DE102018201193A1

DE102018201193A1 - Temperierungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102018201193A1
Application number: DE102018201193.1A
Authority: DE
Inventors: Julian Arndt Hirschfeld; Daniel West
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Es wird ein Temperierungssystem (300) für einen Brennstoffzellenstapel (102) beschrieben, wobei der Brennstoffzellenstapel (102) mehrere Brennstoffzellen (101) umfasst. Der Brennstoffzellenstapel (102) umfasst ferner zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle (301) für die einzelnen Brennstoffzellen (101) des Brennstoffzellenstapels (102). Das Temperierungssystem (300) umfasst zumindest einen dilatierbaren Körper (401), der ausgebildet ist, in einem kompaktierten Zustand den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) zumindest einer ersten Brennstoffzelle (101) zu erhöhen oder zu ermöglichen. Außerdem ist der dilatierbare Körper (401) ausgebildet, in einem ausgedehnten Zustand den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der ersten Brennstoffzelle (101) zu reduzieren oder zu unterbinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Beschleunigung des Start-Ups, die Erhöhung der Leistung und/oder die Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels.
Ein Straßenkraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisen, wobei das Brennstoffzellensystem auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert.
Bei Start-Up eines Brennstoffzellenstapels weist der Brennstoffzellenstapel typischerweise eine relativ niedrige Ausgangstemperatur auf, was zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels während einer Start-Up-Phase führen kann. Während einer anschließenden Betriebsphase steigt durch chemische Reaktionen die Temperatur des Brennstoffzellenstapels, was zu einem Überhitzen und einer damit verbundenen Beeinträchtigung des Brennstoffzellenstapels führen kann.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie ein Temperierungssystem, insbesondere ein Kühlsystem, für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, das eine beschleunigte Start-Up Phase, eine erhöhte Leistungsfähigkeit und/oder eine erhöhte Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden jeweils gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche 1, 14 und 15. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird ein Temperierungssystem, insbesondere ein Kühlsystem, für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen. Dabei können ein oder mehrere Brennstoffzellen in Randbereichen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein (sogenannte Randzellen). Des Weiteren können ein oder mehrere Brennstoffzellen in einem von den Randbereichen umgegebenen Zentralbereich angeordnet sein (sogenannte zentrale Brennstoffzellen).
Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle für die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Die Brennstoffzellen können entlang der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems nebeneinander angeordnet sein, und ggf. jeweils eine Bipolarplatte aufweisen. Die Brennstoffzellen können sich dann jeweils in einer durch die y-Achse und durch die z-Achse gebildeten Ebene erstrecken. Der Haupt-Kühlmittelkanal kann sich entlang der x-Achse an den Brennstoffzellen vorbei erstrecken. Die Zellen-Kühlmittelkanäle einer Brennstoffzelle können sich innerhalb der durch die y-Achse und durch die z-Achse gebildeten Ebene erstrecken (und somit senkrecht auf dem Haupt-Kühlmittelkanal stehen). Der Haupt-Kühlmittelkanal kann auch als Manifold bezeichnet werden.
Das Temperierungssystem umfasst zumindest einen dilatierbaren Körper, der ausgebildet ist, in einem kompaktierten Zustand den Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal zumindest einer ersten Brennstoffzelle zu erhöhen oder zu ermöglichen. Des Weiteren ist der dilatierbare Körper ausgebildet, in einem ausgedehnten Zustand den Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der ersten Brennstoffzelle zu reduzieren oder zu unterbinden. Der dilatierbare Körper kann eine zumindest bereichsweise elastische Außenwand, d.h. eine Außenwand aus elastischem Material aufweisen. Die Außenwand des dilatierbaren Körpers kann ein Dilatationsmedium umschließen. Durch die Erhöhung des Drucks des Dilatationsmediums kann der elastische Bereich der Außenwand ausgedehnt werden, um den dilatierbaren Körper von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand zu überführen. Beispielsweise kann der dilatierbare Körper als aufblasbarer Ballon ausgebildet sein.
Es wird somit ein Temperierungssystem beschrieben, das es in effizienter und zuverlässiger Weise durch Verwendung eines dilatierbaren Körpers ermöglicht, die Temperierung einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels anzupassen (z.B. an einen aktuellen Betriebszustand der Brennstoffzelle anzupassen). So können der Start-Up eines Brennstoffzellenstapels beschleunigt, die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels erhöht und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels verlängert werden.
Der dilatierbare Körper ist bevorzugt derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass ein zuverlässiges und/oder selektives Verschließen eines Zellen-Kühlmittelkanals ermöglicht wird (nach Möglichkeit ohne den Zufluss von Kühlmittel zu den ein oder mehreren anderen Zellen-Kühlmittelkanal zu beeinträchtigen). Insbesondere kann der dilatierbare Körper in dem Haupt-Kühlmittelkanal angeordnet sein, was typischerweise vorteilhaft ist, um den Zufluss zu einem Zellen-Kühlmittelkanal zuverlässig zu schließen und zu öffnen. Insbesondere ermöglicht die Anordnung in dem relativ großen Haupt-Kühlmittelkanal die Verwendung eines volumenmäßig relativ großen dilatierbaren Körpers, der zuverlässig in einen kompaktierten und einen ausgedehnten Zustand überführt werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann ein dilatierbarer Körper in dem Zellen-Kühlmittelkanal der ersten Brennstoffzelle angeordnet sein, wodurch in besonders zuverlässiger Weise eine selektive Anpassung des Zuflusses an Kühlmittel für die erste Brennstoffzelle bewirkt werden kann.
Der dilatierbare Körper kann Torus förmig sein, so dass Kühlmittel durch eine von dem dilatierbaren Körper umschlossene Öffnung fließen kann. Die Verwendung eines Torus förmigen Körpers ist insbesondere für die Anordnung des dilatierbaren Körpers innerhalb des Haupt-Kühlmittelkanals vorteilhaft, da so der Verschluss des gesamten Haupt-Kühlmittelkanals durch den dilatierbaren Körper vermieden werden kann. Dennoch kann mit einem Torus förmigen, dilatierbaren Körper ein selektiver Verschluss von ein oder mehreren Zellen-Kühlmittelkanälen bewirkt werden.
Der dilatierbare Körper kann ausgebildet sein, durch Ausdehnung ein Blockadeelement an einen Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals der ersten Brennstoffzelle heranzuführen, um den Zufluss von Kühlmittel zu reduzieren oder zu unterbinden (wenn der dilatierbare Körper von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand überführt wird). Andererseits kann der dilatierbare Körper ausgebildet sein, durch Kontraktion das Blockadeelement von dem Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals der ersten Brennstoffzelle wegzubewegen, um den Zufluss von Kühlmittel zu erhöhen oder zu ermöglichen (wenn der dilatierbare Körper von dem ausgedehnten Zustand in den kompaktierten Zustand überführt wird).
Dabei kann das Blockadeelement Teil des dilatierbaren Körpers sein. Insbesondere kann das Blockadeelement durch die (ggf. elastische) Außenwand des dilatierbaren Körpers gebildet werden. So kann eine besonders kosteneffiziente Anpassung des Zuflusses von Kühlmittel bewirkt werden.
Alternativ kann das Blockadeelement separat von dem dilatierbaren Körper sein. Beispielsweise kann das Blockadeelement eine von dem dilatierbaren Körper an den Einlass bewegte Klappe oder ein von dem dilatierbaren Körper an den Einlass bewegtes Verschlusselement sein. So kann eine besonders zuverlässige Anpassung des Zuflusses von Kühlmittel bewirkt werden.
