DE102019217084A1 - Control of a fuel cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerelement (28) einer gestapelten Anordnung, die einen Stapelaufbau (16) aus übereinander liegend angeordneten Einzelelementen (18) aufweist. Diese enthalten jeweils Öffnungen (22), die im Stapelaufbau (16) Strömungskanäle (71, 75) für Edukte oder ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, bilden. In den Strömungskanälen (71 ,75) für Edukte ist jeweils ein hülsenförmiges Steuerelement (28) eingelassen, welches mittels eines Stellantriebs (58, 60) um die Längsachse (92) verdrehbar ist und welches an Öffnungen (88, 90) zu Einzelelementen (18) Durchströmungsquerschnitte verändert.The invention relates to a control element (28) of a stacked arrangement which has a stack structure (16) of individual elements (18) arranged one above the other. These each contain openings (22) which form flow channels (71, 75) in the stack structure (16) for educts or a temperature control medium such as cooling water. In each of the flow channels (71, 75) for educts, a sleeve-shaped control element (28) is embedded, which can be rotated about the longitudinal axis (92) by means of an actuator (58, 60) and which is attached to openings (88, 90) to form individual elements (18 ) Flow cross-sections changed.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerelement einer Brennstoffzelle, die einen Stapelaufbau aus mehreren übereinander liegend angeordneten Einzelelementen aufweist, die jeweils Öffnungen umfassen, die innerhalb des Stapelaufbaus Strömungskanäle für Edukte bilden. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Steuerelements an einem Stapelaufbau gleichartiger Einzelelemente, bei denen ein Volumenstrom schwankt und ein sich einstellender Druckverlust an den Einzelelementen nachjustiert wird. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Steuerelements an einer Brennstoffzelle zur Steuerung eines Fluidstroms von Edukten, insbesondere gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff und Luft, oder ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, durch Einzelelemente eines Stapelaufbaus.The invention relates to a control element of a fuel cell which has a stack structure of a plurality of individual elements arranged one above the other, each of which comprises openings which form flow channels for starting materials within the stack structure. In addition, the invention relates to the use of the control element on a stack of similar individual elements, in which a volume flow fluctuates and a pressure loss that occurs at the individual elements is readjusted. In addition, the invention relates to the use of the control element on a fuel cell for controlling a fluid flow of educts, in particular gaseous fuel such as hydrogen and air, or a temperature control medium such as cooling water, through individual elements of a stack structure.

Stand der TechnikState of the art

Gestapelte Systeme, die aus gleichartigen, fluiddurchströmten Einzelelementen wie beispielsweise Zellen aufgebaut werden, wie beispielsweise Brennstoffzellenstapel, Plattenfilter, Wärmeübertrager oder stehend aufgestellte Adsorber, werden im Hinblick auf ihre Durchströmung ausgelegt. Dies bedeutet, dass bei der Auslegung derartiger Apparate, insbesondere bei der Auslegung von Stapelaufbauten von Brennstoffzellen der benötigte Fluiddurchfluss je Einzelzelle berechnet wird und mit der Anzahl von Einzelzellen multipliziert den Gesamtvolumenstrom ergibt. Dieser Gesamtvolumenstrom teilt sich jedoch innerhalb des Apparates nicht mathematisch gleichmäßig auf, da unterschiedliche physikalische Effekte zum Druckverlust im betrachteten Pfad der Einzelzellen zu berücksichtigen sind. Die Reibungsverluste innerhalb eines Strömungskanals hängen von der Geschwindigkeit ab und sind beim Eintritt höher als am Ende eines Hauptkanals. Abzweigverluste hängen ab vom Verhältnis der abzweigenden Strömung zur Hauptströmung. Am Anfang zweigen beispielsweise bei einem 400 Zellen umfassenden Einzelsystem Zweige von 1:400 ab, am vorletzten Abzweig ist das Verhältnis 1:1 und die letzte der Einzelzellen wird von einer „Umlenkung“ und nicht von einem Abzweig bestimmt. Die sich einstellenden Druckverluste durch die Geschwindigkeitsänderung gemäß der Bernoulli-Gleichung unterscheiden sich somit auch und beeinflussen ihrerseits die Strömung.Stacked systems, which are built up from individual elements of the same type through which fluid flows, such as cells, such as fuel cell stacks, plate filters, heat exchangers or upright adsorbers, are designed with regard to their flow. This means that when designing such apparatus, in particular when designing stack structures of fuel cells, the required fluid flow per individual cell is calculated and multiplied by the number of individual cells results in the total volume flow. However, this total volume flow is not mathematically evenly divided within the apparatus, since different physical effects on pressure loss in the path of the individual cells under consideration have to be taken into account. The friction losses within a flow channel depend on the speed and are higher at the entrance than at the end of a main channel. Branch losses depend on the ratio of the branching flow to the main flow. At the beginning, for example, in a single system comprising 400 cells, branches of 1: 400 branch off, at the penultimate branch the ratio is 1: 1 and the last of the single cells is determined by a "diversion" and not by a branch. The resulting pressure losses due to the change in speed according to Bernoulli's equation therefore also differ and in turn influence the flow.

Soll eine gleichmäßige Versorgung jeder einzelnen der Einzelzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels erreicht werden, so ist dies nur für einen einzigen Auslegungspunkt, d. h. nur für eine Strömungsgeschwindigkeit möglich. Sollen jedoch im Betrieb, wie bei einer Brennstoffzelle erforderlich, elektrische Lastfälle und damit unterschiedliche Prozessgasströme durch das System geleitet werden, ist ein Kompromiss einzugehen. Einzelzellen können je nach System und Betriebszustand eine 20-prozentige Abweichung vom rechnerisch ermittelten Mittelwert aufweisen.If a uniform supply of each of the individual cells within a fuel cell stack is to be achieved, this is only necessary for a single design point, i.e. H. only possible for one flow velocity. However, if electrical load cases and thus different process gas flows are to be passed through the system during operation, as is necessary with a fuel cell, a compromise must be made. Depending on the system and operating status, individual cells can show a 20 percent deviation from the calculated mean value.

Bei anderen Apparaten, beispielsweise bei Plattenfilterstapeln, wird ebenfalls nur im Betrieb an einem Betriebspunkt gefahren. Jedoch laden sich einzelne Filterplatten reproduzierbar immer früher mit den Schwebstoffen auf, sodass der gesamte Filterstapel vorzeitig zerlegt und gereinigt werden muss. Gemäß US 4,853,301 lassen sich Mess- und Simulationsergebnisse, die bei Plattenfiltern und Wärmeübertragen sowie stehenden Adsorbern gewonnen wurden, auf einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle übertragen. Gemäß US 4,853,301 besteht, insbesondere an einem stehenden Brennstoffzellenstapel, bei Zustrom der Edukte von der Unterseite her zunächst eine Schwierigkeit hinsichtlich einer unausgewogenen Verteilung der Prozessgasströmung im unteren Stapelbereich, verglichen mit der Prozessgasverteilung im oberen Stapelbereich. Herkömmliche Prozessgaskanäle einer Elektrode-Membran-Einheit (EME) sind oft relativ kurz ausgelegt und weisen wenige Richtungsänderungen auf. Folglich ist der Druckverlust der Prozessgase in horizontale Richtung beim Durchqueren einer Gasverteilerplatte recht gering, verglichen mit dem Druckverlust, der sich in vertikale Richtung innerhalb der Gasführung und des Leitungssystems einstellt. Dies führt zwangsläufig - wie eingangs geschildert - zu einer schlechten Strömungsverteilung der Prozessgase in die Einzelelemente, d. h. die Einzelzellen innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle. Wird der Druckverlust einer jeden der Zellen künstlich erhöht, so beispielsweise durch die Verwendung möglichst dünner Spalte, langer mäanderförmiger Kanäle oder durch den Einbau von Strömungsverteilern mit hohem Druckverlust, beispielsweise Metallschäume, wird das Problem der Ungleichverteilung nur reduziert, jedoch nicht beseitigt. Die erforderliche Druckdifferenz steigt an allen Betriebspunkten und damit die Verdichterleistung sowie die sich einstellenden Betriebskosten.With other devices, for example with plate filter stacks, only one operating point is operated during operation. However, individual filter plates are reproducibly charged with suspended matter earlier and earlier, so that the entire filter stack has to be dismantled and cleaned ahead of time. According to U.S. 4,853,301 Measurement and simulation results obtained from plate filters and heat transfer as well as from standing adsorbers can be transferred to a fuel cell stack. According to U.S. 4,853,301 there is initially a problem with an unbalanced distribution of the process gas flow in the lower stack area compared to the process gas distribution in the upper stack area, especially in an upright fuel cell stack, when the educts flow in from the underside. Conventional process gas channels of an electrode-membrane unit (EME) are often designed to be relatively short and have few changes in direction. As a result, the pressure loss of the process gases in the horizontal direction when passing through a gas distribution plate is quite low compared to the pressure loss that occurs in the vertical direction within the gas duct and the line system. As described above, this inevitably leads to poor flow distribution of the process gases in the individual elements, ie the individual cells within the stack structure of the fuel cell. If the pressure loss of each of the cells is artificially increased, for example by using the thinnest possible gaps, long meandering channels or by installing flow distributors with high pressure loss, for example metal foams, the problem of uneven distribution is only reduced, but not eliminated. The required pressure difference increases at all operating points and thus the compressor output and the operating costs that arise.

