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WO2017072000A1 - Cathode supply for a fuel cell group and method for supplying fuel cell units with a cathode operating medium - Google Patents

Cathode supply for a fuel cell group and method for supplying fuel cell units with a cathode operating medium Download PDF

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Publication number
WO2017072000A1
WO2017072000A1 PCT/EP2016/075066 EP2016075066W WO2017072000A1 WO 2017072000 A1 WO2017072000 A1 WO 2017072000A1 EP 2016075066 W EP2016075066 W EP 2016075066W WO 2017072000 A1 WO2017072000 A1 WO 2017072000A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
fuel cell
operating medium
supply
partial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/075066
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Lucas
Daniel Grundei
Jan-Philipp Brinkmeier
Hannes Scholz
Christian Schlitzberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of WO2017072000A1 publication Critical patent/WO2017072000A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • 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
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a cathode supply for a multiple fuel cell of a
  • Fuel cell system Furthermore, the invention relates to a method for supplying the cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a
  • Fuel cell system with a cathode operating medium Furthermore, the invention relates to a fuel cell system or a vehicle with such.
  • a fuel cell uses an electrochemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane-electrode unit (English MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting, often
  • GDL gas diffusion layers
  • Bipolar plates also called flux field plates or separator plates
  • the individual membrane electrode units which supply and usually also supply the membrane electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell with the operating media, the so-called reactants to serve a cooling.
  • the bipolar plates provide for a respective electrical connection to the respective adjacent membrane electrode units.
  • anode operating medium in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing
  • Fuel cell in the anode spaces of the single cells to the cathode electrodes
  • cathode electrodes via a cathode side open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (0 2 ) or a
  • oxygen-containing gas mixture for example air
  • V2O 2 + 2e " -> O 2 " oxygen-containing gas mixture
  • O 2- oxygen anions formed on the cathode electrodes
  • the cathode operating medium entering the cathode of the fuel cell must have a certain relative humidity in order to prevent the membranes from drying out.
  • a humidifier is used in the fuel cell system, which transmits a part of a moisture from the cathode exhaust gas in the cathode operating medium, which is supplied to the fuel cell.
  • Such a humidifier needs a comparatively large space, which is a problem for a unit of a fuel cell assembly (fuel cell plus their devices and facilities (anode supply, cathode supply et cetera)) and the vehicle having the fuel cell assembly.
  • Fuel cell unit especially a double fuel cell unit to take advantage of.
  • a comparatively large humidifier of the dual fuel cell assembly is to be reduced, so that space can be saved. This should be feasible and feasible with simple and inexpensive means.
  • the object of the invention is by means of a cathode supply for a multiple fuel cell of a fuel cell system; by a method for supplying the Cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a
  • Fuel cell system with a cathode operating medium by means of a
  • the cathode supply according to the invention comprises at least two in one
  • Partial fuel cells wherein an upstream Partbrennstoffzelle upstream with a humidated cathode operating medium is supplied and a downstream
  • Partial fuel cell upstream with a non-moistened cathode operating medium is supplied to the non-moistened cathode operating medium, a cathode exhaust gas at least one or the upstream part of the fuel cell fuel is immiscible.
  • the upstream can be supplied with the cathode operating medium
  • Partial fuel cell a first upstream partial fuel cell.
  • a plurality of such upstream partial fuel cells are applied.
  • the entire cathode off-gas from the upstream sub-fuel cell, or even a portion thereof, is admixable with the cathode operating medium for the downstream sub-fuel cell.
  • the at least two partial fuel cells can be provided separately (external cascading), for example in at least two housings, or also together (internal cascading) in a single housing.
  • a first mass flow of an entire multi-fuel cell cathode operating medium is humidified by means of the humidifier and supplies the first, that is, upstream, partial fuel cell.
  • a second, unaerated mass flow of the entire cathode operating medium is admixed with a flowing fluid, which is increasingly being transferred from the humidified cathode operating medium to the cathode waste gas, between the partial fuel cells.
  • a necessary moistening of the second, unaerated mass flow takes place via the present cathode waste gas, in which newly formed water vapor or newly formed liquid water is located.
  • the cathode supply to a humidifier being provided by the humidifier on the one hand to be humidified cathode operating medium for the upstream part fuel cell hin matströmbar and by the humidifier on the other hand to be dehumidified cathode exhaust at least one or the downstream
  • Part fuel cell is provided hin matströmbar.
  • a first portion of the total (unswept) cathode operating medium for the multiple fuel cell flows as a humidified fluid for wetting by the humidifier and then passes upstream and passes upstream as a humidified cathode operating medium into the upstream particulate fuel cell.
  • this sub-fuel cell is at a cathode of this partial fuel cell part of the
  • Partial fuel cell is converted to water and passes as oxygen depleted and enriched with water vapor or water cathode exhaust gas (fluid) downstream a fluid outlet of this sub-fuel cell. In time, this fluid is at least partially, but preferably completely, supplied to the downstream partial fuel cell.
  • This cathode operating medium has not passed the humidifier.
  • This fluid that is, a mixture of the cathode exhaust gas (from the upstream partial fuel cell) and the other
  • cathode operating medium for the downstream partial fuel cell
  • this fluid being depleted in oxygen and steam or water enriched cathode exhaust gas leaves a downstream fluid outlet of this sub-fuel cell.
  • the cathode exhaust gas of the second that is in the fluid flow direction of the wet cathode operating medium rear partial fuel cell leaves the multiple fuel cell and subsequently enters the humidifier for wetting the unused cathode operating medium for the first partial fuel cell.
  • the first partial fuel cell may be both the first and / or an upstream partial fuel cell.
  • the cathode exhaust optionally together with an anode exhaust gas, can be supplied to an exhaust device of the vehicle.
  • the unhumidified cathode operating medium is downstream of the upstream sub-fuel cell, on a connection line between the two
  • Unmoved cathode operating medium to an additional cathode supply path by means of which the unhumidated cathode operating medium is the fluid from the upstream fuel cell zuzuschbar the cathode exhaust gas from the upstream part.
  • an adjusting means can be provided on / in the additional cathode supply path. This means that at least one more or the other part of the total
  • Unwetted cathode operating medium is admixed by at least one or the additional cathode supply path to the cathode exhaust gas from the upstream part of the fuel cell for the downstream part of the fuel cell.
  • the first portion and the further portion of the total (humidified and unhumidified) cathode operating medium add up to 100%.
  • the first portion and the further portion of the total (humidified and unhumidified) cathode operating medium add up to 100%.
  • there are, for example, two further parts of the entire (humidified and unhumidified) cathode operating medium which then add up to 100% with the first portion of the entire (humidified and unhumidified) cathode operating medium.
  • a fluid-mechanical parameter mass flow, volume flow, fluid pressure, etc.
  • the additional cathode supply path opens downstream of the upstream sub-fuel cell on / in the connection line between the sub-fuel cells or upstream on the downstream
  • a humidity of the un-moistened cathode operating medium mixed with the cathode exhaust from the upstream sub-fuel cell is upstream at the downstream
  • Configuration of the cathode supply are adjusted to each other. It can be iterated, that is, first select a scaling of the partial fuel cells and then determining the humidity of the mixed fluid (cathode exhaust from the upstream part of the fuel cell plus unsmoked cathode operating medium for the downstream part of the fuel cell) and a size of the humidifier. Subsequently it is determined what this has to do with scaling, which allows the scaling to be adjusted. Of course, this can also be done the other way round.
  • a scaling of the partial fuel cells relative to one another is understood to mean, for example, a respective size of the partial fuel cells and thus a total size of the multiple fuel cell, ie how a size of the respective partial fuel cell relates to the total size of the multiple fuel cell or how the sizes of the respective fuel cells behave
  • Partial fuel cells behave to each other. This means, for example: a respective number of individual cells, a size of one or the individual cells, an area of the individual cells et cetera in the respective partial fuel cell.
  • the size of the humidifier naturally includes parameters such as a humidifier, a type of humidifier and so on.
  • the cathode supply has a cathode compressor, by means of which both the upstream partial fuel cell with the humidified cathode operating medium and the downstream partial fuel cell with the unhumidified cathode operating medium can be supplied.
  • the additional branches Cathode supply path for downstream partial fuel cell downstream of the cathode compressor and upstream of the humidifier on / in the cathode supply path for the upstream partial fuel cell from. It is of course possible to reverse this, that is, the cathode supply path for the upstream sub-fuel cell branches from the additional cathode supply path for the downstream sub-fuel cell
  • the cathode compressor is partially or exclusively driven by an electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor.
  • a cathode turbine for example, by an exhaust gas turbocharger
  • the cathode compressor In the case of two partial fuel cells, a single cathode compressor accordingly results. In the case of more than two partial fuel cells, it is also possible to use two or more cathode compressors and / or two or more electric motors.
  • the cathode supply for transporting the humidifying cathode operating medium at / in the cathode supply path to a cathode compressor wherein the cathode supply for transport of the unhumidified cathode operating medium on / in the additional cathode supply path an additional
  • Cathode compressor drivable together by means of an electric motor.
  • the cathode compressor Preferably sit the cathode compressor, the additional cathode compressor and the electric motor on a common shaft.
  • a transmission is optionally applicable, which can sit between the electric motor and one of the two cathode compressor. It is also possible to additionally or alternatively provide one or the transmission between the cathode compressors.
  • the cathode compressor can be driven partially or exclusively by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) and optionally additionally applicable with an electric motor for driving the cathode compressor.
  • the cathode compressor is by means of a cathode turbine
  • the additional cathode compressor driven by an electric motor.
  • the additional cathode compressor is again partial or can only be driven by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor.
  • the cathode compressor by means of an electric motor and the additional cathode compressor by means of a cathode turbine (exhaust gas turbocharger) and optionally additionally driven by an electric motor.
  • the cathode compressor is in turn partially or exclusively driven by means of the electric motor; that is, it is
  • a cathode turbine for example, by an exhaust gas turbocharger additionally applicable for driving the additional cathode compressor.
  • a first upstream sub-fuel cell is supplied with a moistened cathode operating medium, with respect to the fluid flow direction of the wet Cathode operating medium, a downstream partial fuel cell is supplied with a non-moistened cathode operating medium and a cathode exhaust gas at least one or the upstream partial fuel cell.
  • the multiple fuel cell or the partial fuel cells a cathode supply, which as an inventive
  • Figure 1 is a simplified block diagram of a preferred embodiment of a
  • Fuel cell system according to the invention with a double fuel cell
  • Figure 2 is a simplified block diagram of a first embodiment of a
  • FIG. 3 is a simplified block diagram of a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a simplified block diagram of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a simplified block diagram of a fourth embodiment of the invention.
  • the invention is based on four embodiments of a cathode supply 30 for a dual fuel cell 10; 101, 102 of a vehicle and by a method (implicitly) for supplying the cathodes of partial fuel cells 101, 102 of a dual fuel cell 10; 101, 102 explained in more detail.