Das Blockadeelement kann eine Dichtung aufweisen, die an eine Form des Einlasses des Zellen-Kühlmittelkanals der ersten Brennstoffzelle angepasst ist, um den Einlass im ausgedehnten Zustand des dilatierbaren Körpers abzudichten. So kann ein besonders zuverlässiges Unterbinden der Temperierung der ersten Brennstoffzelle bewirkt werden.
Das Temperierungssystem kann eine Leitung umfassen, über die ein Dilatationsmedium (insbesondere ein Gas) in den dilatierbaren Körper geführt werden kann, um den dilatierbaren Körper von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand zu überführen. Die Leitung kann zumindest teilweise durch den Haupt-Kühlmittelkanal zu dem dilatierbaren Körper geführt werden. Des Weiteren kann das Temperierungssystem einen Dilatationsmediumförderer umfassen (z.B. einen Kompressor), der eingerichtet ist, das Dilatationsmedium über die Leitung in den dilatierbaren Körper zu fördern (und dabei den dilatierbaren Körper von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand zu überführen). So kann in zuverlässiger Weise eine Veränderung des Zuflusses von Kühlmittel für die erste Brennstoffzelle bewirkt werden.
Das Dilatationsmedium umfasst bzw. ist in einem bevorzugten Beispiel ein für den Brennstoffzellenstapel verwendetes Oxidationsmittel (z.B. Druckluft). Der Dilatationsmediumförderer kann dann der Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellenstapels sein, der eingerichtet ist, Oxidationsmittel für die chemische Reaktion in den Brennstoffzellen in den Brennstoffzellenstapel zu fördern. Des Weiteren kann das Temperierungssystem ein Ventil umfassen, das eingerichtet ist, die Leitung zu dem dilatierbaren Körper mit dem Oxidationsmittelförderer zu koppeln oder davon zu entkoppeln. So kann in besonders effizienter Weise eine Steuerung des Zustands des dilatierbaren Körpers und des Zuflusses an Kühlmittel bewirkt werden.
Das Temperierungssystem kann eine zwischen dem Ventil und dem dilatierbaren Körper angeordnete Leckage umfassen, die einen (definierten) Leckage-Volumenstrom von Dilatationsmedium aus der Leitung ermöglicht. Durch die Bereitstellung einer Leckage kann in effizienter Weise bewirkt werden, dass der dilatierbare Körper von dem ausgedehnten Zustand in den kompaktierten Zustand überführt wird (z.B. durch Schließen des Ventils).
Ein durch den Dilatationsmediumförderer bewirkter Volumenstrom ist dabei bevorzugt größer als oder gleich wie der Leckage-Volumenstrom. So kann der dilatierbare Körper zuverlässig in den ausgedehnten Zustand überführt und darin gehalten werden.
Das Temperierungssystem kann eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, Zustandsdaten in Bezug auf einen Betriebszustand der ersten Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels zu ermitteln. Dabei können die Zustandsdaten insbesondere Temperaturdaten in Bezug auf eine Temperatur der ersten Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels umfassen.
Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Volumenstrom von Dilatationsmedium in der Leitung in Abhängigkeit von den Zustandsdaten zu verändern, um den Zustand des dilatierbaren Körpers und damit den Zufluss an Kühlmittel für die erste Brennstoffzelle in Abhängigkeit von den Zustandsdaten zu verändern. Insbesondere kann der Volumenstrom an Dilatationsmedium unterbunden oder reduziert werden, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur der ersten Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels ist (bzw. wenn sich der Brennstoffzellenstapel in der Start-Up Phase befindet). Alternativ oder ergänzend kann der Volumenstrom an Dilatationsmedium erhöht oder ermöglicht werden, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur der ersten Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels größer als die Zieltemperatur ist (bzw. wenn sich der Brennstoffzellenstapel in der Betriebsphase befindet). So kann in besonders zuverlässiger Weise der Start-Up eines Brennstoffzellenstapels beschleunigt, die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels erhöht und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels verlängert werden.
Die Temperierung (insbesondere die Kühlung) des Brennstoffzellenstapels während der Betriebsphase kann derart erfolgen, dass der Zufluss an Kühlmittel erhöht wird, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels größer als eine Wunschtemperatur des Brennstoffzellenstapels für die Betriebsphase ist. Andererseits kann der Zufluss an Kühlmittel reduziert werden, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als die Wunschtemperatur des Brennstoffzellenstapels für die Betriebsphase ist. So kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf die Wunschtemperatur geregelt werden. Die Wunschtemperatur kann dabei höher sein als die Zieltemperatur (bei der der Übergang von der Start-Up Phase in die Betriebsphase erfolgt). Der Zufluss kann ggf. durch die in diesem Dokument beschriebenen dilatierbaren Körper verändert werden.
Der dilatierbare Körper kann im kompaktierten Zustand eine bestimmte Menge eines Dilatationsmediums einschließen (und dabei ggf. von der Umgebung abgeschlossen sein). Es kann insbesondere ein autarker dilatierbarer Körper mit einer festen Menge an Dilatationsmedium bereitgestellt werden. Der Ausdehnungskoeffizient des Dilatationsmediums, die eingeschlossene Menge des Dilatationsmediums, die Form und/oder das Material des dilatierbaren Körpers können derart sein, dass der dilatierbare Körper (ggf. allein) durch die Erhöhung der Temperatur des Dilatationsmediums auf die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand überführt wird. Die Anpassung der Kühlmittelmenge kann somit in autarker Weise allein durch die Veränderung der Temperatur des Dilatationsmediums erfolgen. Es kann somit in besonders effizienter Weise eine passive Steuerung des Zuflusses von Kühlmittel zur Temperierung der ersten Brennstoffzelle erfolgen.
Der dilatierbare Körper (insbesondere die Außenwand des dilatierbaren Körpers) kann dabei ein oder mehrere erste Teilbereiche mit einer relativ hohen Elastizität und ein oder mehrere zweite Teilbereiche mit einer relativ niedrigen Elastizität aufweisen. Dabei kann ein erster Teilbereich insbesondere an einer dem Zellen-Kühlmittelkanal der ersten Brennstoffzelle zugewandten Seite des dilatierbaren Körpers angeordnet sein. Des Weiteren kann ein zweiter Teilbereich an einer dem Zellen-Kühlmittelkanal der Brennstoffzelle abgewandten Seite des dilatierbaren Körpers angeordnet sein. Durch die Bereitstellung von wenig oder nicht elastischen Teilbereichen kann das Ausmaß der Verformung eines relativ elastischen Teilbereichs des dilatierbaren Körpers erhöht werden. So können das Ausmaß und die Zuverlässigkeit der Veränderung des Zuflusses an Kühlmittel für die erste Brennstoffzelle erhöht werden.
Die erste Brennstoffzelle kann eine Randzelle sein. Es kann somit eine selektive Anpassung der Temperierung von ein oder mehreren Randzellen eines Brennstoffzellenstapels erfolgen. So kann in besonders zuverlässiger Weise der Start-Up eines Brennstoffzellenstapels beschleunigt, die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels erhöht und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels verlängert werden.