Ein Versuch, dieses Problem zu beheben, besteht darin, den Prozessgasfluss zwischen der Gaszuführung im Stapelaufbau und den Zuleitungen zu den Einzelelementen künstlich einzuschränken, indem der Druckverlust der parallelen Zellkreisläufe zwischen Zulauf und Rücklauf erhöht und damit eine gleichmäßigere Strömungsverteilung angestrebt wird. Jedoch verkompliziert eine derartige Auslegung die Stapelkonstruktion, ferner steigt die erforderliche Verdichterleistung an. Ferner erhöht sich die Anzahl der erforderlichen Teile ebenso wie die damit verbundenen Kosten.One attempt to remedy this problem is to artificially restrict the process gas flow between the gas supply in the stack structure and the supply lines to the individual elements by increasing the pressure loss of the parallel cell circuits between supply and return and thus striving for a more uniform flow distribution. However, such a design complicates the stack construction, and the required compressor capacity also increases. It also increases the number of parts required as well as the associated costs.

Aus US 5,543,240 sind externe Gaszuführungen bekannt, wonach eine jede der einzelnen Zellen, d. h. der Einzelelemente des Stapelaufbaus einzeln mit Gasschläuchen angeschlossen wird, wodurch eine gleichmäßigere Gasverteilung möglich wird. Jedoch nimmt die Größe des Stapelaufbaus erheblich zu. Des Weiteren ist die Abdichtung externer Gasschläuche extrem schwierig. Leichter abzudichten und deshalb in fast allen Konstruktionen anzutreffen sind innerhalb des Stapelaufbaus verlaufende Gaszuführungen. Die Betriebssicherheit steigt signifikant, da Luft und Brennstoff nur innerhalb des Stapelaufbaus geführt werden. Insbesondere bei einer großen Anzahl von Einzelelementen, d. h. Einzelzellen, besteht gemäß US 5, 543,240 die Schwierigkeit, eine gleichmäßige Gasverteilung zu erreichen.Out U.S. 5,543,240 External gas feeds are known, according to which each of the individual cells, ie the individual elements of the stack structure, is connected individually with gas hoses, whereby a more uniform gas distribution is possible. However, the size of the stack increases significantly. Furthermore, sealing external gas hoses is extremely difficult. Gas supply lines running within the stack are easier to seal and are therefore found in almost all constructions. The operational safety increases significantly, since air and fuel are only routed within the stack structure. In particular with a large number of individual elements, ie individual cells, there is according to U.S. 5,543,240 the difficulty of achieving an even gas distribution.

Gemäß US 5, 543,240 sind Testeinheiten mit einer Anzahl von Elektroden-Membran-Einheiten (EME) betrieben worden, wobei sich Spannungsdifferenzen in der Größenordnung von 100 mV von der höchsten bis zur niedrigsten Einzelzellspannung einstellten. Wurden Gaszuführungen als einzelne Blocks zusammengefasst, so lag die Spannungsdifferenz von der niedrigsten bis zur höchsten Zellspannung im Bereich von 10 mV. Dies wurde in US 5,776,625 bestätigt, gemäß der eine bessere Gleichverteilung der Gasströme durch einen Vorverteiler realisiert wird.According to U.S. 5,543,240 test units were operated with a number of electrode membrane units (EME), with voltage differences in the order of magnitude of 100 mV from the highest to the lowest individual cell voltage. If gas feeds were combined as individual blocks, the voltage difference from the lowest to the highest cell voltage was in the range of 10 mV. This was done in U.S. 5,776,625 confirmed, according to which a better uniform distribution of the gas flows is realized by a pre-distributor.

Werden einzelne Zellen spezifisch, d. h. zum Beispiel durch Strömungsschwellen aus Dichtungsmaterial hin auf einen bestimmten Druckverlustwert optimiert, so kann auf diese Weise auch nur eine gleichmäßige Anströmung an einem einzelnen Betriebspunkt erreicht werden.Are individual cells specific, i. H. Optimized for a specific pressure loss value, for example by means of flow bumps made of sealing material, in this way only a uniform flow can be achieved at a single operating point.

DE 10 2008 018 494 A1 offenbart eine Drosseleinrichtung für ein Brennstoffzellensystem. Die Drosseleinrichtung ist beispielsweise in einer Fluidleitung zur Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Die Drosseleinrichtung ist zylinderförmig ausgebildet. Die Drosseleinrichtung umfasst ferner unter anderem ein hülsenartiges Führungselement, welches eine Öffnung aufweist. Das Drosselelement gestattet eine Steuerung der Strömung in der Fluidleitung. DE 10 2008 018 494 A1 discloses a throttle device for a fuel cell system. The throttle device is arranged, for example, in a fluid line for supplying a fuel to a fuel cell unit. The throttle device is cylindrical. The throttle device also includes, inter alia, a sleeve-like guide element which has an opening. The throttle element allows the flow in the fluid line to be controlled.

DE 10 2018 108 624 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches ein Drosselklappenventil aufweist. Das Drosselklappenventil fungiert als Druckregulierventil und ist an einem Luftaustragskanal der Brennstoffzellen angeordnet. Das Drosselklappenventil bewirkt, dass ein Druckverlust in dem System reduziert wird. DE 10 2018 108 624 A1 discloses a fuel cell system having a throttle valve. The throttle valve functions as a pressure regulating valve and is arranged on an air discharge duct of the fuel cells. The throttle valve has the effect of reducing pressure loss in the system.

