DE102007021909A1 - Fuel cell system, has stack of fuel cells with operating fluid channels, operating fluid supply line and plate-shaped multiple-operating fluid dosing unit which is arranged on side of stack - Google Patents

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Abstract

The system has a stack (1) of fuel cells with operating fluid channels, an operating fluid supply line (4) and a plate-shaped multiple-operating fluid dosing unit (5) for individual operating fluid supply of the operating fluid channels. The multiple-operating fluid dosing unit (5) is arranged on a side of the stack, and is formed in a laminar manner between the operating fluid supply line and an inlet opening of the operating fluid channels. The dosing unit is formed as a ceramic layer structure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a fuel cell system having a Multiple equipment dosing unit according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind in der Regel so aufgebaut, dass einzelne Zelleinheiten zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Die einzelnen Zelleinheiten sind dabei elektrisch in Reihe und medientechnisch, also hinsichtlich der Betriebsmittelversorgung parallel geschaltet. Aufgrund dieser Parallelschaltung können sich zum Teil unterschiedliche einzelne Medienströme zu bzw. in den einzelnen Zelleinheiten einstellen, was zu einem ungleichen Betriebsmittel- und/oder Feuchtigkeitshaushalt und damit zu ungleichen Zellspannungen führt.fuel cells are usually constructed so that individual cell units become one Fuel cell stack are summarized. The individual cell units are electrically in series and media technology, ie in terms of the equipment supply connected in parallel. Based on these Parallel switching can sometimes be different individual ones Set media streams to or in the individual cell units resulting in an uneven resource and / or moisture balance and thus leads to unequal cell voltages.

Eine Möglichkeit solchen nachteiligen Systemverhalten entgegen zu wirken besteht darin, dass ein Betriebspunkt für die Brennstoffzelle gewählt wird, bei dem durch einen relativ gemäßigten Betrieb vergleichsweise stabile Arbeitspunkte angesteuert werden. Beispielsweise werden bei Brennstoffzellen im Reformatbetrieb Betriebsmittelnutzungsgrade von etwa 65 bis 70% eingestellt, da im Betrieb von z. B. 80 bis 90% einzelne Zellspannungen verstärkt zum Einbrechen neigen.A Possibility of such adverse system behavior contrary to act is that an operating point for the Fuel cell is selected, in which by a relative moderate operation comparatively stable operating points be controlled. For example, in fuel cells in Reformatbetrieb operating efficiencies of about 65 to 70% set, since in the operation of z. B. 80 to 90% individual cell voltages increasingly prone to collapse.

Auf dennoch auftretende Leistungsprobleme bei einzelnen Zellen kann bisher nur im Gesamtverbund mit allen Zellen des Brennstoffzellenstapels reagiert werden. Dies führt dann im Falle eines Eingriffs zu einem ungünstigen Betriebspunkt für das Gros der Zelleinheiten, um die betroffenen schwachen Zellen aktiv zu stützen.On nevertheless occurring performance problems with individual cells can so far only in the overall network with all cells of the fuel cell stack be reacted. This then leads to an intervention an unfavorable operating point for most of the cell units, to actively support the affected weak cells.

Zur Behebung der oben dargelegten Nachteile solcher Brennstoffzellensysteme ist es auch bekannt, sogenannte Gassteuereinrichtungen zu verwenden, mittels denen ein Betriebsmittelstrom verstärkt auf einzelne Zellen gelenkt wird, um deren Betriebseigenschaften positiv zu verändern ( EP 1 575 113 A2 ).In order to remedy the disadvantages of such fuel cell systems set out above, it is also known to use so-called gas control devices, by means of which an operating current is increasingly directed to individual cells in order to positively change their operating properties ( EP 1 575 113 A2 ).

Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Betriebsstabilität von Brennstoffzellensystemen ist z. B. aus der US 2005/0238945 A1 bekannt, bei der eine direkte, individuelle Ansteuerung jeder einzelnen Zelle im Steckverbund mittels einzeln und separat verlegten Versorgungsleitungen und dazugehörigen Ventilen beschrieben ist.Another way to increase the operational stability of fuel cell systems is z. B. from the US 2005/0238945 A1 known in which a direct, individual control of each cell in the composite is described by means of individually and separately laid supply lines and associated valves.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem entsprechend der einleitend dargelegten Art zu verbessern.Of the The present invention is based on the object, a fuel cell system to improve according to the introductory nature.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.The Solution of this task is based on the preamble of claim 1 by its characterizing features. In the subclaims are advantageous and expedient developments of Invention specified.

Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Stapel aus Brennstoffzellen mit Betriebsmittelkanälen, eine Betriebsmitteversorgungsleitung und eine aus zwei oder mehreren Betriebsmitteldosiereinheiten bestehende Mehrfach- Betriebsmitteleinheit zur individuellen Betriebsmittelversorgung der Betriebsmittelkanäle der einzelnen Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit an einer Seite des Stapels angeordnet ist. Darunter wird erfindungsgemäß z. B. eine stirnseitige Anordnung am Brennstoffzellenstapel zur Überdeckung der Einlassöffnungen der Betriebsmittelkanäle verstanden, deren Betriebsmittelstrom durch die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit kontrolliert werden soll. Die zwei oder mehreren von der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit kontrollierten Kanäle können dabei in einer möglichen Ausführungsform nur zu einer Art von Einlässen für ein einziges Betriebsmittel, wie z. B. Brennstoff oder Sauerstoff oder aber auch Kühlmittel gehören, so dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit beispielsweise eine Reihe oder Spalte solcher einzelnen Betriebsmitteleinlasskanäle überdeckt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es aber vorgesehen, dass zumindest zwei für jeweils unterschiedliche Betriebsmittel vorgesehene Einlasskanäle einer oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels durch die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit kontrolliert werden. Bevorzugt wären diese Einlässe dann die für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels primären Versorgungskanäle der Anode bzw. der Kathode also Brennstoff- und Oxidationsmittelkanaleinlass.Accordingly The present invention relates to a fuel cell system comprising a stack of fuel cells with resource channels, an operation center supply line and one of two or more Equipment metering units existing multiple resource unit for individual resource supply of the resource channels the individual fuel cells. The fuel cell system draws According to the invention characterized in that the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit is arranged on one side of the stack. Including according to the invention z. B. an end-to-end arrangement on the fuel cell stack to cover the inlet openings of the resource channels understood their resource flow through the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit to be controlled. The two or more of the multi-resource metering unit Controlled channels can thereby in a possible Embodiment only for a kind of inlets for a single resource, such as B. fuel or Oxygen or even coolant belong, such that the multiple-agent dosing unit, for example, a Row or column of such individual resource inlet channels covered. However, in a particularly preferred embodiment it is provided that at least two for each different Resource provided inlet channels of one or more Fuel cells of the fuel cell stack through the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit to be controlled. These inlets would be preferred then the primary for the operation of the fuel cell stack Supply channels of the anode or the cathode so fuel and oxidant channel inlet.

Die Formulierung „an einer Seite des Stapels angeordnet" im Sinne des Erfindungsgegenstands umfasst neben einer stirnseitigen Anordnung im Weiteren aber auch jede Anordnung an einer anderen Seite eines Brennstoffzellenstapels. Denkbar sind z. B. auch über zwei oder mehrere Seiten des Brennstoffzellenstapels sich erstreckende Anordnungen einer Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit zur Versorgung der jeweiligen Betriebsmittelkanäle einzelner, bevorzugt jedoch mehrerer, insbesondere aller Brennstoffzellen, durch eine einzige oder auch mehrere solcher Mehrfach- Betriebsmitteldosiereinheiten.The Formulation "arranged on one side of the stack" in Meaning of the subject invention includes in addition to a frontal Arrangement below but also every arrangement on another side a fuel cell stack. Conceivable z. B. also over two or more sides of the fuel cell stack extending Arrangements of a multiple-resource metering unit for supply the respective resource channels individual, preferred However, more, especially of all fuel cells, by a single or multiple such multi-unit dosing units.

Für eine Anordnung über mehrere Seiten des Brennstoffzellenstapels könnte eine erfindungsgemäße Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit beispielsweise winkelförmig ausgebildet sein. Die Anzahl der jeweiligen Winkel entspricht dann den jeweils zu überdeckenden Kanten des Brennstoffzellenstapels, um die an den zu überdeckenden Seiten des Brennstoffzellenstapels ausgebildeten Einlassöffnungen für den Zutritt des jeweiligen Betriebsmittels in die einzelnen Brennstoffzellen jeweils getrennt fluidleitend anschließen zu können. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit als kompakt handzuhabendes, einzelnes Element ausgebildet ist.For a multi-sided arrangement of the fuel cell stack, a multi-stage metering unit according to the present invention could be incorporated be formed angularly for example. The number of the respective angles then corresponds to the respective edges of the fuel cell stack to be covered, in order to be able to connect the inlet openings for the access of the respective equipment into the individual fuel cells separately in a fluid-conducting manner on the sides of the fuel cell stack to be covered. This results in the particular advantage that the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit is designed as a compact hand-to-handle, single element.

D. h. alle bisher einzeln zu einer vielteiligen Einheit zusammengefasste Teilelemente, wie z. B. separate Betriebsmittelversorgungsleitungen oder -kanäle, mit zum Teil erforderlichen Querversorgungs- oder Abzweigungsleitungen zu einzelnen Ventileinheiten oder Druckerhöhungs- und/oder den Volumendurchsatz erhöhende Mittel und dgl. mehr, sowie die Ventileinheiten selbst, sind hier in einer als Bauelement einteiligen Einheit zusammengefasst. Durch diese kompakte Bauweise ist in vorteilhafter Weise auch ein platzsparender Aufbau möglich.D. H. all previously individually combined into a multi-part unit Sub-elements, such. B. separate resource supply lines or channels, with partly required cross-supply or branch lines to individual valve units or pressure increase and / or the volume flow rate increasing means and the like. More, as well as the valve units themselves, are here in one as a component one-piece unit summarized. Due to this compact design is also advantageously a space-saving design possible.

