DE102018201193A1 - Temperature control unit for a fuel cell stack and method for controlling the temperature of a fuel cell stack - Google Patents

Temperature control unit for a fuel cell stack and method for controlling the temperature of a fuel cell stack Download PDF

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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.

Figure DE102018201193A1_0000
A temperature control system (300) for a fuel cell stack (102) is described, wherein the fuel cell stack (102) comprises a plurality of fuel cells (101). The fuel cell stack (102) further comprises at least one main coolant channel (205, 206) and branching cell coolant channels (301) for the individual fuel cells (101) of the fuel cell stack (102). The tempering system (300) comprises at least one dilatable body (401), which is configured, in a compacted state, the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) into the cell coolant channel (301) of at least a first one To increase or enable fuel cell (101). In addition, the dilatable body (401) is configured to reduce or eliminate the influx of coolant (302) from the main coolant passage (205, 206) into the cell coolant passage (301) of the first fuel cell (101) in an expanded state ,
Figure DE102018201193A1_0000

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.The invention relates to a fuel cell stack with a plurality of fuel cells. In particular, the invention relates to accelerating the start-up, increasing the power and / or increasing the life of a fuel cell stack.

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.A road vehicle may include a fuel cell system having a fuel cell stack with a plurality of fuel cells, wherein the fuel cell system is based on a fuel such as a fuel cell. Hydrogen generates electrical energy for operation, in particular for the drive, of the vehicle.

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.At start-up of a fuel cell stack, the fuel cell stack typically has a relatively low exit temperature, which may result in reduced fuel cell stack performance during a start-up phase. During a subsequent phase of operation, the temperature of the fuel cell stack increases due to chemical reactions, which can lead to overheating and an associated impairment of the fuel cell stack.

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.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed herein to provide a tempering system, in particular a cooling system, for a fuel cell stack that allows accelerated start-up phase, increased performance, and / or increased life of a fuel cell stack. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are in each case solved by the subject matter of the independent claims 1, 14 and 15. The dependent claims represent preferred embodiments.

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).According to one aspect, a temperature control system, in particular a cooling system, for a fuel cell stack is described. The fuel cell stack comprises a plurality of fuel cells. In this case, one or more fuel cells may be arranged in edge regions of the fuel cell stack (so-called edge cells). Furthermore, one or more fuel cells may be arranged in a central region surrounded by the edge regions (so-called central fuel cells).

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.The fuel cell stack comprises at least one main coolant channel and branching cell coolant channels for the individual fuel cells of the fuel cell stack. The fuel cells can be arranged next to one another along the x-axis of a Cartesian coordinate system, and possibly each have a bipolar plate. The fuel cells may then each extend in a plane formed by the y-axis and by the z-axis. The main coolant passage may extend past the fuel cells along the x-axis. The cell coolant channels of a fuel cell may extend within the plane formed by the y-axis and the z-axis (and thus stand perpendicular to the main coolant channel). The main coolant channel may also be referred to as a manifold.

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.The tempering system comprises at least one dilatable body, which is designed to increase or facilitate the inflow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of at least one first fuel cell in a compacted state. Furthermore, the dilatable body is designed, in an expanded state, to reduce or prevent the inflow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of the first fuel cell. The dilatable body may comprise an at least partially elastic outer wall, i. have an outer wall made of elastic material. The outer wall of the dilatable body may surround a dilation medium. By increasing the pressure of the dilation medium, the elastic portion of the outer wall can be expanded to transfer the dilatable body from the compacted state to the expanded state. For example, the dilatable body may be formed as an inflatable balloon.

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.Thus, there is described a tempering system that makes it possible, in an efficient and reliable manner by using a dilatable body, to adjust the temperature of individual fuel cells of a fuel cell stack (e.g., to match a current operating state of the fuel cell). This can accelerate the start-up of a fuel cell stack, increase the efficiency of a fuel cell stack, and extend the life of a fuel cell stack.

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.The dilatable body is preferably configured and / or arranged to permit reliable and / or selective closure of a cell coolant channel (if possible without affecting the inflow of coolant to the one or more other cell coolant channels). In particular, the dilatable body may be disposed in the main coolant channel, which is typically advantageous for controlling the inflow to a Reliably close and open cell coolant passage. In particular, the arrangement in the relatively large main coolant channel allows the use of a volume relatively large dilatable body, which can be reliably converted into a compacted and an expanded state.

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.Alternatively or additionally, a dilatable body can be arranged in the cell coolant channel of the first fuel cell, whereby a selective adjustment of the inflow of coolant for the first fuel cell can be effected in a particularly reliable manner.

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.The dilatable body may be torus-shaped so that coolant may flow through an opening surrounded by the dilatable body. The use of a torus-shaped body is particularly advantageous for the arrangement of the dilatable body within the main coolant channel, since so the closure of the entire main coolant channel can be avoided by the dilatable body. Nevertheless, with a torus-shaped, dilatable body, selective closure of one or more cell coolant passages can be effected.

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).The dilatable body may be configured to expand a blockage member to an inlet of the cell coolant channel of the first fuel cell to reduce or eliminate the inflow of coolant (when the dilatable body is transitioned from the compacted state to the expanded state). On the other hand, the dilatable body may be configured to contractionally move the blockage member away from the inlet of the cell coolant channel of the first fuel cell to increase or allow the inflow of coolant (when the dilatable body is transitioned from the expanded state to the compacted state). ,

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.In this case, the blockage element can be part of the dilatable body. In particular, the blockage element can be formed by the (possibly elastic) outer wall of the dilatable body. Thus, a particularly cost-efficient adjustment of the inflow of coolant can be effected.

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.Alternatively, the blocking element may be separate from the dilatable body. For example, the blockage member may be a flap moved from the dilatable body to the inlet or a closure member moved from the dilatable body to the inlet. Thus, a particularly reliable adjustment of the inflow of coolant can be effected.