Der Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Leitungs-zugewandte Endplatte auf, an der dem Haupt-Kühlmittelkanal Kühlmittel zugeführt oder entnommen werden kann. Des Weiteren weist der Brennstoffzellenstapel typischerweise eine Leitungs-abgewandte Endplatte auf, an der der Haupt-Kühlmittelkanal verschlossen ist bzw. eine Sackgasse bildet. Der Brennstoffzellenstapel kann zumindest eine Randzelle an der Leitungs-zugewandten Endplatte und zumindest eine Randzelle an der Leitungs-abgewandten Endplatte aufweisen. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel ein oder mehrere zentrale Brennstoffzellen aufweisen, die zwischen den Randzellen angeordnet sind. Dabei sind die ein oder mehreren Randzellen typischerweise nicht an der Generierung von elektrischer Leistung beteiligt, sondern erfüllen primär die Aufgabe einer thermischen Isolierung. Die elektrische Leistung wird typischerweise nur durch die ein oder mehreren aktiven zentralen Brennstoffzellen erbracht.
Der zumindest eine dilatierbare Körper ist bevorzugt ausgebildet, den Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal zu den Zellen-Kühlmittelkanälen der Randzellen zu unterbinden, und dabei weiterhin den Zufluss von Kühlmittel zu den Zellen-Kühlmittelkanälen der ein oder mehreren zentralen Brennstoffzellen zu ermöglichen. Dies kann, wie oben dargelegt, z.B. durch die Verwendung von ein oder mehreren Torus förmigen dilatierbaren Körpern bewirkt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Temperierungssystem für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte für ein Temperierungssystem sind auch auf dieses Temperierungssystem anwendbar. Der zu temperierende Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen, von denen zumindest eine Randzelle an einem Rand bzw. in einem Randbereich des Brennstoffzellenstapels und zumindest eine zentrale Brennstoffzelle nicht am Rand bzw. in einem Randbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Des Weiteren umfasst der Brennstoffzellenstapel zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle für die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.
Das Temperierungssystem ist ausgebildet, den Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in die Zellen-Kühlmittelkanäle der Randzelle und der zentralen Brennstoffzelle zu ermöglichen, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels ist. Des Weiteren ist das Temperierungssystem ausgebildet (z.B. mittels eines dilatierbaren Körpers für die zumindest eine Randzelle), den Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der Randzelle im Vergleich zu dem Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der zentralen Brennstoffzelle zu reduzieren, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels größer als oder gleich wie die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels ist. So können der Start-Up eines Brennstoffzellenstapels beschleunigt, die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels erhöht und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels verlängert werden. Dabei kann der Zufluss von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der zentralen Brennstoffzelle im Wesentlichen unverändert bleiben (unabhängig davon, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner oder größer als die Zieltemperatur ist) bzw. sowohl in der Start-Up Phase als auch in der Betriebsphase erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben. Das Verfahren kann durch eine Steuereinheit eines Temperierungssystems ausgeführt werden. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen, von denen zumindest eine Randzelle an einem Rand bzw. in einem Randbereich des Brennstoffzellenstapels und zumindest eine zentrale Brennstoffzelle nicht am Rand bzw. nicht in einem Randbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle für die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.
Das Verfahren umfasst das Bewirken eines Volumenstroms von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in die Zellen-Kühlmittelkanäle der Randzelle und der zentralen Brennstoffzelle, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels ist. Außerdem umfasst das Verfahren das Reduzieren des Volumenstroms von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der Randzelle im Vergleich zu dem Volumenstrom von Kühlmittel aus dem Haupt-Kühlmittelkanal in den Zellen-Kühlmittelkanal der zentralen Brennstoffzelle, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels größer als oder gleich wie die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der das in diesem Dokument beschriebene Temperierungssystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Brennstoffzellenstapel umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
2 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
3 ein beispielhaftes Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
4a und 4b einen beispielhaften dilatierbaren Körper zum Verschließen eines Haupt-Kühlmittelkanals eines Brennstoffzellenstapels;
4c einen beispielhaften dilatierbaren Körper mit einem separaten Blockadeelement;
5a und 5b einen beispielhaften dilatierbaren Körper zum Verschließen eines Zellen-Kühlmittelkanals einer Brennstoffzelle;
6a, 6b und 6c einen beispielhaften Torus förmigen dilatierbaren Körper;
7a einen beispielhaften Temperaturverlauf der Temperatur der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einer Betriebsphase;
7b einen beispielhaften Temperaturverlauf der Temperatur der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einer Start-Up Phase; und
8 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines effizienten und zuverlässigen Temperierungs- bzw. Kühlsystems für einen Brennstoffzellenstapel, das eine verkürzte Start-Up Phase, eine erhöhte Leistungsfähigkeit und/oder eine längere Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff für die Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
Eine Brennstoffzelle 100 umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen i.d.R. jeweils zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle 101 ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Des Weiteren können in den Separatorplatten Kühlmittelkanäle für ein Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzellen 101 vorgesehen sein.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Insbesondere weist dabei eine Bipolarplatte zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator die Anode einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
2 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht (entlang der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems). Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 201, 207 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 201, 207 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 203 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 203 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 204 angeordnet sein. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 einen Brennstoff-Kanal 208 durch den Brennstoff und/oder einen Oxidationsmittel-Kanal 202 durch den Oxidationsmittel über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Dabei kann das Oxidationsmittel mittels eines Oxidationsmittelförderers 209 (z.B. mittels eines Kompressors) in den Oxidationsmittel-Kanal 202 gefördert werden. Des Weiteren umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 ein oder mehrere Kanäle über die ein oder mehrere Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
Die Zugänge zu den einzelnen Kanälen 202, 208 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite bzw. Endplatte 201 eines Brennstoffzellenstapels 102. Die andere Endplatte 207 weist typischerweise keine Zu- bzw. Ableitungen auf, und stellt damit typischerweise eine Sackgasse für die in den Kanälen 202, 208 geführten Fluide dar.
Ein Brennstoffzellenstapel 102 kann in den Randbereichen 211, die sich unmittelbar an die Endplatten 201, 207 anschließen, jeweils ein oder mehrere Rand-Brennstoffzellen 101 oder kurz Randzellen 101 aufweisen. Die ein oder mehrere Randzellen 101 werden typischerweise nicht aktiv betrieben, d.h. es wird typischerweise kein Brennstoff und/oder Oxidationsmittel zugeführt. Insbesondere können die ein oder mehreren Randzellen 101 keine Elektrode-Membran-Einheit 204 bzw. zumindest keinen ionenselektiven Separator aufweisen. Die ein oder mehreren Randzellen 101 können somit als elektrisch leitende Dummy- bzw. Scheinzellen aufgebaut sein, die nicht zur Erzeugung der elektrischen Energie eines Brennstoffzellenstapels 102 beitragen. Andererseits können die ein oder mehren Randzellen 101 als thermischer Isolator verwendet werden, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung der zentralen Brennstoffzellen 101 im Zentralbereich 212 des Brennstoffzellenstapels 102 zwischen den Randbereichen 211 zu ermöglichen. Die ein oder mehreren Randzellen 101 können zu diesem Zweck eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen. Aus Kostengründen sind die für die Randzellen 101 verwendeten Bipolarplatten 203 typischerweise baugleich mit den Bipolarplatten 203 der ein oder mehreren zentralen Brennstoffzellen 101.
Der Brennstoffzellenstapel 102 kann zumindest einen ersten Haut-Kühlmittelkanal 205 aufweisen, über den ein Kühlmittel zu den einzelnen Bipolarplatten 203 des Brennstoffzellenstapels 102 geführt wird. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 zumindest einen zweiten Haupt-Kühlmittelkanal 206 aufweisen, über den das Kühlmittel wieder von den einzelnen Bipolarplatten 203 weggeführt werden kann. Die Haupt-Kühlmittelkanäle 205, 206 des Brennstoffzellenstapels 102 können auch als Kühlmittel-Manifolds bezeichnet werden.
