeigneten Rückhaltung Brenngas direkt in die Umgebung austreten kann. Insbesondere bei Verwendung derEspecially in fuel cells that use hydrogen as fuel gas, which has excellent diffusion properties, there is a risk that fuel gas can escape directly into the environment due to a lack of suitable containment. In particular, when using the

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Brennstoffzellen in geschlossenen Räumen kann daher eine Explosionsgefahr nicht zuverlässig ausgeschlossen werden.The risk of explosion in fuel cells in enclosed spaces cannot therefore be reliably ruled out.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das nicht auf die Verwendung elektrisch nicht leitender Kühlmedien eingeschränkt ist.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a fuel cell system which is not restricted to the use of electrically non-conductive cooling media.

Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das mittels nicht, schwach oder stark elektrisch leitender fluider Medien gekühlt werden kann.The object of the invention is in particular to provide a fuel cell system which can be cooled by means of non-, weakly or strongly electrically conductive fluid media.

Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das mittels Kühlmedien, die irgendwelche Bestandteile der Brennstoffzellen schädigen können, wenn sie mit ihnen in Kontakt kommen, gekühlt werden kann.Another object of the invention is to provide a fuel cell system that can be cooled by means of cooling media that can damage any components of the fuel cells if they come into contact with them.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das bei Undichtigkeiten in einem Reaktionsmittelraum das Reaktionsmittel nicht unmittelbar in die Umgebung entläßt.A further object of the invention is to provide a fuel cell system which, in the event of leaks in a reactant chamber, does not release the reactant directly into the environment.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Brennstoffzellen-System mit einer Mehrzahl an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die eine Membranelektrodeneinheit, eine anodenseitige Bipolarplatte und eine kathodenseitige Bipolarplatte aufweisen, und die in Form eines Stapels übereinander angeordnet sind, wobei an der Oberseite und an der Unterseite des Stapels Stromsammler angeordnet sind, und wobei das Brennstoffzellen-System dadurch gekennzeichnet ist, daßThe object is achieved by the fuel cell system with a plurality of polymer electrolyte membrane fuel cells which have a membrane electrode unit, an anode-side bipolar plate and a cathode-side bipolar plate, and which are arranged one above the other in the form of a stack, wherein current collectors are arranged on the top and bottom of the stack, and wherein the fuel cell system is characterized in that

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zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen des Stapels jeweils ein Zwischenraum zur Aufnahme eines Kühlmediums vorgesehen ist,between adjacent fuel cells of the stack, a gap is provided for receiving a cooling medium,

ein Kühlmediummantel vorgesehen ist, der den Stapel mindestens an dessen Seitenflächen umgibt, und dera cooling medium jacket is provided which surrounds the stack at least on its side surfaces, and the

mindestens einen Kühlmedium-Verteilungsraum in den mindestens eine Kühlmedium-Eintrittsöffnung mündet, und
mindestens einen Kühlmedium-Sammelraum, in den mindestens eine Kühlmedium-Austrittsöffnung mündet, ausbildet,
at least one cooling medium distribution chamber into which at least one cooling medium inlet opening opens, and
forms at least one cooling medium collecting chamber into which at least one cooling medium outlet opening opens,

- wobei der Kühlmediummantel mit mindestens einer Endplatte, die an einer stapelabgewandten Außenfläche des Stromsammlers angeordnet ist, und/oder mit mindestens einem Abdeckelement zur Ausbildung eines von Kühlmedium durchströmbaren Raums verbunden ist, und- wherein the cooling medium jacket is connected to at least one end plate which is arranged on an outer surface of the current collector facing away from the stack and/or to at least one cover element for forming a space through which cooling medium can flow, and

- wobei die Außenoberflächen der Brennstoffzellen mit Schutzmaterial und/oder elektrisch isolierendem Material umhüllt sind.- wherein the outer surfaces of the fuel cells are covered with protective material and/or electrically insulating material.

Das Verfahren zur Kühlung des Brennstoffzellen-Systems mit einer Mehrzahl an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die eine Membranelektrodeneinheit, eine anodenseitige Bipolarplatte und eine kathodenseitige Bipolarplatte aufweisen, und die in Form eines Stapels übereinander angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmediummantel vorgesehen wird, der den Stapel mindestens an dessen Seitenflächen umgibt und mit mindestens einer Endplatte des Stapels und/oder mit mindestens einem Abdeckelement zur Ausbildung eines Kühlmediumraums verbunden ist, und ein fluides Kühlmedium durch den Kühlmediumraum geströmt wird, wobei das Kühlmedium mindestens Zwischenräume zwischen einander benachbarten Zellen des Stapels durchströmt und dabei mit den zellabgewandten Oberflächen derThe method for cooling the fuel cell system with a plurality of polymer electrolyte membrane fuel cells, which have a membrane electrode unit, an anode-side bipolar plate and a cathode-side bipolar plate, and which are arranged one above the other in the form of a stack, is characterized in that a cooling medium jacket is provided which surrounds the stack at least on its side surfaces and is connected to at least one end plate of the stack and/or to at least one cover element to form a cooling medium space, and a fluid cooling medium is flowed through the cooling medium space, wherein the cooling medium flows through at least intermediate spaces between adjacent cells of the stack and thereby comes into contact with the surfaces of the

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Bipolarplatten der Brennstoffzellen in Berührung kommt und die Brennstoffzellen kühlt.Bipolar plates of the fuel cells and cools the fuel cells.

Zur Kühlung des Brennstoffzellen-Stapels wird das Kühlmedium an einer Seite in den Kühlmediumraum eingeführt, durchströmt den Stapel, d.h.To cool the fuel cell stack, the cooling medium is introduced into the cooling medium chamber on one side and flows through the stack, i.e.

strömt durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffzellen, und tritt an einer anderen Seite, bevorzugt der entgegengesetzten Seite, wieder aus dem Kühlmediumraum aus.flows through the spaces between the fuel cells and exits the cooling medium space again on another side, preferably the opposite side.

Eine Einzelbrennstoffzelle setzt sich zusammen aus den Komponenten Membranelektrodeneinheit, bestehend aus Membran, kathoden- und anodenseitiger Katalysator- und Gasdiffusionsschicht, sowie einer anodenseitigen und einer kathodenseitigen Bipolarplatte und dem Dichtungssystem. In den bipolaren Platten sind häufig Gas Verteilungsstrukturen eingearbeitet oder auf sie aufgebracht. Jede einzelne Brennstoffzelle benötigt auch Zuführungen und Abführungen für Brenngas sowie Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen sind in der Regel rechteckig, können aber auch jede andere gewünschte Form haben.A single fuel cell is made up of the following components: membrane electrode unit, consisting of membrane, cathode and anode-side catalyst and gas diffusion layer, an anode-side and a cathode-side bipolar plate and the sealing system. Gas distribution structures are often incorporated into or applied to the bipolar plates. Each individual fuel cell also requires inlets and outlets for fuel gas and oxidizing agents. The fuel cells are usually rectangular, but can also have any other desired shape.

Ebenso kann der Kühlmediurnmantel grundsätzlich jede beliebige Form haben, solange gewährleistet ist, daß das Kühlmedium hinreichend gleichmäßig durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffzellen strömen kann. Bei bestimmten Zellformen, etwa achteckigen Zellen, kann es zur Sicherung einer ausreichend gleichmäßigen Strömung vorteilhaft sein, mehrere Kühlmedium-Verteilungsräume und/oder Sammelräume vorzusehen.Likewise, the cooling medium jacket can basically have any shape as long as it is ensured that the cooling medium can flow sufficiently evenly through the spaces between the fuel cells. With certain cell shapes, such as octagonal cells, it can be advantageous to provide several cooling medium distribution spaces and/or collection spaces to ensure a sufficiently even flow.