DE 10 2008 030 068 A1 hat ein Steuerventil zum Gegenstand, welches insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel Einsatz findet. Das Steuerventil ist insbesondere in einer Kathodenauslassleitung des Brennstoffzellenstapels angeordnet und umfasst beispielsweise eine Hülse. DE 10 2008 030 068 A1 relates to a control valve which is used in particular for a fuel cell stack. The control valve is arranged in particular in a cathode outlet line of the fuel cell stack and comprises, for example, a sleeve.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Steuerelement einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, die einen Stapelaufbau aus mehreren übereinander liegend angeordneten Einzelelementen aufweist, die jeweils Öffnungen umfassen, die im Stapelaufbau Strömungskanäle für Edukte bilden. In den Strömungskanälen für Edukte ist jeweils ein hülsenförmiges Steuerelement eingelassen, welches mittels eines Stellantriebs um die Längsachse verdrehbar ist und welches an Öffnungen zu Einzelzellen einen Durchströmungsquerschnitt dieser Öffnungen verändert. According to the invention, a control element of a fuel cell is proposed which has a stack structure of a plurality of individual elements arranged one above the other, each of which includes openings which form flow channels for educts in the stack structure. A sleeve-shaped control element is embedded in each of the flow channels for educts, which control element can be rotated about the longitudinal axis by means of an actuator and which changes a flow cross-section of these openings at openings to form individual cells.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise mittels der verdrehbaren hülsenförmigen Steuerelemente ein einzelner Betriebspunkt eingestellt werden; ferner lassen sich unabhängig voneinander in den Strömungskanälen verschiedene Volumenströme für Edukte wie beispielsweise Umgebungsluft oder Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder auch ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, einstellen.With the solution proposed according to the invention, a single operating point can be set in an advantageous manner by means of the rotatable sleeve-shaped control elements; Furthermore, different volume flows for educts such as ambient air or fuel, in particular gaseous hydrogen, or also a temperature control medium such as cooling water can be set independently of one another in the flow channels.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung verlaufen die Strömungskanäle für Edukte innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle senkrecht zur Durchströmungsrichtung der Einzelelemente.In a further development of the solution proposed according to the invention, the flow channels for educts within the stack structure of the fuel cell run perpendicular to the direction of flow through the individual elements.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind die Steuerelemente hülsenförmig ausgeführt und weisen eine Länge parallel zur Längsachse auf, die zumindest so bemessen ist, dass zwei Einzelelemente innerhalb des Stapelaufbaus gleichzeitig überdeckt sind.In the solution proposed according to the invention, the control elements are designed in the form of a sleeve and have a length parallel to the longitudinal axis, which is at least dimensioned so that two individual elements within the stack structure are covered at the same time.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das hülsenförmige Steuerelement zumindest zu einem Teil entlang seiner Länge und zumindest zu einem Teil entlang seines Umfangs durchbrochen.In a further development of the solution proposed according to the invention, the sleeve-shaped control element is perforated at least in part along its length and at least in part along its circumference.

Die Steuerelemente, die mittels Stellantrieben innerhalb der Strömungskanäle bewegt werden können, können unabhängig voneinander betätigt werden, sodass sich unterschiedliche Fluidvolumenströme einerseits für Luft und andererseits für den Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder für ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, einstellen lassen.The control elements, which can be moved within the flow channels by means of actuators, can be operated independently of one another, so that different fluid volume flows can be set on the one hand for air and on the other hand for the fuel, in particular gaseous hydrogen, or for a temperature control medium such as cooling water.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene, bevorzugt hülsenförmig ausgebildete Steuerelement kann entweder starr in den Strömungskanal eingeschoben und fixiert sein und die Kennlinie für die Durchströmung einmalig einstellen oder aber alternativ beweglich, vorzugsweise um seine Längsachse verdrehbar, ausgebildet sein.The proposed according to the invention, preferably sleeve-shaped control element can either be inserted rigidly into the flow channel and fixed and the characteristic curve for the Adjust the flow once or alternatively be designed to be movable, preferably rotatable about its longitudinal axis.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen hülsenförmigen Steuerelemente umfassen diese eine gerade Steuerkante und eine weitere schräg verlaufende Steuerkante, die eine erste Schräge und eine zweite Schräge umfassen kann, die zueinander gegenläufig verlaufen. So lassen sich an den peripheren Enden des Stapelaufbaus in Bezug auf die einzelnen zu durchströmenden Einzelelemente andere Durchströmungsquerschnitte einstellen als beispielsweise im Zentrum des Stapelaufbaus in dessen vertikale Richtung gesehen.In a further development of the sleeve-shaped control elements proposed according to the invention, these comprise a straight control edge and a further inclined control edge, which can include a first incline and a second incline, which run in opposite directions to one another. In this way, other flow cross-sections can be set at the peripheral ends of the stack structure in relation to the individual elements to be flowed through than, for example, seen in the center of the stack structure in its vertical direction.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfassen die in Hülsenform ausgebildeten Steuerelemente eine beliebig geformte Steuerkante, die in Form eines Polygons, im Wesentlich in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Achsrichtung der Drehachse, verläuft. Somit lassen sich über die Form des Polygons beliebige Strömungscharakteristiken einstellen.In a further development of the solution proposed according to the invention, the control elements, which are designed in the form of a sleeve, comprise a control edge of any shape, which is in the form of a polygon, essentially in the longitudinal direction, ie. H. in the direction of the axial direction of the axis of rotation. In this way, any flow characteristics can be set using the shape of the polygon.

So kann in Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung das in Hülsenform beschaffene Steuerelement über den Umfang mehr als eine Steuerkante aufweisen. Werden beispielsweise über den Umfang des in Hülsenform ausgebildeten Steuerelements drei Kanten oder Fenster in der Ebene einer Einzelzelle angeordnet, so können unterschiedliche Strömungscharakteristiken eingestellt werden. So entspricht eine Strömungscharakteristik, die durch ein bestimmtes Strömungsverhalten, beispielsweise dem Volumenstrom, gegeben ist, einem Zustand bei Erstinbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels. Eine weitere zweite Strömungscharakteristik kann für den Start des Systems bei kalten Temperaturen ausgelegt sein, wo sich der Stapelaufbau der Brennstoffzelle möglicherweise ungleichmäßig erwärmt, wohingegen eine weitere dritte Strömungscharakteristik für den eigentlichen Dauerbetrieb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle geeignet ist.Thus, in a further development of the solution proposed according to the invention, the control element provided in the form of a sleeve can have more than one control edge over the circumference. If, for example, three edges or windows are arranged in the plane of an individual cell over the circumference of the control element, which is designed in the form of a sleeve, then different flow characteristics can be set. Thus, a flow characteristic which is given by a specific flow behavior, for example the volume flow, corresponds to a state when the fuel cell stack is started up for the first time. A further second flow characteristic can be designed for starting the system at cold temperatures, where the stack structure of the fuel cell may heat up unevenly, whereas a further third flow characteristic is suitable for the actual continuous operation of the stack structure of the fuel cell.

Insbesondere bei einem Kaltstart bei Außentemperaturen von unter -20 °C kann das in Hülsenform ausgebildete Steuerelement, welches in den Kühlwasserkanal eingelassen ist, dazu verwendet werden, einzelne oder alle Einzelelemente, d. h. Batteriezellen, vom Kühlwasserkreislauf abzutrennen, jedoch sicherzustellen, dass ein Hauptkanal in Längsrichtung des Stapelaufbaus oder einige Zellen durchströmt werden. Dies kann beispielsweise beim Starten des Systems bei Außentemperaturen von < 0 °C hilfreich sein, wenn das Kühlwasser zum Erwärmen des Stapelaufbaus eingesetzt wird und sichergestellt werden soll, dass Randzellen, die sich in der Nähe der Endplatten befinden, warm genug sind, bevor der ganze Stapelaufbau durchströmt wird.In particular in the case of a cold start at outside temperatures below -20 ° C, the sleeve-shaped control element, which is let into the cooling water channel, can be used to control individual or all individual elements, ie. H. Battery cells to be separated from the cooling water circuit, but to ensure that a main channel in the longitudinal direction of the stack structure or some cells are flowed through. This can be helpful, for example, when starting the system at outside temperatures of <0 ° C, when the cooling water is used to heat the stack structure and it is to be ensured that the edge cells, which are located near the end plates, are warm enough before the whole Stack structure is flowed through.