Die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bietet neben diesem mechanisch vergleichsweise günstigeren Aufbau auch noch eine günstigere konstruktive Lösung für eine individuelle, medienseitige Versorgung einzelner Brennstoffzelleneinheiten durch die Integration der einzelnen Funktionselemente und der der dadurch möglichen Optimierung hinsichtlich der Positionierung, der geometrischen Abmessungen, funktionsgünstiger Formgebung oder dgl. mehr.The Multiple-agent dosing unit offers besides this mechanical comparatively cheaper construction also a more favorable constructive solution for an individual, medial supply individual fuel cell units by the integration of the individual Functional elements and the resulting possible optimization regarding positioning, geometric dimensions, more functional Shaping or the like more.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebsmittelversorgungsleitung an der dem Stapel gegenüberliegenden Seite der Mehrfach- Betriebsmitteldosiereinheit angeordnet. Dadurch kann die erfindungsgemäße Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit einfach, insbesondere zwischen der Anschlussseite des Brennstoffzellenstapels und einer ihm zugeordneten Betriebsmittelversorgungsleitung ohne großen Aufwand zur dadurch möglichen, individuellen Regelung des jeweiligen Betriebsmittelstroms für die einzelnen Brennstoffzellen zwischengefügt werden. Durch den oben bereits beschriebenen, kompakten Aufbau der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit kann diese in sehr platzsparender Weise in ein jeweiliges Brennstoffzellensystem integriert werden.In In a particularly preferred embodiment, the resource supply line is on the opposite side of the stack of the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit arranged. As a result, the inventive Multiple equipment metering unit simple, especially between the connection side of the fuel cell stack and an associated with him Power supply line without much effort to thereby possible, individual regulation of the respective Operating medium flow for the individual fuel cells interposed become. By already described above, the compact structure of Multiple resource metering unit can do this in a very space efficient way Way be integrated into a respective fuel cell system.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit plattenförmig oder quaderförmig, also planar aufgebaut bzw. ausgebildet. Der plattenförmige Aufbau kann z. B. in weiter vorteilhafter Weise in seinen die Grundfläche betreffenden Abmessungen an eine Betriesmittelkanaleinlassöffnungen aufweisende Stirnseite eines Brennstoffzellenstapels angepasst werden, so dass diese beiden Elemente z. B. durch eine Steck-, Klemm-, Schraubverbindung oder dergleichen mehr einfach und zuverlässig miteinander verbunden werden können. Durch die Verwendung von Führungsmitteln, z. B. in Form von komplementären Stift-Bohrungsanordnungen oder anderer entsprechender Mittel, ist auch eine leichte und fehlerfreie Positionierung bei der Montage möglich.In In a further preferred embodiment, the multiple-agent metering unit is plate-shaped or cuboid, so constructed or formed planar. The plate-shaped structure may, for. B. in more advantageous Manner in its footprint dimensions at a Betriesmittelkanaleinlassöffnungen having Front side of a fuel cell stack can be adjusted so that these two elements z. B. by a plug, clamp, screw or the like more easily and reliably with each other can be connected. Through the use of guiding means, z. B. in the form of complementary pin-hole arrangements or other appropriate means, is also an easy and error-free positioning possible during installation.

Das gilt insbesondere für die besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit als eine einzelne, alle Betriebsmittelkanäle eines Brennstoffzellenstapels versorgende Platte ausgebildet ist, so dass sich die Montagearbeit auf ein Minimum reduziert.The especially applies to the particularly preferred embodiment, where the multiple-agent dosing unit is a single, all resource channels of a fuel cell stack supplying plate is formed, so that the assembly work reduced to a minimum.

Für die Versorgung einer bestimmten Anzahl an einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels kann dem gegenüber aber auch eine aus zwei oder mehreren solchen Mehrfach-Brennstoffzellenstapel-Versorgungseinheiten zusammengestellte Bausatzeinheit dahingehend vorteilhaft sein, dass eine Erweiterung des Brennstoffzellenstapels um eben diese Teilzahl an Brennstoffzellen zumindest hinsichtlich der medienseitigen Versorgung einfach und problemlos möglich ist. Auch eine getrennte Anordnung an verschiedenen Seiten des Brennstoffzellenstapels ist so einfach möglich.For the supply of a certain number of individual fuel cells a fuel cell stack can the opposite but also a kit consisting of two or more such multiple fuel cell stack supply units be advantageous in that an extension of the fuel cell stack just this number of fuel cells at least in terms the media-side supply easily and easily possible is. Also a separate arrangement on different sides of the fuel cell stack is so easy.

Ein weiterer Vorteil des platten- oder quaderförmigen Aufbaus der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit liegt in deren integrations- und verbindungsfreundlich gestaltbaren Geometrien. So ist es z. B. möglich, Brennstoffzellensysteme, bei denen ein Brennstoffzellenstapel über konventionelle Mehrfachkanäle mit Betriebsmitteln versorgt wird, ohne großen konstruktiven Zusatzaufwand durch einfaches Zwischenfügen einer oder mehrerer als Einzelelement aufgebauter, vorzugsweise plattenförmiger Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit im Hinblick auf ein stabileres Betriebsverhalten der einzelnen Brennstoffzellen aus- bzw. auch nachzurüsten.One Another advantage of the plate or cuboid structure The multiple-fluid metering unit lies in its integration and connection-friendly customizable geometries. So it is z. B. possible, fuel cell systems in which a fuel cell stack over conventional multi-channels supplied with resources is, without much additional design effort by simple Interposing one or more elements constructed as a single element, preferably plate-shaped multiple-Betriebsmitteldosiereinheit with regard to a more stable operating behavior of the individual fuel cells to equip or retrofit.