Die räumliche Anordnung oder Ausrichtung des Brennstoffzellen-Systems ist beliebig. Wird das System so angeordnet, daß die BrennstoffzellenThe spatial arrangement or orientation of the fuel cell system is arbitrary. If the system is arranged so that the fuel cells

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einen Stapel nebeneinander angeordneter Zellen bilden, wird das System also gegenüber der "aufrechten" Stapelung um 90° gedreht, kann das Kühlmedium in vertikaler Richtung durch die Zwischenräume zwischen den Zellen strömen.form a stack of cells arranged next to each other, so if the system is rotated by 90° compared to the "upright" stacking, the cooling medium can flow vertically through the spaces between the cells.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-System sowie das Verfahren zur Kühlung des Brennstoffzellen-Systems erfordern grundsätzlich nur das Vorhandensein einer einzigen Brennstoffzelle (Zwischenräume zwischen benachbarten Zellen liegen dann nicht vor), üblicherweise wird es jedoch mehrere Brennstoffzellen enthalten, die zu einem Brennstoffzellen-Stapel aufgestapelt sind, typischerweise etwa 10 bis 100 Brennstoffzellen.The fuel cell system according to the invention and the method for cooling the fuel cell system basically only require the presence of a single fuel cell (there are then no gaps between adjacent cells), but it will usually contain several fuel cells stacked to form a fuel cell stack, typically about 10 to 100 fuel cells.

Die Brennstoffzellen werden dergestalt aufeinandergestapelt, daß zwischen benachbarten Zellen jeweils ein Zwischenraum verbleibt, durch den Kühlmedium strömen kann. An der Unterseite und der Oberseite des Stapels sind jeweils Stromsammler, typischerweise in Form von Stromsammei- und -ableitungsblechen, vorgesehen. Die Brennstoffzellen und die Stromsammler werden elektrisch in Reihe geschaltet, d.h., die Zwischenräume zwischen den einzelnen Brennstoffzellen werden jeweils mittels eines elektrisch leitfähigen Verbinders überbrückt. Abgeschlossen wird der Brennstoffzellenstapel schließlich von Endplatten, die an der jeweils stapelabgewandten Seite der Stromsammler angebracht werden.The fuel cells are stacked on top of each other in such a way that a gap remains between adjacent cells through which the cooling medium can flow. Current collectors, typically in the form of current collecting and discharging plates, are provided on the underside and the top of the stack. The fuel cells and the current collectors are electrically connected in series, i.e. the gaps between the individual fuel cells are each bridged by an electrically conductive connector. The fuel cell stack is finally closed off by end plates that are attached to the side of the current collectors facing away from the stack.

In den Zwischenräumen zwischen den Brennstoffzellen werden Abstandhalter Strukturen vorgesehen. Diese Abstandhalterstrukturen können aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Metall oder kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Kohlefaserpapier mit porösen Strukturen, hergestellt werden und gleichzeitig als elektrische Verbinder zwischen den einzelnen Brennstoffzellen wirken. Es können jedoch auchSpacer structures are provided in the gaps between the fuel cells. These spacer structures can be made of an electrically conductive material such as metal or carbon-containing materials, such as carbon fiber paper with porous structures, and at the same time act as electrical connectors between the individual fuel cells. However, they can also

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elektrisch nicht leitfähige Abstandhalterstrukturen, z.B. aus Kunststoff, eingesetzt und separate elektrische Verbinder vorgesehen werden. Die Abstandhalterstrukturen können separate Bauteile sein, sie können jedoch auch einstückig mit einer Bipolarplatte oder einstückig mit zwei Bipolarplatten ausgebildet werden. Als Materialien für die Abstandhalterstrukturen sind elektrisch leitfähige Materialien bevorzugt. Bei einstückiger Ausbildung mit einer oder mit beiden der angrenzenden Bipolarplatten bestehen sie aus einem identischen Material wie die Bipolarplatten, typischerweise Metall oder kohlenstoffhaltige Materialien.Electrically non-conductive spacer structures, e.g. made of plastic, can be used and separate electrical connectors can be provided. The spacer structures can be separate components, but they can also be formed integrally with a bipolar plate or integrally with two bipolar plates. Electrically conductive materials are preferred as materials for the spacer structures. When formed integrally with one or both of the adjacent bipolar plates, they consist of an identical material to the bipolar plates, typically metal or carbon-containing materials.

Die Abmessungen der Zwischenräume müssen so gewählt werden, daß sie ein ungehindertes Strömen des Kühlmediums und eine gleichmäßige Kühlung erlauben. Je nach Größe der Brennstoffzellen kann ein Abstand zwischen benachbarten Zellen von ca. 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 0,2 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm, als geeignet betrachtet werden. Eine in den Zwischenräumen vorgesehene Abstandhalterstruktur sollte das Fließen des Kühlmediums möglichst wenig behindern. Abstandhalterstrukturen, die für das Kühlmedium kanal- oder porenförmige Strukturen ausbilden, sind bevorzugt.The dimensions of the gaps must be selected so that they allow unhindered flow of the cooling medium and uniform cooling. Depending on the size of the fuel cells, a distance between adjacent cells of approximately 0.1 to 10 mm, preferably 0.2 to 5 mm, particularly preferably 0.2 to 1 mm, can be considered suitable. A spacer structure provided in the gaps should impede the flow of the cooling medium as little as possible. Spacer structures that form channel- or pore-shaped structures for the cooling medium are preferred.

Durch die Stapelreihenfolge - Brennstoffzelle, Zwischenraum (mit Abstandhalterstruktur), Brennstoffzelle, usw. - erfolgt eine hydraulische Parallelschaltung des Kühlmediums quer durch den Brennstoffzellenstapel, wodurch eine sehr gleichmäßige Kühlung mit sehr geringen Druckdifferenzen erreicht wird. Typischerweise liegt der Druckverlust, abhängig von der Größe der Brennstoffzellen und der Wärmeaufnahme des Kühlmediums, im Bereich von einigen hundert Pa bis einige tausend Pa.The stacking sequence - fuel cell, intermediate space (with spacer structure), fuel cell, etc. - results in a hydraulic parallel connection of the cooling medium across the fuel cell stack, which achieves very uniform cooling with very low pressure differences. Typically, the pressure loss is in the range of a few hundred Pa to a few thousand Pa, depending on the size of the fuel cells and the heat absorption of the cooling medium.

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Zusätzlich zu den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Brennstoffzellen kann auch noch je ein Zwischenraum zwischen der untersten bzw. der obersten Brennstoffzelle eines Stapels und dem jeweils angrenzenden Stromsammler vorgesehen werden. Diese zusätzlichen Zwischenräume haben den Vorteil, daß auch über die allerunterste bzw. alleroberste Bipolarplatte eines Stapels Kühlmittel strömt. In diesem Fall ist eine elektrische Verbindung zwischen diesen abschließenden Bipolarplatten und dem Stromsammler erforderlich.In addition to the gaps between the individual fuel cells, a gap can also be provided between the lowest and highest fuel cells in a stack and the adjacent current collector. These additional gaps have the advantage that coolant also flows over the very lowest and very highest bipolar plates in a stack. In this case, an electrical connection is required between these final bipolar plates and the current collector.

Die Brennstoffzellen können beliebige handelsübliche Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen sein, z.B. mit Kohlefaservlies-Elektroden, Bipolarplatten aus Metall oder Grafit und einer Nafion®-Membran oder Gore-Membran. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es lediglich wesentlich, daß die einzelnen Brennstoffzellen so abgedichtet sind, daß kein Kühlmedium in das Innere der Brennstoffzellen gelangt. Dabei ist es unwesentlich, ob jede Zelle für sich abgedichtet ist, oder ob die Abdichtung erst beim Zusammenspannen der Brennstoffzellen zu einem Stapel erfolgt. Die Anforderungen an die Abdichtung der Zellen gegenüber dem Kühlmedium sind relativ leicht zu erfüllen, da in den Brennstoffzellen ein höherer Druck herrscht als im Kühlmittelsystem. Typisch sind Brenngasdrücke von ca. 0,3 · &Igr;&Ogr;5 bis 0,5The fuel cells can be any commercially available polymer electrolyte membrane fuel cells, e.g. with carbon fiber fleece electrodes, bipolar plates made of metal or graphite and a Nafion® membrane or Gore membrane. For the purposes of the present invention, it is only important that the individual fuel cells are sealed in such a way that no cooling medium gets into the interior of the fuel cells. It is irrelevant whether each cell is sealed individually or whether the sealing only takes place when the fuel cells are clamped together to form a stack. The requirements for sealing the cells against the cooling medium are relatively easy to meet, since the pressure in the fuel cells is higher than in the coolant system. Fuel gas pressures of approx. 0.3 · �IΩ 5 to 0.5 are typical.