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.The blockage member may include a gasket adapted to a shape of the inlet of the cell coolant channel of the first fuel cell to seal the inlet in the expanded state of the dilatable body. Thus, a particularly reliable inhibition of the temperature control of the first fuel cell can be effected.

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.The tempering system may include a conduit through which a dilation medium (in particular a gas) may be passed into the dilatable body to transfer the dilatable body from the compacted state to the expanded state. The conduit may be at least partially guided through the main coolant channel to the dilatable body. Further, the tempering system may include a dilation medium conveyor (e.g., a compressor) configured to deliver the dilation medium via the conduit into the dilatable body (thereby transferring the dilatable body from the compacted state to the expanded state). Thus, a change in the inflow of coolant for the first fuel cell can be effected in a reliable manner.

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.The dilatation medium in a preferred example includes an oxidant (e.g., compressed air) used for the fuel cell stack. The dilatation medium conveyor may then be the oxidant promoter of the fuel cell stack configured to deliver oxidizer for the chemical reaction in the fuel cells into the fuel cell stack. Further, the tempering system may include a valve configured to couple or decouple the conduit to the dilatable body with the oxidizer promoter. Thus, a control of the state of the dilatable body and the inflow of coolant can be effected in a particularly efficient manner.

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).The tempering system may include a leakage disposed between the valve and the dilatable body, which allows a (defined) leakage volume flow of Dilatationsmedium from the line. By providing leakage, it is possible to efficiently cause the dilatable body to be transferred from the expanded state to the compacted state (e.g., by closing the valve).

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.A volume flow caused by the dilating medium conveyor is preferably greater than or equal to the leakage volume flow. Thus, the dilatable body can be reliably transferred to the expanded state and held therein.

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. The temperature control system may include a control unit that is configured to determine status data relating to an operating state of the first fuel cell and / or the fuel cell stack. In this case, the status data may in particular include temperature data relating to a temperature of the first fuel cell and / or of the fuel cell stack.

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.Furthermore, the control unit can be set up to change the volume flow of dilating medium in the line as a function of the status data, in order to change the state of the dilatable body and thus the inflow of coolant for the first fuel cell in dependence on the status data. In particular, the volume flow of dilating medium may be inhibited or reduced if the temperature data indicates that the temperature of the first fuel cell or stack is below a target temperature of the fuel cell stack (or if the fuel cell stack is in the start-up phase). Alternatively or additionally, the volume flow of dilating medium can be increased or made possible if the temperature data indicate that the temperature of the first fuel cell or stack is greater than the target temperature (or if the fuel cell stack is in the operating phase). Thus, the start-up of a fuel cell stack can be accelerated in a particularly reliable manner, the performance of a fuel cell stack can be increased and the lifetime of a fuel cell stack can be extended.

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.The temperature control (in particular the cooling) of the fuel cell stack during the operating phase may be such that the inflow of coolant is increased when the temperature data indicate that the temperature of the fuel cell stack is greater than a desired temperature of the fuel cell stack for the operating phase. On the other hand, if the temperature data indicates that the temperature of the fuel cell stack is less than the desired temperature of the fuel cell stack for the operating phase, the inflow of coolant may be reduced. Thus, the temperature of the fuel cell stack can be regulated to the desired temperature. The desired temperature may be higher than the target temperature (at which the transition from the start-up phase to the operating phase takes place). If necessary, the influx may be altered by the dilatable bodies described in this document.

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.In the compacted state, the dilatable body may include a certain amount of a dilation medium (and possibly be closed off from the environment). In particular, a self-sufficient dilatable body with a fixed amount of dilation medium can be provided. The expansion coefficient of the dilation medium, the enclosed amount of the dilation medium, the shape and / or the material of the dilatable body may be such that the dilatable body (possibly alone) by increasing the temperature of the dilation medium to the target temperature of the fuel cell stack from the compacted state is transferred to the expanded state. The adaptation of the coolant quantity can thus be carried out in an autonomous manner solely by the change in the temperature of the dilatation medium. It can thus be done in a particularly efficient manner, a passive control of the inflow of coolant for temperature control of the first fuel cell.

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.The dilatable body (in particular the outer wall of the dilatable body) can have one or more first partial regions with a relatively high elasticity and one or more second partial regions with a relatively low elasticity. In this case, a first subregion can be arranged, in particular, on a side of the dilatable body facing the cell coolant channel of the first fuel cell. Furthermore, a second partial region may be arranged on a side of the dilatable body facing away from the cell coolant channel of the fuel cell. By providing little or no elastic portions, the extent of deformation of a relatively elastic portion of the dilatable body can be increased. Thus, the degree and reliability of the change of the inflow of coolant for the first fuel cell can be increased.

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.The first fuel cell may be a peripheral cell. It can thus be done a selective adjustment of the temperature of one or more edge cells of a fuel cell stack. Thus, the start-up of a fuel cell stack can be accelerated in a particularly reliable manner, the performance of a fuel cell stack can be increased and the lifetime of a fuel cell stack can be extended.

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.The fuel cell stack typically includes a conduit facing end plate to which coolant may be added or removed from the main coolant gallery. Furthermore, the fuel cell stack typically has a line-facing end plate, on which the main coolant channel is closed or forms a dead end. The fuel cell stack can have at least one edge cell on the line-facing end plate and at least one edge cell on the line-remote end plate. Furthermore, the fuel cell stack may include one or more central fuel cells disposed between the peripheral cells. The one or more edge cells are typically not on involved in the generation of electrical power, but primarily fulfill the task of thermal insulation. The electrical power is typically provided only by the one or more active central fuel cells.

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.The at least one dilatable body is preferably designed to prevent the inflow of coolant from the main coolant channel to the cell coolant channels of the peripheral cells, and thereby to continue to allow the inflow of coolant to the cell coolant channels of the one or more central fuel cells. This can, as stated above, e.g. be effected by the use of one or more torus-shaped dilatable bodies.