Grundsätzlich kann durch eine solche Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit jedes für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Medium individuell und gezielt für jede einzelne Brennstoffzelle beeinflusst werden. Sie bietet also eine kompakte Mediensteuermöglichkeit für die Anode, für die Kathode und die für die Kühlkanäle der jeweils in ihrer Versorgung zu beeinflussenden Brennstoffzelleneinheit. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Aufbaus einer Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit liegt in der damit möglichen Realisierung einer direkten, hochdynamischen Medienansteuerung mit im Grunde vernachlässigbarer Totzeit und ebenfalls im Grunde vernachlässigbarem Residualvolumen aufgrund aufbaubedingter kleiner Elementgeometrien. Insgesamt kann somit eine deutlich stabilere Betriebsweise von Brennstoffzellen erreicht werden, insbesondere bei reformatversorgten Brennstoffzellensystemen.In principle, any medium required for the operation of the fuel cell can be influenced individually and specifically for each individual fuel cell by means of such a multiple equipment dosing unit. So it offers a compact media control option for the anode, for the cathode and for the cooling channels of each to be influenced in their supply fuel cell unit. Another advantage of such a construction of a multiple-Betriebsmitteldosiereinheit lies in the thus possible realization of a direct, highly dynamic media control with basically negligible dead time and also basically negligible residual volume due to construction-related small element geometries. Overall, thus a much more stable operation of fuel cells can be achieved, especially at reformatted fuel cell systems.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der planaren Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit ist in der Form einer keramischen Schichtstruktur ausgebildet. Insbesondere durch die Verwendung von LTCC-Keramikstrukturen (Low Temperature Co-Fired Ceramics) kann ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer hohen Korrosionsresistenz erzielt werden. Durch den Einsatz solcher Trägermaterialien ist auch ein besonders kostengünstiger, serientauglicher Aufbau möglich. In weiter vorteilhafter Weise können hierbei Ventile und/oder Aktuatoren, z. B. für die Ansteuerung von Ventilen einzelner Betriebsmitteldosiereinheiten im Inneren der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit integriert bzw. ausgebildet werden, in besonders vorteilhafter Weise in der Form von mikromechanischen Strukturen, durch welche extrem kleine Baumaße realisierbar sind.A particularly preferred embodiment of the planar multi-dosing unit is formed in the form of a ceramic layer structure. Especially through the use of LTCC ceramic structures (Low Temperature Co-Fired Ceramics) can be another advantage in terms of high corrosion resistance be achieved. Through the use of such carrier materials is also a particularly cost-effective, production-ready Construction possible. In a further advantageous manner can hereby Valves and / or actuators, eg. B. for the control of valves of individual equipment metering units inside the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit integrated or formed be, in a particularly advantageous manner in the form of micromechanical Structures through which extremely small dimensions can be realized are.

Als weiter vorteilhaft wird vorgeschlagen, dass eine Kontrolleinheit und/oder Signalleitungen und/oder Datenleitungen und/oder Steuerleitungen in einer Betriebsmitteldosiereinheit integriert ist bzw. sind. Hierdurch kann neben einer Signalerfassung an einer Brennstoffzelle, und/oder z. B. Spannungsabgriff der Energieversorgung gleichzeitig auch die Ansteuerung und die Kontrolle der einzelnen Ventile und/oder Aktuatoren im Inneren der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit realisiert werden.When Further advantageous is proposed that a control unit and / or signal lines and / or data lines and / or control lines is integrated in a Betriebsmitteldosiereinheit or are. hereby can in addition to a signal detection on a fuel cell, and / or z. B. voltage tap the power supply at the same time Activation and control of the individual valves and / or actuators be realized inside the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit.

Durch das Vorsehen von Mittel zum Spannungsabgriff an einer Brennstoffzelle kann die Kontrolleinheit die jeweilige Zellspannung erfassen und direkt die Aktuatoren und/oder Ventile in erforderlicher Weise zur Sicherstellung eines stabilen Betriebs des gesamten Brennstoffzellensystems beeinflussen. Neben der Erfassung der Zellspannung ist z. B. auch die Erfassung der Zelltemperatur denkbar, so dass auch diese in die Regelung der Betriebsmittelversorgung der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit einbezogen werden kann. Zum Anschluss an externe Einheiten, insbesondere zur Energieversorgung und zum Signal- bzw. Datenaustausch, z. B. mit einer weiteren Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems, können in weiter vorteilhafter Weise entsprechend geeignete Anschlussmittel vorgesehen sein.By the provision of means for voltage tapping on a fuel cell the control unit can detect the respective cell voltage and directly the actuators and / or valves required to ensure of stable operation of the entire fuel cell system. In addition to the detection of the cell voltage is z. B. also the detection the cell temperature conceivable, so that these in the regulation of Resource supply of the respective fuel cell unit included can be. For connection to external units, in particular for Energy supply and for signal or data exchange, z. B. with another control unit of the fuel cell system can in a further advantageous manner suitable connection means be provided.