• &Igr;&Ogr;5 Pa über Atmosphärendruck und Oxidationsmitteldrücke von ca. 0,1•&Igr;&Ogr; 5 Pa above atmospheric pressure and oxidant pressures of approx. 0.1

• 105 bis 0,5 · &Igr;&Ogr;5 Pa über Atmosphärendruck. Das erfindungsgemäße System ist grundsätzlich für beliebige brenngasseitige und oxidationsmittelseitige Drücke geeignet, z. B. auch für Drücke von 2 ■ 105 bis 4 · 105 Pa oder höher. Bei einem Auftreten von Dichtungsproblemen findet also eher ein Lecken von Reaktionsgas in das Kühlmedium statt. Das Eindringen von Kühlmedium in die Zellen ist nicht begünstigt.• 10 5 to 0.5 · &Igr;&Ogr; 5 Pa above atmospheric pressure. The system according to the invention is basically suitable for any pressure on the fuel gas side and the oxidizing agent side, e.g. also for pressures of 2 ■ 10 5 to 4 · 10 5 Pa or higher. If sealing problems occur, the reaction gas is more likely to leak into the cooling medium. The penetration of cooling medium into the cells is not encouraged.

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Der Brennstoffzellenstapel ist an seinem Umfang mit einem Kühlmediummantel ummantelt. Die Ummantelung erfolgt derart, daß an einer Seite des Brennstoffzellenstapels ein bevorzugt kammerartiger Verteilungsraum für das Kühlmedium und an einer anderen, bevorzugt der entgegengesetzten, Seite des Brennstoffzellenstapels ein identischer oder ähnlicher Sammelraum für das Kühlmedium entsteht. Wenn sich Verteilungsraum und Sammelraum nicht an entgegengesetzten Seiten befinden, ist es bevorzugt, Abstandhalter zwischen den einzelnen Zellen so auszubilden, daß das Kühlmedium vom Verteilungsraum zum Sammelraum geführt wird. Der Sammelraum kann auch anders geformt sein als der Verteilungsraum, solange er zur Aufnahme und Weiterleitung des aus dem Stapel austretenden Kühlmediums geeignet ist. Der Verteilungsraum weist eine Kühlmedium-Eintrittsöffnung auf, durch die Kühlmedium in den Verteilungsraum eintritt, und der Kühlmediumsammelraum weist eine Kühlmedium-Austrittsöffnung auf, durch die das Kühlmedium den Kühlmantel wieder verläßt. Insbesondere bei hohen Brennstoffzellenstapeln oder großflächigen Brennstoffzellen kann es vorteilhaft sein, in die Verteilungskammer eine Verteilungsstruktur zur besseren Strömungsführung des Kühlmediums einzubringen. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere oder viele Kühlmedium-Eintrittsöffnungen vorgesehen werden, die ebenfalls eine gleichmäßige Verteilung des eingebrachten Kühlmediums fördern. Auch der Sammelraum kann mehrere Austrittsöffnungen besitzen. Die Eintrittsöffnung(en) und die Austrittsöffnung(en) können in den Kühlmediummantel oder in eine oder beide Endplatten oder sowohl in den Kühlmediummantel als auch in die Endplatten integriert sein.The fuel cell stack is encased on its periphery with a cooling medium jacket. The jacketing is done in such a way that a preferably chamber-like distribution space for the cooling medium is created on one side of the fuel cell stack and an identical or similar collection space for the cooling medium is created on another, preferably the opposite, side of the fuel cell stack. If the distribution space and collection space are not on opposite sides, it is preferable to form spacers between the individual cells so that the cooling medium is guided from the distribution space to the collection space. The collection space can also be shaped differently than the distribution space, as long as it is suitable for receiving and passing on the cooling medium emerging from the stack. The distribution space has a cooling medium inlet opening through which the cooling medium enters the distribution space, and the cooling medium collection space has a cooling medium outlet opening through which the cooling medium leaves the cooling jacket again. Particularly in the case of high fuel cell stacks or large-area fuel cells, it can be advantageous to introduce a distribution structure into the distribution chamber to improve the flow of the cooling medium. Alternatively or additionally, several or many cooling medium inlet openings can be provided, which also promote an even distribution of the introduced cooling medium. The collection chamber can also have several outlet openings. The inlet opening(s) and the outlet opening(s) can be integrated into the cooling medium jacket or into one or both end plates or into both the cooling medium jacket and the end plates.

Der Kühlmantel muß nicht notwendigerweise einstückig ausgebildet sein, er kann vielmehr auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden,The cooling jacket does not necessarily have to be made in one piece, but can also be composed of several parts,

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die miteinander verschweißt, verklebt oder in sonstiger Weise dicht verbunden werden. Beispielsweise können ein separater Verteilungsraum und Sammelraum vorgesehen werden, und die beiden verbleibenden, noch nicht abgedeckten Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels können mit jeweils einer Platte versehen werden, die bei Verbindung mit dem Verteilungsraum einerseits und dem Sammelraum andererseits einen durchgehenden Kühlmediummantel ergeben.which are welded, glued or otherwise tightly connected to one another. For example, a separate distribution chamber and collection chamber can be provided, and the two remaining, not yet covered side surfaces of the fuel cell stack can each be provided with a plate which, when connected to the distribution chamber on the one hand and the collection chamber on the other, forms a continuous cooling medium jacket.

Als Materialien für den Kühlmediummantel sowie die Verteilerstruktur finden bevorzugt nicht leitende Kunststoffmaterialien Verwendung. Dies ist jedoch nicht zwingend. Bei Kühlung mit einem nicht leitenden Kühlmedium können grundsätzlich auch elektrisch leitende Materialien verwendet werden, beispielsweise Edelstahl. Es ist lediglich erforderlich, daß die bipolaren Platten sowie die Stromsammler und die den elektrischen Kontakt zwischen den Brennstoffzellen untereinander, bzw. gegebenenfalls zwischen Brennstoffzellen und Stromsammlern, vermittelnden Verbinder keinen elektrischen Kontakt zum Kühlmediummantel haben. Zur elektrischen Isolierung kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht an der Innenseite der an den Brennstoffzellenstapel anliegenden Kühhnediummantel-Seitenfläche angebracht werden, oder es kann zwischen Kühlmediummantel-Seitenflächen und den gegenüberliegenden Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels ein Zwischenraum freigelassen werden. Ein derartiger Zwischenraum hat gleichzeitig den Vorteil, daß auch an den Außenflächen des Brennstoffzellenstapels Kühlmedium vorbeiströmt. Ein derartiger Zwischenraum würde typischerweise eine Breite von bis zu 10 mm haben, bevorzugt aber nur bis zu etwa 1 mm betragen, um zu gewährleisten, daß das Kühlmedium bevorzugt durch die Zwischenräume zwischen den Zellen strömt.Non-conductive plastic materials are preferably used as materials for the cooling medium jacket and the distributor structure. However, this is not mandatory. When cooling with a non-conductive cooling medium, electrically conductive materials can also be used, for example stainless steel. It is only necessary that the bipolar plates as well as the current collectors and the connectors that provide electrical contact between the fuel cells and between the fuel cells and current collectors do not have electrical contact with the cooling medium jacket. For electrical insulation, for example, an electrically insulating layer can be applied to the inside of the cooling medium jacket side surface that is adjacent to the fuel cell stack, or a gap can be left between the cooling medium jacket side surfaces and the opposite side surfaces of the fuel cell stack. Such a gap also has the advantage that cooling medium also flows past the outer surfaces of the fuel cell stack. Such a gap would typically have a width of up to 10 mm, but preferably only up to about 1 mm, in order to ensure that the cooling medium flows preferentially through the gaps between the cells.

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Zur elektrischen Isolierung der Stromsammler können diese ebenfalls flächenmaßig so ausgebildet werden, daß ein körperlicher Kontakt zum Kühlmediummantel vermieden wird, oder es kann zwischen Stromsammlera und Kühlmediummantel eine elektrische Isolierung vorgesehen werden.For electrical insulation of the current collectors, these can also be designed in such a way that physical contact with the cooling medium jacket is avoided, or electrical insulation can be provided between the current collector and the cooling medium jacket.