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.According to a further aspect, a temperature control system for a fuel cell stack is described. The aspects of a tempering system described in this document are also applicable to this tempering system. The fuel cell stack to be tempered comprises a plurality of fuel cells, of which at least one edge cell is not arranged on one edge or in an edge region of the fuel cell stack and at least one central fuel cell is not arranged on the edge or in an edge region of the fuel cell stack. Furthermore, the fuel cell stack comprises at least one main coolant channel and branching cell coolant channels for the fuel cells of the fuel cell stack.

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.The temperature control system is configured to allow the flow of coolant from the main coolant passage into the cell coolant channels of the peripheral cell and the central fuel cell when a temperature of the fuel cell stack is less than a target temperature of the fuel cell stack. Furthermore, the tempering system is formed (eg by means of a dilatable body for the at least one peripheral cell), the inflow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of the peripheral cell in comparison to the inflow of coolant from the main coolant channel in the cells Coolant channel of the central fuel cell to reduce when the temperature of the fuel cell stack is greater than or equal to the target temperature of the fuel cell stack. This can accelerate the start-up of a fuel cell stack, increase the efficiency of a fuel cell stack, and extend the life of a fuel cell stack. In this case, the inflow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of the central fuel cell can remain substantially unchanged (regardless of whether the temperature of the fuel cell stack is less than or greater than the target temperature) or both in the start-up phase also in the operating phase.

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.According to a further aspect, a method for controlling the temperature of a fuel cell stack is described. The method may be performed by a control unit of a Temperierungssystems. The fuel cell stack comprises a plurality of fuel cells, of which at least one edge cell is arranged on an edge or in an edge region of the fuel cell stack and at least one central fuel cell is not arranged on the edge or not in an edge region of the fuel cell stack. The fuel cell stack comprises at least one main coolant channel and branching cell coolant channels for the fuel cells of the fuel cell stack.

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.The method includes effecting a volume flow of coolant from the main coolant passage into the cell coolant channels of the peripheral cell and the central fuel cell when a temperature of the fuel cell stack is less than a target temperature of the fuel cell stack. In addition, the method includes reducing the volume flow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of the peripheral cell as compared to the volume flow of coolant from the main coolant channel into the cell coolant channel of the central fuel cell when the temperature of the fuel cell stack is greater than or the same as the target temperature of the fuel cell stack.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der das in diesem Dokument beschriebene Temperierungssystem umfasst.In another aspect, a fuel cell stack is described that includes the temperature control system described in this document.

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.According to a further aspect, a vehicle (in particular a road vehicle, for example a passenger car or a lorry) is described, which comprises the fuel cell stack described in this document.

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.It should be understood that the apparatus, methods, and systems described herein may be used alone or in combination with other apparatus, methods, and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the apparatus, methods, and systems described herein may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.

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.
Furthermore, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments. Show
  • 1 an exemplary fuel cell system with a fuel cell stack;
  • 2 an exemplary fuel cell stack in a side view;
  • 3 an exemplary cooling system for a fuel cell stack in a side view;
  • 4a and 4b an exemplary dilatable body for closing a main coolant channel of a fuel cell stack;
  • 4c an exemplary dilatable body with a separate blockage element;
  • 5a and 5b an exemplary dilatable body for closing a cell coolant channel of a fuel cell;
  • 6a . 6b and 6c an exemplary torus-shaped dilatable body;
  • 7a an exemplary temperature profile of the temperature of the fuel cell of a fuel cell stack in an operating phase;
  • 7b an exemplary temperature profile of the temperature of the fuel cell of a fuel cell stack in a start-up phase; and
  • 8th a flowchart of an exemplary method for controlling the temperature of a fuel cell stack.

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.As set forth above, the present document is concerned with providing an efficient and reliable fuel cell stack temperature control system that allows for a shortened start-up phase, increased performance, and / or longer life of a fuel cell stack.

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. 1 shows a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 102 with a variety of fuel cells 101 , The fuel cell system 100 is intended for example for mobile applications such as motor vehicles, in particular for the provision of electrical energy for at least one electric drive machine for locomotion of a motor vehicle. A fuel cell 101 is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. Furthermore, the fuel cell system includes 100 typically at least one pressure vessel 110 that can be used to fuel the fuel cells 101 provide. The pressure vessel 110 is via lines 112 with the one or more fuel cells 101 connected.

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®.A fuel cell 100 includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are: air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and 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.The fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 usually comprise two separator plates. The ion-selective separator of a fuel cell 101 is usually arranged in each case between two separator plates. The one separator plate forms the anode together with the ion-selective separator. The further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator, however, forms the cathode together with the ion-selective separator. Gas channels for fuel or for oxidants are preferably provided in the separator plates. Furthermore, coolant channels for a coolant for cooling the fuel cells can be provided in the separator plates 101 be provided.

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.The separator plates can be designed as monopolar plates or as bipolar plates. In particular, a bipolar plate has two sides, one side, together with an ion-selective separator, the anode of a first fuel cell 101 forms and the second side together with another ion-selective separator of an adjacent second fuel cell 101 the cathode of the second fuel cell 101 formed.

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. 2 shows the structure of an exemplary fuel cell stack 102 in a side view (along the x-axis of a Cartesian coordinate system). The fuel cell stack 102 includes endplates 201 . 207 between which several fuel cells 101 are arranged. The end plates 201 . 207 can be used to fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 hold together or squeeze together. As stated above, a fuel cell 101 through one side of two adjacent bipolar plates 203 be formed. Between two adjacent bipolar plates 203 For example, a membrane electrode assembly (MEA) 204 may be disposed. In addition, the fuel cell stack includes 102 a fuel channel 208 through the fuel and / or an oxidant channel 202 through the oxidant via the bipolar plates 303 to the individual fuel cells 101 can be performed. It can do that Oxidizing agent by means of an oxidizing agent 209 (For example by means of a compressor) in the oxidant channel 202 be encouraged. Furthermore, the fuel cell stack comprises 102 one or more channels via the one or more reaction products (again via the bipolar plates 303 ) from the individual fuel cells 101 can be performed.

