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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit entsprechend des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen
sind in der Regel so aufgebaut, dass einzelne Zelleinheiten zu einem
Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Die einzelnen Zelleinheiten
sind dabei elektrisch in Reihe und medientechnisch, also hinsichtlich
der Betriebsmittelversorgung parallel geschaltet. Aufgrund dieser
Parallelschaltung können sich zum Teil unterschiedliche einzelne
Medienströme zu bzw. in den einzelnen Zelleinheiten einstellen,
was zu einem ungleichen Betriebsmittel- und/oder Feuchtigkeitshaushalt
und damit zu ungleichen Zellspannungen führt.
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Eine
Möglichkeit solchen nachteiligen Systemverhalten entgegen
zu wirken besteht darin, dass ein Betriebspunkt für die
Brennstoffzelle gewählt wird, bei dem durch einen relativ
gemäßigten Betrieb vergleichsweise stabile Arbeitspunkte
angesteuert werden. Beispielsweise werden bei Brennstoffzellen im
Reformatbetrieb Betriebsmittelnutzungsgrade von etwa 65 bis 70%
eingestellt, da im Betrieb von z. B. 80 bis 90% einzelne Zellspannungen
verstärkt zum Einbrechen neigen.
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Auf
dennoch auftretende Leistungsprobleme bei einzelnen Zellen kann
bisher nur im Gesamtverbund mit allen Zellen des Brennstoffzellenstapels
reagiert werden. Dies führt dann im Falle eines Eingriffs zu
einem ungünstigen Betriebspunkt für das Gros der Zelleinheiten,
um die betroffenen schwachen Zellen aktiv zu stützen.
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Zur
Behebung der oben dargelegten Nachteile solcher Brennstoffzellensysteme
ist es auch bekannt, sogenannte Gassteuereinrichtungen zu verwenden,
mittels denen ein Betriebsmittelstrom verstärkt auf einzelne
Zellen gelenkt wird, um deren Betriebseigenschaften positiv zu verändern
(
EP 1 575 113 A2 ).
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Eine
weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Betriebsstabilität
von Brennstoffzellensystemen ist z. B. aus der
US 2005/0238945 A1 bekannt,
bei der eine direkte, individuelle Ansteuerung jeder einzelnen Zelle
im Steckverbund mittels einzeln und separat verlegten Versorgungsleitungen
und dazugehörigen Ventilen beschrieben ist.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
entsprechend der einleitend dargelegten Art zu verbessern.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt ausgehend vom Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale. In den Unteransprüchen sind
vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der
Erfindung angegeben.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem umfassend
einen Stapel aus Brennstoffzellen mit Betriebsmittelkanälen,
eine Betriebsmitteversorgungsleitung und eine aus zwei oder mehreren
Betriebsmitteldosiereinheiten bestehende Mehrfach- Betriebsmitteleinheit
zur individuellen Betriebsmittelversorgung der Betriebsmittelkanäle
der einzelnen Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem zeichnet
sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
an einer Seite des Stapels angeordnet ist. Darunter wird erfindungsgemäß z.
B. eine stirnseitige Anordnung am Brennstoffzellenstapel zur Überdeckung
der Einlassöffnungen der Betriebsmittelkanäle
verstanden, deren Betriebsmittelstrom durch die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
kontrolliert werden soll. Die zwei oder mehreren von der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
kontrollierten Kanäle können dabei in einer möglichen
Ausführungsform nur zu einer Art von Einlässen
für ein einziges Betriebsmittel, wie z. B. Brennstoff oder
Sauerstoff oder aber auch Kühlmittel gehören,
so dass die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit beispielsweise eine
Reihe oder Spalte solcher einzelnen Betriebsmitteleinlasskanäle überdeckt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es aber
vorgesehen, dass zumindest zwei für jeweils unterschiedliche
Betriebsmittel vorgesehene Einlasskanäle einer oder mehrerer
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels durch die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
kontrolliert werden. Bevorzugt wären diese Einlässe
dann die für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels primären
Versorgungskanäle der Anode bzw. der Kathode also Brennstoff-
und Oxidationsmittelkanaleinlass.