Bei elektrisch leitenden Kühlmedien empfiehlt sich die Verwendung nicht leitender Materialien für alle Bauteile. Die bipolaren Platten, die Stromsammler und die elektrischen Verbinder, z.B. die Abstandhalterstruktur zwischen den Brennstoffzellen, müssen natürlich stets aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Diese Bauteile werden bei Verwendung eines leitfähigen oder eines aggressiven Kühlmediums mit einer entsprechenden Schutzschicht überzogen, z.B. mit Isolierlack bei Verwendung leitfähiger Kühlmedien, oder einem anderen, gegen das verwendete Kühlmedium beständigen Material. Es ist möglich, alle mit einer schützenden oder isolierenden Schicht zu überziehenden Teile separat zu behandeln. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Schicht an den elektrischen Kontaktstellen wieder entfernt werden muß. Es ist daher bevorzugt, den Brennstoffzellenstapel einschließlich Abstandhaltern vollständig zusammenzubauen und erst dann mit Isolierlack zu überziehen, beispielsweise durch Tauchen. Auf diese Weise wird der gesamte Brennstoffzellenstapel vollständig eingekapselt, isoliert und geschützt.When using electrically conductive cooling media, it is recommended to use non-conductive materials for all components. The bipolar plates, the current collectors and the electrical connectors, e.g. the spacer structure between the fuel cells, must of course always be made of electrically conductive material. When using a conductive or aggressive cooling medium, these components are coated with an appropriate protective layer, e.g. with insulating varnish when using conductive cooling media, or another material that is resistant to the cooling medium used. It is possible to treat all parts that are to be coated with a protective or insulating layer separately. However, this has the disadvantage that the layer must be removed again at the electrical contact points. It is therefore preferable to fully assemble the fuel cell stack including spacers and only then coat it with insulating varnish, for example by dipping. In this way, the entire fuel cell stack is completely encapsulated, insulated and protected.

Der Kühlmediummantel umschließt die Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels. An der Oberseite und der Unterseite des Brennstoffzellenstapels werden Endplatten, z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff, angebracht, wobei die Kontaktstellen zwischen Kühlmantel und Endplatten kühlmediumdicht abgedichtet werden müssen. Das kannThe cooling medium jacket encloses the side surfaces of the fuel cell stack. End plates, e.g. made of glass fiber reinforced plastic, are attached to the top and bottom of the fuel cell stack, whereby the contact points between the cooling jacket and the end plates must be sealed coolant-tight. This can

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beispielsweise dadurch erfolgen, daß in die Endplatten eine dem Umfang des Kühlmediumrnantels entsprechende, umlaufende Nut eingearbeitet wird, wobei die Breite der Nut etwas größer sein muß als die Wandstärke des Kühlmediummantels. In die Nut wird ein Dichtmittel, beispielsweise Silikon, eingebracht und dann der Kühlmediummantel in das Dichtmittel eingesenkt oder gedrückt. Alternativ kann auch einfach die Endplatte auf den Kühlmediummantel aufgesetzt und die entstehenden Kanten mit Dichtmittel abgedichtet werden. Bei Endplatten, deren Fläche formgleich mit dem Kühlmediummantel-Querschnitt, aber geringfügig kleiner als der innere Querschnitt des Kühlmediummantels ist, kann auch Dichtmittel an den Stirnseiten der Endplatte aufgebracht werden und diese dann in den Kühlmediummantel eingesetzt werden.For example, this can be done by machining a circumferential groove in the end plates that corresponds to the circumference of the cooling medium jacket, whereby the width of the groove must be slightly larger than the wall thickness of the cooling medium jacket. A sealant, such as silicone, is introduced into the groove and the cooling medium jacket is then sunk or pressed into the sealant. Alternatively, the end plate can simply be placed on the cooling medium jacket and the resulting edges sealed with sealant. In the case of end plates whose surface is the same shape as the cooling medium jacket cross-section but slightly smaller than the inner cross-section of the cooling medium jacket, sealant can also be applied to the front sides of the end plate and this can then be inserted into the cooling medium jacket.

Es ist auch möglich, den Kühlmediummantel in Form einer Wanne auszubilden, in den der Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird. In diesem Fall wird nur eine der Endplatten des Brennstoffzellenstapels zur Ausbildung des vom Kühlmedium durchströmbaren Raums verwendet. Alternativ kann auch der Brennstoffzellenstapel samt beiden Endplatten vollständig in dem vom Kühlmedium durchströmbaren Raum aufgenommen sein. Der Kühlmediummantel wird dann mit separaten Abdeckelementen verschlossen, wobei Durchführungen für Gase und zur Stromabnahme vorgesehen werden müssen.It is also possible to design the cooling medium jacket in the form of a trough into which the fuel cell stack is inserted. In this case, only one of the end plates of the fuel cell stack is used to form the space through which the cooling medium can flow. Alternatively, the fuel cell stack, including both end plates, can be completely accommodated in the space through which the cooling medium can flow. The cooling medium jacket is then closed with separate cover elements, whereby passages for gases and for power collection must be provided.

Zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Brenngas und Oxidationsmittel weisen die Brennstoffzellen jeweils eine Brenngaszuführung und eine Brenngasabführung sowie eine Oxidationsmittelzuführung und eine Oxidationsmittelabführung auf. Diese Reaktionsmittelzuführungen und/ -abführungen müssen in einer Weise angeordnet und abgedichtet werden, daß keinerlei Kontakt zwischen Reaktionsmitteln und KühlmediumTo supply the fuel cells with fuel gas and oxidant, the fuel cells each have a fuel gas supply and a fuel gas outlet as well as an oxidant supply and an oxidant outlet. These reactant supplies and/or outlets must be arranged and sealed in such a way that no contact is possible between the reactants and the cooling medium.

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möglich ist. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-System liegt eine vollständige Entkopplung der Medien - Oxidationsmittel, Brenngas, Kühlmedium - und der jeweiligen Dichtungssysteme in den einzelnen Brennstoffzellen und im Brennstoffzellenstapel vor. Durch die Entkoppelung der Dichtungssysteme kann der Brennstoffzellenstapel aus bereits vor dem Zusammenbau auf Dichtigkeit überprüften Einzelzellen aufgebaut werden. Es müssen lediglich die einzelnen Gaszuführkanäle und Gasabführkanäle für Brenngas und Oxidationsmittel zwischen den Einzelzellen abgedichtet werden.is possible. In the fuel cell system according to the invention, there is a complete decoupling of the media - oxidizing agent, fuel gas, cooling medium - and the respective sealing systems in the individual fuel cells and in the fuel cell stack. By decoupling the sealing systems, the fuel cell stack can be constructed from individual cells that have already been checked for leaks before assembly. Only the individual gas supply channels and gas discharge channels for fuel gas and oxidizing agent between the individual cells need to be sealed.

Wenn der Brennstoffzellenstapel mit einem schützenden oder isolierenden Überzug versehen werden soll, ist es möglich, den Stapel mit allen Gaszuführungen fertig zusammenzubauen, zu überziehen und dann in den Kühlmediummantel einzusetzen und den Kühlmediumraum mittels Endplatten oder Abdeckelementen zu verschließen.If the fuel cell stack is to be provided with a protective or insulating coating, it is possible to fully assemble the stack with all gas supplies, coat it and then insert it into the cooling medium jacket and close the cooling medium space by means of end plates or cover elements.

Die Dichtung für das Kühlmedium erfolgt ausschließlich über die Endplatte oder die Endplatten des Brennstoffzellenstapels oder andere Abdeckplatten und wird somit aus dem unmittelbaren Brennstoffzelleninneren entfernt. Probleme, wie sie bei Brennstoffzellensystemen, in denen die Abdichtung der einzelnen Medien führenden Schichten in den Einzelzellen sowie der Medienzu- und
-abführungskanäle erst beim kompletten Zusammenbau des Stapels erfolgt, nämlich Probleme aufgrund der Verschiedenartigkeit der einzelnen Medien-Dichtungssysteme und Dichtungsanforderungen, werden vermieden.
The sealing for the cooling medium is carried out exclusively via the end plate or the end plates of the fuel cell stack or other cover plates and is thus removed from the immediate interior of the fuel cell. Problems such as those that occur in fuel cell systems in which the sealing of the individual media-carrying layers in the individual cells as well as the media supply and
-discharge channels are only created when the stack is completely assembled, thus avoiding problems due to the diversity of the individual media sealing systems and sealing requirements.