  • the invention is not limited to the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all cathode supplies of multiple fuel cells, for example with three or more partial fuel cells, or even to stationary fuel cell systems.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 according to a preferred embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 1 is preferably part of a vehicle not shown in detail, in particular a motor vehicle or an electric vehicle, which preferably has an electric traction motor, which or which by the
  • Fuel cell system 1 can be supplied with electrical energy.
  • the fuel cell system 1 includes, as a core component, a dual fuel cell 10; 101, 102 with two partial fuel cells 101, 102 and two, respectively
  • Stacked form arranged single fuel cells 1 1 - hereinafter referred to as single cells 1 1 - have and preferably in a fluid-tight stack housing 16 (only Figure 1) or in two separate fluid-tight stacking housings 16, 16 (see Figures 2 to 5) are housed.
  • Each single cell 1 1 comprises an anode compartment 12 and a
  • a partial fuel cell stack 101, 102 is also referred to simply as partial fuel cell 101, 102.
  • the anode chambers 12 and the cathode chambers 13 of the dual fuel cell 10; 101, 102 each have a restrictive catalytic electrode (part of the membrane-electrode assembly 14, see below), that is, an anode electrode and a cathode electrode, each catalyzing a partial reaction of a fuel cell reaction.
  • the anode electrode and the cathode electrode each comprise a catalytic material, such as platinum, which is supported on an electrically conductive substrate having a large specific area
  • a structure of a membrane and the two associated electrodes is also called
  • Membrane electrode unit 14 denotes. Between two such membrane-electrode units 14 (in FIG. 1, only a single membrane-electrode unit 14 is indicated), a bipolar plate 15 is also indicated in FIG. 1, which indicates a supply of operating media 3, 5 into a relevant anode compartment 12 a first single cell 1 1 and a respective cathode space 13 of a directly adjacent thereto second single cell 1 1 and beyond an electrical connection between the two directly adjacent single cells 1 1 realized. Between a bipolar plate 15 and a directly adjacent anode electrode of a membrane electrode assembly 14 there is an anode space 12 and between a cathode electrode of the same membrane electrode assembly 14 and a directly adjacent second
  • Bipolar plate 15 is a cathode compartment 13 is formed (single cell 1 1).
  • Gas diffusion layers between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 may be arranged.
  • 101, 102 are thus membrane electrode units 14 and bipolar plates 15 alternately arranged or stacked (partial fuel cell stack 101, 102).
  • Partial fuel cell stack 101, 102 with the operating media 3, 5 has the
  • Fuel cell system 1 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand a
  • the anode supply 20 includes an anode supply path 21, which is a
  • Feeding an anode operating medium 3, a fuel 3, for example, hydrogen 3 or a hydrogen-containing gas mixture 3, in the anode chambers 12 of the dual fuel cell 10; 101, 102 serves.
  • the anode supply path 21 connects a fuel storage tank 23 or fuel tank 23 with an anode inlet of the dual fuel cell 10; 101, 102.
  • the anode supply 20 further comprises an anode exhaust path 22, which an anode exhaust gas 4 from the anode chambers 12 by a
  • Anode output of the dual fuel cell 10; 101, 102 passes through.
  • a built-up anode operating pressure on an anode side of the dual fuel cell 10; 101, 102 is preferably adjustable by means of an adjusting means 24 in the anode supply path 21.
  • the anode supply 20 preferably has a fuel recirculation line 25, which contains the anode exhaust gas path 22 with the anode supply path 21
  • a compressor may be provided on / in the fuel recirculation line 25 (not shown).
  • the cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which connects the
  • the cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust path 32, which is a cathode exhaust gas 6, in particular an exhaust air 6, from the cathode chambers 13 of the dual fuel cell 10; 101, 102 dissipates and this optionally provided exhaust device (not shown) supplies.
  • a cathode compressor 33 is preferably arranged on / in the cathode supply path 31.
  • the cathode compressor 33 is designed as a cathode compressor 33 driven exclusively or also by an electric motor, the drive of which (also) takes place by means of an electric motor 34 or a drive 34, which is preferably equipped with a corresponding power electronics 35.
  • the cathode compressor 33 is designed as an at least electrically driven turbocharger 33 (English ETC for Electric Turbo Charger).
  • the cathode compressor 33 may further include a cathode turbine 36 disposed in the cathode exhaust path 32
  • the cathode turbine 36 constitutes an expander which causes an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus a lowering of its fluid pressure (increasing an efficiency of the dual fuel cell 10, 101, 102).
  • the cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment
  • Wastegate 37 and a wastegate line 37 have, which
  • the wastegate 37 allows an operating pressure of the cathode operating medium 5 to be temporarily in the double fuel cell 10; 101, 102 without shutting down the cathode compressor 33.
  • An adjusting means 38 arranged in the wastegate 37 permits adjustment of a volume flow of the double fuel cell 10; 101, 102 optionally circulating cathode operating medium. 5
  • All adjusting means 24, 26, 38, 132 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles, diaphragms et cetera.
  • at least one other corresponding adjusting means (not shown) on / in an anode path 21, 22 and / or a cathode path 31, 32 or on / in a line of the anode path 21, 22 and / or a line of the cathode path 31, 32 may be arranged.
  • the preferred fuel cell system 1 also has a humidifier 110.
  • humidifier 10 is arranged in the cathode supply path 31 such that it can be flowed through by the cathode operating medium 5.
  • the humidifier is arranged in the cathode exhaust path 32 so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas 6.
  • the humidifier 110 is preferably located in the cathode supply path 31 between the cathode compressor 33 and a cathode input of the dual fuel cell 10; 101, 102 and, on the other hand, in the cathode exhaust path 32 between a cathode exit of the dual fuel cell 10; 101, 102 and the optionally provided cathode turbine 36 is arranged.
  • a moisture carrier (not shown) of the humidifier 110 preferably has a plurality of membranes, which are often formed either flat or in the form of hollow fibers.
  • Bypass line to be bypassed may also be provided a cathode turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 which bypasses the cathode turbine 36.
  • the anode supply 20 may alternatively or additionally have a humidifier that is analogous to the cathode supply 30.
  • the anode exhaust path 22 may open into the cathode exhaust path 32, wherein the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 6 may optionally be discharged via the common exhaust device.
  • Embodiments the cathode operating medium 5 to flow through a provided on / in the cathode supply path 31 intercooler.
  • the invention discloses humidification of the dual fuel cell 10; 101, 102 and the dual fuel cell stack 10; 101, 102 one
  • Fuel cell assembly 1 of the fuel cell system 1 It is of course possible for the invention to be applied to a different number of individual fuel cells 101, 102, ...
  • FIG. 2 greatly simplifies the first embodiment of the cathode supply 30 for the dual fuel cell 10; 101, 102.
  • the compressible by means of the cathode compressor 33 cathode operating medium 5 can be divided into two partial streams or mass flows before the humidifier 1 10.
  • a first mass flow is humidified by means of the humidifier 1 10 and supplied in an operation of the dual fuel cell 10; 101, 102 through the cathode supply path 31 through the first partial fuel cell 101 (see arrows in Figures 1 to 5).
  • only the first mass flow is humidified, which allows a reduction of the humidifier 1 10.
  • the cathode exhaust gas 6 of the first partial fuel cell 101 is then miscible with the second, un-moistened (dry) mass flow of the cathode compressor 33, which flows through an additional cathode supply path 130 during operation.
  • This mixed and wet by the cathode exhaust gas 6 mass flow then supplies the second partial fuel cell 102.
  • the additional cathode supply path 130 branches off the cathode supply path 31 downstream of the cathode compressor 33.
  • an adjusting means 132 for example a flap 132, is additionally provided in the additional cathode supply path 130 for the second mass flow, by means of which pressure losses in the first
  • Partial fuel cell 101 can be compensated.
  • the cathode compressor 33 can be driven analogously to FIG. 1 by means of the electric motor 34 or by means of the drive 34.
  • the electric motor 34 can also be driven in a supportive manner analogous to FIG. 1 by means of the cathode turbine 36.
  • the admixing of the unhumidified mass flow (second mass flow) to the cathode waste gas 6 of the first partial fuel cell 101 can take place downstream of the first partial fuel cell 101, on a connecting line 120 between the partial fuel cells 101, 102 or upstream of the second partial fuel cell 102.
  • a scaling of the two Partial fuel cells 101, 102 to each other a humidity at an inlet of the second partial fuel cell 102 and / or a size of the humidifier 1 10 adjustable.
  • Partial fuel cell 102 to ensure.
  • a branch line falls away from the cathode supply path 31.
  • the additional cathode compressor 133 preferably sucks the cathode operating medium 5 through the additional cathode supply path 130 to an air filter box (not shown) which is in fluid communication with the environment 2. This also preferably relates to the cathode compressor 33 of the cathode supply path 31.
  • a power of the additional cathode compressor 133 may be higher than that of the first partial fuel cell 101
  • Cathode compressor 33 can be reduced.
  • An adjusting means 132 in the additional cathode supply path 130 may be applicable.
  • the two cathode compressors 33, 133 can be arranged, for example, via a common shaft, for example with a back-to-back arrangement, which reduces bearing forces.
  • the electric motor 34 can in turn be supported in a supportive manner analogous to FIG. 1 by means of the cathode turbine 36. Furthermore, a transmission between the electric motor 34 and at least one of
  • the cathode compressor 33 is drivable on / in the cathode supply path 31 via the cathode turbine 36 on / in the cathode exhaust path 32, through which preferably the entire cathode exhaust gas 6 of both partial fuel cells 101, 102 flows.
  • a cathode compressor-cathode turbine combination 33, 36 as in an exhaust gas turbocharger, be formed without an additional electric motor;
  • an electric motor (34) is applicable.
  • the additional cathode compressor 133 on / in the additional Cathode supply path 130 is drivable analogously to Figure 3 by means of the electric motor 34, wherein optionally the additional cathode compressor 133 can be driven in turn supportive analogous to Figure 1 by means of a cathode turbine (36).
  • the multiple fuel cell 10; 101, 102 be designed such that always a sufficient supply of the partial fuel cells 101, 102 is ensured.
  • Partial fuel cells 101, 102 preferably do not have the same size.
  • FIG. 5 greatly simplifies the preferred fourth embodiment of the invention
  • Cathode supply path 31 is from electric motor 34 and the additional cathode compressor 133 on / in the additional cathode supply path 130 is drivable by the cathode turbine 36 at / in the cathode exhaust path 32.
  • Fuel cell system fuel cell assembly, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
  • Fluid, exhaust gas optionally including liquid water, in particular anode exhaust gas fluid, operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air
  • Fluid, exhaust gas including, if appropriate, liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air (double / multiple) fuel cell, (double / multiple) fuel cell stack of the fuel cell system 1 with at least two partial fuel cells,
  • Membrane electrode unit preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode
  • Adjusting means (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
  • Fuel recirculation line Adjusting means (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the
  • Turbine with optionally variable turbine geometry, cathode turbine, expander, possibly an exhaust gas turbocharger
  • Adjustment means (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, orifice et cetera upstream partial fuel cell, partial fuel cell stack
  • controllable (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention relates to a cathode supply (30) for a fuel cell group (10; 101, 102) of a fuel cell system (1) having at least two fuel cell units (101, 102) connected in series in a fluid flow direction of a cathode operating medium (5), wherein an upstream fuel cell unit (101) can be supplied with a moistened cathode operating medium (5) and a downstream fuel cell unit (102) can be supplied with an unmoistened cathode operating medium (5), wherein a cathode exhaust gas (6) of at least one or of the upstream fuel cell unit (101) can be added to the unmoistened cathode operating medium (5). The invention further relates to a method for supplying the cathodes of fuel cell units (101, 102) of a fuel cell group (10; 101, 102) of a fuel cell system (1) with a cathode operating medium (5), wherein, in a fluid flow direction of the cathode operating medium (5) through the fuel cell group (10; 101, 102), an upstream fuel cell unit (101) is supplied with a moistened cathode operating medium (5) and (with respect to the fluid flow direction of the cathode operating medium (5)) a downstream fuel cell unit (102) is supplied with an unmoistened cathode operating medium (5) and a cathode exhaust gas (6) of at least one or the upstream fuel cell unit (101).