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.The accesses to the individual channels 202 . 208 are located to reduce the space typically only on one side or end plate 201 a fuel cell stack 102 , The other end plate 207 typically has no leads, and thus typically provides a dead end for those in the channels 202 . 208 guided fluids.

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.A fuel cell stack 102 can in the border areas 211 that directly adjoin the end plates 201 . 207 connect, one or more edge fuel cells 101 or marginal cells for short 101 respectively. The one or more border cells 101 typically are not actively operated, ie typically no fuel and / or oxidant is supplied. In particular, the one or more edge cells 101 no electrode-membrane unit 204 or at least have no ion-selective separator. The one or more marginal cells 101 can thus be constructed as electrically conductive dummy or dummy cells, which are not for generating the electrical energy of a fuel cell stack 102 contribute. On the other hand, the one or more border cells 101 be used as a thermal insulator to a uniform temperature distribution of the central fuel cells 101 in the central area 212 of the fuel cell stack 102 between the border areas 211 to enable. The one or more marginal cells 101 For this purpose, they may have a relatively low thermal conductivity. For cost reasons, those for the marginal cells 101 used bipolar plates 203 typically identical to the bipolar plates 203 the one or more central fuel cells 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.The fuel cell stack 102 may be at least a first skin coolant channel 205 have, over which a coolant to the individual bipolar plates 203 of the fuel cell stack 102 to be led. Furthermore, the fuel cell stack 102 at least one second main coolant channel 206 over which the coolant again from the individual bipolar plates 203 can be carried away. The main coolant channels 205 . 206 of the fuel cell stack 102 can also be referred to as coolant manifolds.

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. 3 shows an exemplary tempering or cooling system 300 for a fuel cell stack 102 , The main coolant channels 205 . 206 of the fuel cell stack 102 are each with one or more cell coolant channels 301 the individual bipolar plates 203 or fuel cells 101 connected. By means of a coolant conveyor 304 (eg a pump) can coolant 302 in the first main coolant channel 205 through the cell coolant channels 301 the bipolar plates 203 and through the second main coolant passage 206 pumped (represented by the arrows) to the fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 to temper. The coolant 302 may include a liquid and / or a gas. The coolant 302 may in particular comprise water and / or glycols. The coolant conveyor 304 can by a control unit 306 be controlled, for example, the flow rate of the coolant 302 , eg as a function of the temperature of the fuel cells 101 to adapt.

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.In the 2 and 3 is a Cartesian coordinate system shown. In this document are the individual fuel cells 101 along the x-axis side by side in a fuel cell stack 102 arranged. The individual fuel cells 101 , in particular the bipolar plates 203 , extend within parallel plane, which are formed by the z-axis and y-axis.

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. 7a shows temperature curves of the individual fuel cells 101 a fuel cell stack 102 along the x-axis in a stable phase of operation. In particular shows 7a the temperature profile 701 in the event that the coolant channels 301 for all fuel cells 101 (also for the marginal cells 101 ), ie in the event that during operation not only the central fuel cells 101 in the central area 212 but also the one or more marginal cells 101 in the border areas 211 be tempered. From the temperature history 701 it can be seen that the central fuel cells 101 of the central area 212 at the transition to the border areas 211 have a relatively high temperature drop. In particular, an undercooling of the marginal cells 101 (especially at the outlet 206 of the coolant 302 ) to a relatively low temperature of the active, central fuel cells 101 at the edge of the central area 212 to lead. This reduced temperature can increase the risk of flooding of the central fuel cells in an operating phase 101 in the wet area (typically at the cathode outlet of the fuel cells 101 ) to lead. As a result, the conductivity of these central fuel cells becomes 101 and thus the fuel cell stack 102 reduced. Furthermore, thereby the life of the fuel cell stack 102 be affected.

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. 7b shows the temperature profile 701 with opened coolant channels 301 during the start-up phase of a fuel cell stack 102 , Of Further shows 7b a temperature profile 702 in the event that the coolant channels 301 the one or more border cells 101 during the start-up phase are closed, and thus no tempering of the one or more edge cells 101 he follows. How out 7b can be seen, by tempering the edge cells 101 During a start-up phase, an accelerated increase in the temperature of the central fuel cells 101 be brought to a desired operating temperature and thus a shortening of the start-up phase.

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.The cooling system 300 a fuel cell stack 102 can thus be set up, a selective temperature control of one or more peripheral cells 101 perform. In particular, during a start-up phase of the fuel cell stack 102 (Starting from a relatively low starting temperature), a temperature of the one or more peripheral cells 101 be enabled. For this purpose, the cell coolant channels 301 the one or more border cells 101 be opened during the start-up phase. On the other hand, during an operating phase (when a certain operating temperature is reached as the target temperature), a temperature control of the one or more peripheral cells 101 be prevented. For this purpose, the cell coolant channels 301 the one or more border cells 101 be closed during the operating phase. So can, as by the temperature history 702 out 7a shown a relatively uniform distribution of the temperature of the active, central fuel cells 101 in the central area 212 a fuel cell stack 102 be effected. In sum, such accelerated start-up, increased performance and increased life of a fuel cell stack 102 be effected.

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. 4a and 4b show a tempering system 300 for a fuel cell stack 102 containing one or more dilatable bodies 401 includes, with which a main coolant channel 205 can be opened or closed as needed. In the in the 4a and 4b The example shown is the dilatable body 401 in the first main coolant channel 205 of the fuel cell stack 102 (ie in the supply line for coolant 302 ) arranged. Alternatively or additionally, a dilatable body 401 in the second main coolant channel 206 of the fuel cell stack 102 (ie in the derivative for coolant 302 ) can be arranged. In the in 4a illustrated compacted state allows the dilatable body 401 the flow of coolant 302 into or behind the dilatable body 401 arranged cell coolant channel 301 , On the other hand, the dilatable body 401 be widened so that the dilatable body 401 in the expanded state (see 4b) the flow of coolant 302 into or behind the dilatable body 401 arranged cell coolant channel 301 in derogation. By transferring a dilatable body 401 from a compacted state to an expanded state can thus, in an efficient, reliable and selective manner, control the temperature of one or more fuel cells 101 be prevented (or vice versa). The dilatable body 401 may include, for example, a balloon or a bladder.