Eine bevorzugte Art zur Entkoppelung aller Medien besteht darin, in jeder Brennstoffzelle zwischen Membranelektrodeneinheit und denA preferred way to decouple all media is to install a separator between the membrane electrode assembly and the

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beidseitig daran angrenzenden bipolaren Platten Dichtungen dergestalt vorzusehen, daß Teilbereiche der bipolaren Platten und der Membranelektrodeneinheit außerhalb dieser Dichtung liegen, wobei dies für die anodenseitige bipolare Platte und die kathodenseitige bipolare Platte nicht überlappende Bereiche sind. Dabei kann es sich um Eckbereiche, aber auch um andere, z.B. mittige, Bereiche handeln, so daß sich beispielsweise eine Kreuzströmung der Reaktionsgase ergibt. Der Bereich innerhalb der Dichtung zwischen Membranelektrodeneinheit und anodenseitiger bzw. kathodenseitiger Bipolarplatte ist der aktive Reaktionsbereich mit Zuführung und Abführung für das jeweils benötigte Reaktionsgas. In den Bereichen außerhalb der Dichtung liegen die Zu- und Abführungen des in dem jeweiligen aktiven Reaktionsbereich nicht benötigten Reaktionsgases, die jeweils separat abgedichtet sind. Besonders vorteilhaft an dieser Anordnung ist, daß die Brenngaszu- und abführungen sowie die Oxidationsmittelzu- und -abführungen im Kühlmediumraum liegen und von Kühlmedium umspült werden. Das hat den Vorteil, daß durch die Umschließung des gesamten Brennstoffzellenstapels durch das Kühlmedium der Austritt von Reaktionsgasen aus den Zellen an die Atmosphäre unterbunden wird, d.h., das System ist eigensicher gegenüber Undichtigkeiten auf der Brenngasseite sowie der LufWSauerstoffseite. Umgekehrt kann der Eintritt des Kühlmediums in die Reaktionsgaskreisläufe unterbunden werden, wenn der Druck in den Reaktionsgaskreisläufen über dem Druck des Kühlmediumkreislaufs liegt.to provide seals on both sides of the bipolar plates adjacent to it in such a way that partial areas of the bipolar plates and the membrane electrode unit lie outside this seal, whereby these are non-overlapping areas for the anode-side bipolar plate and the cathode-side bipolar plate. These can be corner areas, but also other areas, e.g. central areas, so that a cross-flow of the reaction gases results, for example. The area within the seal between the membrane electrode unit and the anode-side or cathode-side bipolar plate is the active reaction area with supply and discharge for the reaction gas required in each case. In the areas outside the seal are the supply and discharge lines for the reaction gas not required in the respective active reaction area, which are each sealed separately. A particularly advantageous feature of this arrangement is that the fuel gas supply and discharge lines and the oxidizing agent supply and discharge lines are in the cooling medium space and are washed around by the cooling medium. This has the advantage that the cooling medium encloses the entire fuel cell stack, preventing the escape of reaction gases from the cells into the atmosphere, i.e. the system is intrinsically safe against leaks on the fuel gas side and the air/oxygen side. Conversely, the entry of the cooling medium into the reaction gas circuits can be prevented if the pressure in the reaction gas circuits is higher than the pressure in the cooling medium circuit.

Die Zuführung und Abführung der Reaktionsgase in den von Kühlmedium durchströmten Raum hinein oder aus ihm heraus erfolgt bevorzugt durch Durchlässe in den Endplatten.The supply and discharge of the reaction gases into or out of the space through which the cooling medium flows is preferably carried out through passages in the end plates.

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Am Austritt des Kühlmediums kann ein Gasabscheider eingebaut werden, wodurch ein einfacher und schneller Nachweis auch geringer Mengen an ausgetretenen Reaktionsgasen möglich ist.A gas separator can be installed at the outlet of the cooling medium, which allows simple and rapid detection of even small amounts of escaped reaction gases.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Brennstoffzellen-Systems kann, wenn Leitungswasser als Kühlmedium verwendet wird, das erwärmte Kühlmedium direkt in einen Brauchwasserkreislauf eingekoppelt werden. Es kann aber auch ein Wärmetauscher verwendet werden. In jedem Fall ist aufgrund des geringen Druckverlusts beim Durchströmen des Brennstoffzellensystems nur eine geringe Pumpleistung zum Umpumpen erforderlich.Due to the design of the fuel cell system according to the invention, if tap water is used as the cooling medium, the heated cooling medium can be coupled directly into a service water circuit. However, a heat exchanger can also be used. In any case, only a small pumping power is required for pumping due to the low pressure loss when flowing through the fuel cell system.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
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In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the figures.
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In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch zwei Brennstoffzellen mitFig. 1 a vertical section through two fuel cells with

dazwischenliegender Abstandhalterstruktur,
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intermediate spacer structure,
20

Fig. 2a einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-System,Fig. 2a is a vertical section through a fuel cell system according to the invention,

Fig. 2b einen Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-System,Fig. 2b shows a horizontal section through a fuel cell system according to the invention,

Fig. 3a eine erfindungsgemäße Abdichtung zwischen Kühlmediummantel und Endplatte,Fig. 3a a seal according to the invention between the cooling medium jacket and the end plate,

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Fig. 3b eine weitere erfindungsgemäße Abdichtung zwischen Kühlmediummantel und Endplatte,Fig. 3b shows another seal according to the invention between the cooling medium jacket and the end plate,

Fig. 4a eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Abdichtung zwischen Membranelektrodeneinheit und anodenseitiger BipolarplatteFig. 4a a plan view of a seal according to the invention between the membrane electrode unit and the anode-side bipolar plate

sowie der Zuführung und Abführung von Oxidationsmittel,as well as the supply and removal of oxidizing agents,

Fig. 4b eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Abdichtung zwischen Membranelektrodeneinheit und kathodenseitiger Bipolarplatte sowie Brenngaszuführung und Brenngasabführung.Fig. 4b is a plan view of a seal according to the invention between the membrane electrode unit and the cathode-side bipolar plate as well as the fuel gas supply and fuel gas discharge.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, setzt sich eine Einzelbrennstoffzelle 8 prinzipiell zusammen aus den Komponenten Membranelektrodeneinheit 1 - bestehend aus Membran, kathoden- und anodenseitigen Katalysator- und Gasdiffusionsschichten - sowie einer anodenseitigen 2 und kathodenseitigen 3 Bipolarplatte und dem Dichtungssystem. In den bipolaren Platten sind Gasverteilungsstrukturen eingearbeitet, die in Fig. 1 durch die gestrichelten Linien angedeutet sind. Die beiden Brennstoffzellen sind voneinander beabstandet angeordnet, wobei zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte der einen Zelle und der kathodenseitigen Bipolarplatte der anderen Zelle eine leitfähige Abstandhalterstruktur 4' den elektrischen Kontakt sicherstellt. Die Abstandhalterstruktur 4' besitzt Durchgänge für ein Kühlmedium 13, das an der anodenseitigen Bipolarplatte 2 der einen Zelle und der kathodenseitigen Bipolarplatte 3 der Nachbarzelle entlangströmt und die Zellen dadurch kühlt. Die Durchgänge für das Kühlmedium sind bevorzugt kanal- oder porenförmige Strukturen. Die Abstandhalterstruktur kann entweder Teil einer Bipolarplatte einerAs can be seen from Fig. 1, a single fuel cell 8 is basically made up of the components membrane electrode unit 1 - consisting of membrane, cathode and anode-side catalyst and gas diffusion layers - as well as an anode-side 2 and cathode-side 3 bipolar plate and the sealing system. Gas distribution structures are incorporated in the bipolar plates, which are indicated in Fig. 1 by the dashed lines. The two fuel cells are arranged at a distance from one another, with a conductive spacer structure 4' ensuring electrical contact between the anode-side bipolar plate of one cell and the cathode-side bipolar plate of the other cell. The spacer structure 4' has passages for a cooling medium 13, which flows along the anode-side bipolar plate 2 of one cell and the cathode-side bipolar plate 3 of the neighboring cell, thereby cooling the cells. The passages for the cooling medium are preferably channel- or pore-shaped structures. The spacer structure can either be part of a bipolar plate of a