Description

Beschreibung  description

Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Versorgen von Teilbrennstoffzellen mit einem Kathoden-Betriebsmedium Cathode supply for a multiple fuel cell and method for supplying partial fuel cells with a cathode operating medium

Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle eines The invention relates to a cathode supply for a multiple fuel cell of a

Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen einer Mehrfach-Brennstoffzelle eines Fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a method for supplying the cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a

Brennstoffzellensystems mit einem Kathoden-Betriebsmedium. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Fahrzeug mit einem solchen. Fuel cell system with a cathode operating medium. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system or a vehicle with such.

Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft A fuel cell uses an electrochemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane-electrode unit (English MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting, often

protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. proton-conducting, membrane and on both sides of the membrane arranged electrodes, an anode electrode and a cathode electrode is. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane.

In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische In general, the fuel cell is formed by means of a plurality of stacked in a stack (English stack) membrane-electrode assemblies, wherein the electrical

Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran- Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also eine Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrische Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran- Elektroden-Einheiten. Add power in a fuel cell operation. Bipolar plates, also called flux field plates or separator plates, are usually arranged between the individual membrane electrode units, which supply and usually also supply the membrane electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell with the operating media, the so-called reactants to serve a cooling. In addition, the bipolar plates provide for a respective electrical connection to the respective adjacent membrane electrode units.

In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges In an operation of the single cells of the fuel cell, the fuel, a so-called anode operating medium, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing

Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter einer Abgabe von Elektronen (e") stattfindet (H2 -> 2H+ + 2e"). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H+) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Gas mixture, via an anode side open flow field of the bipolar plates the anode electrodes where an electrochemical oxidation of H 2 to H + occurs under a release of electrons (e " ) (H 2 -> 2H + + 2e " ). Through the membranes or electrolytes of the membrane-electrode units, which gas-tightly separate and electrically isolate the reaction spaces, a water-bound or anhydrous transport of the protons formed (H + ) of the anode electrodes (composite anode of

Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden Fuel cell) in the anode spaces of the single cells to the cathode electrodes

(zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et ceterea) der Kathode zugeleitet. (composite cathode of the fuel cell) in the cathode compartments of the single cells. The electrons provided at the anode are fed via an electrical line and an electrical load (electric traction motor, air conditioning et ceterea) of the cathode.

Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (02) oder ein The cathode electrodes via a cathode side open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (0 2 ) or a

sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von 02 zu O2" unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (V2O2 + 2e" -> O2"). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2-) mit den durch die oxygen-containing gas mixture, for example air, with a reduction from 0 2 to O 2 " under an uptake of electrons takes place (V2O 2 + 2e " -> O 2 " ) .At the same time, the oxygen anions formed on the cathode electrodes (O 2- ) with the by the

Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O2- + 2H+ -> H20). Membranes or electrolytes transported through protons with formation of water (O 2- + 2H + -> H 2 0).

Das in die Kathode der Brennstoffzelle eintretende Kathoden-Betriebsmedium muss eine bestimmte relative Feuchte besitzen, um ein Austrocken der Membranen zu verhindern. Hierzu wird im Brennstoffzellensystem ein Befeuchter angewendet, welcher einen Teil einer Feuchte aus dem Kathoden-Abgas in das Kathoden-Betriebsmedium, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, überträgt. Ein solcher Befeuchter benötigt einen vergleichsweise großen Bauraum, welcher ein Problem für eine Einheit eines Brennstoffzellenaggregats (Brennstoffzelle plus deren Vorrichtungen und Einrichtungen (Anodenversorgung, Kathodenversorgung et cetera)) sowie das Fahrzeug darstellt, welches das Brennstoffzellenaggregat aufweist. The cathode operating medium entering the cathode of the fuel cell must have a certain relative humidity in order to prevent the membranes from drying out. For this purpose, a humidifier is used in the fuel cell system, which transmits a part of a moisture from the cathode exhaust gas in the cathode operating medium, which is supplied to the fuel cell. Such a humidifier needs a comparatively large space, which is a problem for a unit of a fuel cell assembly (fuel cell plus their devices and facilities (anode supply, cathode supply et cetera)) and the vehicle having the fuel cell assembly.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Bauraum in einem Fahrzeug mit einem It is an object of the invention, a space in a vehicle with a

Brennstoffzellenaggregat, insbesondere einem Doppel-Brennstoffzellenaggregat gut ausnutzen zu können. Hierbei soll ein vergleichsweise großer Befeuchter des Doppel- Brennstoffzellenaggregats verkleinert sein, sodass Bauraum eingespart werden kann. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar und durchführbar sein. Fuel cell unit, especially a double fuel cell unit to take advantage of. In this case, a comparatively large humidifier of the dual fuel cell assembly is to be reduced, so that space can be saved. This should be feasible and feasible with simple and inexpensive means.

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Kathodenversorgung für eine Mehrfach- Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems; durch ein Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen einer Mehrfach-Brennstoffzelle eines The object of the invention is by means of a cathode supply for a multiple fuel cell of a fuel cell system; by a method for supplying the Cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a

Brennstoffzellensystems mit einem Kathoden-Betriebsmedium; mittels eines Fuel cell system with a cathode operating medium; by means of a

Brennstoffzellensystems und mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung. Fuel cell system and by means of a vehicle, in particular an electric vehicle, according to the independent claims. Advantageous developments, additional features and / or advantages of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.

Die erfindungsgemäße Kathodenversorgung umfasst wenigstens zwei in einer The cathode supply according to the invention comprises at least two in one

Fluidflussrichtung eines feuchten Kathoden-Betriebsmediums in Reihe geschaltete Fluid flow direction of a wet cathode operating medium connected in series

Teilbrennstoffzellen, wobei eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle stromaufwärts mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar ist und eine stromabwärtige Partial fuel cells, wherein an upstream Teilbrennstoffzelle upstream with a humidated cathode operating medium is supplied and a downstream

Teilbrennstoffzelle stromaufwärts mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar ist, wobei dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium ein Kathoden-Abgas wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar ist. Partial fuel cell upstream with a non-moistened cathode operating medium is supplied to the non-moistened cathode operating medium, a cathode exhaust gas at least one or the upstream part of the fuel cell fuel is immiscible.

Bevorzugt ist die mit dem Kathoden-Betriebsmedium versorgbare stromaufwärtige Preferably, the upstream can be supplied with the cathode operating medium

Teilbrennstoffzelle eine erste stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Mehrzahl von solchen stromaufwärtigen Teilbrennstoffzellen angewendet wird. Partial fuel cell, a first upstream partial fuel cell. However, it is also possible that a plurality of such upstream partial fuel cells are applied.

In Ausführungsbeispielen ist das vollständige Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle oder auch nur ein Teil davon dem Kathoden-Betriebsmedium für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle zumischbar. Die wenigstens zwei Teilbrennstoffzellen können dabei getrennt (externe Kaskadierung), zum Beispiel in wenigstens zwei Gehäusen, oder auch zusammen (interne Kaskadierung) in einem einzigen Gehäuse vorgesehen sein. In embodiments, the entire cathode off-gas from the upstream sub-fuel cell, or even a portion thereof, is admixable with the cathode operating medium for the downstream sub-fuel cell. The at least two partial fuel cells can be provided separately (external cascading), for example in at least two housings, or also together (internal cascading) in a single housing.

Gemäß der Erfindung wird, unter der Annahme zweier Teilbrennstoffzellen, lediglich ein erster Massenstrom eines gesamten für die Mehrfach-Brennstoffzelle vorgesehenen Kathoden- Betriebsmediums mittels des Befeuchters befeuchtet und versorgt die erste, das heißt stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle. Ein zweiter, unbefeuchteter Massenstrom des gesamten Kathoden-Betriebsmediums wird einem strömenden sich vom befeuchteten Kathoden- Betriebsmedium immer mehr zum einem Kathoden-Abgas wandelnden Fluid zwischen den Teilbrennstoffzellen zugemischt. Eine notwendige Befeuchtung des zweiten, unbefeuchteten Massenstroms erfolgt über das vorliegende Kathoden-Abgas, in welchem sich neu gebildeter Wasserdampf beziehungsweise neu gebildetes flüssiges Wasser befindet. Somit muss nur ein Anteil des gesamten Kathoden-Betriebsmediums befeuchtet werden, was eine deutliche Verkleinerung des Befeuchters ermöglicht. Hierdurch ist eine geringe Befeuchtergröße realisierbar, was Bauraum für andere Komponenten im Fahrzeug schafft. Ferner ist trotz der geringen Befeuchtergröße eine gute According to the invention, assuming two partial fuel cells, only a first mass flow of an entire multi-fuel cell cathode operating medium is humidified by means of the humidifier and supplies the first, that is, upstream, partial fuel cell. A second, unaerated mass flow of the entire cathode operating medium is admixed with a flowing fluid, which is increasingly being transferred from the humidified cathode operating medium to the cathode waste gas, between the partial fuel cells. A necessary moistening of the second, unaerated mass flow takes place via the present cathode waste gas, in which newly formed water vapor or newly formed liquid water is located. Thus, only a portion of the entire cathode operating medium must be moistened, allowing a significant reduction of the humidifier. As a result, a small humidifier size is feasible, which creates space for other components in the vehicle. Furthermore, despite the small humidifier size is a good

Leistungsskalierung der Mehrfach-Brennstoffzelle realisierbar. Darüber hinaus ergeben sich vergleichsweise geringe Druckverluste in einem Kathoden-Versorgungspfad beziehungsweise den Kathoden-Versorgungspfaden (siehe unten) und dadurch eine geringere Power scaling of the multiple fuel cell feasible. In addition, comparatively low pressure losses in a cathode supply path or the cathode supply paths (see below) and thus a lower result

Leistungsaufnahme des Kathodenverdichters oder der Kathodenverdichter (siehe unten). Power Consumption of the Cathode Compressor or Cathode Compressors (see below).