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Die
Formulierung „an einer Seite des Stapels angeordnet" im
Sinne des Erfindungsgegenstands umfasst neben einer stirnseitigen
Anordnung im Weiteren aber auch jede Anordnung an einer anderen Seite
eines Brennstoffzellenstapels. Denkbar sind z. B. auch über
zwei oder mehrere Seiten des Brennstoffzellenstapels sich erstreckende
Anordnungen einer Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit zur Versorgung
der jeweiligen Betriebsmittelkanäle einzelner, bevorzugt
jedoch mehrerer, insbesondere aller Brennstoffzellen, durch eine
einzige oder auch mehrere solcher Mehrfach- Betriebsmitteldosiereinheiten.
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Für
eine Anordnung über mehrere Seiten des Brennstoffzellenstapels
könnte eine erfindungsgemäße Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
beispielsweise winkelförmig ausgebildet sein. Die Anzahl
der jeweiligen Winkel entspricht dann den jeweils zu überdeckenden
Kanten des Brennstoffzellenstapels, um die an den zu überdeckenden
Seiten des Brennstoffzellenstapels ausgebildeten Einlassöffnungen
für den Zutritt des jeweiligen Betriebsmittels in die einzelnen
Brennstoffzellen jeweils getrennt fluidleitend anschließen
zu können. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass
die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit als kompakt handzuhabendes,
einzelnes Element ausgebildet ist.
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D.
h. alle bisher einzeln zu einer vielteiligen Einheit zusammengefasste
Teilelemente, wie z. B. separate Betriebsmittelversorgungsleitungen
oder -kanäle, mit zum Teil erforderlichen Querversorgungs-
oder Abzweigungsleitungen zu einzelnen Ventileinheiten oder Druckerhöhungs-
und/oder den Volumendurchsatz erhöhende Mittel und dgl.
mehr, sowie die Ventileinheiten selbst, sind hier in einer als Bauelement
einteiligen Einheit zusammengefasst. Durch diese kompakte Bauweise
ist in vorteilhafter Weise auch ein platzsparender Aufbau möglich.
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Die
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bietet neben diesem mechanisch
vergleichsweise günstigeren Aufbau auch noch eine günstigere
konstruktive Lösung für eine individuelle, medienseitige Versorgung
einzelner Brennstoffzelleneinheiten durch die Integration der einzelnen
Funktionselemente und der der dadurch möglichen Optimierung hinsichtlich
der Positionierung, der geometrischen Abmessungen, funktionsgünstiger
Formgebung oder dgl. mehr.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebsmittelversorgungsleitung an
der dem Stapel gegenüberliegenden Seite der Mehrfach- Betriebsmitteldosiereinheit
angeordnet. Dadurch kann die erfindungsgemäße
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit einfach, insbesondere zwischen
der Anschlussseite des Brennstoffzellenstapels und einer ihm zugeordneten
Betriebsmittelversorgungsleitung ohne großen Aufwand zur
dadurch möglichen, individuellen Regelung des jeweiligen
Betriebsmittelstroms für die einzelnen Brennstoffzellen zwischengefügt
werden. Durch den oben bereits beschriebenen, kompakten Aufbau der
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit kann diese in sehr platzsparender
Weise in ein jeweiliges Brennstoffzellensystem integriert werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit plattenförmig
oder quaderförmig, also planar aufgebaut bzw. ausgebildet.
Der plattenförmige Aufbau kann z. B. in weiter vorteilhafter
Weise in seinen die Grundfläche betreffenden Abmessungen
an eine Betriesmittelkanaleinlassöffnungen aufweisende
Stirnseite eines Brennstoffzellenstapels angepasst werden, so dass
diese beiden Elemente z. B. durch eine Steck-, Klemm-, Schraubverbindung
oder dergleichen mehr einfach und zuverlässig miteinander
verbunden werden können. Durch die Verwendung von Führungsmitteln,
z. B. in Form von komplementären Stift-Bohrungsanordnungen
oder anderer entsprechender Mittel, ist auch eine leichte und fehlerfreie Positionierung
bei der Montage möglich.
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Das
gilt insbesondere für die besonders bevorzugte Ausführungsform,
bei der die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit als eine einzelne,
alle Betriebsmittelkanäle eines Brennstoffzellenstapels
versorgende Platte ausgebildet ist, so dass sich die Montagearbeit
auf ein Minimum reduziert.