3 zeigt ein beispielhaftes Temperierungs- bzw. Kühlsystem 300 für einen Brennstoffzellenstapel 102. Die Haupt-Kühlmittelkanäle 205, 206 des Brennstoffzellenstapels 102 sind jeweils mit ein oder mehreren Zellen-Kühlmittelkanälen 301 der einzelnen Bipolarplatten 203 bzw. Brennstoffzellen 101 verbunden. Mittels eines Kühlmittelförderers 304 (z.B. einer Pumpe) kann Kühlmittel 302 in den ersten Haupt-Kühlmittelkanal 205, durch die Zellen-Kühlmittelkanäle 301 der Bipolarplatten 203 und durch den zweiten Haupt-Kühlmittelkanal 206 gepumpt werden (dargestellt durch die Pfeile), um die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zu temperieren. Das Kühlmittel 302 kann eine Flüssigkeit und/oder ein Gas umfassen. Das Kühlmittel 302 kann insbesondere Wasser und/oder Glykole umfassen. Der Kühlmittelförderer 304 kann durch eine Steuereinheit 306 gesteuert werden, z.B. um die Fördermenge des Kühlmittels 302, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzellen 101, anzupassen.
In den 2 und 3 ist ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt. In diesem Dokument sind die einzelnen Brennstoffzellen 101 entlang der x-Achse nebeneinander in einem Brennstoffzellenstapel 102 angeordnet. Die einzelnen Brennstoffzellen 101, insbesondere die Bipolarplatten 203, erstrecken sich innerhalb paralleler Ebene, die durch die z-Achse und y-Achse gebildeten werden.
7a zeigt Temperaturverläufe der einzelnen Brennstoffzellen 101 eines Brennstoffzellenstapels 102 entlang der x-Achse in einer stabilen Betriebsphase. Insbesondere zeigt 7a den Temperaturverlauf 701 für den Fall, dass die Kühlmittelkanäle 301 für alle Brennstoffzellen 101 (auch für die Randzellen 101) geöffnet sind, d.h. für den Fall, dass während des Betriebs nicht nur die zentralen Brennstoffzellen 101 im Zentralbereich 212 sondern auch die ein oder mehreren Randzellen 101 in den Randbereichen 211 temperiert werden. Aus dem Temperaturverlauf 701 ist ersichtlich, dass die zentralen Brennstoffzellen 101 des Zentralbereichs 212 am Übergang zu den Randbereichen 211 einen relativ starken Temperaturabfall aufweisen. Insbesondere kann ein Unterkühlen der Randzellen 101 (insbesondere am Auslass 206 des Kühlmittels 302) zu einer relativ niedrigen Temperatur der aktiven, zentralen Brennstoffzellen 101 am Rand des Zentralbereichs 212 führen. Diese reduzierte Temperatur kann in einer Betriebsphase zu einer erhöhten Flutungsgefahr der zentralen Brennstoffzellen 101 im feuchten Bereich (typischerweise am Kathodenauslas der Brennstoffzellen 101) führen. Als Folge daraus wird die Leitungsfähigkeit dieser zentralen Brennstoffzellen 101 und damit des Brennstoffzellenstapels 102 reduziert. Des Weiteren kann dadurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 102 beeinträchtigt werden.
7b zeigt den Temperaturverlauf 701 bei geöffneten Kühlmittelkanälen 301 während der Start-Up Phase eines Brennstoffzellenstapels 102. Des Weiteren zeigt 7b einen Temperaturverlauf 702 für den Fall, dass die Kühlmittelkanäle 301 der ein oder mehreren Randzellen 101 während der Start-Up Phase geschlossen sind, und somit keine Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 erfolgt. Wie aus 7b ersichtlich ist, kann durch eine Temperierung der Randzellen 101 während einer Start-Up Phase eine beschleunigte Temperaturerhöhung der zentralen Brennstoffzellen 101 auf eine gewünschte Betriebstemperatur und damit eine Verkürzung der Start-Up Phase bewirkt werden.
Das Kühlsystem 300 eines Brennstoffzellenstapels 102 kann somit eingerichtet sein, eine selektive Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 durchzuführen. Insbesondere kann während einer Start-Up Phase des Brennstoffzellenstapels 102 (ausgehend von einer relativ niedrigen Ausgangstemperatur) eine Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 ermöglicht werden. Zu diesem Zweck können die Zellen-Kühlmittelkanäle 301 der ein oder mehreren Randzellen 101 während der Start-Up Phase geöffnet werden. Andererseits kann während einer Betriebsphase (bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur als Zieltemperatur) eine Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 unterbunden werden. Zu diesem Zweck können die Zellen-Kühlmittelkanäle 301 der ein oder mehreren Randzellen 101 während der Betriebsphase geschlossen werden. So kann, wie durch den Temperaturverlauf 702 aus 7a gezeigt, eine relativ gleichmäßige Verteilung der Temperatur der aktiven, zentralen Brennstoffzellen 101 im Zentralbereich 212 eines Brennstoffzellenstapels 102 bewirkt werden. In Summe können so ein beschleunigter Start-Up, eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine erhöhte Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels 102 bewirkt werden.
4a und 4b zeigen ein Temperierungssystem 300 für einen Brennstoffzellenstapel 102, das ein oder mehrere dilatierbare Körper 401 umfasst, mit denen ein Haupt-Kühlmittelkanal 205 je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden kann. In dem in den 4a und 4b dargestellten Beispiel ist der dilatierbare Körper 401 in dem ersten Haupt-Kühlmittelkanal 205 des Brennstoffzellenstapels 102 (d.h. in der Zuleitung für Kühlmittel 302) angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann ein dilatierbarer Körper 401 in dem zweiten Haupt-Kühlmittelkanal 206 des Brennstoffzellenstapels 102 (d.h. in der Ableitung für Kühlmittel 302) angeordnet sein. In dem in 4a dargestellten kompaktierten Zustand ermöglicht der dilatierbare Körper 401 den Fluss von Kühlmittel 302 in einen an oder hinter dem dilatierbaren Körper 401 angeordneten Zellen-Kühlmittelkanal 301. Andererseits kann der dilatierbare Körper 401 derart aufgeweitet werden, dass der dilatierbare Körper 401 im ausgedehnten Zustand (siehe 4b) den Fluss von Kühlmittel 302 in einen an oder hinter dem dilatierbaren Körper 401 angeordneten Zellen-Kühlmittelkanal 301 unterbindet. Durch Überführen eines dilatierbaren Körpers 401 von einem kompaktierten Zustand in einen ausgedehnten Zustand kann somit in effizienter, zuverlässiger und selektiver Weise eine Temperierung von ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 unterbunden werden (oder umgekehrt). Der dilatierbare Körper 401 kann z.B. einen Ballon bzw. eine Blase umfassen.