Alternativ ergibt sich eine kleinere Dimensionierung des Kathoden-Versorgungspfads beziehungsweise der Kathoden-Versorgungspfade. Alternatively, a smaller dimensioning of the cathode supply path or the cathode supply paths results.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung einen Befeuchter auf, wobei durch den Befeuchter einerseits ein zu befeuchtendes Kathoden-Betriebsmedium für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle hindurchströmbar vorgesehen ist und durch den Befeuchter andererseits ein zu entfeuchtendes Kathoden-Abgas wenigstens einer oder der stromabwärtigen In embodiments, the cathode supply to a humidifier, being provided by the humidifier on the one hand to be humidified cathode operating medium for the upstream part fuel cell hindurchströmbar and by the humidifier on the other hand to be dehumidified cathode exhaust at least one or the downstream

Teilbrennstoffzelle hindurchströmbar vorgesehen ist. Part fuel cell is provided hindurchströmbar.

In Ausführungsbeispielen strömt ein erster Anteil des gesamten (unbefeuchteten) Kathoden- Betriebsmediums für die Mehrfach-Brennstoffzelle als unbefeuchtetes Fluid zum Befeuchten durch den Befeuchter und gelangt zeitlich anschließend, stromaufwärtig als befeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium in die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle und passiert diese. In dieser Teilbrennstoffzelle wird an einer Kathode dieser Teilbrennstoffzelle ein Teil des In embodiments, a first portion of the total (unswept) cathode operating medium for the multiple fuel cell flows as a humidified fluid for wetting by the humidifier and then passes upstream and passes upstream as a humidified cathode operating medium into the upstream particulate fuel cell. In this sub-fuel cell is at a cathode of this partial fuel cell part of the

Sauerstoffs im Kathoden-Betriebsmedium mit Protonen von einer Anode dieser Oxygen in the cathode operating medium with protons from an anode of this

Teilbrennstoffzelle zu Wasser umgewandelt und passiert als mit Sauerstoff abgereichertes und mit Wasserdampf beziehungsweise Wasser angereichertes Kathoden-Abgas (Fluid) einen stromabwärtigen Fluidausgang dieser Teilbrennstoffzelle. In der zeitlichen Folge wird dieses Fluid der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle wenigstens teilweise, bevorzugt jedoch vollständig zugeführt. Partial fuel cell is converted to water and passes as oxygen depleted and enriched with water vapor or water cathode exhaust gas (fluid) downstream a fluid outlet of this sub-fuel cell. In time, this fluid is at least partially, but preferably completely, supplied to the downstream partial fuel cell.

Vor dem oder beim (zeitlich wie räumlich) Zuführen des Kathoden-Abgases zur Before or during (temporally and spatially) supplying the cathode exhaust gas to

stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle wird diesem ein weiterer Anteil des gesamten Downstream partial fuel cell will this another proportion of the total

unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums zugemischt, wobei dieses Kathoden- Betriebsmedium den Befeuchter nicht passiert hat. Dieses Fluid, also eine Mischung aus dem Kathoden-Abgas (von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle) und dem weiteren unmixed cathode operating medium admixed, this cathode operating medium has not passed the humidifier. This fluid, that is, a mixture of the cathode exhaust gas (from the upstream partial fuel cell) and the other

(unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmedium (für die stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle), wird der betreffenden stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle stromaufwärts zugeführt, wobei dieses Fluid als mit Sauerstoff abgereichertes und mit Wasserdampf beziehungsweise Wasser angereichertes Kathoden-Abgas einen stromabwärtigen Fluidausgang dieser Teilbrennstoffzelle verlässt. In der Folge kann, je nach einer Anzahl der Teilbrennstoffzellen in der Mehrfach- Brennstoffzelle, sich das Gesagte wiederhohlen, wobei unbefeuchtetes, aber gegebenenfalls auch befeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium einer stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar ist. (Undimmed) cathode operating medium (for the downstream partial fuel cell) is fed upstream of the respective downstream partial fuel cell, this fluid being depleted in oxygen and steam or water enriched cathode exhaust gas leaves a downstream fluid outlet of this sub-fuel cell. As a result, depending on a number of partial fuel cells in the multiple fuel cell, what has been said can be repeated, wherein un-moistened, but possibly also moistened, cathode operating medium of a downstream partial fuel cell can be mixed.

Bei insgesamt zwei Teilbrennstoffzellen verlässt das Kathoden-Abgas der zweiten, also der in Fluidflussrichtung des feuchten Kathoden-Betriebsmediums hinteren Teilbrennstoffzelle, die Mehrfach-Brennstoffzelle und tritt in der Folge in den Befeuchter zum Befeuchten des unverbrauchten Kathoden-Betriebsmediums für die erste Teilbrennstoffzelle ein. Sind mehr als zwei Teilbrennstoffzellen vorgesehen, so kann es sich bei der ersten Teilbrennstoffzelle sowohl um die erste und/oder auch um eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle handeln. Nach dem Passieren des Befeuchters kann das Kathoden-Abgas, gegebenenfalls zusammen mit einem Anoden-Abgas, einer Abgaseinrichtung des Fahrzeugs zugeführt werden. With a total of two partial fuel cells, the cathode exhaust gas of the second, that is in the fluid flow direction of the wet cathode operating medium rear partial fuel cell leaves the multiple fuel cell and subsequently enters the humidifier for wetting the unused cathode operating medium for the first partial fuel cell. If more than two partial fuel cells are provided, then the first partial fuel cell may be both the first and / or an upstream partial fuel cell. After passing the humidifier, the cathode exhaust, optionally together with an anode exhaust gas, can be supplied to an exhaust device of the vehicle.

In Ausführungsbeispielen ist das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle, an einer Verbindungsleitung zwischen den In embodiments, the unhumidified cathode operating medium is downstream of the upstream sub-fuel cell, on a connection line between the two

Teilbrennstoffzellen oder stromaufwärts an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle dem Partial fuel cells or upstream of the downstream part of the fuel cell

Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar. Cathode exhaust gas from the upstream part of the fuel cell immiscible.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung für das Zumischen des In embodiments, the cathode supply for admixing the

unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad auf, mittels welchem das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle fluidmechanisch beigebbar beziehungsweise zumischbar ist. Hierbei kann an/in dem zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ein Stellmittel vorgesehen sein. Das heißt, dass wenigstens ein weiterer oder der weitere Anteil des gesamten Unmoved cathode operating medium to an additional cathode supply path, by means of which the unhumidated cathode operating medium is the fluid from the upstream fuel cell zuzuschbar the cathode exhaust gas from the upstream part. In this case, an adjusting means can be provided on / in the additional cathode supply path. This means that at least one more or the other part of the total

unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums durch wenigstens einen oder den zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle zumischbar ist. Unwetted cathode operating medium is admixed by at least one or the additional cathode supply path to the cathode exhaust gas from the upstream part of the fuel cell for the downstream part of the fuel cell.

Existieren zum Beispiel zwei Teilbrennstoffzellen in der Mehrfach-Brennstoffzelle, so addieren sich der erste Anteil und der weitere Anteil des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums zu 100%. Sind mehr Teilbrennstoffzellen vorgesehen, so existieren zum Beispiel zwei weitere Anteile des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden- Betriebsmediums, welche sich dann mit dem ersten Anteil des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums zu 100% addieren. Mittels des Stellmittels am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ist ein fluidmechanischer Parameter (Massenstrom, Volumenstrom, Fluiddruck etc.) des unbefeuchteten Kathoden- Betriebsmediums im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad wählbar, einstellbar oder einregelbar. In Ausführungsbeispielen mündet der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle an/in der Verbindungsleitung zwischen den Teilbrennstoffzellen oder stromaufwärts an der stromabwärtigen For example, if there are two partial fuel cells in the multiple fuel cell, the first portion and the further portion of the total (humidified and unhumidified) cathode operating medium add up to 100%. If more partial fuel cells are provided, there are, for example, two further parts of the entire (humidified and unhumidified) cathode operating medium, which then add up to 100% with the first portion of the entire (humidified and unhumidified) cathode operating medium. By means of the actuating means on / in the additional cathode supply path, a fluid-mechanical parameter (mass flow, volume flow, fluid pressure, etc.) of the unhumidified cathode operating medium in the additional cathode supply path is selectable, adjustable or adjustable. In embodiments, the additional cathode supply path opens downstream of the upstream sub-fuel cell on / in the connection line between the sub-fuel cells or upstream on the downstream

Teilbrennstoffzelle. Part fuel cell.

In Ausführungsbeispielen ist mittels einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen zueinander eine Feuchte des mit dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle gemischten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums stromaufwärts an der stromabwärtigen In embodiments, by scaling the sub-fuel cells relative to one another, a humidity of the un-moistened cathode operating medium mixed with the cathode exhaust from the upstream sub-fuel cell is upstream at the downstream

Teilbrennstoffzelle und/oder eine Größe des Befeuchters einstellbar. Partial fuel cell and / or a size of the humidifier adjustable.

Das heißt zum Beispiel, dass eine Größe der jeweiligen Teilbrennstoffzelle und eine That is, for example, that a size of each partial fuel cell and a

Ausgestaltung der Kathodenversorgung aufeinander eingestellt sind. Hierbei kann iterativ vorgegangen werden, also zunächst eine Skalierung der Teilbrennstoffzellen wählen und dann ein Bestimmen der Feuchte des gemischten Fluids (Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle plus unbefeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle) sowie eine Größe des Befeuchters. In der Folge wird bestimmt, was dies für Auswirkungen auf die Skalierung hat, wodurch die Skalierung angepasst werden kann. Dies kann natürlich auch umgekehrt ausgeführt werden. Configuration of the cathode supply are adjusted to each other. It can be iterated, that is, first select a scaling of the partial fuel cells and then determining the humidity of the mixed fluid (cathode exhaust from the upstream part of the fuel cell plus unsmoked cathode operating medium for the downstream part of the fuel cell) and a size of the humidifier. Subsequently it is determined what this has to do with scaling, which allows the scaling to be adjusted. Of course, this can also be done the other way round.