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Für
die Versorgung einer bestimmten Anzahl an einzelnen Brennstoffzellen
eines Brennstoffzellenstapels kann dem gegenüber aber auch
eine aus zwei oder mehreren solchen Mehrfach-Brennstoffzellenstapel-Versorgungseinheiten zusammengestellte Bausatzeinheit
dahingehend vorteilhaft sein, dass eine Erweiterung des Brennstoffzellenstapels
um eben diese Teilzahl an Brennstoffzellen zumindest hinsichtlich
der medienseitigen Versorgung einfach und problemlos möglich
ist. Auch eine getrennte Anordnung an verschiedenen Seiten des Brennstoffzellenstapels
ist so einfach möglich.
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Ein
weiterer Vorteil des platten- oder quaderförmigen Aufbaus
der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit liegt in deren integrations-
und verbindungsfreundlich gestaltbaren Geometrien. So ist es z.
B. möglich, Brennstoffzellensysteme, bei denen ein Brennstoffzellenstapel über
konventionelle Mehrfachkanäle mit Betriebsmitteln versorgt
wird, ohne großen konstruktiven Zusatzaufwand durch einfaches
Zwischenfügen einer oder mehrerer als Einzelelement aufgebauter,
vorzugsweise plattenförmiger Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
im Hinblick auf ein stabileres Betriebsverhalten der einzelnen Brennstoffzellen
aus- bzw. auch nachzurüsten.
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Grundsätzlich
kann durch eine solche Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit jedes
für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Medium
individuell und gezielt für jede einzelne Brennstoffzelle
beeinflusst werden. Sie bietet also eine kompakte Mediensteuermöglichkeit
für die Anode, für die Kathode und die für
die Kühlkanäle der jeweils in ihrer Versorgung zu
beeinflussenden Brennstoffzelleneinheit. Ein weiterer Vorteil eines
derartigen Aufbaus einer Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit liegt
in der damit möglichen Realisierung einer direkten, hochdynamischen
Medienansteuerung mit im Grunde vernachlässigbarer Totzeit
und ebenfalls im Grunde vernachlässigbarem Residualvolumen
aufgrund aufbaubedingter kleiner Elementgeometrien. Insgesamt kann somit
eine deutlich stabilere Betriebsweise von Brennstoffzellen erreicht
werden, insbesondere bei reformatversorgten Brennstoffzellensystemen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform der planaren Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
ist in der Form einer keramischen Schichtstruktur ausgebildet. Insbesondere
durch die Verwendung von LTCC-Keramikstrukturen (Low Temperature Co-Fired
Ceramics) kann ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer hohen Korrosionsresistenz
erzielt werden. Durch den Einsatz solcher Trägermaterialien
ist auch ein besonders kostengünstiger, serientauglicher
Aufbau möglich. In weiter vorteilhafter Weise können hierbei
Ventile und/oder Aktuatoren, z. B. für die Ansteuerung
von Ventilen einzelner Betriebsmitteldosiereinheiten im Inneren
der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit integriert bzw. ausgebildet
werden, in besonders vorteilhafter Weise in der Form von mikromechanischen
Strukturen, durch welche extrem kleine Baumaße realisierbar
sind.
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Als
weiter vorteilhaft wird vorgeschlagen, dass eine Kontrolleinheit
und/oder Signalleitungen und/oder Datenleitungen und/oder Steuerleitungen
in einer Betriebsmitteldosiereinheit integriert ist bzw. sind. Hierdurch
kann neben einer Signalerfassung an einer Brennstoffzelle, und/oder
z. B. Spannungsabgriff der Energieversorgung gleichzeitig auch die
Ansteuerung und die Kontrolle der einzelnen Ventile und/oder Aktuatoren
im Inneren der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit realisiert werden.
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Durch
das Vorsehen von Mittel zum Spannungsabgriff an einer Brennstoffzelle
kann die Kontrolleinheit die jeweilige Zellspannung erfassen und direkt
die Aktuatoren und/oder Ventile in erforderlicher Weise zur Sicherstellung
eines stabilen Betriebs des gesamten Brennstoffzellensystems beeinflussen.