In dem in den 4a und 4b dargestellten Beispiel wird der dilatierbare Körper 401 mittels eines Dilatationsmediums 403 (z.B. Druckluft) aufgepumpt, um den Körper 401 von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand zu überführen. Zur Bereitstellung des Dilatationsmediums 403 kann allgemein ein Dilatationsmediumförderer (z.B. ein Kompressor) und in besonders effizienter Weise der Oxidationsmittelförderer 209 verwendet werden. Insbesondere kann durch den Oxidationsmittelförderer 209 während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels 102 Oxidationsmittel als Dilatationsmedium 403 über eine Zuleitung 402 in den dilatierbaren Körper 401 gepumpt werden, um den Körper 401 aufzupumpen und damit in den ausgedehnten Zustand zu überführen. Über ein Ventil 404 kann die Zufuhr des Dilatationsmediums 403 ermöglicht oder unterbunden werden. Des Weiteren kann eine Leckage 405 auf der Zuleitung 402 zwischen dem Ventil 404 und dem dilatierbaren Körper 401 bereitgestellt werden, die bevorzugt derart ausgebildet ist, dass (nur) nach Unterbrechung der Zufuhr des Dilatationsmediums 403 der dilatierbare Körper 401 von dem ausgedehnten Zustand in den kompaktierten Zustand überführt wird.
In dem in 4b dargestellten Beispiel wird ein Zellen-Kühlmittelkanal 301 durch die Außenwand des dilatierbaren Körpers 401 selbst verschlossen, um die Zufuhr von Kühlmittel 302 zu unterbinden. Die Außenwand bildet somit zumindest bereichsweise ein Blockadeelement, mit dem der Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals 301 blockiert wird, wenn sich der dilatierbare Körper 401 im ausgedehnten Zustand befindet. 4c zeigt ein Beispiel, bei dem durch den dilatierbaren Körper 401 ein separates Blockadeelement 411 (z.B. eine Klappe oder ein Pfropf) bewegt wird. Dabei wird das Blockadeelement 411 auf den Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals 301 zubewegt, um den Einlass zu verschließen, wenn der dilatierbare Körper 401 von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand überführt wird. Das Blockadeelement 411 kann eine Dichtung aufweisen, um einen zuverlässigen Verschluss des Einlasses zu bewirken.
Die 5a und 5b zeigen ein Beispiel, bei dem ein dilatierbarer Körper 401 direkt in einem Zellen-Kühlmittelkanal 301 einer Brennstoffzelle 101 bzw. einer Bipolarplatte 203 angeordnet ist. Der dilatierbare Körper 401 kann somit dazu verwendet werden, einen einzelnen Zellen-Kühlmittelkanal 301 einer Brennstoffzelle 101 in selektiver Weise zu öffnen bzw. zu verschließen. Im Gegensatz dazu können durch einen in einem Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordneten dilatierbaren Körper 401 mehrere Brennstoffzellen 101 bei Bedarf von der Temperierung entkoppelt werden.
In den in den 4a, 4b, 4c, 5a und 5b gezeigten Beispielen kann die Zufuhr des Dilatationsmediums 402 durch die Steuereinheit 306 des Temperierungssystems 300 gesteuert werden. Insbesondere kann durch die Steuereinheit 306 veranlasst werden, dass das Ventil 404 für das Dilatationsmedium 402 geöffnet oder geschlossen wird. Beispielsweise kann durch die Steuereinheit 306 bewirkt werden, dass das Ventil 404 in der Start-Up Phase eines Brennstoffzellenstapels 102 (bei einer relativ niedrigen Ausgangstemperatur) geschlossen ist, so dass sich die ein oder mehreren dilatierbaren Körper 401 jeweils in dem kompaktierten Zustand befinden und somit eine Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 ermöglichen. Des Weiteren kann durch die Steuereinheit 306 bewirkt werden, dass das Ventil 404 in der Betriebsphase (bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur) geöffnet wird, so dass sich die ein oder mehreren dilatierbaren Körper 401 in dem ausgedehnten Zustand befinden und somit eine Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 unterbinden.
Die 6a bis 6c zeigen einen beispielhaften dilatierbaren Körper 401, durch den in automatischer Weise (ohne Steuerung durch eine Steuereinheit 306) bewirkt werden kann, dass sich der dilatierbare Körper 401 in einer Start-Up Phase (d.h. bei einer relativ niedrigen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102) in dem kompaktierten Zustand und in einer Betriebsphase (d.h. bei einer relativ hohen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102) in dem ausgedehnten Zustand befindet. Der dilatierbare Körper 401 kann zu diesem Zweck mit einem Dilatationsmedium 403 gefüllt sein, das einen relativ großen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Insbesondere kann das Dilationsmedium 403 ein (ideales) Gas sein bzw. umfassen. Bevorzugt weist das Dilatationsmedium 403 einen Ausdehnungskoeffizienten von 2,0 - 10^-3 K^-1 , 3,0 · 10^-3 K^-1 oder mehr auf. Das Dilatationsmedium 403 dehnt sich mit steigender Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 aus und überführt dabei den dilatierbaren Körper 401 von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand.
6a zeigt einen Torus förmigen dilatierbaren Körper 401 mit einem ausdehnungsfähigen Dilatationsmedium 403 in dem kompaktierten Zustand (d.h. bei einer relativ niedrigen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102) in einer Seitenansicht entlang der x-Achse. 6b zeigt den Torus förmigen dilatierbaren Körper 401 in dem kompaktierten Zustand innerhalb der durch die y-Achse und die z-Achse aufgespannten Ebene. Wie aus den 6a und 6b ersichtlich, sind die ein oder mehreren Zellen-Kühlmittelkanäle 301 einer Brennstoffzelle 101 geöffnet, so dass eine Temperierung der Brennstoffzelle 101 erfolgen kann (z.B. in einer Start-Up Phase bei relativ niedrigen Temperaturen des Brennstoffzellenstapels 102).
Infolge der Temperaturerhöhung bei Betrieb eines Brennstoffzellenstapels 102 dehnt sich der dilatierbare Körper 401 aus und verschließt dabei die ein oder mehreren Zellen-Kühlmittelkanäle 301 der Brennstoffzelle 101, so dass die Temperierung der Brennstoffzelle 101 unterbunden wird (siehe 6c). Somit kann die Temperierung der ein oder mehreren Randzellen 101 eines Brennstoffzellenstapels 102 in einer Betriebsphase (d.h. bei einer relativ hohen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102) in effizienter und zuverlässiger Weise unterbunden werden.
Der dilatierbare Körper 401 kann unterschiedliche Teilbereich 601, 602 mit unterschiedlicher Steifigkeit und/oder mit unterschiedlicher Elastizität aufweist. Insbesondere kann der Körper 401 einen den ein oder mehreren zu verschließenden Kühlmittelkanälen 301 zugewandten ersten Teilbereich 601 mit relativ hoher Elastizität aufweisen, der durch Ausdehnen ein zuverlässiges Verschließen der ein oder mehreren Kühlmittelkanäle 301 ermöglicht. Des Weiteren kann der Körper 401 ein oder mehrere zweite Teilbereiche 602 mit einer relativ niedrigen Elastizität aufweisen, um eine möglichst große Ausdehnung des ersten Teilbereichs 601 zu ermöglichen. Durch die Bereitstellung von unterschiedlich elastischen Teilbereichen 601, 602 kann somit ein besonders zuverlässiges Verschließen und/oder Öffnen von Zellen-Kühlmittelkanälen 301 bewirkt werden.
Die Verwendung eines Torus förmigen Körpers 401 ermöglicht es, einzelne Brennstoffzellen 101 selektiv von der Temperierung zu entkoppeln, da Kühlmittel 302 durch die umschlossene Öffnung des Torus förmigen Körpers 401 fließen kann. Um ggf. mehrere Randzellen 101 (an der Endplatte 207) gleichzeitig von der Temperierung zu entkoppeln kann andererseits in besonders effizienter Weise ein quader- und/oder kugelförmiger dilatierbarer Körper 401 verwendet werden.