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 the in the 4a and 4b The example shown is the dilatable body 401 by means of a dilatation medium 403 (eg compressed air) pumped up to the body 401 from the compacted state to the expanded state. To provide the dilation medium 403 In general, a dilatation medium conveyor (eg, a compressor) and, more particularly, the oxidant conveyor 209 be used. In particular, by the oxidizing agent promoter 209 during operation of a fuel cell stack 102 Oxidizing agent as dilating medium 403 via a supply line 402 in the dilatable body 401 be pumped to the body 401 to inflate and thus to convert into the expanded state. About a valve 404 may be the supply of the dilation medium 403 allowed or prevented. Furthermore, there may be a leak 405 on the supply line 402 between the valve 404 and the dilatable body 401 are provided, which is preferably designed such that (only) after interruption of the supply of the dilatation medium 403 the dilatable body 401 from the expanded state to the compacted state.

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.In the in 4b The example shown is a cell coolant channel 301 through the outer wall of the dilatable body 401 even closed to the supply of coolant 302 to prevent. The outer wall thus forms, at least in some areas, a blocking element with which the inlet of the cell coolant channel 301 is blocked when the dilatable body 401 in the expanded state. 4c shows an example in which through the dilatable body 401 a separate blockade element 411 (eg a flap or a plug) is moved. This is the blockade element 411 on the inlet of the cell coolant channel 301 moved to close the inlet when the dilatable body 401 from the compacted state to the expanded state. The blockade element 411 may have a seal to effect a reliable closure of the inlet.

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.The 5a and 5b show an example in which a dilatable body 401 directly in a cell coolant channel 301 a fuel cell 101 or a bipolar plate 203 is arranged. The dilatable bodies 401 Thus, it can be used to provide a single cell coolant channel 301 a fuel cell 101 selectively open or close. In contrast, through one in a main coolant channel 205 . 206 of the fuel cell stack 102 arranged dilatable body 401 several fuel cells 101 if necessary, be decoupled from the temperature control.

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.In the in the 4a . 4b . 4c . 5a and 5b As shown, the supply of the dilating medium 402 through the control unit 306 of the tempering system 300 being controlled. In particular, by the control unit 306 be prompted that the valve 404 for the dilation medium 402 opened or closed. For example, by the control unit 306 causes the valve 404 in the start-up phase of a fuel cell stack 102 (at a relatively low outlet temperature) is closed, so that the one or more dilatable body 401 are each in the compacted state and thus a temperature of the one or more edge cells 101 enable. Furthermore, by the control unit 306 causes the valve 404 in the operating phase (when reaching a certain operating temperature) is opened, so that the one or more dilatable body 401 in the expanded state and thus a temperature of the one or more edge cells 101 prevention.

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.The 6a to 6c show an exemplary dilatable body 401 by which in an automatic way (without control by a control unit 306 ) that can cause the dilatable body 401 in a start-up phase (ie at a relatively low temperature of the fuel cell stack 102 ) in the compacted state and in an operating phase (ie, at a relatively high temperature of the fuel cell stack 102 ) is in the expanded state. The dilatable body 401 can for this purpose with a dilation medium 403 be filled, which has a relatively large expansion coefficient. In particular, the dilation medium 403 be an (ideal) gas or include. Preferably, the dilation medium 403 an expansion coefficient of 2.0 - 10 -3 K -1 , 3.0 · 10 -3 K -1 or more. The dilatation medium 403 Expands with increasing temperature of the fuel cell stack 102 and transfers the dilatable body 401 from the compacted state to the expanded state.

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). 6a shows a torus-shaped dilatable body 401 with an expansible dilatation medium 403 in the compacted state (ie, at a relatively low temperature of the fuel cell stack 102 ) in a side view along the x-axis. 6b shows the torus shaped dilatable body 401 in the compacted state within the plane defined by the y-axis and the z-axis. Like from the 6a and 6b As can be seen, the one or more cell coolant channels 301 a fuel cell 101 open, allowing a temperature control of the fuel cell 101 can be done (eg in a start-up phase at relatively low temperatures of the fuel cell stack 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.As a result of the temperature increase during operation of a fuel cell stack 102 the dilatable body expands 401 while closing the one or more cell coolant channels 301 the fuel cell 101 , so that the temperature control of the fuel cell 101 is suppressed (see 6c ). Thus, the temperature of the one or more edge cells 101 a fuel cell stack 102 in an operating phase (ie at a relatively high temperature of the fuel cell stack 102 ) be prevented in an efficient and reliable manner.

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.The dilatable body 401 can have different subarea 601 . 602 having different stiffness and / or with different elasticity. In particular, the body can 401 a one or more to be closed coolant channels 301 facing first section 601 having relatively high elasticity, which by expansion provides a reliable closure of the one or more coolant channels 301 allows. Furthermore, the body can 401 one or more second sections 602 having a relatively low elasticity to the largest possible extent of the first portion 601 to enable. By providing different elastic partial areas 601 . 602 Thus, a particularly reliable closing and / or opening of cell coolant channels 301 be effected.

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.The use of a torus-shaped body 401 allows individual fuel cells 101 selectively decouple from the temperature, as coolant 302 through the enclosed opening of the torus-shaped body 401 can flow. If necessary, several border cells 101 (at the end plate 207 ) at the same time decouple from the tempering on the other hand, in a particularly efficient way, a cuboid and / or spherical dilatable body 401 be used.