Neben der Erfassung der Zellspannung ist z. B. auch die Erfassung
der Zelltemperatur denkbar, so dass auch diese in die Regelung der
Betriebsmittelversorgung der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit einbezogen
werden kann. Zum Anschluss an externe Einheiten, insbesondere zur
Energieversorgung und zum Signal- bzw. Datenaustausch, z. B. mit
einer weiteren Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems, können
in weiter vorteilhafter Weise entsprechend geeignete Anschlussmittel
vorgesehen sein.
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Die
Aktuatoren können wiederum beispielsweise in der Form von
elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen und/oder pneumatischen
und/oder hydraulischen Elementen aufgebaut sein, die durch entsprechende
Versorgungsleitungen angesprochen werden können.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
oder auch Mehrfach-Ventileinheit genannt, ist dahingehend, dass jede
einzelne Betriebsmittelkontrolleinheit mit seinem Ventil dem jeweiligen
Medieneinlasskanal oder Betriebsmittelkanal (Brennstoff, Oxidationsmittel,
Kühlmittel) einer Zelleinheit zugeordnet ist und den zugehörigen
Medienstrom entsprechend den individuellen Anforderungen beeinflusst.
Hierbei wird durch jedes der Ventile eine Öffnung in der
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bedient, durch die der jeweilige
Medienstrom von der Vorderseite an deren Rückseite gelangen
kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist diese
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit bei allen Brennstoffzellenstapeln
ohne größere konstruktive Änderung integrierbar.
Beispielhaft seien hier folgende Brennstoffzellen genannt: PEM, HT-PEM,
DMFC, MCFC, SOFC und PAFC. Hierbei können sowohl gasförmige
als auch flüssige Medienströme gesteuert werden.
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Als
geometrische Abmessung sei hier beispielhaft angeführt,
dass durch die erfindungsgemäße Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
durchaus Wege zwischen Einzelventilausgang und Zelleingang, also
dem Einlass in einen Betriebsmittelkanal, mit einer Distanz von
kleiner 10 mm realisiert werden können. Neben dem diesbezüglich
bereits erwähnten Vorteil von sehr geringem Totvolumen
und hochdynamischer Ansteuerung der einzelnen Zellen kann in einer
weiter bevorzugten Ausführungsform in weiter vorteilhafter
Weise auch noch eine parallel zu dem jeweiligen Ventil angeordnete
Bypassöffnung zur Realisierung eines den jeweiligen Fluidkanal
versorgenden Grundmedienstroms vorgesehen sein. Hierdurch kann zusätzlich
vorteilhaft die Modulation des Gesamtmedienstroms für den
betreffenden Betriebsmittelkanal durch das jeweilige Ventil in den
Bereich von z. B. 50%–100% oder auch darunter gelegt werden. Grundstrom
(Bypass) 50% und Ventil 0%–50% = 50%–100% bei
kleinerem Ventil auch z. B. 80%–100%. Dadurch kann eine
kleinere Bauweise im Vergleich zu einer 100%-Medienstromregelung bei
gleichen Komponenten ermöglicht werden.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf
Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Eine schematische, perspektivische Ansicht auf ein Brennstoffzellensystem,
bestehend aus einer Brennstoffzelle und einer explosionsartig davon
beabstandet dargestellten Betriebsmittelversorgungsleitung.
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2:
Die gleiche Darstellung wie 1, jedoch
ergänzt mit einer zwischengefügten Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit.
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3:
Einen Ausschnitt A aus der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
in 2 in vergrößerter Darstellung
und
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4:
eine Schnittdarstellung durch eine von mehreren Betriebsmitteldosiereinheiten
der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit entlang der Schnittlinie
B-B in der 3.
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Im
Detail nun die 1 eine schematisch perspektivische
Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstacks in explosionsartiger
Darstellung. Der Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus aufeinander aufgestapelten
einzelnen Brennstoffzellen 1a und zwei Endplatten 1b und 1c.
An den einzelnen Brennstoffzellen 1a sind beispielhaft
und aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils
nur zwei Betriebsmittelkanäle bzw. Medien-Einlasskanäle 2, 3 dargestellt.
Grundsätzlich weist der Brennstoffzellen-Stapel aber auch alle
weiteren, üblichen Betriebsmittelkanäle bzw. Betriebsmittelversorgungsleitungen
wie z. B. Kühlmittelleitungen auf.