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Brennstoffzelle, Teil benachbarter Bipolarplatten aus benachbarten Brennstoffzellen oder ein eigenständiges Bauteil sein.fuel cell, part of adjacent bipolar plates from neighboring fuel cells, or a standalone component.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-System senkrecht zur Ebene der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 8 befinden sich Zwischenräume 4 mit Abstandhaltern 4'. Den oberen und unteren Abschluß des Brennstoffzellenstapels 10 bilden Stromsammler 7, 7'. Die Anordnung aus Brennstoffzellenstapel 10 und Stromsammlern 7, T ist an ihrem gesamten Umfang von einem Kühlmediummantel 9 umgeben, der so geformt ist, daß an zwei gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels jeweils ein kammerartiger Raum ausgebildet wird. Der in Fig. 2a an der linken Seite dargestellte Raum ist der Kühlmedium-Verteilungsraum 11, in den eine Kühlmedium-Eintrittsöffnung 14 mündet und in dem sich eine Kühlmedium-Verteilerstruktur 12 befindet. Der in Fig. 2a an der rechten Seite dargestellte Raum ist der Kühlmedium-Sammelraum 11', in den eine Kühlmedium-Austrittsöffnung 14' mündet. Den oberen und unteren Abschluß des Kühlmediummantels 9 bilden Endplatten 6, 6', die mit dem Kühlmediummantel so verbunden werden, daß kein Kühlmedium austreten kann. Bevorzugt wird zur Abdichtung zwischen Kühlmediummantel 9 und Endplatten 6, 6' ein Dichtmittel verwendet, das ohne Schädigung von Kühlmediummantel 9 und Endplatten 6, 6' wieder abgelöst werden kann, um problemlos Wartungsarbeiten an dem Brennstoffzellenstapel zu erlauben. In den Endplatten 6, 6' befinden sich Durchlässe zur Zuführung von Brenngas, z.B. Wasserstoff, und Sauerstoff oder Luft zu dem Brennstoffzellenstapel und zur Abführung von Brenngas und Sauerstoff oder Luft aus dem Brennstoffzellenstapel. Bei Betrieb des Brennstoffzellen-Systems tritt Kühlmittel an derFig. 2a shows a section through a fuel cell system according to the invention perpendicular to the plane of the fuel cells of the fuel cell stack. Between the individual fuel cells 8 there are gaps 4 with spacers 4'. The upper and lower ends of the fuel cell stack 10 are formed by current collectors 7, 7'. The arrangement of fuel cell stack 10 and current collectors 7, 7 ' is surrounded on its entire circumference by a cooling medium jacket 9, which is shaped in such a way that a chamber-like space is formed on two opposite sides of the fuel cell stack. The space shown on the left side in Fig. 2a is the cooling medium distribution space 11, into which a cooling medium inlet opening 14 opens and in which a cooling medium distribution structure 12 is located. The space shown on the right side in Fig. 2a is the cooling medium collection space 11', into which a cooling medium outlet opening 14' opens. The upper and lower ends of the cooling medium jacket 9 are formed by end plates 6, 6', which are connected to the cooling medium jacket in such a way that no cooling medium can escape. Preferably, a sealant is used to seal between the cooling medium jacket 9 and the end plates 6, 6', which can be removed again without damaging the cooling medium jacket 9 and the end plates 6, 6' in order to allow maintenance work on the fuel cell stack without any problems. In the end plates 6, 6' there are passages for supplying fuel gas, e.g. hydrogen, and oxygen or air to the fuel cell stack and for removing fuel gas and oxygen or air from the fuel cell stack. When the fuel cell system is in operation, coolant escapes at the

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Kühlmedium-Eintrittsöffnung 14 in den Kühlmedium-Verteilungsraum 11 ein, strömt durch die Zwischenräume 4 zwischen den Zellen 8 hindurch und erreicht den Kühlmedium-Sammelraum 11', den es durch die Kühlmedium-Austrittsöffnung 14' wieder verläßt. Die dargestellte Anordnung gewährleistet eine hydraulische Parallelschaltung des Kühlmediums quer durch den Brennstoffzellenstapel, wodurch eine besonders gleichmäßige Kühlung mit sehr geringen Druckdifferenzen erreicht wird.The coolant enters the coolant distribution chamber 11 through the cooling medium inlet opening 14, flows through the gaps 4 between the cells 8 and reaches the coolant collection chamber 11', which it leaves again through the cooling medium outlet opening 14'. The arrangement shown ensures a hydraulic parallel connection of the coolant across the fuel cell stack, whereby particularly uniform cooling with very low pressure differences is achieved.

Fig. 2b zeigt einen Schnitt durch einen Zwischenraum 4 zwischen zwei Brennstoffzellen 8 derselben Anordnung, wie sie in Fig. 2a gezeigt ist, parallel zur Brennstoffzellenebene geschnitten. In dem Zwischenraum 4 befinden sich Abstandhalter 4', dargestellt in Form paralleler Linien, die gleichzeitig als elektrische Verbinder zwischen den bipolaren Platten benachbarter Zellen wirken. Das Kühlmedium 13 strömt durch die Zwischenräume zwischen den Abstandhaltern 4'. An den beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels, an denen kein Kühlmedium-Verteilungsraum 11 und kein Kühlmedium-Sammelraum 11' vorhanden ist, befinden sich die Kühlmediummantel-Seitenflächen 15, 15', an denen jeweils eine elektrisch isolierende Schicht 5, 5' vorgesehen ist, um den direkten Kontakt zwischen Kühlmediummantel 9 und stromführenden Bauteilen des Brennstoffzellenstapels 10 zu verhindern.Fig. 2b shows a section through an intermediate space 4 between two fuel cells 8 of the same arrangement as shown in Fig. 2a, cut parallel to the fuel cell plane. In the intermediate space 4 there are spacers 4', shown in the form of parallel lines, which simultaneously act as electrical connectors between the bipolar plates of adjacent cells. The cooling medium 13 flows through the intermediate spaces between the spacers 4'. On the two sides of the fuel cell stack where there is no cooling medium distribution space 11 and no cooling medium collection space 11', there are the cooling medium jacket side surfaces 15, 15', on each of which an electrically insulating layer 5, 5' is provided in order to prevent direct contact between the cooling medium jacket 9 and current-carrying components of the fuel cell stack 10.

Die Fig. 3a und 3b zeigen erfindungsgemäße Abdichtungen zwischen Kühlmediummantel 9 und Endplatten 6, 6'. In Fig. 3a weist die Endplatte 6 eine Aussparung auf, in die der Kühlmediummantel 9 eingesenkt ist. Die Aussparung ist breiter als die Wandstärke des Kühlmediummantels 9, und der verbleibende Raum ist mit Dichtmittel 16Fig. 3a and 3b show seals according to the invention between the cooling medium jacket 9 and the end plates 6, 6'. In Fig. 3a, the end plate 6 has a recess into which the cooling medium jacket 9 is sunk. The recess is wider than the wall thickness of the cooling medium jacket 9, and the remaining space is filled with sealant 16.

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gefüllt, wobei der Kühlmediummantel 9 im Bereich der Aussparung vollständig von Dichtmittel 16 umgeben ist.filled, wherein the cooling medium jacket 9 is completely surrounded by sealing agent 16 in the area of the recess.

Bei der in Fig. 3b gezeigten Ausführungsform ist das Dichtmittel 16 an der Innenseite des oberen und/oder unteren Rands des Kühlmediummantels aufgebracht. Der Kühlmediummantel 9 umschließt die Endplatte 6, d.h. das Dichtmittel 16 dichtet die Endplatte 6 an ihrem Außenumfang ab.In the embodiment shown in Fig. 3b, the sealing means 16 is applied to the inside of the upper and/or lower edge of the cooling medium jacket. The cooling medium jacket 9 encloses the end plate 6, i.e. the sealing means 16 seals the end plate 6 at its outer circumference.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entkopplung des Kühlmediumkreislaufs von den Brenngas- und Luft/Sauerstoff-führenden Kreisläufen. Zwischen der Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle und den anodenseitigen und kathodenseitigen bipolaren Platten befinden sich jeweils Dichtungen.Fig. 4a and 4b show a preferred embodiment of the decoupling of the cooling medium circuit from the fuel gas and air/oxygen circuits according to the invention. Seals are located between the membrane electrode unit of a fuel cell and the anode-side and cathode-side bipolar plates.

Fig. 4a zeigt eine Aufsicht auf die Anodenseite einer Membranelektrodeneinheit mit Dichtung 26 zur anodenseitigen bipolaren Platte. Die Dichtung 26 umschließt einen aktiven Reaktionsbereich 21, läßt aber zwei einander entgegengesetzt angeordnete Eckbereiche der Membranelektrodeneinheit frei. Die Brenngaszuführung 17 und die Brenngasabführung 18 befinden sich innerhalb des aktiven Reaktionsbereichs 21, die Oxidationsmittel-Zuführung 19 und die Oxidationsmittel-Abführung 20 befinden sich außerhalb des aktiven Reaktionsbereichs 21. Die Oxidationsmittel-Zuführung und -abführung sind mittels Dichtungen 24 und 25 gegen das Kühlmedium 13 abgedichtet.Fig. 4a shows a plan view of the anode side of a membrane electrode unit with a seal 26 to the anode-side bipolar plate. The seal 26 encloses an active reaction area 21, but leaves two oppositely arranged corner areas of the membrane electrode unit free. The fuel gas supply 17 and the fuel gas discharge 18 are located within the active reaction area 21, the oxidant supply 19 and the oxidant discharge 20 are located outside the active reaction area 21. The oxidant supply and discharge are sealed against the cooling medium 13 by means of seals 24 and 25.