Es können somit Mittel (z.B. veränderbare bzw. bewegliche Blockaden) bereitgestellt werden, durch die ein oder mehrere Kühlmittelkanäle 205, 206, 301 eines Brennstoffzellenstapels 102 (insbesondere zumindest ein Manifold 205, 206) bei Erreichen der (Soll-) Betriebstemperatur (d.h. der Zieltemperatur) des Brennstoffzellenstapels 102 verschlossen werden können, um den Zufluss von Kühlmittel 203 zu ein oder mehreren Randzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zu reduzieren oder (vollständig) zu blockieren.
Eine variable und/oder veränderbare Blockade kann durch eine Druckblase bzw. durch einen dilatierbaren Körper 401 bereitgestellt werden. Der dilatierbare Körper 401 kann komplett als Ballon ausgestaltet sein, der bei Aufblähen ein oder mehrere Kühlmittel-Ports 301 von ein oder mehreren Randzellen 101 blockiert. Alternativ oder ergänzend kann der dilatierbare Körper 401 als Blase ausgebildet sein, die ausgebildet ist, eine feste Blockade 411 (z.B. eine Klappe und/oder einen Pfropf) zu bewegen, um ein oder mehrere Kühlmittel-Ports 301 von ein oder mehreren Randzellen 101 zu blockieren. Bei der Verwendung eines dilatierbaren Körpers 401 wird bevorzugt berücksichtigt, dass das Kühlmittel 302 mit einem bestimmten Kühlmittel-Druck beaufschlagt sein kann. Der dilatierbare Körper 401 wird daher bevorzugt mit einem über den Kühlmittel-Druck hinausgehenden Überdruck von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand überführt.
Es ist möglich, den Überdruck des Dilatationsmediums 403 zum Expandieren des dilatierbaren Körpers 401 anhand des Kathodenkompressors (d.h. des Oxidationsmittelförderers) 209 zu erzeugen. So kann auf die Verwendung eines weiteren Kompressors verzichtet werden. Dies kann durch ein Ventil 404 ermöglicht werden, welches die Zufuhr des Oxidationsmittels von dem Kompressor 209 zum dilatierbaren Körper 401 steuert. Das Ablassen des Drucks aus dem dilatierbaren Körper 401 kann über eine relativ kleine, vordefinierte Leckage 405 nach außen hin erfolgen. Dabei ist die Leckage 405 bevorzugt derart ausgelegt, dass diese nicht zu einem relevanten Massenflussverlust an Oxidationsmittel führt. Des Weiteren ist die Leckage 405 bevorzugt derart ausgelegt, dass das Ausbleiben der Druckbeaufschlagung des dilatierbaren Körpers 401 (z.B. durch Schließen des Ventils 404) zu einem (ggf. langsamen) Abfall des Drucks in dem dilatierbaren Körper 401 und damit zu einem Übergang in den kompaktierten Zustand führt.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Blockade des Kühlmittels 302, ist eine lokale Blockade des Kühlmittel-Flusses direkt am Durchlass zwischen dem Manifold 205, 206 des Brennstoffzellenstapels 102 und den ein oder mehreren Zellen-Kühlmittelkanälen 301 von ein oder mehreren Randzellen 101. Hierzu können relative kleine individuelle dilatierbare Körper 401 an und/oder in den Einlässen der Zellen-Kühlmittelkanäle 301 angeordnet werden, wobei ein dilatierbarer Körper 401 den Zufluss zu einem Zellen-Kühlmittelkanal 301 blockiert, wenn der dilatierbare Körper 401 druckbeaufschlagt wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sowohl an den Medienzufluss-abgewandten, als auch den Medienzufluss-zugewandten Randzellen 101 eine Blockade des Kühlmittel-Flusses bewirkt werden kann. Bei Verwendung eines dilatierbaren Körpers 401 innerhalb eines Kühlmittel-Manifolds 205, 206 kann der Kühlmittel-Fluss ggf. nur an der Medienzufluss-abgewandten Seite (d.h. an der Endplatte 207) eines Brennstoffzellenstapels 102 erfolgen (insbesondere bei Verwendung eines Ballons als dilatierbaren Körper 401), da ansonsten der Kühlmittel-Fluss zu den aktiven, zentralen Brennstoffzellen 101 im Zentralbereich 212 blockiert würde.
Eine Möglichkeit zur Bereitstellung einer Blockade an der Medienzuflussseite eines Brennstoffzellenstapels 102 ist eine bewegliche Blockade, die sich nur am Außenrand eines Kühlmittel-Manifolds 205, 206 befindet und durch deren Mitte bzw. Öffnung das Kühlmittel 302 in den Zentralbereich 212 des Brennstoffzellenstapels 102 fließen kann. Die bewegliche Blockade kann dabei durch einen Aktuator und/oder durch eine Druckblase (z.B. durch einen dilatierbaren Körper 401) bewegt werden bzw. durch einen dilatierbaren Körper 401 (z.B. durch einen Torus förmigen Körper 401) gebildet werden.
Die Blockade eines Kühlmittelkanals 205, 206, 301 bei Erreichen der Betriebstemperatur (d.h. der Zieltemperatur) eines Brennstoffzellenstapels 102 kann ggf. in passiver Weise ausgestaltet sein. Hierzu kann die Ausdehnung des Dilatationsmediums 403 (insbesondere eines Gases) bei Erhöhung der Temperatur genutzt werden. Vor oder in einen Kühlmittel-Port 301 kann ein dilatierbarer Körper 401 (insbesondere ein Ballon) angeordnet werden. Um eine relativ große räumliche Ausdehnung des dilatierbaren Körpers 401 bei Temperaturänderung zu bewirken, wird bevorzugt ein dilatierbarer Körper 401 mit einem relativ großen Basisvolumen des Dilatationsmediums 403 verwendet. Beispielsweise wird in einem Kühlmittel-Manifold 205, 206 ein ringförmiger dilatierbarer Körper 401 angeordnet, der ggf. mit der Blockade (z.B. einem weiteren Ballon) verbunden ist oder der selbst die Blockade bildet.
Der dilatierbare Körper 401 kann weitestgehend aus einem relativ steifen Material bestehen, welches kaum Ausdehnung zulässt. Lediglich im Bereich 601 des zu verschließenden Kühlmittel-Ports 301 kann der dilatierbare Körper 401 (insbesondere die Außenwand des Körpers 401) aus einem flexiblen Material bestehen, so dass die komplette thermische Ausdehnung des Dilatationsmediums 403 in diesem Bereich 601 zur Port-Schließung erfolgen kann. Die Auslegung des Volumens an Dilatationsmediums 403 und der Materialeigenschaften wird bevorzugt derart gewählt, dass die gesamte Schließung der ein oder mehreren Kühlmittel-Ports 301 bei einer bestimmten Zieltemperatur (z.B. einer Betriebstemperatur von ca. 65°C) erfolgt.
Zur Schließung von ein oder mehreren Kühlmittel-Ports 301 kann somit eine bewegliche Blockade 411 bereitgestellt werden, die durch einen Aktuator bewegt wird. Die Blockade 411 kann mit einer Dichtlippe ausgestaltet sein, um den Spalt zwischen der beweglichen Blockade 411 und der Innenwand eines Kühlmittelkanals 205, 206, 301 abzudichten. Als Blockade 411 kann ggf. eine bewegliche Klappe verwendet werden.