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Zur
Versorgung der einzelnen Betriebsmittelkanäle ist ein Versorgungskanal 4 vorgesehen,
der in der dargestellten Ausführungsform wiederum beispielhaft
einen Brennstoffkanal 4a und einen Oxidationsmittelkanal 4b aufweist.
Zur Versorgung weiterer Betriebsmittelkanäle, insbesondere
von Kühlmittelleitungen könnten in diesem Versorgungskanal 4 auch weitere
Teilkanäle entsprechend der Kanäle 4a bzw. 4b vorgesehen
sein. Es ist beispielsweise aber auch möglich, an der gegenüberliegenden
Stirnseite oder an einer anderen geeigneten Stelle des Brennstoffzellenstapels 1 dafür
einen weiteren Versorgungskanal, z. B. entsprechend des Versorgungskanals 4 vorzusehen.
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Üblicherweise
verfügt jede Brennstoffzelle 1a über
einen Anodeneingang 2 bzw. einen Kathodeneingang 3,
sowie weiterhin meistens über einen Anodenausgang und einen
Kathodenausgang, die hier jedoch beide nicht dargestellt sind. Der
Medienführungskanal 4 ist üblicherweise
gasdicht an den Brennstoffzellenstapel 1 angefügt
oder gleich direkt in die Brennstoffzelle 1a integriert.
Der vom Versorgungskanal 4 kommende Betriebsmittel- bzw.
Medienstrom verteilt sich dabei selbstständig über
die Betriebsmitteleinlasskanäle 2, 3 auf
die einzelnen Brennstoffzellen 1a. Gleiches gilt für
die nicht dargestellten, weiteren Betriebsmittelversorgungsleitungen
wie z. B. die Kühlmittelleitungen.
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Die 2 zeigt
wiederum schematisch eine explosionsartige Darstellung eines erfindungsgemäßen
Aufbaus einer individualisierten Ansteuerung eines Brennstoffzellenstapels 1.
Erfindungsgemäß ist eine Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit
an einer Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Sie ist,
vorzugsweise flächig, zwischen den Einlassöffnungen
der Betriebsmittelkanäle 2, 3 an der
Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 und der gegenüberliegend
angeordneten Betriebsmittelversorgungsleitung 4 flächig
angeordnet.
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Durch
passgenaues, gasdichtes Anfügen der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 an
die mit den Einlässen der Betriebsmittelkanäle 2, 3 versehenen
Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 wird jedem Betriebsmittelkanal
ein ihm zugeordnetes, anodenseitiges Ventil 6 bzw. kathodenseitiges
Ventil 7, je nach Betriebsart des betreffenden Ausführungsbeispiels
in Flussrichtung des jeweiligen Medienstroms 19, 20 zu
dessen Beeinflussung vor- bzw. nachgeschaltet.
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Beim
vorgeschalteten Ausführungsbeispiel 4, Position 19 kann
die Versorgung des jeweiligen Brennstoff- bzw. Medienkanals 2, 3 durch
eine entsprechende Ansteuerung des ihm zugehörigen Ventils 6, 7 bedarfsgerecht über
die Betriebsmittelversorgungsleitung 4 mit einem zugeordneten
Betriebsmittelstrom aus dem Brennstoffkanal 4a bzw. aus
dem Oxidationsmittelkanal 4b versorgt werden. Beim nachgeschalteten
Ausführungsbeispiel, bei dem entsprechend den Darstellungen
in 4 die Medienströme 20 auswärts
gerichtet sind, kann zusätzlich eine Stauwirkung mit der
Möglichkeit einer Drucküberhöhung im
betreffenden Betriebsmittelkanal 2, 3 realisiert
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 aus
einer keramischen Schichtstruktur aufgebaut sein, in welcher die
einzelnen Betriebsmitteldosiereinheiten 12 integral angeordnet
bzw. ausgebildet sind. Besonders bevorzugt wird hierzu der Aufbau
der Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 mittels planarer
LTCC-Strukturen (Low Temperature Co-fired Ceramics), in denen neben
den mechanischen auch die elektrischen und ggf. auch hydraulische
und/oder pneumatische Funktionselemente der einzelnen Betriebsmitteldosiereinheiten 12 integral angeordnet
sein können. Zur näheren Erläuterung zeigen
hierzu die 3 und 4 entsprechende Detailansichten.