Beim Durchströmen des gesamten Stapelaufbaus wird der Randbereich langsamer erwärmt, da die Endplatten mitbeheizt werden müssen, die sich an den Endplatten des Stapelaufbaus befinden. Das eingesetzte Kühlbeziehungsweise Temperiermedium ist warm und erwärmt den Bereich der Gase führenden Kanäle, damit dort keine Kondensations- beziehungsweise Einfriererscheinungen auftreten. Gleichzeitig werden die im Randbereich liegenden Einzelelemente mit dem erwärmten Kühlmedium beheizt. Der mittlere Bereich, d. h. der Zentralbereich, des Stapelaufbaus ist in der Regel unbeheizt und durchläuft eine verzögerte Erwärmung. Beim Einschalten des Systems jedoch, wird die Abwärme aus den Einzelelementen zur Erwärmung des Stapels frei, was üblicherweise ausreichend ist, um den Stapelaufbau hochzufahren. Vorgewärmtes Kühlmedium hingegen wird durch das temporäre Abschalten im Zentralbereich liegender Einzelelemente nicht zur Beheizung des mittleren Bereichs, d. h. des Zentralbereichs, eingesetzt, sondern kann dazu genutzt werden, die Hauptkanäle, in denen keine chemische Reaktion stattfindet, sowie die Randbereiche, die im Bereich der Endplatten des Stapelaufbaus liegen, zu erwärmen.When flowing through the entire stack structure, the edge area is heated more slowly, since the end plates, which are located on the end plates of the stack structure, have to be heated at the same time. The cooling or temperature control medium used is warm and heats the area of the ducts carrying gases so that no condensation or freezing phenomena occur there. At the same time, the individual elements lying in the edge area are heated with the heated cooling medium. The middle area, i.e. H. the central area of the stack structure is usually unheated and undergoes delayed heating. When the system is switched on, however, the waste heat from the individual elements is released to heat the stack, which is usually sufficient to start up the stack structure. Preheated cooling medium, on the other hand, is not used to heat the central area due to the temporary shutdown of individual elements in the central area, i.e. the central area. H. of the central area, but can be used to heat the main channels, in which no chemical reaction takes place, as well as the edge areas that are in the area of the end plates of the stack structure.

Weist der Stapelaufbau eine bestimmte Temperatur auf, so gibt das in Hülsenform beschaffene Steuerelement, welches im Kühlkanal angeordnet ist, entweder alle Einzelelemente, d. h. alle Batteriezellen, gleichzeitig oder optional nach und nach frei; die Temperatur des Kühlwassers wird auf eine Temperatur von 80 °C begrenzt.If the stack structure has a certain temperature, the control element, which is provided in the form of a sleeve and which is arranged in the cooling channel, either provides all of the individual elements, i.e. H. all battery cells, simultaneously or optionally gradually free; the temperature of the cooling water is limited to a temperature of 80 ° C.

In vorteilhafter Weise ist beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelement dessen Umfang mit Durchbrüchen versehen, die entweder in Schlitzform oder in Fensterform ausgeführt sein können. Durch die Durchbrüche am Umfang des hülsenförmigen Steuerelements beziehungsweise deren Öffnungsverteilung am Umfang kann je nach Drehposition des hülsenförmigen Steuerelements innerhalb des Strömungskanals für Edukte, beispielsweise Luft oder Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, nur eine oder jede zweite oder mehrere übereinander liegende Einzelzellen mit unterschiedlichen Fluidvolumenströmen angeströmt werden, je nach Öffnungsgrad der entsprechenden Durchströmungsquerschnitte am Rand des Strömungskanals.In the control element proposed according to the invention, the periphery of the control element is advantageously provided with openings which can be designed either in the form of a slot or in the form of a window. Through the openings on the circumference of the sleeve-shaped control element or the distribution of openings on the circumference, depending on the rotational position of the sleeve-shaped control element within the flow channel for educts, for example air or fuel, in particular gaseous hydrogen, or a temperature control medium, such as cooling water, only one or every second or more Individual cells lying one above the other are exposed to different fluid volume flows, depending on the degree of opening of the corresponding flow cross-sections at the edge of the flow channel.

In einer alternativen Ausführungsvariante kann das Steuerelement einen flexiblen an einem Drehstab befestigten Folienabschnitt aufweisen, der beispielsweise zur Steuerung in nicht kreisrund ausgeführten Strömungskanälen, sondern in einen eckigen oder polygonalen Querschnitt aufweisenden Strömungskanälen eingesetzt werden kann, ohne sich bei einer Verdrehbewegung zu verkanten.In an alternative embodiment variant, the control element can have a flexible film section fastened to a torsion bar, which is used, for example, for control in flow channels that are not circular, but in one angular or polygonal cross-section having flow channels can be used without tilting during a twisting movement.

Es besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäß vorgeschlagene hülsenförmige Steuerelement so auszugestalten, dass durch die Stellantriebe einerseits eine rotativ erfolgende Verdrehbewegung stattfinden kann oder andererseits eine axiale Bewegung des hülsenförmigen Steuerelements innerhalb des Strömungskanals ermöglicht wird.There is the possibility of designing the sleeve-shaped control element proposed according to the invention in such a way that, on the one hand, the actuating drives can perform a rotary rotational movement or, on the other hand, allow the sleeve-shaped control element to move axially within the flow channel.

Die Stellantriebe, mit denen die bevorzugt hülsenförmig ausgebildeten Steuerelemente innerhalb der Strömungskanäle betätigt werden können, sind beispielsweise elektrische oder pneumatische Antriebe; alternativ besteht die Möglichkeit, die Steuerelemente auch durch Bimetallelemente zu betätigen.The actuators with which the preferably sleeve-shaped control elements can be actuated within the flow channels are, for example, electrical or pneumatic drives; alternatively there is the possibility of actuating the control elements using bimetal elements.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelement erfolgt dessen Betätigung lastabhängig, sodass sich insbesondere bei hohen Fluidvolumenströmen der Edukte große Durchströmungsquerschnitte und bei geringen Gasdurchflüssen der Edukte kleinere Durchströmungsquerschnitte einstellen lassen.In the control element proposed according to the invention, its actuation is load-dependent, so that large flow cross-sections can be set, in particular with high fluid volume flows of the educts, and smaller flow cross-sections with low gas flows of the educts.