Die Steuerung des Kühlmittel-Flusses (z.B. über die Steuerung der Ventils 404) kann auf Basis der Performance bzw. des Betriebszustands von ein oder mehreren Randzellen 101 erfolgen. In gewissen Betriebssituationen kann es von Vorteil sein, den Kühlmittel-Fluss adaptiv auf Basis von Messdaten zu steuern, z.B. um einen homogeneren Betrieb des Brennstoffzellenstapels 102 zu ermöglichen.
Es wird somit in diesem Dokument eine Anordnung 300 zur variablen Kühlmittelzufuhr zu ein oder mehreren Randzellen 101 in einem Brennstoffzellenstapel 102 beschrieben, wobei die Anordnung 300 zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 im Brennstoffzellenstapel 102 und davon abzweigende Kühlmitteleinlässe zu den einzelnen Zellen 101 aufweist. Die Anordnung 300 kann aktiv ausgebildet sein, um die Kühlmittelzufuhr zu verändern. Dabei kann ein Blockadeelement 411 (z.B. ein axial bewegliches Dichtungselement mit Dichtlippe im Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206, ein Klappenverschlussmechanismus im Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 oder ein aufblasbarer Ballon 401 aus elastischem Material) verwendet werden. Der aufblasbare Ballon 401 kann dabei im Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 und/oder in den Kühlmitteleinlässen der einzelnen Zelle 101 angeordnet sein. Dabei kann der aufblasbare Ballon 401 selbst nach Volumenvergrößerung die Dichtwirkung erzielen oder als Aktuator für eine der o.g. genannten Blockadeelemente 411 wirken. Der aufblasbare Ballon 401 kann über ein Ventil 404 mit dem Kathodenkompressor 209 mit Druck beaufschlagt werden. Des Weiteren kann eine Soll-Leckage 405 zum Ablassen des Drucks bereitgestellt werden.
Ggf. kann zur Anpassung der Kühlmittelzufuhr ein Schiebemechanismus verwendet werden, welcher, wenn betätigt, die Kühlmitteleinlässe zu den einzelnen Zellen 101 blockiert, dabei aber den Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 nicht blockiert.
Ggf. kann ein Torus förmiger Ballon 401 zur Anpassung der Kühlmittelzufuhr verwendet werden, wobei der Ballon 401 aus steifem und flexiblem Material bestehen kann, wobei die flexiblen Stellen 601 an den Kühlmitteleinlässen einer Zelle 101 angeordnet sein können. Durch die Volumenänderung des Ballons 401 bei Erwärmung können dann die Kühlmitteleinlässe geschlossen werden.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 800 zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels 102. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst mehrere Brennstoffzellen 101, von denen zumindest eine Randzelle 101 an einem Rand des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet ist (insbesondere (direkt) an einer Endplatte 201, 207 des Brennstoffzellenstapels 102). Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 ein oder mehrere zentrale Brennstoffzellen 101, die in einem Zentralbereich 212 und nicht am Rand des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet sind. Des Weiteren umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle 301 für die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102.
Das Verfahren 800 umfasst das Bewirken 801 eines Volumenstroms (größer Null) von Kühlmittel 302 aus dem Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 in und/oder durch die Zellen-Kühlmittelkanäle 301 der Randzelle 101 und der zumindest einen zentralen Brennstoffzelle 101, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels 102 ist. Es kann somit eine möglichst gleichmäßige Temperierung der Randzelle 101 und der ein oder mehreren zentralen Brennstoffzellen 101 erfolgen. Dies kann insbesondere in einer Start-Up Phase des Brennstoffzellenstapels 102 der Fall sein, wenn der Brennstoffzellenstapel 102 noch nicht die Zieltemperatur als gewünschte Betriebstemperatur (z.B. eine Zieltemperatur im Bereich von 65°C) erreicht hat.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 800 das Reduzieren 802 des Volumenstroms von Kühlmittel 302 aus dem Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 in bzw. durch den Zellen-Kühlmittelkanal 301 der Randzelle 101 im Vergleich zu dem Volumenstrom von Kühlmittel 302 aus dem Haupt-Kühlmittelkanal 205, 206 in bzw. durch den Zellen-Kühlmittelkanal 301 der zentralen Brennstoffzelle 101, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 größer als oder gleich wie die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels 102 ist (z.B. wenn der Brennstoffzellenstapel 102 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat). Es kann somit bei Erreichen der Zieltemperatur eine reduzierte Temperierung der Randzelle 101 gegenüber den ein oder mehreren zentralen Brennstoffzellen 101 erfolgen.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein homogener und schneller Start-Up eines Brennstoffzellenstapels 102 bewirkt werden. Des Weiteren kann das Unterkühlen von Randzellen 101 im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 102 vermieden werden. Insbesondere können der Start-Up beschleunigt, die Leistungsfähigkeit erhöht und die Lebensdauer erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
102: Brennstoffzellenstapel
103: Steuereinheit
110: Druckbehälter
112: Leitung (Brennstoff)
201: (Leitungs-zugewandte) Endplatte
202: Leitung (Oxidationsmittel)
203: Bipolarplatte
204: Elektrode-Membran-Einheit
205: Haupt-Kühlmittelkanal / Manifold (Zuleitung)
206: Haupt-Kühlmittelkanal / Manifold (Ableitung)
207: (Leitungs-abgewandte) Endplatte
208: Leitung (Brennstoff)
209: Oxidationsmittelförderer
211: Randbereich
212: Zentralbereich
300: Temperierungssystem / Kühlsystem
301: Zellen-Kühlmittelkanal
302: Kühlmittel
304: Kühlmittelförderer
306: Steuereinheit
401: dilatierbarer Körper
402: Leitung (Dilatationsmedium)
403: Dilatationsmedium
404: Ventil
405: Leckage
411: Blockadeelement
601: erster Teilbereich
602: zweiter Teilbereich
701: Temperaturverteilung (geschlossene Kühlmittelkanäle)
702: Temperaturverteilung (geöffnete Kühlmittelkanäle)
800: Verfahren zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels
801, 802: Verfahrensschritte

Claims

Temperierungssystem (300) für einen Brennstoffzellenstapel (102), wobei der Brennstoffzellenstapel (102) mehrere Brennstoffzellen (101) umfasst; wobei der Brennstoffzellenstapel (102) zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle (301) für die einzelnen Brennstoffzellen (101) des Brennstoffzellenstapels (102) umfasst; wobei das Temperierungssystem (300) zumindest einen dilatierbaren Körper (401) umfasst, der ausgebildet ist, - in einem kompaktierten Zustand den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) zumindest einer ersten Brennstoffzelle (101) zu erhöhen oder zu ermöglichen; und - in einem ausgedehnten Zustand den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der ersten Brennstoffzelle (101) zu reduzieren oder zu unterbinden.
Temperierungssystem (300) gemäß Anspruch 1, wobei der dilatierbare Körper (401) - in dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) angeordnet ist; und/oder - in dem Zellen-Kühlmittelkanal (301) der ersten Brennstoffzelle (101) angeordnet ist.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der dilatierbare Körper (401) ausgebildet ist, durch Ausdehnung ein Blockadeelement (411) an einen Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals (301) der ersten Brennstoffzelle (101) heranzuführen, um den Zufluss von Kühlmittel (302) zu reduzieren oder zu unterbinden, bzw. durch Kontraktion das Blockadeelement (411) von dem Einlass des Zellen-Kühlmittelkanals (301) der ersten Brennstoffzelle (101) wegzubewegen, um den Zufluss von Kühlmittel (302) zu erhöhen oder zu ermöglichen; und - das Blockadeelement (411) Teil des dilatierbaren Körpers (401) oder separat von dem dilatierbaren Körper (401) ist.