Die Aktuatoren können wiederum beispielsweise in der Form von elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen Elementen aufgebaut sein, die durch entsprechende Versorgungsleitungen angesprochen werden können.The Actuators can in turn, for example, in the form of electromagnetic and / or piezoelectric and / or pneumatic and / or hydraulic elements to be constructed by appropriate Supply lines can be addressed.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit oder auch Mehrfach-Ventileinheit genannt, ist dahingehend, dass jede einzelne Betriebsmittelkontrolleinheit mit seinem Ventil dem jeweiligen Medieneinlasskanal oder Betriebsmittelkanal (Brennstoff, Oxidationsmittel, Kühlmittel) einer Zelleinheit zugeordnet ist und den zugehörigen Medienstrom entsprechend den individuellen Anforderungen beeinflusst. Hierbei wird durch jedes der Ventile eine Öffnung in der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bedient, durch die der jeweilige Medienstrom von der Vorderseite an deren Rückseite gelangen kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist diese Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bei allen Brennstoffzellenstapeln ohne größere konstruktive Änderung integrierbar. Beispielhaft seien hier folgende Brennstoffzellen genannt: PEM, HT-PEM, DMFC, MCFC, SOFC und PAFC. Hierbei können sowohl gasförmige als auch flüssige Medienströme gesteuert werden.Of the Structure of the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit invention Also called a multiple valve unit is that each single resource control unit with its valve the respective Media inlet channel or resource channel (fuel, oxidizer, Coolant) is assigned to a cell unit and the associated Media flow influenced according to individual requirements. In this case, through each of the valves an opening in the Serves multiple resource metering unit through which the respective Media flow from the front to get to the back can. This is the structure of the invention Multiple-fluid metering unit on all fuel cell stacks Can be integrated without major structural change. By way of example, the following fuel cells may be mentioned here: PEM, HT-PEM, DMFC, MCFC, SOFC and PAFC. This can be both gaseous as well as liquid media streams are controlled.

Als geometrische Abmessung sei hier beispielhaft angeführt, dass durch die erfindungsgemäße Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit durchaus Wege zwischen Einzelventilausgang und Zelleingang, also dem Einlass in einen Betriebsmittelkanal, mit einer Distanz von kleiner 10 mm realisiert werden können. Neben dem diesbezüglich bereits erwähnten Vorteil von sehr geringem Totvolumen und hochdynamischer Ansteuerung der einzelnen Zellen kann in einer weiter bevorzugten Ausführungsform in weiter vorteilhafter Weise auch noch eine parallel zu dem jeweiligen Ventil angeordnete Bypassöffnung zur Realisierung eines den jeweiligen Fluidkanal versorgenden Grundmedienstroms vorgesehen sein. Hierdurch kann zusätzlich vorteilhaft die Modulation des Gesamtmedienstroms für den betreffenden Betriebsmittelkanal durch das jeweilige Ventil in den Bereich von z. B. 50%–100% oder auch darunter gelegt werden. Grundstrom (Bypass) 50% und Ventil 0%–50% = 50%–100% bei kleinerem Ventil auch z. B. 80%–100%. Dadurch kann eine kleinere Bauweise im Vergleich zu einer 100%-Medienstromregelung bei gleichen Komponenten ermöglicht werden.When geometric dimension is given here by way of example, that by the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit invention quite ways between single valve outlet and cell input, so the inlet into a resource channel, with a distance of smaller than 10 mm can be realized. In addition to this already mentioned advantage of very low dead volume and highly dynamic control of the individual cells can in one further preferred embodiment in more advantageous Way even one arranged parallel to the respective valve Bypass opening for the realization of the respective fluid channel be provided supplying basic media stream. This can additionally Advantageously, the modulation of the total media flow for the concerned resource channel through the respective valve in the Range of z. B. 50% -100% or even below. basic current (Bypass) 50% and valve 0% -50% = 50% -100% at smaller valve also z. 80% -100%. This can be a Smaller construction compared to 100% media flow control same components are enabled.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.The Invention will be with reference to the drawings and the following Description closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1: Eine schematische, perspektivische Ansicht auf ein Brennstoffzellensystem, bestehend aus einer Brennstoffzelle und einer explosionsartig davon beabstandet dargestellten Betriebsmittelversorgungsleitung. 1 : A schematic, perspective view of a fuel cell system, consisting of a fuel cell and an explosively spaced shown resource supply line.

2: Die gleiche Darstellung wie 1, jedoch ergänzt mit einer zwischengefügten Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit. 2 : The same presentation as 1 , but supplemented with an interposed multiple equipment dosing unit.

3: Einen Ausschnitt A aus der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit in 2 in vergrößerter Darstellung und 3 : A section A from the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit in 2 in magnification erter representation and

4: eine Schnittdarstellung durch eine von mehreren Betriebsmitteldosiereinheiten der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit entlang der Schnittlinie B-B in der 3. 4 FIG. 4 is a sectional view through one of a plurality of operating fluid metering units of the multiple-fluid metering unit along the section line BB in FIG 3 ,

Im Detail nun die 1 eine schematisch perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstacks in explosionsartiger Darstellung. Der Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus aufeinander aufgestapelten einzelnen Brennstoffzellen 1a und zwei Endplatten 1b und 1c. An den einzelnen Brennstoffzellen 1a sind beispielhaft und aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur zwei Betriebsmittelkanäle bzw. Medien-Einlasskanäle 2, 3 dargestellt. Grundsätzlich weist der Brennstoffzellen-Stapel aber auch alle weiteren, üblichen Betriebsmittelkanäle bzw. Betriebsmittelversorgungsleitungen wie z. B. Kühlmittelleitungen auf.In detail now the 1 a schematic perspective view of a conventional fuel cell stack in an exploded view. The fuel cell stack 1 consists of stacked individual fuel cells 1a and two end plates 1b and 1c , At the individual fuel cells 1a are exemplary and for reasons of clarity only two resource channels or media inlet channels 2 . 3 shown. Basically, however, the fuel cell stack also has all other usual resource channels or resource supply lines such. B. coolant lines.