Des Weiteren sind die Stellantriebe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelemente jeweils mit einer Abschaltfunktionalität versehen. Die Abschaltfunktionalität kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass ein in Hülsenform beschaffenes Steuerelement in einen entsprechenden Kanal eingeschoben wird, wo für einen definierten Lastfall ein Optimum einer Durchströmung fix eingestellt wird. Eine der Abschaltpositionen gemäß Stellposition „Abschalt“ kann beispielsweise bei der Inbetriebnahme oder der Prüfung nach der Fertigung einmalig auf einen Wert eingestellt werden oder in der Werkstatt nachgestellt werden. In diesem Fall kann die Stellfunktion durch ein Werkzeug oder durch eine Klemmung gegeben sein. Eine Nachstellung kann idealerweise lastabhängig während des Betriebs des Systems erfolgen, entweder aktiv über einen Stellmotor oder über eine Pneumatik oder dergleichen oder auf passivem Wege über einen Temperatursteller wie beispielsweise ein entsprechend gestaltetes Bimetallelement.Furthermore, the actuators of the control elements proposed according to the invention are each provided with a switch-off functionality. The shutdown functionality can be implemented, for example, in that a control element made in the form of a sleeve is pushed into a corresponding channel, where an optimum flow rate is permanently set for a defined load case. One of the switch-off positions according to the “switch-off” setting position can be set to a value once during commissioning or the test after production, or it can be readjusted in the workshop. In this case, the actuating function can be provided by a tool or by clamping. An adjustment can ideally take place as a function of the load during operation of the system, either actively via a servomotor or via pneumatics or the like, or passively via a temperature controller such as a correspondingly designed bimetal element.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung der bevorzugt hülsenförmig ausgebildeten Steuerelemente an einem Stapelaufbau gleichartiger Einzelelemente, bei denen ein Volumenstrom schwankt und ein sich einstellender Druckverlust an den Einzelelementen nachjustiert werden kann. Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen insbesondere hülsenförmig ausgebildeten Steuerelemente ist an einer Brennstoffzelle gegeben, zur Steuerung eines Fluidstroms von Edukten, insbesondere Luft oder Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder ein Temperiermedium, wie beispielsweise Kühlwasser, durch Einzelelemente innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle.The invention also relates to the use of the preferably sleeve-shaped control elements on a stack of similar individual elements, in which a volume flow fluctuates and a pressure loss that occurs at the individual elements can be readjusted. A further use of the control elements proposed according to the invention, in particular sleeve-shaped, is given on a fuel cell to control a fluid flow of educts, in particular air or fuel, in particular gaseous hydrogen, or a temperature control medium, such as cooling water, through individual elements within the stack structure of the fuel cell.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können entweder durch eine entsprechende Positionierung der hülsenförmig ausgebildeten Steuerelemente gleichmäßige Fluidvolumenströme durch die Einzelzellen innerhalb des Stapelaufbaus für einen Betriebspunkt erreicht werden oder es lassen sich aufgrund des Verdrehungsgrads insbesondere von hülsenförmig ausgebildeten Steuerelementen mit einer schräg verlaufenden Steuerkante unterschiedliche Fluidvolumenströme im zentralen Stapelbereich beziehungsweise an dessen peripheren Enden im Bereich der Endplatten realisieren, sodass unterschiedliche Betriebspunkte angefahren werden können.With the solution proposed according to the invention, uniform fluid volume flows through the individual cells within the stack structure for an operating point can either be achieved by appropriate positioning of the sleeve-shaped control elements, or different fluid volume flows can be achieved in the central stack area due to the degree of rotation, in particular of sleeve-shaped control elements with an inclined control edge or at its peripheral ends in the area of the end plates, so that different operating points can be approached.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung mit in die Strömungskanäle für die Edukte eingelassenen hülsenförmigen Steuerelementen kann eine optimale Prozessgasversorgung eines jeden Einzelelements innerhalb des Stapelaufbaus erreicht werden. Dies war bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik bislang nur an einem Auslegungspunkt möglich. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich insbesondere bei unterschiedlichen Betriebspunkten vermeiden, dass Einzelelemente, d. h. Einzelzellen, innerhalb des Stapelaufbaus unter- beziehungsweise überversorgt werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich ein erhöhter Bedarf an Durchströmung, d. h. ein unter höherem Druck erfolgender Fluidstromtransport, vermeiden, dadurch sinkt die erforderliche Verdichterleistung, ferner kann die Befeuchterleistung reduziert werden, ebenso wie die Baugröße und die im Betrieb anfallenden Kosten.The solution proposed according to the invention with sleeve-shaped control elements embedded in the flow channels for the educts enables an optimal process gas supply to be achieved for each individual element within the stack structure. In the case of solutions according to the prior art, this was previously only possible at one design point. The solution proposed according to the invention makes it possible, in particular at different operating points, to avoid individual elements, i. H. Single cells, are undersupplied or oversupplied within the stack structure. With the solution proposed according to the invention, an increased demand for throughflow, ie. H. Avoid a fluid flow transport taking place under higher pressure, which reduces the required compressor output, furthermore the humidifier output can be reduced, as well as the size and the costs incurred during operation.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich überdies eine unabhängige Steuerung von Eduktströmen wie zum Beispiel auf der Eduktseite geführte Luft oder Brennstoff in Form von gasförmigem Wasserstoff erreichen, da die beiden in den jeweiligen Strömungskanälen vorgesehenen, insbesondere hülsenförmig ausgebildeten Steuerelemente, durch die jeweils zugeordneten Stellantriebe unabhängig voneinander betätigbar sind und sich dadurch unterschiedliche Fluidvolumenströme in den Strömungskanälen einstellen lassen.The solution proposed according to the invention also enables an independent control of educt flows such as air or fuel in the form of gaseous hydrogen carried on the educt side, since the two control elements provided in the respective flow channels, in particular sleeve-shaped, are independently controlled by the respectively assigned actuators can be actuated from one another and thereby different fluid volume flows can be set in the flow channels.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung werden keine Einzelventile für ein jedes Einzelelement mit Einzelstellelementen benötigt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können im Wesentlichen gleichförmig beschaffene Elemente, d. h. in Hülsenform beschaffene Steuerelemente, verbaut werden.The solution proposed according to the invention means that no individual valves are required for each individual element with individual actuating elements. With the solution proposed according to the invention, essentially uniformly constituted Elements, ie controls provided in the form of a sleeve, are installed.

Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine elektrische Begleitheizung für den Randbereich entfallen, für den Fall, dass ein Steuerelement im Strömungskanal für das Kühlmedium Verwendung findet. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich eine Verlängerung der Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellenstapelaufbauten erreichen, da ein jedes Einzelelement des Stapelaufbaus ideal belastet wird. Bei Brennstoffzellensystemen ist die mittlere Leistungsabgabe oft nicht zu beanstanden; jedoch können Einzelelemente innerhalb des Stapelaufbaus geringfügig überlastet sein, was jedoch zu einer vorzeitigen Alterung derselben und damit zu einem Wirkungsgradverlust und somit zu einer weiteren Degradation führt. Andererseits werden andere im Stapelaufbau enthaltene Einzelelemente nicht voll ausgenutzt.Furthermore, with the solution proposed according to the invention, electrical trace heating for the edge area can be dispensed with, in the event that a control element is used in the flow channel for the cooling medium. The solution proposed according to the invention makes it possible to extend the service life of PEM fuel cell stack structures, since each individual element of the stack structure is ideally loaded. In the case of fuel cell systems, the average power output is often not objectionable; however, individual elements within the stack structure can be slightly overloaded, which, however, leads to premature aging of the same and thus to a loss of efficiency and thus to further degradation. On the other hand, other individual elements contained in the stack structure are not fully utilized.

FigurenlisteFigure list

Anhang der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.The invention is described in more detail below with the aid of the drawings.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Strömungsfelds eines Einzelelements im Stapelaufbau,
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Stapelaufbaus einer Bren nstoffzelle,
  • 3 eine erste Ausführungsvariante eines hülsenförmigen Steuerelements,
  • 4 eine zweite Ausführungsvariante eines hülsenförmigen Steuerelements,
  • 5 eine dritte Ausführungsvariante eines dritten Steuerelements,
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle,
  • 7 eine perspektivische Ansicht eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle von der Unterseite her und
  • 8 einen Schnitt durch einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle mit durch die hülsenförmigen Steuerelemente jeweils freigegebener variabler Durchströmungsquerschnitte zu den im Stapelaufbau im Stapelaufbau übereinander gestapelten Einzelelementen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a flow field of a single element in a stack structure,
  • 2 a perspective view of part of a stack structure of a fuel cell,
  • 3 a first variant of a sleeve-shaped control element,
  • 4th a second variant of a sleeve-shaped control element,
  • 5 a third variant of a third control element,
  • 6th a perspective view of a stack structure of a fuel cell,
  • 7th a perspective view of a stack structure of a fuel cell from the bottom and
  • 8th a section through a stack structure of a fuel cell with variable flow cross-sections released in each case by the sleeve-shaped control elements for the individual elements stacked one on top of the other in the stack structure.