Temperierungssystem (300) gemäß Anspruch 3, wobei das Blockadeelement (411) eine Dichtung aufweist, die an eine Form des Einlasses des Zellen-Kühlmittelkanals (301) der ersten Brennstoffzelle (101) angepasst ist, um den Einlass im ausgedehnten Zustand des dilatierbaren Körpers (401) abzudichten.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dilatierbare Körper (401) Torus förmig ist, so dass Kühlmittel (302) durch eine von dem dilatierbaren Körper (401) umschlossene Öffnung fließen kann.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Temperierungssystem (300) umfasst, - eine Leitung (402), über die ein Dilatationsmedium (403) in den dilatierbaren Körper (401) geführt werden kann, um den dilatierbaren Körper (401) von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand zu überführen; und - einen Dilatationsmediumförderer, der eingerichtet ist, das Dilatationsmedium (403) über die Leitung (402) in den dilatierbaren Körper (401) zu fördern.
Temperierungssystem (300) gemäß Anspruch 6, wobei - das Dilatationsmedium (403) ein für den Brennstoffzellenstapel (102) verwendetes Oxidationsmittel umfasst; - der Dilatationsmediumförderer einen Oxidationsmittelförderer (209) umfasst, der eingerichtet ist, Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel (102) zu fördern; und - das Temperierungssystem (300) ein Ventil (404) umfasst, das eingerichtet ist, die Leitung (402) mit dem Oxidationsmittelförderer (209) zu koppeln oder davon zu entkoppeln.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei - das Temperierungssystem (300) eine zwischen dem Ventil (404) und dem dilatierbaren Körper (401) angeordnete Leckage (405) umfasst, die einen Leckage-Volumenstrom von Dilatationsmedium (403) aus der Leitung (402) ermöglicht; und - ein durch den Dilatationsmediumförderer bewirkter Volumenstrom größer als oder gleich wie der Leckage-Volumenstrom ist.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Temperierungssystem (300) eine Steuereinheit (306) umfasst, die eingerichtet ist, - Zustandsdaten in Bezug auf einen Betriebszustand der ersten Brennstoffzelle (101) zu ermitteln; wobei die Zustandsdaten insbesondere Temperaturdaten in Bezug auf eine Temperatur der ersten Brennstoffzelle (101) umfassen; und - einen Volumenstrom von Dilatationsmedium (403) in der Leitung (402) in Abhängigkeit von den Zustandsdaten zu verändern; insbesondere den Volumenstrom zu unterbinden oder zu reduzieren, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur der ersten Brennstoffzelle (101) kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) ist, und zu erhöhen oder zu ermöglichen, wenn die Temperaturdaten anzeigen, dass die Temperatur der ersten Brennstoffzelle (101) größer als die Zieltemperatur ist.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der dilatierbare Körper (401) im kompaktierten Zustand eine bestimmte Menge eines Dilatationsmediums (403) einschließt; und - ein Ausdehnungskoeffizient und die eingeschlossene Menge des Dilatationsmediums (403) derart sind, dass der dilatierbare Körper (401) durch eine Erhöhung der Temperatur des Dilatationsmediums (403) auf eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) von dem kompaktierten Zustand in den ausgedehnten Zustand überführt wird.
Temperierungssystem (300) gemäß Anspruch 10, wobei - der dilatierbare Körper (401) ein oder mehrere erste Teilbereiche (601) mit einer relativ hohen Elastizität und ein oder mehrere zweite Teilbereiche (602) mit einer relativ niedrigen Elastizität aufweist; - ein erster Teilbereich (601) insbesondere an einer dem Zellen-Kühlmittelkanal (301) der ersten Brennstoffzelle (101) zugewandten Seite des dilatierbaren Körpers (401) angeordnet ist; und - ein zweiter Teilbereich (602) insbesondere an einer dem Zellen-Kühlmittelkanal (301) der Brennstoffzelle (101) abgewandten Seite des dilatierbaren Körpers (401) angeordnet ist.
Temperierungssystem (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Brennstoffzelle (101) eine an einem Rand des Brennstoffzellenstapels (102) angeordnete Randzelle (101) ist; - der Brennstoffzellenstapel (102) eine Leitungs-zugewandte Endplatte (201) aufweist, an der dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) Kühlmittel (302) zugeführt oder entnommen werden kann; - der Brennstoffzellenstapel (102) eine Leitungs-abgewandte Endplatte (207) aufweist, an der der Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) verschlossen ist; - der Brennstoffzellenstapel (102) zumindest eine Randzelle (101) an der Leitungs-zugewandten Endplatte (201) und zumindest eine Randzelle (101) an der Leitungs-abgewandten Endplatte (207) aufweist; - der Brennstoffzellenstapel (102) ein oder mehrere zentrale Brennstoffzellen (101) aufweist, die zwischen den Randzellen (101) angeordnet sind; und - der zumindest eine dilatierbare Körper (401) ausgebildet ist, den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) zu den Zellen-Kühlmittelkanälen (301) der Randzellen (101) zu unterbinden, und dabei weiterhin den Zufluss von Kühlmittel (302) zu den Zellen-Kühlmittelkanälen (301) der ein oder mehreren zentralen Brennstoffzellen (101) zu ermöglichen.
Temperierungssystem (300) für einen Brennstoffzellenstapel (102), wobei der Brennstoffzellenstapel (102) mehrere Brennstoffzellen (101) umfasst, von denen zumindest eine Randzelle (101) an einem Rand des Brennstoffzellenstapels (102) und zumindest eine zentrale Brennstoffzelle (101) nicht am Rand des Brennstoffzellenstapels (102) angeordnet ist; wobei der Brennstoffzellenstapel (102) zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle (301) für die Brennstoffzellen (101) des Brennstoffzellenstapels (102) umfasst; wobei das Temperierungssystem (300) ausgebildet ist, - den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in die Zellen-Kühlmittelkanäle (301) der Randzelle (101) und der zentralen Brennstoffzelle (101) zu ermöglichen, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (102) kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) ist; und - den Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der Randzelle (101) im Vergleich zu dem Zufluss von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der zentralen Brennstoffzelle (101) zu reduzieren, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (102) größer als oder gleich wie die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) ist.
Verfahren (800) zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels (102), wobei der Brennstoffzellenstapel (102) mehrere Brennstoffzellen (101) umfasst, von denen zumindest eine Randzelle (101) an einem Rand des Brennstoffzellenstapels (102) und zumindest eine zentrale Brennstoffzelle (101) nicht am Rand des Brennstoffzellenstapels (102) angeordnet ist; wobei der Brennstoffzellenstapel (102) zumindest einen Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) und davon abzweigende Zellen-Kühlmittelkanäle (301) für die Brennstoffzellen (101) des Brennstoffzellenstapels (102) umfasst; wobei das Verfahren (800) umfasst, - Bewirken (801) eines Volumenstroms von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in die Zellen-Kühlmittelkanäle (301) der Randzelle (101) und der zentralen Brennstoffzelle (101), wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (102) kleiner als eine Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) ist; und - Reduzieren (802) des Volumenstroms von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der Randzelle (101) im Vergleich zu dem Volumenstrom von Kühlmittel (302) aus dem Haupt-Kühlmittelkanal (205, 206) in den Zellen-Kühlmittelkanal (301) der zentralen Brennstoffzelle (101), wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (102) größer als oder gleich wie die Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (102) ist.