Fig. 4b zeigt eine entsprechende Anordnung an der Kathodenseite. Die Dichtung 27 zwischen Membranelektrodeneinheit und bipolarer Platte grenzt einen aktiven Reaktionsbereich 21' ab. Die Oxidationsmittel-Fig. 4b shows a corresponding arrangement on the cathode side. The seal 27 between the membrane electrode unit and the bipolar plate defines an active reaction area 21'. The oxidizing agent

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Zuführung 19 und die Oxidationsmittel-Abführung 20 befinden sich innerhalb des aktiven Reaktionsbereichs 2&Ggr;. Entgegengesetzt angeordnete Eckbereiehe der Membranelektrodeneinheit für eine Brenngaszuführung 17 mit Abdichtung 22 und eine Brenngasabführung 18 mit Abdichtung 23 liegen außerhalb der Dichtung 27.Feed 19 and the oxidant discharge 20 are located within the active reaction area 2Γ. Oppositely arranged corner areas of the membrane electrode unit for a fuel gas feed 17 with seal 22 and a fuel gas discharge 18 with seal 23 are located outside the seal 27.

Die außerhalb der Dichtung 26 liegenden Eckbereiche der Membranelektrodeneinheit und die außerhalb der Dichtung 27 liegenden Eckbereiche der Membranelektrodeneinheit überlappen einander nicht. Durch diese Anordnung ist eine überschneidungsfreie Zuführung und Abführung der Reaktionsgase zum aktiven Reaktionsbereich der Zelle ohne Kontakt zum Kühlmedium gewährleistet, wobei die Zuführungen und Abführungen jedoch vom Kühlmedium umspült werden.The corner areas of the membrane electrode unit located outside the seal 26 and the corner areas of the membrane electrode unit located outside the seal 27 do not overlap. This arrangement ensures that the reaction gases are supplied and discharged to the active reaction area of the cell without any overlap and without contact with the cooling medium, although the supply and discharge lines are flushed with the cooling medium.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-System umschließt das Kühlmedium den gesamten Brennstoffzellenstapel und jede Einzelbrennstoffzelle. Die Einzelbrennstoffzellen werden durch die hydraulische Parallelschaltung des Kühlmediums gleichmäßig und mit sehr geringer Druckdifferenz umströmt, und es sind geringe Umwälzraten für das Kühlmedium erforderlich. Der Kühlmediumkreislauf ist von den Zuführungen und Abführungen der Reaktionsgase vollständig entkoppelt, und auch die Dichtungssysteme für Brenngas, Oxidationsmittel und Kühlmedium sind vollständig entkoppelt, sowohl in der Einzelbrennstoffzelle als auch im Brennstoffzellenstapel. Die Kühlung erfolgt ausschließlich an den Oberflächen der anöden- und kathodenseitigen Bipolarplatten der Einzelbrennstoffzellen und an den Oberflächen des zusammengefügten Stapels. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Kühlmedium keinerlei Schädigung der Membranelektrodeneinheit bewirken kann. Der Brennstoffzellenstapel kann aus bereits abgedichtetenIn the fuel cell system according to the invention, the cooling medium surrounds the entire fuel cell stack and each individual fuel cell. The individual fuel cells are evenly flowed around with a very low pressure difference by the hydraulic parallel connection of the cooling medium, and low circulation rates are required for the cooling medium. The cooling medium circuit is completely decoupled from the supply and discharge of the reaction gases, and the sealing systems for fuel gas, oxidizing agent and cooling medium are also completely decoupled, both in the individual fuel cell and in the fuel cell stack. Cooling takes place exclusively on the surfaces of the anode and cathode-side bipolar plates of the individual fuel cells and on the surfaces of the assembled stack. This ensures that the cooling medium cannot cause any damage to the membrane electrode unit. The fuel cell stack can be made from already sealed

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Einzelbrennstoffzellen aufgebaut werden, d.h. es müssen beim Zusammenbau nur noch die entsprechenden Reaktionsgaszuführungskanäle und Reaktionsgasabfühmngskanäle zu den Einzelzellen abgedichtet werden. Die Dichtung des Kühlmediums nach außen erfolgt über das Endplattensystem des Brennstoffzellenstapels.Individual fuel cells can be constructed, i.e. during assembly only the corresponding reaction gas supply channels and reaction gas discharge channels to the individual cells need to be sealed. The cooling medium is sealed to the outside via the end plate system of the fuel cell stack.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht die Nutzung von nicht, schwach oder stark elektrisch leitenden fluiden Medien zur Kühlung, da eine vollständige Trennung und Kapselung des Kühlmediums von der aktiven Membranzone vorliegt und im Bedarfsfall - insbesondere bei stark leitenden oder aggressiven fluiden Medien - sowohl die einzelnen Brennstoffzellen als auch der Brennstoffzellenstapel mit einer elektrisch nicht leitenden Isolierschicht oder einer gegen das aggressive Medium beständigen Schutzschicht versehen werden können.The construction according to the invention enables the use of non-, weakly or strongly electrically conductive fluid media for cooling, since there is a complete separation and encapsulation of the cooling medium from the active membrane zone and, if necessary - especially in the case of highly conductive or aggressive fluid media - both the individual fuel cells and the fuel cell stack can be provided with an electrically non-conductive insulating layer or a protective layer resistant to the aggressive medium.

Daraus ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:This results in a number of advantages:

Der Brennstoffzellenstapel kann selbst mit solchen Kühlmedien betrieben werden, die im direkten Kontakt mit Membran, Katalysatorschicht, Gasdiffusionsschicht, Dichtungssystem und/oder Bipolarplatte zur Schädigung derselben führen könnten (z.B. Öle, mit Fremdionen (Cu2+, Ni2+) aus Wärmetauscheranlagen angereichertes Kühlwasser, Kühlwasser mit Frostschutzmittel, Alkohole).The fuel cell stack can even be operated with cooling media which, if in direct contact with the membrane, catalyst layer, gas diffusion layer, sealing system and/or bipolar plate, could cause damage to them (e.g. oils, cooling water enriched with foreign ions (Cu 2+ , Ni 2+ ) from heat exchanger systems, cooling water with antifreeze, alcohols).

Das Brennstoffzellensystem kann durch geeignete Kühlmediumwahl "wintersicher" ausgeführt werden, d.h. z.B. durch die Zugabe von Frostschutzadditiven in das Kühlmedium läßt sich ein Einfrieren der Brennstoffzelle in einem weiten Minustemperaturbereich verhindern.The fuel cell system can be made "winter-proof" by choosing a suitable cooling medium, i.e., for example, by adding antifreeze additives to the cooling medium, freezing of the fuel cell can be prevented in a wide subzero temperature range.

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Unabhängig davon ist die erfindungsgemäße Konstruktion auch bei Verwendung konventioneller Kühlmittel unter Sicherheitsaspekten bedeutsam, denn das Brennstoffzellen-System ist eigensicher gegenüber dem Austritt von Brenngas, da dieses im Falle eines Lecks vollständig vom Kühlmedium aufgenommen wird und nicht in die Umgebung entweichen kann.Irrespective of this, the design according to the invention is also important from a safety perspective when using conventional coolants, because the fuel cell system is intrinsically safe against the leakage of fuel gas, since in the event of a leak it is completely absorbed by the cooling medium and cannot escape into the environment.

Bemerkenswert ist auch der technisch sehr unkomplizierte Aufbau des Systems.What is also remarkable is the technically very uncomplicated structure of the system.