Unter einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen zueinander ist zum Beispiel eine jeweilige Größe der Teilbrennstoffzellen und somit eine Gesamtgröße der Mehrfach-Brennstoffzelle zu verstehen, also wie sich eine Größe der jeweiligen Teilbrennstoffzelle zur Gesamtgröße der Mehrfach-Brennstoffzelle verhält beziehungsweise wie sich die Größen der jeweiligen A scaling of the partial fuel cells relative to one another is understood to mean, for example, a respective size of the partial fuel cells and thus a total size of the multiple fuel cell, ie how a size of the respective partial fuel cell relates to the total size of the multiple fuel cell or how the sizes of the respective fuel cells behave

Teilbrennstoffzellen zueinander verhalten. Das heißt zum Beispiel: eine jeweilige Anzahl von Einzelzellen, eine Größe einer oder der Einzelzellen, eine Fläche der Einzelzellen et cetera in der jeweiligen Teilbrennstoffzelle. In die Größe des Befeuchters gehen natürlich Parameter wie eine Ausgestaltung des Befeuchters, ein Befeuchtertyp et cetera ein. Partial fuel cells behave to each other. This means, for example: a respective number of individual cells, a size of one or the individual cells, an area of the individual cells et cetera in the respective partial fuel cell. The size of the humidifier naturally includes parameters such as a humidifier, a type of humidifier and so on.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung einen Kathodenverdichter auf, mittels welchem sowohl die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle mit dem befeuchteten Kathoden- Betriebsmedium als auch die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle mit dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar sind. Hierfür zweigt zum Beispiel der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle stromabwärts hinter dem Kathodenverdichter und stromaufwärts vor dem Befeuchter am/im Kathoden-Versorgungspfad für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle ab. Es ist natürlich möglich, dies umzukehren, das heißt, der Kathoden-Versorgungspfad für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle zweigt vom zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle In exemplary embodiments, the cathode supply has a cathode compressor, by means of which both the upstream partial fuel cell with the humidified cathode operating medium and the downstream partial fuel cell with the unhumidified cathode operating medium can be supplied. For this purpose, for example, the additional branches Cathode supply path for downstream partial fuel cell downstream of the cathode compressor and upstream of the humidifier on / in the cathode supply path for the upstream partial fuel cell from. It is of course possible to reverse this, that is, the cathode supply path for the upstream sub-fuel cell branches from the additional cathode supply path for the downstream sub-fuel cell

stromabwärts hinter dem Kathodenverdichter und stromaufwärts vor dem Befeuchter am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ab. downstream of the cathode compressor and upstream of the humidifier on / in the additional cathode supply path.

Hierbei ist der Kathodenverdichter teilweise oder ausschließlich mittels eines Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar. Bei zwei Teilbrennstoffzellen ergibt sich dementsprechend ein einziger Kathodenverdichter. Bei mehr als zwei Teilbrennstoffzellen sind dabei auch zwei oder mehr Kathodenverdichter und/oder zwei oder mehr Elektromotoren anwendbar. Here, the cathode compressor is partially or exclusively driven by an electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor. In the case of two partial fuel cells, a single cathode compressor accordingly results. In the case of more than two partial fuel cells, it is also possible to use two or more cathode compressors and / or two or more electric motors.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung für einen Transport des befeuchtbaren Kathoden-Betriebsmediums am/im Kathoden-Versorgungspfad einen Kathodenverdichter auf, wobei die Kathodenversorgung für einen Transport des unbefeuchteten Kathoden- Betriebsmediums am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad einen zusätzlichen In embodiments, the cathode supply for transporting the humidifying cathode operating medium at / in the cathode supply path to a cathode compressor, wherein the cathode supply for transport of the unhumidified cathode operating medium on / in the additional cathode supply path an additional

Kathodenverdichter aufweist. Having cathode compressor.

In Ausführungsbeispielen sind sowohl der Kathodenverdichter als auch der zusätzliche In embodiments, both the cathode compressor and the additional

Kathodenverdichter zusammen mittels eines Elektromotors antreibbar. Bevorzugt sitzen dabei der Kathodenverdichter, der zusätzliche Kathodenverdichter und der Elektromotor auf einer gemeinsamen Welle. Ein Getriebe ist gegebenenfalls anwendbar, welches zwischen dem Elektromotor und einem der beiden Kathodenverdichter sitzen kann. Es ist auch möglich, ein oder das Getriebe zusätzlich oder alternativ zwischen den Kathodenverdichtern vorzusehen. Hierbei sind die Kathodenverdichter teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) und optional zusätzlich mit einem Elektromotor zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar. Natürlich sind auch zwei Elektromotoren für den Cathode compressor drivable together by means of an electric motor. Preferably sit the cathode compressor, the additional cathode compressor and the electric motor on a common shaft. A transmission is optionally applicable, which can sit between the electric motor and one of the two cathode compressor. It is also possible to additionally or alternatively provide one or the transmission between the cathode compressors. Here, the cathode compressor can be driven partially or exclusively by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) and optionally additionally applicable with an electric motor for driving the cathode compressor. Of course, two electric motors for the

Kathodenverdichter und den zusätzlichen Kathodenverdichter anwendbar. Cathode compressor and the additional cathode compressor applicable.

In Ausführungsbeispielen sind der Kathodenverdichter mittels einer Kathodenturbine In embodiments, the cathode compressor is by means of a cathode turbine

(Abgasturbolader) und der zusätzliche Kathodenverdichter mittels eines Elektromotors antreibbar. Hierbei ist der zusätzliche Kathodenverdichter wiederum teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar. (Exhaust gas turbocharger) and the additional cathode compressor driven by an electric motor. Here, the additional cathode compressor is again partial or can only be driven by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor.

In Ausführungsbeispielen sind der Kathodenverdichter mittels eines Elektromotors und der zusätzliche Kathodenverdichter mittels einer Kathodenturbine (Abgasturbolader) und optional zusätzlich mit einem Elektromotor antreibbar. Hierbei ist der Kathodenverdichter wiederum teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist In embodiments, the cathode compressor by means of an electric motor and the additional cathode compressor by means of a cathode turbine (exhaust gas turbocharger) and optionally additionally driven by an electric motor. Here, the cathode compressor is in turn partially or exclusively driven by means of the electric motor; that is, it is

gegebenenfalls wiederum eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des zusätzlichen Kathodenverdichters anwendbar. optionally, in turn, a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the additional cathode compressor.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen mit einem Kathoden-Betriebsmedium wird in einer Fluidflussrichtung eines feuchten Kathoden- Betriebsmediums durch die Mehrfach-Brennstoffzelle hindurch eine erste stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgt, wobei in Bezug auf die Fluidflussrichtung des feuchten Kathoden-Betriebsmediums eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium und einem Kathoden- Abgas wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle versorgt wird. In In the method for supplying the cathodes of partial fuel cells with a cathode operating medium, in a fluid flow direction of a wet cathode operating medium through the multiple fuel cell, a first upstream sub-fuel cell is supplied with a moistened cathode operating medium, with respect to the fluid flow direction of the wet Cathode operating medium, a downstream partial fuel cell is supplied with a non-moistened cathode operating medium and a cathode exhaust gas at least one or the upstream partial fuel cell. In

Ausführungsbeispielen weist die Mehrfach-Brennstoffzelle beziehungsweise weisen die Teilbrennstoffzellen eine Kathodenversorgung auf, welche als eine erfindungsgemäße Exemplary embodiments, the multiple fuel cell or the partial fuel cells, a cathode supply, which as an inventive

Kathodenversorgung ausgebildet ist. Cathode supply is formed.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic drawing. Elements, components or components which have an identical, univocal or analogous design and / or function are provided with the same reference symbols in the description of the figures, the list of reference numerals and the claims and / or are identified by the same reference symbols in the figures of the drawing. Possible, not explained in the description, not shown in the drawing and / or not final alternatives, static and / or kinematic reversals, combinations et cetera to the illustrated embodiments of

Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden. Invention or individual modules, parts or sections thereof, the list of reference numerals can be found.

Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen: All explained features, including those of the list of reference numerals, are not only in the specified combination or the specified combinations, but also in a different combination or other combinations or in isolation applicable. In particular, it is possible on the basis of the reference symbols and their associated features in the description of the invention, the description of the figures and / or the list of reference numerals, to replace a feature or a plurality of features in the description of the invention and / or the description of the figures. Furthermore, a feature or a plurality of features in the patent claims can thereby be designed, specified and / or substituted. In the figures of the drawing show:

Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Figure 1 is a simplified block diagram of a preferred embodiment of a

Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung, mit einer Doppel- Brennstoffzelle;  Fuel cell system according to the invention, with a double fuel cell;

Figur 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Figure 2 is a simplified block diagram of a first embodiment of a

erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für eine Doppel-Brennstoffzelle;  cathode supply for a dual fuel cell according to the invention;

Figur 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der FIG. 3 is a simplified block diagram of a second embodiment of the invention

erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle;  cathode supply according to the invention for the dual fuel cell;

Figur 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der FIG. 4 is a simplified block diagram of a third embodiment of the invention

erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle; und  cathode supply according to the invention for the dual fuel cell; and

Figur 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der FIG. 5 is a simplified block diagram of a fourth embodiment of the invention

erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle.  inventive cathode supply for the dual fuel cell.

Die Erfindung ist anhand von vier Ausführungsformen einer Kathodenversorgung 30 für eine Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 eines Fahrzeugs sowie anhand eines Verfahrens (implizit) zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen 101 , 102 einer Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Kathodenversorgungen von Mehrfach-Brennstoffzellen, zum Beispiel mit drei oder mehr Teilbrennstoffzellen, oder auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten The invention is based on four embodiments of a cathode supply 30 for a dual fuel cell 10; 101, 102 of a vehicle and by a method (implicitly) for supplying the cathodes of partial fuel cells 101, 102 of a dual fuel cell 10; 101, 102 explained in more detail. However, the invention is not limited to the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all cathode supplies of multiple fuel cells, for example with three or more partial fuel cells, or even to stationary fuel cell systems. Although the invention has been described and illustrated in detail by way of preferred embodiments, the invention is not to be understood by those disclosed

Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Embodiments restricted. Other variations can be deduced therefrom without departing from the scope of the invention. FIG. 1 shows a fuel cell system 1 according to a preferred embodiment of the invention. The fuel cell system 1 is preferably part of a vehicle not shown in detail, in particular a motor vehicle or an electric vehicle, which preferably has an electric traction motor, which or which by the

Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Fuel cell system 1 can be supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 mit zwei Teilbrennstoffzellen 101 , 102 beziehungsweise zwei The fuel cell system 1 includes, as a core component, a dual fuel cell 10; 101, 102 with two partial fuel cells 101, 102 and two, respectively

Teilbrennstoffzellenstapeln 10; 101 , 102, welche jeweils bevorzugt eine Vielzahl von in Partial fuel cell stacks 10; 101, 102, each of which preferably has a plurality of in

Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 1 1 - nachfolgend als Einzelzellen 1 1 bezeichnet - aufweisen und bevorzugt in einem fluiddichten Stapelgehäuse 16 (nur Figur 1 ) oder in zwei separaten fluiddichten Stapelgehäusen 16, 16 (vergleiche die Figuren 2 bis 5) untergebracht sind. Jede Einzelzelle 1 1 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Stacked form arranged single fuel cells 1 1 - hereinafter referred to as single cells 1 1 - have and preferably in a fluid-tight stack housing 16 (only Figure 1) or in two separate fluid-tight stacking housings 16, 16 (see Figures 2 to 5) are housed. Each single cell 1 1 comprises an anode compartment 12 and a

Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe den Detailausschnitt in der Figur 1 ). Ein Teilbrennstoffzellenstapel 101 , 102 wird auch einfach als Teilbrennstoffzelle 101 , 102 bezeichnet. Cathode space 13, wherein the anode space 12 and the cathode space 13 of a membrane (part of a membrane electrode assembly 14, see below), preferably an ion-conductive polymer electrolyte membrane, spatially and electrically separated from each other (see the detail in Figure 1). A partial fuel cell stack 101, 102 is also referred to simply as partial fuel cell 101, 102.

Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen The anode chambers 12 and the cathode chambers 13 of the dual fuel cell 10; 101, 102 each have a restrictive catalytic electrode (part of the membrane-electrode assembly 14, see below), that is, an anode electrode and a cathode electrode, each catalyzing a partial reaction of a fuel cell reaction. The anode electrode and the cathode electrode each comprise a catalytic material, such as platinum, which is supported on an electrically conductive substrate having a large specific area

Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Surface, for example, a carbon-based material, supported.

Ein Gefüge aus einer Membran und den zwei dazugehörigen Elektroden wird auch als A structure of a membrane and the two associated electrodes is also called

Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden- Einheiten 14 (in der Figur 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist in der Figur 1 ferner eine Bipolarplatte 15 angedeutet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 1 1 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 1 1 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 1 1 realisiert. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Membrane electrode unit 14 denotes. Between two such membrane-electrode units 14 (in FIG. 1, only a single membrane-electrode unit 14 is indicated), a bipolar plate 15 is also indicated in FIG. 1, which indicates a supply of operating media 3, 5 into a relevant anode compartment 12 a first single cell 1 1 and a respective cathode space 13 of a directly adjacent thereto second single cell 1 1 and beyond an electrical connection between the two directly adjacent single cells 1 1 realized. Between a bipolar plate 15 and a directly adjacent anode electrode of a membrane electrode assembly 14 there is an anode space 12 and between a cathode electrode of the same membrane electrode assembly 14 and a directly adjacent second

Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet (Einzelzelle 1 1 ). Optional können Bipolar plate 15 is a cathode compartment 13 is formed (single cell 1 1). Optionally

Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 sind also Membran-Elektroden- Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Teilbrennstoffzellenstapel 101 , 102). Gas diffusion layers between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 may be arranged. In the double fuel cell 10; 101, 102 are thus membrane electrode units 14 and bipolar plates 15 alternately arranged or stacked (partial fuel cell stack 101, 102).

Zur Versorgung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 beziehungsweise der To supply the dual fuel cell 10; 101, 102 and the

Teilbrennstoffzellenstapel 101 , 102 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Partial fuel cell stack 101, 102 with the operating media 3, 5 has the

Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Fuel cell system 1 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand a

Kathodenversorgung 30 auf. Cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21 , welcher einer The anode supply 20 includes an anode supply path 21, which is a

Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Doppel- Brennstoffzelle 10; 101 , 102 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brenn Stoff tank 23 mit einem Anodeneingang der Doppel- Brennstoffzelle 10; 101 , 102. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden- Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Feeding an anode operating medium 3, a fuel 3, for example, hydrogen 3 or a hydrogen-containing gas mixture 3, in the anode chambers 12 of the dual fuel cell 10; 101, 102 serves. For this purpose, the anode supply path 21 connects a fuel storage tank 23 or fuel tank 23 with an anode inlet of the dual fuel cell 10; 101, 102. The anode supply 20 further comprises an anode exhaust path 22, which an anode exhaust gas 4 from the anode chambers 12 by a

Anodenausgang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar. Anode output of the dual fuel cell 10; 101, 102 passes through. A built-up anode operating pressure on an anode side of the dual fuel cell 10; 101, 102 is preferably adjustable by means of an adjusting means 24 in the anode supply path 21.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 In addition, the anode supply 20 preferably has a fuel recirculation line 25, which contains the anode exhaust gas path 22 with the anode supply path 21

fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist fluid mechanically connects. A recirculation of the anode operating medium 3, that is to say the fuel 3 which is actually to be fueled, is often set up, for the most part

überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 zurückzuführen und zu nutzen. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt). superstoichiometric anode operating medium 3 of the dual fuel cell 10; 101, 102 attributed and to use. Furthermore, a compressor may be provided on / in the fuel recirculation line 25 (not shown).

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31 , welcher den The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which connects the

Kathodenräumen 13 der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 ein sauerstoffhaltiges Kathoden- Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt. Cathode spaces 13 of the dual fuel cell 10; 101, 102 an oxygen-containing cathode operating medium 5, preferably air 5, supplies, which in particular from the environment 2 is sucked. The cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust path 32, which is a cathode exhaust gas 6, in particular an exhaust air 6, from the cathode chambers 13 of the dual fuel cell 10; 101, 102 dissipates and this optionally provided exhaust device (not shown) supplies.

Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden- Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In For a delivery and compression of the cathode operating medium 5, a cathode compressor 33 is preferably arranged on / in the cathode supply path 31. In

Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Embodiments, the cathode compressor 33 is designed as a cathode compressor 33 driven exclusively or also by an electric motor, the drive of which (also) takes place by means of an electric motor 34 or a drive 34, which is preferably equipped with a corresponding power electronics 35.

Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit Preferably, the cathode compressor 33 is designed as an at least electrically driven turbocharger 33 (English ETC for Electric Turbo Charger). The cathode compressor 33 may further include a cathode turbine 36 disposed in the cathode exhaust path 32

gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder einem Getriebe (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102). optionally variable turbine geometry, supportive by means of a common shaft or a transmission (not shown) to be drivable. The cathode turbine 36 constitutes an expander which causes an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus a lowering of its fluid pressure (increasing an efficiency of the dual fuel cell 10, 101, 102).

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment

Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches Wastegate 37 and a wastegate line 37 have, which

beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden- Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden- Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Kathode darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Doppel- Brennstoffzelle 10; 101 , 102 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 gegebenenfalls umgehenden Kathoden- Betriebsmediums 5. or which connects the cathode supply path 31 or a cathode supply line to the cathode exhaust gas path 32 or a cathode exhaust gas line, ie represents a bypass for the cathode. The wastegate 37 allows an operating pressure of the cathode operating medium 5 to be temporarily in the double fuel cell 10; 101, 102 without shutting down the cathode compressor 33. An adjusting means 38 arranged in the wastegate 37 permits adjustment of a volume flow of the double fuel cell 10; 101, 102 optionally circulating cathode operating medium. 5

Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 132 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) an/in einem Anoden-Pfad 21 , 22 und/oder einem Kathoden-Pfad 31 , 32 beziehungsweise an/in einer Leitung des Anoden-Pfads 21 , 22 und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31 , 32 angeordnet sein. All adjusting means 24, 26, 38, 132 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles, diaphragms et cetera. For further isolation of the dual fuel cell 10; 101, 102 of the environment 2, at least one other corresponding adjusting means (not shown) on / in an anode path 21, 22 and / or a cathode path 31, 32 or on / in a line of the anode path 21, 22 and / or a line of the cathode path 31, 32 may be arranged.

Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Befeuchter 1 10 auf. Der The preferred fuel cell system 1 also has a humidifier 110. Of the

Befeuchter 1 10 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 1 10 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Doppel- Brennstoffzelle 10; 101 , 102 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 1 10 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. On the one hand, humidifier 10 is arranged in the cathode supply path 31 such that it can be flowed through by the cathode operating medium 5. On the other hand, the humidifier is arranged in the cathode exhaust path 32 so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas 6. The humidifier 110 is preferably located in the cathode supply path 31 between the cathode compressor 33 and a cathode input of the dual fuel cell 10; 101, 102 and, on the other hand, in the cathode exhaust path 32 between a cathode exit of the dual fuel cell 10; 101, 102 and the optionally provided cathode turbine 36 is arranged. A moisture carrier (not shown) of the humidifier 110 preferably has a plurality of membranes, which are often formed either flat or in the form of hollow fibers.

Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 / der Teilbrennstoffzellenstapel 101 , 102, der Various other details of the fuel cell system 1 and the dual fuel cell 10; 101, 102 / of the partial fuel cell stack 101, 102, the

Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der Figur 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 1 10 seitens des Kathoden- Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Anode supply 20 and the cathode supply 30 are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity. Thus, the humidifier 1 10 on the part of the cathode supply path 31 and / or on the part of the cathode exhaust path 32 by means of a

Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Kathodenturbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht. Bypass line to be bypassed. There may also be provided a cathode turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 which bypasses the cathode turbine 36.

Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Furthermore, in the anode exhaust path 22 and / or in the cathode exhaust path 32 a

Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Be installed by means of which one from the relevant partial reaction of the double fuel cell 10; 101, 102 resulting product water is condensable and / or separable and optionally derivable into a water collector. Furthermore, the anode supply 20 may alternatively or additionally have a humidifier that is analogous to the cathode supply 30. Further, the anode exhaust path 22 may open into the cathode exhaust path 32, wherein the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 6 may optionally be discharged via the common exhaust device. In addition, in

Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden- Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen. Die Erfindung offenbart eine Befeuchtung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 beziehungsweise des Doppel-Brennstoffzellenstapels 10; 101 , 102 eines Embodiments, the cathode operating medium 5 to flow through a provided on / in the cathode supply path 31 intercooler. The invention discloses humidification of the dual fuel cell 10; 101, 102 and the dual fuel cell stack 10; 101, 102 one

Brennstoffzellenaggregats 1 des Brennstoffzellensystems 1 . Es ist natürlich möglich, die Erfindung auch auf eine andere Anzahl von Einzel-Brennstoffzellen 101 , 102, ... Fuel cell assembly 1 of the fuel cell system 1. It is of course possible for the invention to be applied to a different number of individual fuel cells 101, 102, ...

beziehungsweise Einzel-Brennstoffzellenstapel 101 , 102, ... in einer Mehrfach-Brennstoffzelle 10 beziehungsweise eines Mehrfach-Brennstoffzellenstapels 10 mit zum Beispiel drei oder mehr Einzel-Brennstoffzellen 101 , 102, ... beziehungsweise Einzel-Brennstoffzellenstapel 101 , 102, ... zu übertragen. or single fuel cell stacks 101, 102,... in a multiple fuel cell 10 or a multiple fuel cell stack 10 with, for example, three or more individual fuel cells 101, 102, ... or single fuel cell stacks 101, 102, ... transferred to.