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Die 3 zeigt
hierzu einen Ausschnitt A entsprechend der vier oberen Ventileinheiten 6, 7 in der
Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 in der Darstellung
der 2. Jede dieser vier Ventileinheiten 6, 7 gehört
zu einer entsprechenden Betriebsmitteldosiereinheit 12 zur
Versorgung eines Betriebsmittelkanals 2, 3 einer
Brennstoffzelle 1a. Eine solche Betriebsmitteldosiereinheit 12 umfasst
im Wesentlichen eine durch die übergeordnete, plattenförmig ausgebildete
ein Einzelteil darstellende Mehrfach-Betriebsmitteldosiereinheit 5 durchgehende Öffnung 9 zur
Verbindung eines der beiden Kanäle 4a, 4b der
Betriebsmittelversorgungsleitung 4 mit dem betreffenden
Betriebsmittelkanal 2, 3 zu dessen Versorgung
mit Brennstoff- bzw. Oxidationsmittel. Zur Einflussnahme auf den
durch die Öffnung 9 durchströmenden Betriebsmittelstrom
ist eine Ventilmechanik 10, hier beispielhaft in der Form
eines Schiebers, in Kombination mit einer Ansteuermechanik 11 in
der Form eines entsprechend geeigneten Aktuators integral im Inneren
der Betriebsmitteldosiereinheit 12 angeordnet bzw. ausgebildet.
Aufgrund des bevorzugten LTCC-Struktur-Aufbaus können sowohl die
Ventileinheiten als auch die Aktuatoren als mikromechanische Elemente
aufgebaut sein. Als Aktuatoren kommen beispielsweise elektromagnetische und/oder
piezoelektrische und/oder hydraulische und/oder pneumatische Elemente
in Frage.
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Entsprechend
der als Schnitt B-B aus der 3 dargestellten 4 kann
im Weiteren in vorteilhafter Weise eine Kontrolleinheit 15 zur
Ansteuerung der Ventil-Aktuator-Einheiten 10, 11 über
eine beispielhaft dargestellte Steuerleitung 18 integral vorgesehen
sein. Weiter vorteilhaft können, hier beispielhaft dargestellt,
Signalleitungen 16 und Datenleitungen 17, z. B.
zur Ausbildung eines entsprechenden Bussystems vorgesehen sein.
Die beispielhaft dargestellte Signalleitung 16 verbindet
hier z. B. ein Mittel 14 zum Spannungsabgriff an der Brennstoffzelle 1a,
z. B. in der Form eines Kontaktstiftes, mit der Kontrolleinheit 15.
So kann diese in Abhängigkeit von dem so erfassten Spannungssignal
den Betriebsmittelfluss zum betreffenden Betriebsmittelkanal 2, 3 durch
eine entsprechende Ansteuerung der Ventil- und Aktuatoreinheit 10, 11 in
der Weise regeln, dass an der betreffenden Brennstoffzelle sowohl
ein Spannungseinbruch als auch eine Spannungsüberhöhung ausgeglichen
bzw. verhindert werden kann.
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Zur
Abdichtung der gasleitenden Verbindung zwischen einem Betriebsmittelkanal 2, 3 und
der ihr jeweils zugeordneten Betriebsmitteldosiereinheit 12 ist
eine Dichtung 13 vorgesehen, hier beispielhaft als Ringdichtung
dargestellt.
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Um
den Ventilquerschnitt klein halten zu können, kann, wie
beispielhaft dargestellt, im Weiteren eine Bypassöffnung 8 zur
Betriebsmittel- bzw. Medienversorgung des jeweiligen Betriebsmittelkanals 2, 3 vorgesehen
sein. Über diese kann eine bestimmte Grundversorgung der
betreffenden Brennstoffzelle von z. B. 50% oder ggf. auch mehr des
durchschnittlichen Betriebsmittelsbedarfs bereit gestellt werden. Der
darüber hinaus gehende Bedarf der betreffenden Brennstoffzelle
an Betriebsmittel wird betriebszustandsabhängig von der
betreffenden Betriebsmitteldosiereinheit 12 zur Gewährleistung
eines stabilen Betriebs der einzelnen Brennstoffzelle und somit
des gesamten Brennstoffzellensystems kontrolliert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1575113
A2 [0005]
- - US 2005/0238945 A1 [0006]