Ausführungsvarianten der ErfindungVariants of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt die Draufsicht auf ein Strömungsfeld 10 eines Einzelelements 18 eines Stapelaufbaus 16 einer Brennstoffzelle. Das Strömungsfeld 10 umfasst diagonal zueinander positionierte Einströmbereiche 12; ferner ein Labyrinth 14, welches einen aktiven Bereich 50 des Einzelelements 18 bedeckt. 1 shows the top view of a flow field 10 of a single element 18th a stack structure 16 a fuel cell. The flow field 10 includes inflow areas positioned diagonally to one another 12th ; furthermore a labyrinth 14th , which is an active area 50 of the single element 18th covered.

Im Einzelelement 18 befinden sich mehrere Öffnungen 22, die im übereinander gestapelten Zustand der Einzelelemente 18, d. h. innerhalb des Stapelaufbaus 16, Strömungskanäle 71, 75 bilden, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird.In the single element 18th there are several openings 22nd that are in the stacked state of the individual elements 18th , ie within the stack structure 16 , Flow channels 71 , 75 as described in more detail below.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht gestapelter Einzelelemente 18 innerhalb eines Stapelaufbaus 16 einer Brennstoffzelle. 2 shows a perspective view of stacked individual elements 18th within a stack structure 16 a fuel cell.

Wie aus der perspektivischen Darstellung gemäß 2 hervorgeht, sind die Einzelelemente 18 in vertikale Richtung zu einem Stapelaufbau 16 gefügt. Am unteren Ende des Stapelaufbaus 16 befindet sich eine untere Endplatte 24. Im Randbereich eines jeden der Einzelelemente 18 befinden sich Öffnungen 22, die entweder eine Rundung 26 aufweisen können oder einen eckigen oder dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.As shown in the perspective illustration 2 are the individual elements 18th in the vertical direction to a stack structure 16 joined. At the bottom of the stack 16 there is a lower end plate 24 . In the edge area of each of the individual elements 18th there are openings 22nd that either have a rounding 26th may have or have an angular or triangular cross-section.

Die jeweiligen Öffnungen 22 sind von Dichtflächen umgeben. An die Dichtflächen, die die Öffnungen 22 der Einzelelemente 18 begrenzen, schließt sich ein aktiver Bereich 50 des jeweiligen Einzelelements 18 an. In der Darstellung gemäß 2 ist nur ein Teil des Stapelaufbaus 16 eines Brennstoffzellenstapels aus Einzelelementen 18 dargestellt, die beispielsweise durch geprägte ebene Bleche 20 dargestellt sind.The respective openings 22nd are surrounded by sealing surfaces. On the sealing surfaces that make up the openings 22nd of the individual elements 18th limit, an active area closes 50 of the respective individual element 18th at. In the representation according to 2 is only part of the stack structure 16 of a fuel cell stack made up of individual elements 18th shown, for example, by embossed flat sheets 20th are shown.

3 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelements 28 in Hülsenform 30. 3 shows a first variant of the control element proposed according to the invention 28 in sleeve shape 30th .

Das in Hülsenform 30 ausgebildete Steuerelement 28 umfasst einen Stift 32, durch welchen das Steuerelement 28 in Hülsenform 30 mit einem in 3 nicht dargestellten Stellantrieb verbunden werden kann. Der Stellantrieb kann somit außerhalb des gasführenden Bereichs, beispielsweise an einer Endplatte 24, 54, montiert werden. Der Stift 32 wird durch eine hier nicht näher dargestellte Dichtung ins Innere des Stapelaufbaus 16 geführt und überträgt die Bewegungen des Stellantriebs auf das in Hülsenform 30 ausgebildete Steuerelement 28. Eine Längsachse 92 des in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelements 28 erstreckt sich im Wesentlichen in Axialrichtung des Steuerelements 28 in Hülsenform 30. Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass das Steuerelement 28 eine erste vorzugsweise gerade Steuerkante 34 aufweist und eine weitere schräge Steuerkante 36 umfasst. Die schräge Steuerkante 36 lässt sich in eine erste Schräge 38 und eine zweite Schräge 40 unterteilen, die in unterschiedlichen Längen in Bezug auf die Axialerstreckung des Steuerelements 28 ausgebildet sein können. Aus der perspektivischen Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass der Umfang 98 des hülsenförmig ausgebildeten Steuerelements 28 zwischen den beiden Steuerkanten 34 und 36 offen ist, d. h. dass das Steuerelement 28 eine zumindest partiell unterbrochene Umfangsfläche 98 aufweist.That in the form of a sleeve 30th trained control 28 includes a pen 32 through which the control 28 in sleeve shape 30th with an in 3 actuator not shown can be connected. The actuator can thus be outside the gas-carrying area, for example on an end plate 24 , 54 , to be assembled. The pencil 32 is through a seal not shown here in the interior of the stack structure 16 guided and transmits the movements of the actuator to the in the form of a sleeve 30th trained control 28 . A longitudinal axis 92 des in sleeve shape 30th trained control 28 extends essentially in the axial direction of the control element 28 in sleeve shape 30th . From the representation according to 3 it turns out that the control 28 a first, preferably straight, control edge 34 has and another inclined control edge 36 includes. The sloping control edge 36 can be in a first slant 38 and a second slope 40 divide that into different lengths in relation to the axial extent of the control 28 can be formed. From the perspective illustration according to 3 it turns out that the scope 98 of the sleeve-shaped control element 28 between the two control edges 34 and 36 is open, meaning that the control 28 an at least partially interrupted peripheral surface 98 having.

4 zeigt eine weitere, zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelements 28 in Hülsenform 30. 4th shows a further, second embodiment variant of the control element proposed according to the invention 28 in sleeve shape 30th .

Wie aus der Darstellung gemäß 4 hervorgeht, ist die Umfangsfläche 98 des Steuerelements 28 in Hülsenform 30 ebenfalls unterbrochen und durch zwei gerade verlaufende, d. h. sich parallel zur Längsachse 92 erstreckende, Steuerkanten 34 begrenzt. Im Umfang 98 befinden sich Durchbrüche 42. Die Durchbrüche 42 können entweder in Schlitzform 44 oder in Fensterform 46 ausgebildet sein. Die Durchbrüche 42, seien sie in Schlitzform 44, seien sie in Fensterform 46 ausgebildet, sind über eine Länge 110 des Umfangs 98 des in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelements 28 verteilt und bilden je nach Drehposition des in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelements 28 in einem Strömungskanal 71, 75 für Edukte, vgl. Darstellung gemäß 6, unterschiedliche Durchströmungsquerschnitte 96 für die jeweiligen Eduktgase und die Versorgung mit Kühlmedium wie beispielsweise Kühlwasser. Liegen beispielsweise im Anströmbereich, ausgehend vom Strömungskanal 71, 75, für ein Einzelelement 18 in Schlitzform 44 beschaffene Durchbrüche 42 vor, ist ein bestimmter Fluidvolumenstrom, sei es Luft, sei es gasförmiger Wasserstoff, eingestellt. Liegt beispielsweise ein in Fensterform 46 ausgebildeter Durchbruch 42 einer jeweiligen Öffnung 88, 90 einem Einzelelement 18 gegenüber, tritt ein größerer Fluidvolumenstrom in das Einzelelement 18 beziehungsweise passiert das dortige Strömungsfeld 10 des aktiven Bereichs 50.As shown in the illustration 4th is the peripheral surface 98 of the control 28 in sleeve shape 30th also interrupted and by two straight lines, ie parallel to the longitudinal axis 92 extending, control edges 34 limited. The extent 98 there are breakthroughs 42 . The breakthroughs 42 can either be in slot form 44 or in the form of a window 46 be trained. The breakthroughs 42 , let them be in slit shape 44 , be in the form of a window 46 are formed over a length 110 the scope 98 des in sleeve shape 30th trained control 28 distributed and form depending on the rotational position of the in the form of a sleeve 30th trained control 28 in a flow channel 71 , 75 for educts, see illustration according to 6th , different flow cross-sections 96 for the respective educt gases and the supply of cooling medium such as cooling water. For example, they are in the inflow area, starting from the flow channel 71 , 75 , for a single element 18th in slot form 44 created breakthroughs 42 before, a certain fluid volume flow, be it air or be it gaseous hydrogen, is set. For example, there is one in the shape of a window 46 trained breakthrough 42 a respective opening 88 , 90 a single element 18th opposite, a larger fluid volume flow occurs in the individual element 18th or passes the flow field there 10 of the active area 50 .