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.Thus, means (eg, variable or movable blocks) may be provided through which one or more coolant channels 205 . 206 . 301 a fuel cell stack 102 (In particular at least one manifold 205 . 206 ) upon reaching the (target) operating temperature (ie the target temperature) of the fuel cell stack 102 can be closed to the inflow of coolant 203 to one or more peripheral cells 101 of the fuel cell stack 102 to reduce or (completely) block.

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.A variable and / or changeable blockage can be caused by a pressure blister or by a dilatable body 401 to be provided. The dilatable body 401 can be completely configured as a balloon, which when inflated one or more coolant ports 301 of one or more peripheral cells 101 blocked. Alternatively or additionally, the dilatable body 401 be designed as a bubble which is formed, a solid blockage 411 (eg, a flap and / or a plug) to move to one or more coolant ports 301 of one or more peripheral cells 101 to block. When using a dilatable body 401 is preferred that the coolant 302 can be acted upon with a certain coolant pressure. The dilatable body 401 Therefore, it is preferably transferred from the compacted state to the expanded state with an overpressure exceeding the coolant pressure.

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.It is possible to overpressure the dilating medium 403 for expanding the dilatable body 401 by means of the cathode compressor (ie the oxidant conveyor) 209 to create. So can be dispensed with the use of another compressor. This can be done through a valve 404 be made possible, which is the supply of the oxidant from the compressor 209 to the dilatable body 401 controls. The release of pressure from the dilatable body 401 Can have a relatively small, predefined leakage 405 to the outside. Here is the leakage 405 preferably designed so that it does not lead to a relevant mass flow loss of oxidant. Furthermore, the leakage 405 preferably designed such that the failure of the pressurization of the dilatable body 401 (eg by closing the valve 404 ) to a (possibly slow) drop in pressure in the dilatable body 401 and thus leads to a transition to the compacted state.

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.Another way to configure the blockage of the coolant 302 , is a local blockage of the coolant flow directly at the passage between the manifold 205 . 206 of the fuel cell stack 102 and the one or more cell coolant channels 301 of one or more peripheral cells 101 , For this purpose, relatively small individual dilatable body 401 at and / or in the inlets of the cell coolant channels 301 be arranged, being a dilatable body 401 the inflow to a cell coolant channel 301 blocked when the dilatable body 401 is pressurized. This refinement has the advantage that edge cells facing away from the media inflow as well as the media inflow facing edge cells 101 a blockage of the coolant flow can be effected. When using a dilatable body 401 inside a coolant manifold 205 . 206 If necessary, the coolant flow may only be on the side facing away from the media inlet (ie on the end plate 207 ) of a fuel cell stack 102 take place (especially when using a balloon as a dilatable body 401 Otherwise, the coolant flow to the active, central fuel cells 101 in the central area 212 would be blocked.

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.One way to provide a blockage at the media inflow side of a fuel cell stack 102 is a moving blockage that only rests on the outer edge of a coolant manifold 205 . 206 is located and through the center or opening of the coolant 302 in the central area 212 of the fuel cell stack 102 can flow. The movable blockage can be characterized by an actuator and / or by a pressure bladder (eg by a dilatable body 401 ) or by a dilatable body 401 (eg by a torus-shaped body 401 ) are formed.

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.The blockage of a coolant channel 205 . 206 . 301 upon reaching the operating temperature (ie, target temperature) of a fuel cell stack 102 may optionally be configured in a passive manner. For this purpose, the expansion of the dilation medium 403 (In particular, a gas) can be used with increasing temperature. In front of or in a coolant port 301 can be a dilatable body 401 (In particular, a balloon) are arranged. To a relatively large spatial extent of the dilatable body 401 to cause temperature change, is preferably a dilatable body 401 with a relatively large base volume of the dilation medium 403 used. For example, in a coolant manifold 205 . 206 an annular dilatable body 401 arranged, which is possibly connected to the blockade (eg another balloon) or forms the blockade itself.

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.The dilatable body 401 can largely consist of a relatively stiff material, which hardly allows expansion. Only in the area 601 of the coolant port to be closed 301 can the dilatable body 401 (especially the outer wall of the body 401 ) consist of a flexible material, so that the complete thermal expansion of the dilatation medium 403 in this area 601 can be done for port closure. The design of the volume of dilatation medium 403 and the material properties is preferably chosen such that the total closure of the one or more coolant ports 301 at a certain target temperature (eg an operating temperature of about 65 ° C) takes place.

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. To close one or more coolant ports 301 can thus be a mobile blockade 411 be provided, which is moved by an actuator. The blockade 411 can be configured with a sealing lip to the gap between the movable blockage 411 and the inner wall of a coolant channel 205 . 206 . 301 seal. As a blockade 411 If necessary, a movable flap can be used.

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.The control of the coolant flow (eg via the control of the valve 404 ) may be based on the performance or operating state of one or more edge cells 101 respectively. In certain operating situations, it may be advantageous to adaptively control the coolant flow on the basis of measured data, for example a more homogeneous operation of the fuel cell stack 102 to enable.

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.It is thus in this document an arrangement 300 for variable coolant supply to one or more peripheral cells 101 in a fuel cell stack 102 described, the arrangement 300 at least one main coolant channel 205 . 206 in the fuel cell stack 102 and branching coolant inlets to the individual cells 101 having. The order 300 can be actively configured to change the coolant supply. This can be a blockade element 411 (Eg an axially movable sealing element with sealing lip in the main coolant channel 205 . 206 , a flap closing mechanism in the main coolant channel 205 . 206 or an inflatable balloon 401 made of elastic material) can be used. The inflatable balloon 401 can in the main coolant channel 205 . 206 and / or in the coolant inlets of the single cell 101 be arranged. In doing so, the inflatable balloon 401 even after increasing the volume, achieve the sealing effect or as an actuator for one of the abovementioned blocking elements 411 Act. The inflatable balloon 401 can have a valve 404 with the cathode compressor 209 be pressurized. Furthermore, a target leakage 405 be provided for releasing the pressure.

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.Possibly. For example, in order to adjust the coolant supply, a sliding mechanism can be used, which, when activated, the coolant inlets to the individual cells 101 blocked, but the main coolant channel 205 . 206 not blocked.