Zur Versorgung der einzelnen Betriebsmittelkanäle ist ein Versorgungskanal 4 vorgesehen, der in der dargestellten Ausführungsform wiederum beispielhaft einen Brennstoffkanal 4a und einen Oxidationsmittelkanal 4b aufweist. Zur Versorgung weiterer Betriebsmittelkanäle, insbesondere von Kühlmittelleitungen könnten in diesem Versorgungskanal 4 auch weitere Teilkanäle entsprechend der Kanäle 4a bzw. 4b vorgesehen sein. Es ist beispielsweise aber auch möglich, an der gegenüberliegenden Stirnseite oder an einer anderen geeigneten Stelle des Brennstoffzellenstapels 1 dafür einen weiteren Versorgungskanal, z. B. entsprechend des Versorgungskanals 4 vorzusehen.To supply the individual resource channels is a supply channel 4 provided in the illustrated embodiment, in turn, a fuel channel 4a and an oxidant channel 4b having. To supply other resource channels, in particular of coolant lines could in this supply channel 4 also more subchannels according to the channels 4a respectively. 4b be provided. However, it is also possible, for example, at the opposite end face or at another suitable location of the fuel cell stack 1 for a further supply channel, z. B. according to the supply channel 4 provided.

Üblicherweise verfügt jede Brennstoffzelle 1a über einen Anodeneingang 2 bzw. einen Kathodeneingang 3, sowie weiterhin meistens über einen Anodenausgang und einen Kathodenausgang, die hier jedoch beide nicht dargestellt sind. Der Medienführungskanal 4 ist üblicherweise gasdicht an den Brennstoffzellenstapel 1 angefügt oder gleich direkt in die Brennstoffzelle 1a integriert. Der vom Versorgungskanal 4 kommende Betriebsmittel- bzw. Medienstrom verteilt sich dabei selbstständig über die Betriebsmitteleinlasskanäle 2, 3 auf die einzelnen Brennstoffzellen 1a. Gleiches gilt für die nicht dargestellten, weiteren Betriebsmittelversorgungsleitungen wie z. B. die Kühlmittelleitungen.Usually, each fuel cell has 1a via an anode entrance 2 or a cathode input 3 , as well as continue mostly via an anode output and a cathode output, both of which are not shown here. The media guide channel 4 is usually gas-tight to the fuel cell stack 1 attached or directly into the fuel cell 1a integrated. The one from the supply channel 4 The coming resource or media flow is distributed autonomously via the resource inlet channels 2 . 3 on the individual fuel cells 1a , The same applies to the not shown, further resource supply lines such. B. the coolant lines.

Die 2 zeigt wiederum schematisch eine explosionsartige Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus einer individualisierten Ansteuerung eines Brennstoffzellenstapels 1. Erfindungsgemäß ist eine Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit an einer Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Sie ist, vorzugsweise flächig, zwischen den Einlassöffnungen der Betriebsmittelkanäle 2, 3 an der Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 und der gegenüberliegend angeordneten Betriebsmittelversorgungsleitung 4 flächig angeordnet.The 2 again shows schematically an exploded view of an inventive structure of an individualized control of a fuel cell stack 1 , According to the invention, a multiple-agent dosing unit is arranged on one side of the fuel cell stack. It is, preferably flat, between the inlet openings of the resource channels 2 . 3 at the front of the fuel cell stack 1 and the oppositely disposed resource supply line 4 arranged flat.

Durch passgenaues, gasdichtes Anfügen der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 an die mit den Einlässen der Betriebsmittelkanäle 2, 3 versehenen Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 wird jedem Betriebsmittelkanal ein ihm zugeordnetes, anodenseitiges Ventil 6 bzw. kathodenseitiges Ventil 7, je nach Betriebsart des betreffenden Ausführungsbeispiels in Flussrichtung des jeweiligen Medienstroms 19, 20 zu dessen Beeinflussung vor- bzw. nachgeschaltet.By precise, gas-tight attachment of the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit 5 to those with the inlets of the resource channels 2 . 3 provided front side of the fuel cell stack 1 Each resource channel is assigned to it an anode-side valve 6 or cathode-side valve 7 , depending on the operating mode of the relevant embodiment in the flow direction of the respective media stream 19 . 20 upstream or downstream of its influence.

Beim vorgeschalteten Ausführungsbeispiel 4, Position 19 kann die Versorgung des jeweiligen Brennstoff- bzw. Medienkanals 2, 3 durch eine entsprechende Ansteuerung des ihm zugehörigen Ventils 6, 7 bedarfsgerecht über die Betriebsmittelversorgungsleitung 4 mit einem zugeordneten Betriebsmittelstrom aus dem Brennstoffkanal 4a bzw. aus dem Oxidationsmittelkanal 4b versorgt werden. Beim nachgeschalteten Ausführungsbeispiel, bei dem entsprechend den Darstellungen in 4 die Medienströme 20 auswärts gerichtet sind, kann zusätzlich eine Stauwirkung mit der Möglichkeit einer Drucküberhöhung im betreffenden Betriebsmittelkanal 2, 3 realisiert werden.In the upstream embodiment 4 , Position 19 can supply the respective fuel or media channel 2 . 3 by a corresponding control of the associated valve 6 . 7 as required via the operating supply line 4 with an associated resource flow from the fuel channel 4a or from the oxidant channel 4b be supplied. In the downstream embodiment, in accordance with the representations in 4 the media streams 20 directed outward, in addition, a stowage effect with the possibility of pressure increase in the relevant resource channel 2 . 3 will be realized.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 aus einer keramischen Schichtstruktur aufgebaut sein, in welcher die einzelnen Betriebsmitteldosiereinheiten 12 integral angeordnet bzw. ausgebildet sind. Besonders bevorzugt wird hierzu der Aufbau der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 mittels planarer LTCC-Strukturen (Low Temperature Co-fired Ceramics), in denen neben den mechanischen auch die elektrischen und ggf. auch hydraulische und/oder pneumatische Funktionselemente der einzelnen Betriebsmitteldosiereinheiten 12 integral angeordnet sein können. Zur näheren Erläuterung zeigen hierzu die 3 und 4 entsprechende Detailansichten.In a particularly preferred embodiment, the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit 5 be constructed of a ceramic layer structure, in which the individual Betriebsmitteldosiereinheiten 12 are integrally arranged or formed. Particularly preferred for this purpose is the construction of the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit 5 by means of planar LTCC structures (Low Temperature Co-fired Ceramics), in which not only the mechanical but also the electrical and possibly also hydraulic and / or pneumatic functional elements of the individual equipment dosing units 12 can be integrally arranged. For further explanation, the 3 and 4 corresponding detail views.