Die Länge 110 des in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelements 28 ist so bemessen, dass dieses möglichst alle Einzelelemente 18 innerhalb des Stapelaufbaus 16 des Brennstoffzellenstapels überdeckt.The length 110 des in sleeve shape 30th trained control 28 is dimensioned in such a way that this includes all individual elements 18th within the stack structure 16 of the fuel cell stack covered.

5 zeigt eine weitere, dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelements 28. Gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsvariante erstreckt sich ausgehend vom Stift 32 an der Längsachse 92 ein flexibler Folienabschnitt 48. Dieser ist durch eine Kante 112 begrenzt und stellt den Umfang 98 des Steuerelements 28 gemäß der dritten Ausführungsvariante, die in 5 dargestellt ist, dar. Gemäß der in 5 dargestellten dritten Ausführungsvariante des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 lässt sich dieses in einen Strömungskanal 71, 75 einbauen und schmiegt sich an die Wandung des Strömungskanals 71, 75 an, wobei eine Verdrehung durch einen in 5 nicht dargestellten Stellantrieb stets in eine Richtung erfolgt, damit sich der flexible Folienabschnitt 48 nirgends verhakt. 5 shows a further, third embodiment variant of the control element proposed according to the invention 28 . According to the in 5 The embodiment variant shown extends starting from the pin 32 on the longitudinal axis 92 a flexible film section 48 . This is by an edge 112 limits and represents the scope 98 of the control 28 according to the third variant embodiment, which is shown in 5 is shown. According to the in 5 illustrated third variant of the in the form of a sleeve 30th procured control 28 can this into a flow channel 71 , 75 install and nestle against the wall of the flow channel 71 , 75 where a twist is indicated by an in 5 Actuator, not shown, always takes place in one direction, so that the flexible film section 48 not caught anywhere.

Bei den in 3 beziehungsweise 4 dargestellten Ausführungsvarianten des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 verläuft die schräge Steuerkante 36 senkrecht zur Längsachse 92 des Steuerelements 28, damit alle innerhalb des Stapelaufbaus 16 übereinander angeordneten Einzelelemente 18 gleichzeitig und gleichmäßig kontinuierlich angesteuert werden können. Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 verläuft die schräge Steuerkante 36 nicht parallel zur Längsachse 92, die mit der Drehachse des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 zusammenfällt. Die beispielsweise in 4 dargestellte V-förmige schräge Steuerkante 36 kann dazu genutzt werden, einen vollen Strömungsquerschnitt im Zentrum des Stapelaufbaus 16 früher oder später freizugeben, verglichen mit den Öffnungsquerschnitten der Einzelelemente 18, die ausgehend von den Strömungskanälen 71, 75 an den beiden peripheren Enden des Stapelaufbaus 16 im Bereich der Endplatten 24, 54 freigegeben werden.The in 3 respectively 4th shown variants of the in sleeve form 30th procured control 28 runs the inclined control edge 36 perpendicular to the longitudinal axis 92 of the control 28 so that everyone is within the stack 16 single elements arranged one above the other 18th can be controlled simultaneously and continuously. At the in 4th illustrated second variant of the in the form of a sleeve 30th procured control 28 runs the inclined control edge 36 not parallel to the longitudinal axis 92 that coincides with the axis of rotation of the sleeve 30th procured control 28 coincides. For example, in 4th V-shaped inclined control edge shown 36 can be used to have a full flow cross-section in the center of the stack structure 16 to be released sooner or later, compared to the opening cross-sections of the individual elements 18th starting from the flow channels 71 , 75 at the two peripheral ends of the stack structure 16 in the area of the end plates 24 , 54 be released.

Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass es zur Einstellung einer Fluidverteilung innerhalb eines Stapelaufbaus 16 einer Brennstoffzelle aus mehr als 400 Einzelelementen 18 nicht notwendig ist, jedes einzelne Einzelelement 18 mit einem eigenen Steuerelement 28 in Hülsenform 30 anzusteuern, sondern dass es ausreichen kann, kleinere Gruppen von beispielsweise 3 oder 5 Einzelelementen 18 zu steuern oder einen Steuerungsverlauf mit einer beispielsweise polygonal geformten Steuerkante vorzugeben. Damit können baugleiche oder ähnliche Einzelelemente 18 mit Bauhöhen um ca. 1 mm in einer gestapelten Anordnung quasi kontinuierlich und einstellbar unterschiedliche Durchflüsse aufweisen.It is apparent to the person skilled in the art that it is necessary to adjust a fluid distribution within a stack structure 16 a fuel cell made up of more than 400 individual elements 18th is not necessary, every single element 18th with its own control 28 in sleeve shape 30th to control, but that it may be sufficient to have smaller groups of, for example, 3 or 5 individual elements 18th to control or to specify a control course with, for example, a polygonally shaped control edge. This means that identical or similar individual elements can be used 18th with construction heights of approx. 1 mm in a stacked arrangement have quasi continuous and adjustable different flow rates.

6 zeigt eine Ausführungsvariante eines Stapelaufbaus 16 einer Brennstoffzelle mit einer Gasversorgung 76 über die untere Endplatte 24 mit einer Ansteuerung für zwei in Hülsenform 30 beschaffene Steuerelemente 28. Wie aus der perspektivischen Wiedergabe gemäß 6 hervorgeht, umfasst der Stapelaufbau 16 eine untere Endplatte 24 und eine obere Endplatte 54. Oberhalb der oberen Endplatte 54 sind ein erster Stellantrieb 58 und ein zweiter Stellantrieb 60 angeordnet. Die beiden Stellantriebe 58, 60 sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Über den ersten Stellantrieb 58 wird ein in Hülsenform 30 beschaffenes Steuerelement 28 angesteuert, welches in einem Strömungskanal 71 für Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, eingelassen ist. Der Strömungskanal 71 weist einen kreisförmigen Kanalquerschnitt 62 auf. Demgegenüber betätigt der zweite Stellantrieb 60 rotativ oder axial ebenfalls ein in Hülsenform 30 ausgebildetes Steuerelement 28, welches gemäß 5 in einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerelements 28 beschaffen ist und einen flexiblen Folienabschnitt 48 umfasst. Dieses Steuerelement 28 ist in einen Strömungskanal 71 eingelassen, der einen eckigen Kanalquerschnitt 64 aufweist und bei dem es sich um einen Strömungskanal 71 für Brennstoff, vorzugsweise gasförmigen Wasserstoff, handelt. Zwischen den beiden über die voneinander unabhängigen Stellantriebe 58, 60 betätigbaren, insbesondere axial oder rotativ bewegbaren, Steuerelemente 28 in Hülsenform 30, befindet sich ein weiterer Strömungskanal 75, der einen eckigen Kanalquerschnitt 64 aufweist. 6th shows a variant embodiment of a stack structure 16 a fuel cell with a gas supply 76 over the lower end plate 24 with a control for two in sleeve form 30th procured controls 28 . As shown in the perspective rendering 6th is apparent, includes the stack structure 16 a lower end plate 24 and an upper end plate 54 . Above the top end plate 54 are a first actuator 58 and a second actuator 60 arranged. The two Actuators 58 , 60 can be controlled independently of each other. Via the first actuator 58 becomes a sleeve shaped 30th procured control 28 controlled, which in a flow channel 71 for fuel, in particular gaseous hydrogen, is admitted. The flow channel 71 has a circular channel cross-section 62 on. In contrast, the second actuator operates 60 rotative or axial also one in the form of a sleeve 30th trained control 28 which according to 5 in a third variant of the control element proposed according to the invention 28 and a flexible film section 48 includes. This control 28 is in a flow channel 71 let in, of an angular channel cross-section 64 and which is a flow channel 71 for fuel, preferably gaseous hydrogen. Between the two via the independent actuators 58 , 60 actuatable, in particular axially or rotatably movable control elements 28 in sleeve shape 30th , there is another flow channel 75 , of an angular duct cross-section 64 having.