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.Possibly. can be a torus shaped balloon 401 be used to adjust the coolant supply, the balloon 401 may consist of rigid and flexible material, the flexible points 601 at the coolant inlets of a cell 101 can be arranged. By the volume change of the balloon 401 when heated, the coolant inlets can then be closed.

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. 8th shows a flowchart of an exemplary method 800 for temperature control of a fuel cell stack 102 , The fuel cell stack 102 includes several fuel cells 101 , of which at least one border cell 101 at an edge of the fuel cell stack 102 is arranged (in particular (directly) on an end plate 201 . 207 of the fuel cell stack 102 ). In addition, the fuel cell stack includes 102 one or more central fuel cells 101 in a central area 212 and not at the edge of the fuel cell stack 102 are arranged. Furthermore, the fuel cell stack comprises 102 at least one main coolant channel 205 . 206 and branching cell coolant channels 301 for the fuel cells 101 of the fuel cell stack 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.The procedure 800 includes effecting 801 a volumetric flow (greater than zero) of coolant 302 from the main coolant channel 205 . 206 in and / or through the cell coolant channels 301 the border cell 101 and the at least one central fuel cell 101 when a temperature of the fuel cell stack 102 smaller than a target temperature of the fuel cell stack 102 is. It can thus be as uniform as possible tempering the edge cell 101 and the one or more central fuel cells 101 respectively. This can especially in a start-up phase of the fuel cell stack 102 be the case when the fuel cell stack 102 has not yet reached the target temperature as the desired operating temperature (eg a target temperature in the range of 65 ° C).

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.Furthermore, the method includes 800 reducing 802 the volume flow of coolant 302 from the main coolant channel 205 . 206 in or through the cell coolant channel 301 the border cell 101 compared to the volume flow of coolant 302 from the main coolant channel 205 . 206 in or through the cell coolant channel 301 the central fuel cell 101 when the temperature of the fuel cell stack 102 greater than or equal to the target temperature of the fuel cell stack 102 is (eg if the fuel cell stack 102 has reached the desired operating temperature). It can thus upon reaching the target temperature, a reduced temperature of the peripheral cell 101 opposite the one or more central fuel cells 101 respectively.

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.The measures described in this document can provide a homogeneous and fast start-up of a fuel cell stack 102 be effected. Furthermore, the subcooling of marginal cells 101 during operation of the fuel cell stack 102 be avoided. In particular, the start-up can be accelerated, the performance increased and the lifetime increased.

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.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed apparatus, methods and systems.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
101101
Brennstoffzellefuel cell
102102
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
103103
Steuereinheitcontrol unit
110110
Druckbehälterpressure vessel
112112
Leitung (Brennstoff)Pipe (fuel)
201201
(Leitungs-zugewandte) Endplatte(Line-facing) end plate
202202
Leitung (Oxidationsmittel)Line (oxidizing agent)
203203
Bipolarplattebipolar
204204
Elektrode-Membran-EinheitElectrode-membrane unit
205205
Haupt-Kühlmittelkanal / Manifold (Zuleitung)Main coolant channel / manifold (supply line)
206206
Haupt-Kühlmittelkanal / Manifold (Ableitung)Main coolant channel / manifold (derivative)
207207
(Leitungs-abgewandte) Endplatte(Line-facing) end plate
208208
Leitung (Brennstoff)Pipe (fuel)
209209
OxidationsmittelfördererOxidant conveyor
211211
Randbereichborder area
212212
ZentralbereichCentral area
300300
Temperierungssystem / KühlsystemTemperature control system / cooling system
301301
Zellen-KühlmittelkanalCell coolant channel
302302
Kühlmittelcoolant
304304
KühlmittelfördererCoolant conveyor
306306
Steuereinheitcontrol unit
401401
dilatierbarer Körperdilatable body
402402
Leitung (Dilatationsmedium)Line (dilation medium)
403403
DilatationsmediumDilatationsmedium
404404
VentilValve
405405
Leckageleakage
411411
Blockadeelementblockade element
601601
erster Teilbereichfirst subarea
602602
zweiter Teilbereichsecond subarea
701701
Temperaturverteilung (geschlossene Kühlmittelkanäle)Temperature distribution (closed coolant channels)
702702
Temperaturverteilung (geöffnete Kühlmittelkanäle)Temperature distribution (opened coolant channels)
800800
Verfahren zur Temperierung eines BrennstoffzellenstapelsMethod for controlling the temperature of a fuel cell stack
801, 802801, 802
Verfahrensschrittesteps

Claims (14)