Die 3 zeigt hierzu einen Ausschnitt A entsprechend der vier oberen Ventileinheiten 6, 7 in der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 in der Darstellung der 2. Jede dieser vier Ventileinheiten 6, 7 gehört zu einer entsprechenden Betriebsmitteldosiereinheit 12 zur Versorgung eines Betriebsmittelkanals 2, 3 einer Brennstoffzelle 1a. Eine solche Betriebsmitteldosiereinheit 12 umfasst im Wesentlichen eine durch die übergeordnete, plattenförmig ausgebildete ein Einzelteil darstellende Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 durchgehende Öffnung 9 zur Verbindung eines der beiden Kanäle 4a, 4b der Betriebsmittelversorgungsleitung 4 mit dem betreffenden Betriebsmittelkanal 2, 3 zu dessen Versorgung mit Brennstoff- bzw. Oxidationsmittel. Zur Einflussnahme auf den durch die Öffnung 9 durchströmenden Betriebsmittelstrom ist eine Ventilmechanik 10, hier beispielhaft in der Form eines Schiebers, in Kombination mit einer Ansteuermechanik 11 in der Form eines entsprechend geeigneten Aktuators integral im Inneren der Betriebsmitteldosiereinheit 12 angeordnet bzw. ausgebildet. Aufgrund des bevorzugten LTCC-Struktur-Aufbaus können sowohl die Ventileinheiten als auch die Aktuatoren als mikromechanische Elemente aufgebaut sein. Als Aktuatoren kommen beispielsweise elektromagnetische und/oder piezoelektrische und/oder hydraulische und/oder pneumatische Elemente in Frage.The 3 shows a section A corresponding to the four upper valve units 6 . 7 in the multi-resource metering unit 5 in the presentation of the 2 , Each of these four valve units 6 . 7 belongs to a corresponding equipment dosing unit 12 for supplying a resource channel 2 . 3 a fuel cell 1a , Such a resource dosing unit 12 essentially comprises a multi-Betriebsmitteldosiereinheit by the parent, plate-shaped one-piece representing a single part 5 through opening 9 to connect one of the two channels 4a . 4b the utility supply line 4 with the relevant resource channel 2 . 3 for its supply of fuel or oxidant. to Influence on the opening 9 flowing through the fluid flow is a valve mechanism 10 , here by way of example in the form of a slider, in combination with a control mechanism 11 in the form of a correspondingly suitable actuator integrally in the interior of the Betriebsmitteldosiereinheit 12 arranged or formed. Due to the preferred structure of LTCC structure, both the valve units and the actuators can be constructed as micromechanical elements. As actuators are, for example, electromagnetic and / or piezoelectric and / or hydraulic and / or pneumatic elements in question.

Entsprechend der als Schnitt B-B aus der 3 dargestellten 4 kann im Weiteren in vorteilhafter Weise eine Kontrolleinheit 15 zur Ansteuerung der Ventil-Aktuator-Einheiten 10, 11 über eine beispielhaft dargestellte Steuerleitung 18 integral vorgesehen sein. Weiter vorteilhaft können, hier beispielhaft dargestellt, Signalleitungen 16 und Datenleitungen 17, z. B. zur Ausbildung eines entsprechenden Bussystems vorgesehen sein. Die beispielhaft dargestellte Signalleitung 16 verbindet hier z. B. ein Mittel 14 zum Spannungsabgriff an der Brennstoffzelle 1a, z. B. in der Form eines Kontaktstiftes, mit der Kontrolleinheit 15. So kann diese in Abhängigkeit von dem so erfassten Spannungssignal den Betriebsmittelfluss zum betreffenden Betriebsmittelkanal 2, 3 durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventil- und Aktuatoreinheit 10, 11 in der Weise regeln, dass an der betreffenden Brennstoffzelle sowohl ein Spannungseinbruch als auch eine Spannungsüberhöhung ausgeglichen bzw. verhindert werden kann.According to the cut as BB from the 3 shown 4 can further advantageously a control unit 15 for controlling the valve-actuator units 10 . 11 via an exemplary illustrated control line 18 be provided integrally. Further advantageously, signal lines can be exemplified here 16 and data lines 17 , z. B. be provided to form a corresponding bus system. The exemplified signal line 16 connects here z. B. an agent 14 to the voltage tap on the fuel cell 1a , z. B. in the form of a contact pin, with the control unit 15 , Thus, depending on the voltage signal detected in this way, it can switch the operating medium flow to the relevant resource channel 2 . 3 by a corresponding control of the valve and actuator unit 10 . 11 regulate in such a way that both a voltage dip and a voltage overshoot can be compensated or prevented at the relevant fuel cell.