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Claims (14)

1. Brennstoffzellen-System mit einer Mehrzahl an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (8), die eine Membranelektrodeneinheit (1), eine anodenseitige Bipolarplatte (2) und eine kathodenseitige Bipolarplatte (3) aufweisen, und die in Form eines Stapels (10) übereinander angeordnet sind, wobei an der Oberseite und an der Unterseite des Stapels (10) Stromsammler (7, 7') angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß - zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen (8) des Stapels (10) jeweils ein Zwischenraum (4) zur Aufnahme eines Kühlmediums (13) vorgesehen ist, - ein Kühlmediummantel (9) vorgesehen ist, der den Stapel (10) . mindestens an dessen Seitenflächen umgibt, und der - mindestens einen Kühlmedium-Verteilungsraum (11), in den mindestens eine Kühlmedium-Eintrittsöffnung (14) mündet, und - mindestens einen Kühlmedium-Sammelraum (11'), in den mindestens eine Kühlmedium-Austrittsöffnung (14') mündet, ausbildet, - wobei der Kühlmediummantel (9) mit mindestens einer Endplatte (6, 6'), die an einer stapelabgewandten Außenfläche des Stromsammlers (7, 7') angeordnet ist, und/oder mit mindestens einem Abdeckelement zur Ausbildung eines von Kühlmedium (13) durchströmbaren Raums verbunden ist, und - wobei die Außenoberflächen der Brennstoffzellen (8) mit elektrisch isolierendem Material und/oder Schutzmaterial umhüllt sind. 1. Fuel cell system with a plurality of polymer electrolyte membrane fuel cells ( 8 ) which have a membrane electrode unit ( 1 ), an anode-side bipolar plate ( 2 ) and a cathode-side bipolar plate ( 3 ), and which are arranged one above the other in the form of a stack ( 10 ), current collectors ( 7 , 7 ') being arranged on the top and bottom of the stack ( 10 ), characterized in that - between adjacent fuel cells ( 8 ) of the stack ( 10 ) there is provided an intermediate space ( 4 ) for receiving a cooling medium ( 13 ), - a cooling medium jacket ( 9 ) is provided which surrounds the stack ( 10 ) at least on its side surfaces, and - at least one cooling medium distribution chamber ( 11 ) into which at least one cooling medium inlet opening ( 14 ) opens, and - at least one cooling medium collecting chamber ( 11 ') into which at least one cooling medium outlet opening ( 14 ') opens, - wherein the cooling medium jacket ( 9 ) is connected to at least one end plate ( 6 , 6 ') which is arranged on an outer surface of the current collector ( 7 , 7 ') facing away from the stack, and/or to at least one cover element for forming a space through which cooling medium ( 13 ) can flow, and - wherein the outer surfaces of the fuel cells ( 8 ) are covered with electrically insulating material and/or protective material. 2. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen (8) jeweils mit einer Brenngaszuführung (17) und/ oder einer Brenngasabführung (18) und/ oder einer Oxidationsmittelzuführung (19) und/oder einer Oxidationsmittelabführung (20) ausgestattet sind, die innerhalb des Kühlmediummantels (9) angeordnet ist (sind). 2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the fuel cells ( 8 ) are each equipped with a fuel gas supply ( 17 ) and/or a fuel gas discharge ( 18 ) and/or an oxidizing agent supply ( 19 ) and/or an oxidizing agent discharge ( 20 ) which is (are) arranged within the cooling medium jacket ( 9 ). 3. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem anodenseitigen aktiven Bereich (21) einer Brennstoffzelle (8) und der anodenseitigen Bipolarplatte (2) eine Dichtung (26) vorgesehen ist und die Oxidationsmittelzuführung (19) und/oder -abführung (20) außerhalb des aktiven Bereichs (21) angeordnet ist, und/oder zwischen dem kathodenseitigen aktiven Bereich (21') einer Brennstoffzelle (8) und der kathodenseitigen Bipolarplatte (3) eine Dichtung (27) vorgesehen ist und die Brenngaszuführung (17) und/ oder -abführung (18) außerhalb des aktiven Bereichs (21') angeordnet ist. 3. Fuel cell system according to claim 2, characterized in that a seal ( 26 ) is provided between the anode-side active region ( 21 ) of a fuel cell ( 8 ) and the anode-side bipolar plate ( 2 ) and the oxidizing agent supply ( 19 ) and/or discharge ( 20 ) is arranged outside the active region ( 21 ), and/or a seal ( 27 ) is provided between the cathode-side active region ( 21 ') of a fuel cell ( 8 ) and the cathode-side bipolar plate ( 3 ) and the fuel gas supply ( 17 ) and/or discharge ( 18 ) is arranged outside the active region ( 21 '). 4. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens einem Stromsammler (7, 7') und der dem Stromsammler benachbarten Brennstoffzelle (8) ein Zwischenraum (4) vorgesehen ist. 4. Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that an intermediate space ( 4 ) is provided between at least one current collector ( 7 , 7 ') and the fuel cell ( 8 ) adjacent to the current collector. 5. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Teil der Zwischenräume (4) Abstandhalter (4') angeordnet sind. 5. Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that spacers ( 4 ') are arranged in at least some of the intermediate spaces ( 4 ). 6. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (4') elektrisch leitfähig sind. 6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the spacers ( 4 ') are electrically conductive. 7. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühlmedium-Verteilungsraum (11) und der mindestens eine Kühlmedium-Sammelraum (11') an zwei einander entgegengesetzten Seiten des Stapels (10) angeordnet sind. 7. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one cooling medium distribution space ( 11 ) and the at least one cooling medium collection space ( 11 ') are arranged on two opposite sides of the stack ( 10 ). 8. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Außenoberflächen der Brennstoffzellen (8) und die Abstandhalter (4') mit elektrisch isolierendem Material und/oder Schutzmaterial umhüllt sind. 8. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that all outer surfaces of the fuel cells ( 8 ) and the spacers ( 4 ') are covered with electrically insulating material and/or protective material. 9. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmediummantel (9) Kühlmediummantel-Seitenflächen (15, 15') aufweist, die an einander entgegengesetzten Seitenflächen des Stapels (10) angeordnet sind, wobei zwischen mindestens einer Kühlmediummantel-Seitenfläche (15, 15') und der gegenüberliegenden Seitenfläche des Stapels (10) ein freier Raum zur Aufnahme von Kühlmedium (13) vorgesehen ist. 9. Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cooling medium jacket ( 9 ) has cooling medium jacket side surfaces ( 15 , 15 ') which are arranged on opposite side surfaces of the stack ( 10 ), wherein a free space for receiving cooling medium ( 13 ) is provided between at least one cooling medium jacket side surface ( 15 , 15 ') and the opposite side surface of the stack ( 10 ). 10. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmedium-Verteilungsraum (11) und/oder die Kühlmediummantel-Seitenflächen (15, 15') und/oder der Kühlmedium-Sammelraum (11') einstückig ausgebildet sind. 10. Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the cooling medium distribution space ( 11 ) and/or the cooling medium jacket side surfaces ( 15 , 15 ') and/or the cooling medium collection space ( 11 ') are formed in one piece. 11. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmedium-Verteilungsraum (11) und/oder der Kühlmedium- Sammelraum (11') und/oder die Kühlmittelmantel-Seitenflächen (15, 15') als separate Bauteile ausgebildet sind. 11. Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the cooling medium distribution space ( 11 ) and/or the cooling medium collection space ( 11 ') and/or the coolant jacket side surfaces ( 15 , 15 ') are designed as separate components. 12. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kühlmedium-Verteilungsraum (11) eine Kühlmedium- Verteilerstruktur (12) angeordnet ist. 12. Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that a cooling medium distribution structure ( 12 ) is arranged in the cooling medium distribution space ( 11 ). 13. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlmittelmantel (9) und mindestens einer Endplatte (6, 6') und/oder mindestens einem Abdeckelement eine Dichtung (16) in der Ebene der Endplatte (6, 6') und/oder in der Ebene des Abdeckelements ausgebildet ist. 13. Fuel cell system according to one of claims 1 to 12, characterized in that a seal ( 16 ) is formed between the coolant jacket ( 9 ) and at least one end plate ( 6 , 6 ') and/or at least one cover element in the plane of the end plate ( 6 , 6 ') and/or in the plane of the cover element. 14. Brennstoffzellen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlmediummantel (9) und mindestens einer Endplatte (6, 6') und/oder mindestens einem Abdeckelement eine Dichtung (16') an der Stirnseite der Endplatte (6, 6') und/oder an der Stirnseite des Abdeckelements ausgebildet ist. 14. Fuel cell system according to one of claims 1 to 12, characterized in that a seal ( 16 ') is formed between the cooling medium jacket ( 9 ) and at least one end plate ( 6 , 6 ') and/or at least one cover element on the front side of the end plate ( 6 , 6 ') and/or on the front side of the cover element.
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