Die Figur 2 zeigt stark vereinfacht die erste Ausführungsform der Kathodenversorgung 30 für die Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102. Das mittels des Kathodenverdichters 33 verdichtbare Kathoden-Betriebsmedium 5 ist vor dem Befeuchter 1 10 in zwei Teilströme beziehungsweise Massenströme aufteilbar. Ein erster Massenstrom ist mittels des Befeuchters 1 10 befeuchtbar und versorgt in einem Betrieb der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 durch den Kathoden- Versorgungspfad 31 hindurch die erste Teilbrennstoffzelle 101 (siehe Pfeile in den Figuren 1 bis 5). Hierbei ist nur der erste Massenstrom befeuchtbar, was eine Verkleinerung des Befeuchters 1 10 ermöglicht. FIG. 2 greatly simplifies the first embodiment of the cathode supply 30 for the dual fuel cell 10; 101, 102. The compressible by means of the cathode compressor 33 cathode operating medium 5 can be divided into two partial streams or mass flows before the humidifier 1 10. A first mass flow is humidified by means of the humidifier 1 10 and supplied in an operation of the dual fuel cell 10; 101, 102 through the cathode supply path 31 through the first partial fuel cell 101 (see arrows in Figures 1 to 5). Here, only the first mass flow is humidified, which allows a reduction of the humidifier 1 10.

Das Kathoden-Abgas 6 der ersten Teilbrennstoffzelle 101 ist anschließend mit dem zweiten, unbefeuchteten (trockenen) Massenstrom des Kathodenverdichters 33 mischbar, welcher im Betrieb durch einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 hindurchströmt. Dieser gemischte und durch das Kathoden-Abgas 6 feuchte Massenstrom versorgt anschließend die zweite Teilbrennstoffzelle 102. Hierbei zweigt der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad 130 stromabwärts des Kathodenverdichters 33 vom Kathoden-Versorgungspfad 31 ab. Für eine Steuerung oder Regelung des Brennstoffzellensystems 1 ist darüber hinaus bevorzugt ein Stellmittel 132, zum Beispiel eine Klappe 132, im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 für den zweiten Massenstrom vorgesehen, mittels welchem Druckverluste in der ersten The cathode exhaust gas 6 of the first partial fuel cell 101 is then miscible with the second, un-moistened (dry) mass flow of the cathode compressor 33, which flows through an additional cathode supply path 130 during operation. This mixed and wet by the cathode exhaust gas 6 mass flow then supplies the second partial fuel cell 102. Here, the additional cathode supply path 130 branches off the cathode supply path 31 downstream of the cathode compressor 33. For a control or regulation of the fuel cell system 1, an adjusting means 132, for example a flap 132, is additionally provided in the additional cathode supply path 130 for the second mass flow, by means of which pressure losses in the first

Teilbrennstoffzelle 101 kompensierbar sind. Partial fuel cell 101 can be compensated.

Der Kathodenverdichter 33 ist dabei analog zur Figur 1 mittels des Elektromotors 34 oder mittels des Antriebs 34 antreibbar. Hierbei kann der Elektromotor 34 ebenfalls analog zur Figur 1 mittels der Kathodenturbine 36 unterstützend angetrieben werden. Das Zumischen des unbefeuchteten Massenstroms (zweiter Massenstrom) zum Kathoden-Abgas 6 der ersten Teilbrennstoffzelle 101 kann dabei stromabwärts der ersten Teilbrennstoffzelle 101 , an einer Verbindungsleitung 120 zwischen den Teilbrennstoffzellen 101 , 102 oder stromaufwärts der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 erfolgen. Ferner ist mittels einer Skalierung der beiden Teilbrennstoffzellen 101 , 102 zueinander eine Feuchte an einem Eintritt der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 und/oder eine Größe des Befeuchters 1 10 einstellbar. The cathode compressor 33 can be driven analogously to FIG. 1 by means of the electric motor 34 or by means of the drive 34. In this case, the electric motor 34 can also be driven in a supportive manner analogous to FIG. 1 by means of the cathode turbine 36. The admixing of the unhumidified mass flow (second mass flow) to the cathode waste gas 6 of the first partial fuel cell 101 can take place downstream of the first partial fuel cell 101, on a connecting line 120 between the partial fuel cells 101, 102 or upstream of the second partial fuel cell 102. Furthermore, by means of a scaling of the two Partial fuel cells 101, 102 to each other a humidity at an inlet of the second partial fuel cell 102 and / or a size of the humidifier 1 10 adjustable.

Die Figur 3 zeigt stark vereinfacht die zweite Ausführungsform der Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform baut auf der ersten Ausführungsform der Kathodenversorgung 30 auf, wobei ein zusätzlicher Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 angewendet ist, um eine Zufuhr des Kathoden-Betriebsmediums 5 an die zweite 3 greatly simplifies the second embodiment of the cathode supply 30. This embodiment is based on the first embodiment of the cathode supply 30 with an additional cathode compressor 133 applied to the additional cathode supply path 130 to indicate supply of the cathode operating medium 5 the second

Teilbrennstoffzelle 102 zu gewährleisten. Hierbei fällt eine Zweigleitung vom Kathoden- Versorgungspfad 31 weg. Im Betrieb saugt der zusätzliche Kathodenverdichter 133 das Kathoden-Betriebsmedium 5 durch den zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 bevorzugt an einem Luftfilterkasten (nicht dargestellt) an, welcher in einer Fluidkommunikation mit der Umgebung 2 steht. Dies betrifft bevorzugt auch den Kathodenverdichter 33 des Kathoden- Versorgungspfads 31 . Partial fuel cell 102 to ensure. In this case, a branch line falls away from the cathode supply path 31. In operation, the additional cathode compressor 133 preferably sucks the cathode operating medium 5 through the additional cathode supply path 130 to an air filter box (not shown) which is in fluid communication with the environment 2. This also preferably relates to the cathode compressor 33 of the cathode supply path 31.

Da das Druckniveau in der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 aufgrund von Druckverlusten in der ersten Teilbrennstoffzelle 101 geringer ist, als ein Druckniveau in der ersten Teilbrennstoffzelle 101 , kann eine Leistung des zusätzlichen Kathodenverdichters 133 gegenüber dem Since the pressure level in the second partial fuel cell 102 is lower than a pressure level in the first partial fuel cell 101 due to pressure losses in the first partial fuel cell 101, a power of the additional cathode compressor 133 may be higher than that of the first partial fuel cell 101

Kathodenverdichter 33 reduziert sein. Ein Stellmittel 132 im zusätzlichen Kathoden- Versorgungspfad 130 ist gegebenenfalls anwendbar. Die beiden Kathodenverdichter 33, 133 können zum Beispiel über eine gemeinsame Welle beispielsweise mit einer Back-to-Back- Anordnung angeordnet sein, welche Lagerkräfte reduziert. Hierbei kann der Elektromotor 34 wiederum analog zur Figur 1 mittels der Kathodenturbine 36 unterstützend angetrieben werden. Ferner kann ein Getriebe zwischen dem Elektromotor 34 und wenigstens einem der Cathode compressor 33 can be reduced. An adjusting means 132 in the additional cathode supply path 130 may be applicable. The two cathode compressors 33, 133 can be arranged, for example, via a common shaft, for example with a back-to-back arrangement, which reduces bearing forces. Here, the electric motor 34 can in turn be supported in a supportive manner analogous to FIG. 1 by means of the cathode turbine 36. Furthermore, a transmission between the electric motor 34 and at least one of

Kathodenverdichter 33, 133 und/oder zwischen den Kathodenverdichtern 33, 133 angewendet sein. Cathode compressor 33, 133 and / or between the cathode compressors 33, 133 applied.

Die Figur 4 zeigt stark vereinfacht die dritte Ausführungsform der Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform entspricht der zweiten Ausführungsform, wobei jedoch die beiden Kathodenverdichter 33, 133 nicht mehr über die gemeinsame Welle verbunden sind. 4 greatly simplifies the third embodiment of the cathode supply 30. This embodiment corresponds to the second embodiment, but the two cathode compressors 33, 133 are no longer connected via the common shaft.

Stattdessen ist der Kathodenverdichter 33 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 über die Kathodenturbine 36 am/im Kathoden-Abgaspfad 32, durch welche bevorzugt das gesamte Kathoden-Abgas 6 beider Teilbrennstoffzellen 101 , 102 strömt, antreibbar. Instead, the cathode compressor 33 is drivable on / in the cathode supply path 31 via the cathode turbine 36 on / in the cathode exhaust path 32, through which preferably the entire cathode exhaust gas 6 of both partial fuel cells 101, 102 flows.

Hierbei kann eine Kathodenverdichter-Kathodenturbinen-Kombination 33, 36, wie bei einem Abgasturbolader, ohne einen zusätzlichen Elektromotor ausgebildet sein; optional ist natürlich ein Elektromotor (34) anwendbar. Der zusätzliche Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 ist dabei analog zur Figur 3 mittels des Elektromotors 34 antreibbar, wobei gegebenenfalls der zusätzliche Kathodenverdichter 133 wiederum analog zur Figur 1 mittels einer Kathodenturbine (36) unterstützend angetrieben werden kann. Hierbei sollte die Mehrfach-Brennstoffzelle 10; 101 , 102 derart ausgelegt sein, dass immer eine ausreichende Versorgung der Teilbrennstoffzellen 101 , 102 sichergestellt ist. Beide Here, a cathode compressor-cathode turbine combination 33, 36, as in an exhaust gas turbocharger, be formed without an additional electric motor; Optionally, of course, an electric motor (34) is applicable. The additional cathode compressor 133 on / in the additional Cathode supply path 130 is drivable analogously to Figure 3 by means of the electric motor 34, wherein optionally the additional cathode compressor 133 can be driven in turn supportive analogous to Figure 1 by means of a cathode turbine (36). Here, the multiple fuel cell 10; 101, 102 be designed such that always a sufficient supply of the partial fuel cells 101, 102 is ensured. Both

Teilbrennstoffzellen 101 , 102 haben dabei bevorzugt nicht eine gleiche Größe. Partial fuel cells 101, 102 preferably do not have the same size.