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.Temperature control system (300) for a fuel cell stack (102), wherein the fuel cell stack (102) comprises a plurality of fuel cells (101); wherein the fuel cell stack (102) comprises at least one main coolant passage (205, 206) and cell coolant passages (301) branching therefrom for the individual fuel cells (101) of the fuel cell stack (102); wherein the tempering system (300) comprises at least one dilatable body (401), which is formed - In a compacted state, the inflow of coolant (302) from the main coolant passage (205, 206) in the cell coolant passage (301) of at least a first fuel cell (101) to increase or enable; and - In an extended state, the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) in the cell coolant channel (301) of the first fuel cell (101) to reduce or eliminate. 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.Temperature control system (300) according to Claim 1 wherein the dilatable body (401) is disposed in the main coolant passage (205, 206); and / or - is arranged in the cell coolant channel (301) of the first fuel cell (101). 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.Temperature control system (300) according to one of the preceding claims, wherein - The dilatable body (401) is formed by expanding a blockage element (411) to an inlet of the cell coolant channel (301) of the first fuel cell (101) to reduce or prevent the inflow of coolant (302), or by contraction, moving the blocker (411) away from the inlet of the cell coolant passage (301) of the first fuel cell (101) to increase or allow the flow of coolant (302); and - The blockage element (411) is part of the dilatable body (401) or separately from the dilatable body (401). 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.Temperature control system (300) according to Claim 3 wherein the blocking member (411) has a gasket adapted to a shape of the inlet of the cell coolant passage (301) of the first fuel cell (101) to seal the inlet in the expanded state of the dilatable body (401). 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.Tempering system (300) according to one of the preceding claims, wherein the dilatable body (401) is torus-shaped, so that coolant (302) can flow through an opening enclosed by the dilatable body (401). 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.Temperature control system (300) according to one of the preceding claims, wherein the tempering system (300) comprises - a conduit (402) via which a dilation medium (403) can be guided into the dilatable body (401) to transfer the dilatable body (401) from the compacted state to the expanded state; and a dilating medium conveyor arranged to deliver the dilation medium (403) via the conduit (402) into the dilatable body (401). 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.Temperature control system (300) according to Claim 6 wherein: the dilation medium (403) comprises an oxidant used for the fuel cell stack (102); the dilatation medium conveyor comprises an oxidizer conveyor (209) arranged to deliver oxidant into the fuel cell stack (102); and - the tempering system (300) comprises a valve (404) arranged to couple or uncouple the conduit (402) with the oxidizer conveyor (209). 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.Temperature control system (300) according to one of Claims 6 to 7 in which - the temperature control system (300) comprises a leakage (405) arranged between the valve (404) and the dilatable body (401), which allows a leakage volume flow of dilation medium (403) from the conduit (402); and - a volume flow caused by the dilating medium conveyor is greater than or equal to the leakage volume flow. 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.Temperature control system (300) according to one of Claims 6 to 8th wherein the temperature control system (300) comprises a control unit (306) which is set up to determine status data relating to an operating state of the first fuel cell (101); the state data in particular comprising temperature data relating to a temperature of the first fuel cell (101); and - changing a volume flow of dilation medium (403) in the conduit (402) in dependence on the status data; in particular, to suppress or reduce the volume flow when the temperature data indicate that the temperature of the first fuel cell (101) is less than a target temperature of the fuel cell stack (102), and to increase or allow the temperature data to indicate that the temperature of the fuel cell stack (102) first fuel cell (101) is greater than the target temperature. 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.Temperature control system (300) according to one of the preceding claims, wherein - The dilatable body (401) in the compacted state includes a certain amount of a dilation medium (403); and an expansion coefficient and the included amount of the dilation medium (403) are such that the dilatable body (401) is transferred from the compacted state to the expanded state by increasing the temperature of the dilation medium (403) to a target temperature of the fuel cell stack (102) , 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.Temperature control system (300) according to Claim 10 in which - the dilatable body (401) has one or more first partial regions (601) with a relatively high elasticity and one or more second partial regions (602) with a relatively low elasticity; - A first portion (601) is arranged in particular on a cell-coolant channel (301) of the first fuel cell (101) facing side of the dilatable body (401); and - a second subregion (602) is arranged in particular on a side facing away from the cell coolant channel (301) of the fuel cell (101) of the dilatable body (401). 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.Temperature control system (300) according to one of the preceding claims, wherein - The first fuel cell (101) is arranged on an edge of the fuel cell stack (102) peripheral cell (101); - The fuel cell stack (102) has a line-facing end plate (201) to which the main coolant passage (205, 206) coolant (302) can be supplied or removed; - The fuel cell stack (102) has a line-facing end plate (207) on which the main coolant channel (205, 206) is closed; - The fuel cell stack (102) at least one edge cell (101) on the line-facing end plate (201) and at least one edge cell (101) on the line-facing end plate (207); - The fuel cell stack (102) one or more central fuel cells (101) which are arranged between the edge cells (101); and - The at least one dilatable body (401) is adapted to prevent the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) to the cell coolant channels (301) of the edge cells (101), and thereby further the inflow from coolant (302) to the cell coolant channels (301) of the one or more central fuel cells (101). 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.Temperature control system (300) for a fuel cell stack (102), wherein the fuel cell stack (102) comprises a plurality of fuel cells (101), of which at least one edge cell (101) an edge of the fuel cell stack (102) and at least one central fuel cell (101) is not disposed at the edge of the fuel cell stack (102); wherein the fuel cell stack (102) comprises at least one main coolant channel (205, 206) and branching cell coolant channels (301) for the fuel cells (101) of the fuel cell stack (102); wherein the temperature control system (300) is designed to allow the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) into the cell coolant channels (301) of the peripheral cell (101) and the central fuel cell (101); when a temperature of the fuel cell stack (102) is less than a target temperature of the fuel cell stack (102); and - the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) into the cell coolant channel (301) of the peripheral cell (101) in comparison to the inflow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) into the cell coolant passage (301) of the central fuel cell (101) when the temperature of the fuel cell stack (102) is greater than or equal to the target temperature of the fuel cell stack (102). 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.A method (800) for controlling the temperature of a fuel cell stack (102), wherein the fuel cell stack (102) comprises a plurality of fuel cells (101), of which at least one edge cell (101) at an edge of the fuel cell stack (102) and at least one central fuel cell (101) not is disposed at the edge of the fuel cell stack (102); wherein the fuel cell stack (102) comprises at least one main coolant channel (205, 206) and branching cell coolant channels (301) for the fuel cells (101) of the fuel cell stack (102); the method comprising (800) - causing (801) a volume flow of coolant (302) from the main coolant passage (205, 206) into the cell coolant channels (301) of the peripheral cell (101) and the central fuel cell (101) when a temperature of the fuel cell stack (102 ) is less than a target temperature of the fuel cell stack (102); and - Reducing (802) the volume flow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) in the cell coolant channel (301) of the peripheral cell (101) compared to the volume flow of coolant (302) from the main coolant channel (205, 206) into the cell coolant passage (301) of the central fuel cell (101) when the temperature of the fuel cell stack (102) is greater than or equal to the target temperature of the fuel cell stack (102).
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JP2008262752A (en) * 2007-04-10 2008-10-30 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack and its warming up method

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