Zur Abdichtung der gasleitenden Verbindung zwischen einem Betriebsmittelkanal 2, 3 und der ihr jeweils zugeordneten Betriebsmitteldosiereinheit 12 ist eine Dichtung 13 vorgesehen, hier beispielhaft als Ringdichtung dargestellt.For sealing the gas-conducting connection between a resource channel 2 . 3 and their respective assigned Betriebsmitteldosiereinheit 12 is a seal 13 provided, here exemplified as a ring seal.

Um den Ventilquerschnitt klein halten zu können, kann, wie beispielhaft dargestellt, im Weiteren eine Bypassöffnung 8 zur Betriebsmittel- bzw. Medienversorgung des jeweiligen Betriebsmittelkanals 2, 3 vorgesehen sein. Über diese kann eine bestimmte Grundversorgung der betreffenden Brennstoffzelle von z. B. 50% oder ggf. auch mehr des durchschnittlichen Betriebsmittelsbedarfs bereit gestellt werden. Der darüber hinaus gehende Bedarf der betreffenden Brennstoffzelle an Betriebsmittel wird betriebszustandsabhängig von der betreffenden Betriebsmitteldosiereinheit 12 zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs der einzelnen Brennstoffzelle und somit des gesamten Brennstoffzellensystems kontrolliert.To be able to keep the valve cross-section small, can, as exemplified, hereinafter a bypass opening 8th for resource or media supply of the respective resource channel 2 . 3 be provided. About this can be a certain basic supply of the fuel cell of z. B. 50% or possibly more of the average equipment requirements are provided. The additional requirement of the fuel cell in question for operating resources is dependent on the operating state of the relevant Betriebsmitteldosiereinheit 12 to ensure stable operation of the individual fuel cell and thus of the entire fuel cell system.

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Claims (12)

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Stapel (1) aus Brennstoffzellen mit Betriebsmittelkanälen (2, 3), eine Betriebsmittelversorgungsleitung (4) und eine aus zwei oder mehreren Betriebsmitteldosiereinheiten bestehende Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) zur individuellen Betriebsmittelversorgung der Betriebsmittekanäle (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) an einer Seite des Stapels (1) angeordnet ist.Fuel cell system comprising a stack ( 1 ) from fuel cells with resource channels ( 2 . 3 ), a resource supply line ( 4 ) and a multiple resource dosing unit consisting of two or more equipment dosing units ( 5 ) for the individual resource supply of the operating medium channels ( 2 . 3 ), characterized in that the multiple-agent dosing unit ( 5 ) on one side of the stack ( 1 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelversorgungsleitung (4) an der dem Stapel (1) gegenüberliegenden Seite der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) angeordnet ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the resource supply line ( 4 ) at the stack ( 1 ) opposite side of the multiple-fluid metering unit ( 5 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) plattenförmig oder quaderförmig ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit ( 5 ) is plate-shaped or cuboid. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) flächig zwischen der Betriebsmittelversorgungsleitung (4) und Einlassöffnung der Betriebsmittelkanäle (2, 3) angeordnet bzw. ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple-agent dosing unit ( 5 ) area between the resource supply line ( 4 ) and inlet opening of the resource channels ( 2 . 3 ) is arranged or formed. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) als keramische Schichtstruktur ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple-agent dosing unit ( 5 ) is formed as a ceramic layer structure. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsmitteldosiereinheit (12) ein im Inneren der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit (5) angeordnetes bzw. ausgebildetes Ventil (10) umfasst.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a Betriebsmitteldosiereinheit ( 12 ) inside the multiple-fluid metering unit ( 5 ) arranged valve ( 10 ). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsmitteldosiereinheit einen im Inneren der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit angeordneten bzw. ausgebildeten Aktuator (11) umfasst.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a Betriebsmitteldosiereinheit arranged in the interior of the multiple-Betriebsmitteldosiereinheit or actuator ( 11 ). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) und/oder der Aktuator (11) mikromechanisch aufgebaut ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 10 ) and / or the actuator ( 11 ) is constructed micromechanically. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) als elektromagnetisches und/oder piezoelektrisches und/oder hydraulisches und/oder pneumatisches Element aufgebaut ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 11 ) is constructed as an electromagnetic and / or piezoelectric and / or hydraulic and / or pneumatic element. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit und/oder Signalleitungen (16) und/oder Datenleitungen (17) und/oder Steuerleitungen (18) in einer Betriebsmitteldosiereinheit (12) integriert ausgebildet ist bzw. sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit and / or signal lines ( 16 ) and / or data lines ( 17 ) and / or control lines ( 18 ) in a working metering unit ( 12 ) is integrally formed or are. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14) zum Spannungsabgriff einer Brennstoffzelle (1a) vorgesehen sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that means ( 14 ) to the voltage tap of a fuel cell ( 1a ) are provided. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmitteldosiereinheit (12) eine Bypassöffnung (8) zu einem Ventil (10) umfasst.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the operating medium dosing unit ( 12 ) a bypass opening ( 8th ) to a valve ( 10 ).
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