Die Figur 5 zeigt stark vereinfacht die bevorzugte vierte Ausführungsform der FIG. 5 greatly simplifies the preferred fourth embodiment of the invention

Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform entspricht der dritten Ausführungsform, wobei jedoch in Bezug auf die Figur 4 der Elektromotor 34 und die Kathodenturbine 36 ihre Plätze tauschen, wobei ein oben jeweilig damit offenbartes Merkmal aus den Ausführungsformen eins bis drei natürlich ebenfalls anwendbar ist. Das heißt der Kathodenverdichter 33 am/im Cathode Supply 30. This embodiment corresponds to the third embodiment, but with reference to Fig. 4, the electric motor 34 and the cathode turbine 36 exchange places, and one of the above-disclosed features of the first to third embodiments is, of course, also applicable. That is, the cathode compressor 33 on / in

Kathoden-Versorgungspfad 31 ist vom Elektromotor 34 und der zusätzliche Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 ist von der Kathodenturbine 36 am/im Kathoden-Abgaspfad 32 antreibbar. Cathode supply path 31 is from electric motor 34 and the additional cathode compressor 133 on / in the additional cathode supply path 130 is drivable by the cathode turbine 36 at / in the cathode exhaust path 32.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor Fuel cell system, fuel cell assembly, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor

Umgebung Surroundings

Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch Fluid, operating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture

Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft Fluid, exhaust gas optionally including liquid water, in particular anode exhaust gas fluid, operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air

Fluid, Abgas inklusive gegebenenfalls flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden- Abgas, bevorzugt Abluft (Doppel-/Mehrfach-)Brennstoffzelle, (Doppel-/Mehrfach-)Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 1 mit wenigstens zwei Teilbrennstoffzellen, Fluid, exhaust gas including, if appropriate, liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air (double / multiple) fuel cell, (double / multiple) fuel cell stack of the fuel cell system 1 with at least two partial fuel cells,

Teilbrennstoffzellenstapeln Part fuel cell stacks

Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle Single cell with an anode electrode of the anode of the fuel cell 10 and a cathode electrode of the cathode of the fuel cell 10, single fuel cell

Anodenraum einer Einzelzelle 1 1 Anode space of a single cell 1 1

Kathodenraum der Einzelzelle 1 1 Cathode space of the single cell 1 1

Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode Membrane electrode unit, preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode

Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte Bipolar plate, flow field plate, separator plate

Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10 Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 Stacked housing of the fuel cell 10 fuel cell supply, anode supply, anode circuit of the fuel cell 10 and the fuel cell stack 10th

Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, anode supply path

Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, anode exhaust path

Brennstoffspeicher, Brenn Stoff tank mit Anoden-Betriebsmedium 3 Fuel storage, fuel tank with anode operating medium 3

Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera Adjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera

Brennstoff-Rezirkulationsleitung Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Fuel recirculation line Adjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the

Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 Fuel cell 10 and the fuel cell stack 10th

Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, cathode supply path

Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, cathode exhaust path

Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, gegebenenfalls eines Abgasturboladers Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe) Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34 Compressor, cathode compressor, compressor, possibly an exhaust gas turbocharger Engine, in particular electric motor or drive (possibly including transmission) Electronics, in particular power electronics for the motor 34th

Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, gegebenenfalls eines Abgasturboladers Turbine with optionally variable turbine geometry, cathode turbine, expander, possibly an exhaust gas turbocharger

Wastegate, Wastegate- Leitung Wastegate, wastegate pipe

Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle, Teilbrennstoffzellenstapel Adjustment means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, orifice et cetera upstream partial fuel cell, partial fuel cell stack

stromabwärtige Teilbrennstoffzelle, Teilbrennstoffzellenstapel downstream partial fuel cell, partial fuel cell stack

Befeuchter, Feuchteübertrager Humidifier, moisture transmitter

Verbindungsleitung zwischen den Teilbrennstoffzellen 101 , 102 Connecting line between the partial fuel cells 101, 102nd

zusätzlicher Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera additional path, supply path, flow path, cathode supply path actuating means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera

zusätzlicher Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, gegebenenfalls eines Abgasturboladers additional compressor, cathode compressor, compressor, possibly an exhaust gas turbocharger

Claims

Patentansprüche claims 1 . Kathodenversorgung (30) für eine Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101 , 102) eines 1 . Cathode supply (30) for a multiple fuel cell (10; 101, 102) of a Brennstoffzellensystems (1 ) mit wenigstens zwei in einer Fluidflussrichtung eines  Fuel cell system (1) with at least two in a fluid flow direction of a Kathoden-Betriebsmediums (5) in Reihe geschalteten Teilbrennstoffzellen (101 , 102), wobei eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101 ) mit einem befeuchteten Kathoden- Betriebsmedium (5) versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar ist, wobei dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) ein Kathoden- Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) zumischbar ist.  Cathode operating medium (5) in series connected partial fuel cells (101, 102), wherein an upstream partial fuel cell (101) with a humidified cathode operating medium (5) can be supplied, characterized in that a downstream partial fuel cell (102) with a non-humidified cathode Operating medium (5) can be supplied, wherein the non-humidified cathode operating medium (5), a cathode exhaust gas (6) of at least one or the upstream part of the fuel cell (101) is immiscible. 2. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 2. cathode supply (30) according to claim 1, characterized in that the Kathodenversorgung (30) einen Befeuchter (1 10) aufweist, wobei durch den Befeuchter (1 10) einerseits ein zu befeuchtendes Kathoden-Betriebsmedium (5) für die  Cathode supply (30) has a humidifier (1 10), wherein by the humidifier (1 10) on the one hand to be humidified cathode operating medium (5) for stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101 ) hindurchströmbar vorgesehen ist und durch den Befeuchter (1 10) andererseits ein zu entfeuchtendes Kathoden-Abgas (5) wenigstens einer oder der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle (102) hindurchströmbar vorgesehen ist.  upstream part of the fuel cell (101) is provided hindurchströmbar and by the humidifier (1 10) on the other hand, a dehumidifying cathode exhaust gas (5) at least one or the downstream partial fuel cell (102) is provided hindurchströmbar. 3. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium (5) stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) an einer Verbindungsleitung (120) zwischen den 3. cathode supply (30) according to claim 1 or 2, characterized in that the non-humidified cathode operating medium (5) downstream of the upstream part of the fuel cell (101) on a connecting line (120) between the Teilbrennstoffzellen (101 , 102) oder stromaufwärts an der stromabwärtigen  Partial fuel cells (101, 102) or upstream at the downstream Teilbrennstoffzelle (102) dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen  Partial fuel cell (102) the cathode exhaust (6) from the upstream Teilbrennstoffzelle (101 ) zumischbar ist.  Partial fuel cell (101) is immiscible. 4. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) für das Zumischen des unbefeuchteten Kathoden- Betriebsmediums (5) einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad (130) aufweist, mittels welchem das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium (5) dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) fluidmechanisch beigebbar ist, wobei an/in dem zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad (130) bevorzugt ein Stellmittel (132) vorgesehen ist. 4. cathode supply (30) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cathode supply (30) for admixing the unhumidated cathode operating medium (5) has an additional cathode supply path (130) by means of which the non-humidified cathode Operating medium (5) the cathode exhaust gas (6) from the upstream part of the fuel cell (101) can be fed fluidmechanisch, wherein on / in the additional cathode supply path (130) preferably an adjusting means (132) is provided. 5. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen (101 , 102) zueinander eine Feuchte des mit dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) gemischten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums (5) an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) und/oder eine Größe des Befeuchters (1 10) einstellbar sind. 5. cathode supply (30) according to one of claims 1 to 4, characterized in that by means of a scaling of the partial fuel cells (101, 102) to each other a moisture content of the cathode exhaust gas (6) from the upstream part of the fuel cell (101) mixed non-humidified cathodes Operating medium (5) at the downstream part of the fuel cell (101) and / or a size of the humidifier (1 10) are adjustable. 6. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) einen Kathodenverdichter (33) aufweist, mittels welchem sowohl die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101 ) mit dem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) als auch die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (101 ) mit dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar sind. 6. cathode supply (30) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cathode supply (30) comprises a cathode compressor (33), by means of which both the upstream Teilbrompstoffzelle (101) with the humidified cathode operating medium (5) as well the downstream partial fuel cell (101) can be supplied with the unhumidified cathode operating medium (5). 7. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) für einen Transport des befeuchtbaren Kathoden- Betriebsmediums (5) an/in einem Kathoden-Versorgungspfad (31 ) einen 7. cathode supply (30) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cathode supply (30) for a transport of the humidifying cathode operating medium (5) on / in a cathode supply path (31) a Kathodenverdichter (33) aufweist und die Kathodenversorgung (30) für einen Transport des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums (5) am/im zusätzlichen Kathoden- Versorgungspfad (130) einen zusätzlichen Kathodenverdichter (133) aufweist.  Cathode compressor (33) and the cathode supply (30) for transporting the unhumidified cathode operating medium (5) on / in the additional cathode supply path (130) has an additional cathode compressor (133). 8. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: 8. cathode supply (30) according to claim 7, characterized in that: sowohl der Kathodenverdichter (33) als auch der zusätzliche Kathodenverdichter (133) zusammen mittels eines Elektromotors (34) antreibbar sind;  both the cathode compressor (33) and the additional cathode compressor (133) are drivable together by means of an electric motor (34); der Kathodenverdichter (33) mittels einer Kathodenturbine (36) und der zusätzliche the cathode compressor (33) by means of a cathode turbine (36) and the additional Kathodenverdichter (133) mittels eines Elektromotors (34) antreibbar ist; oder der Kathodenverdichter (33) mittels eines Elektromotors (34) und der zusätzlicheCathode compressor (133) by means of an electric motor (34) is drivable; or the cathode compressor (33) by means of an electric motor (34) and the additional Kathodenverdichter (133) mittels einer Kathodenturbine (36) antreibbar ist. Cathode compressor (133) by means of a cathode turbine (36) is driven. 9. Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen (101 , 102) einer 9. A method for supplying the cathodes of partial fuel cells (101, 102) of a Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101 , 102) eines Brennstoffzellensystems (1 ), insbesondere eines Fahrzeugs, mit einem Kathoden-Betriebsmedium (5), wobei in einer  Multiple fuel cell (10; 101, 102) of a fuel cell system (1), in particular a vehicle, with a cathode operating medium (5), wherein in one Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5) durch die Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101 , 102) hindurch, eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101 ) mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5), eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) und einem Kathoden-Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101 ) versorgt wird. Fluid flow direction of the cathode operating medium (5) through the multi-fuel cell (10; 101, 102), an upstream part of fuel cell (101) with a humidified cathode operating medium (5) is supplied, characterized in that with respect to the fluid flow direction of the Cathode operating medium (5), a downstream partial fuel cell (102) with a non-humidified cathode operating medium (5) and a cathode exhaust gas (6) of at least one or the upstream partial fuel cell (101) is supplied. 10. Brennstoffzellensystem (1 ) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem 10. Fuel cell system (1) or vehicle, in particular electric vehicle, with a Brennstoffzellensystem (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist und/oder das Brennstoffzellensystem (1 ) eingerichtet ist, ein Verfahren zum Versorgen von  Fuel cell system (1), characterized in that the fuel cell system (1) has a cathode supply (30) according to one of claims 1 to 8 and / or the fuel cell system (1) is set up, a method for supplying Teilbrennstoffzellen (101 , 102) mit einem Kathoden-Betriebsmedium (5) gemäß Anspruch 9 durchzuführen.  Partial fuel cells (101, 102) with a cathode operating medium (5) according to claim 9 perform.
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