Aus der teilweise gebrochen dargestellten Ansicht des Stapelaufbaus 16 ergibt sich, dass die Einzelelemente 18 jeweils einen aktiven Bereich 50 aufweisen, der sich auf einer Fläche 52 befindet. Ein erster Austritt für eine Luftströmung ist durch Bezugszeichen 56 bezeichnet.From the partially broken view of the stack structure 16 it turns out that the individual elements 18th one active area each 50 have, which is on a surface 52 is located. A first outlet for an air flow is indicated by reference symbols 56 designated.

Aus der perspektivischen Darstellung gemäß 6 ergibt sich, dass der Stapelaufbau 16 der Brennstoffzelle bei Position 70 einen Eintritt für Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff aufweist, der in den Strömungskanal 71 eintritt. Position 72 bezeichnet einen Eintritt für ein Kühlmedium und Bezugszeichen 74 einen Eintritt von Luft in den Strömungskanal 75. In die beiden Strömungskanäle 71, 75 für die Edukte Luft und Brennstoff sind jeweils die beiden im Wesentlichen in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28 eingelassen. Mit Position 66 sind jeweils umlaufende Dichtungen bezeichnet, die sich zwischen den Einzelelementen 18 des Stapelaufbaus 16 befinden und bei Verspannung der beiden Endplatten 24, 54 relativ zueinander den Stapelaufbau 16 gasdicht abdichten.From the perspective illustration according to 6th it results that the stack structure 16 the fuel cell at position 70 has an inlet for fuel, in particular gaseous hydrogen, which enters the flow channel 71 entry. position 72 denotes an inlet for a cooling medium and reference symbols 74 an entry of air into the flow channel 75 . In the two flow channels 71 , 75 for the starting materials air and fuel, the two are each essentially in the form of a sleeve 30th procured controls 28 let in. With position 66 are each designated circumferential seals, which are located between the individual elements 18th of the stack structure 16 are located and when the two end plates are braced 24 , 54 relative to each other the stack structure 16 seal gas-tight.

7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Stapelaufbaus 16 einer Brennstoffzelle mit einer Gasversorgung 76 über die untere Endplatte 24 sowie die Ansteuerung von zwei als Drosselelemente dienenden in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelementen 28. 7th shows another embodiment of a stack structure 16 a fuel cell with a gas supply 76 over the lower end plate 24 as well as the control of two sleeve-shaped throttling elements 30th trained controls 28 .

7 ist zu entnehmen, dass die Gasversorgung 76 über die untere Endplatte 24 erfolgt. Die Gasversorgung 76 umfasst eintrittsseitig in Bezug auf die untere Endplatte 24 einen Eintritt 70 für Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, der in einen Strömungskanal 71 für dieses Eduktgas übergeht. In diesem befindet sich das Steuerelement 28 in Hülsenform 30 ausgebildet mit einem flexiblen Folienabschnitt 48 als anschmiegsames Teil in einem einen eckigen Kanalquerschnitt 64 aufweisenden Strömungskanal 75. Des Weiteren befindet sich seitlich an der unteren Endplatte 24 ein Eintritt 72 für ein Kühlmedium, während sich ebenfalls seitlich an der unteren Endplatte 24 ein Eintritt 74 für das Eduktgas Luft befindet, welches in den Strömungskanal 75 übergeht. 7th it can be seen that the gas supply 76 over the lower end plate 24 he follows. The gas supply 76 comprises the inlet side with respect to the lower end plate 24 an entry 70 for fuel, in particular gaseous hydrogen, in a flow channel 71 for this reactant gas passes. This is where the control is located 28 in sleeve shape 30th formed with a flexible film section 48 as a supple part in a square duct cross-section 64 having flow channel 75 . Also located on the side of the lower end plate 24 one entry 72 for a cooling medium, while also on the side of the lower end plate 24 one entry 74 for the reactant gas is air, which is in the flow channel 75 transforms.

Die beiden Strömungskanäle 71, 75 für die Edukte Brennstoff und Luft verlaufen senkrecht zur Durchströmungsrichtung der im Stapelaufbau 16 übereinander liegend angeordneten Einzelelementen 18 der Brennstoffzelle.The two flow channels 71 , 75 for the educts fuel and air run perpendicular to the direction of flow in the stack structure 16 Individual elements arranged one above the other 18th the fuel cell.

Darüber hinaus befinden sich in der unteren Endplatte 24 in der gegenüberliegenden kurzen Seite ein Austritt 78 für Luft, ferner ein Austritt 80 für das Kühlmedium sowie ein weiterer Austritt 82 für den Brennstoff, d. h. gasförmigen Wasserstoff.In addition, there are in the lower end plate 24 on the opposite short side there is an exit 78 for air, furthermore an outlet 80 for the cooling medium and another outlet 82 for the fuel, ie gaseous hydrogen.

Die beide Strömungskanäle 71, 75 in axiale Richtung durchsetzenden, in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28, sind über voneinander unabhängige Stellantriebe 58, 60 verdrehbar. Die Stellantriebe 58, 60 befinden sich oberhalb der oberen Endplatte 54 und betätigen jeweils die Stifte 32 der in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelemente 28, die als Drosselorgane in Bezug auf den Volumenstrom der Eduktgase dienen.The two flow channels 71 , 75 penetrating in the axial direction, in the form of a sleeve 30th procured controls 28 , are via independent actuators 58 , 60 rotatable. The actuators 58 , 60 are located above the top end plate 54 and press the pins 32 the one in sleeve shape 30th trained controls 28 , which serve as throttling devices in relation to the volume flow of the educt gases.

Mit Position 68 sind miteinander gefügte Blechplatten bezeichnet, die Bipolarplatten 100 bilden.With position 68 are joined together sheet metal plates, the bipolar plates 100 form.

Aus der Schnittdarstellung gemäß 8 geht eine Darstellung eines Längsschnitts durch einen Stapelaufbau 16 einer Brennstoffzelle hervor.From the sectional view according to 8th is a representation of a longitudinal section through a stack structure 16 a fuel cell.

8 zeigt, dass das in Hülsenform 30 beschaffene Steuerelement 28 eine schräge Steuerkante 36 aufweist, die eine erste Schräge 38 und eine zweite Schräge 40 umfasst. Die gestrichelte Linie zeigt die Position des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 bei einer geringfügigen Verdrehung, wobei die Zugänge zu den Einzelelementen 18 ausgehend vom Strömungskanal 71, 75 auf andere Weise verschlossen sind. Durch den Pfeil, der auf die gestrichelte Linie deutet, sei die Drehbewegung des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 in diese Richtung angedeutet, d. h. eine Verschiebung einer entsprechenden Steuerkante 36 mit einer ersten Schräge 38 und einer zweiten Schräge 40. 8th shows that the sleeve shape 30th procured control 28 an inclined control edge 36 has a first slope 38 and a second slope 40 includes. The dashed line shows the position of the sleeve 30th procured control 28 with a slight twist, whereby the accesses to the individual elements 18th starting from the flow channel 71 , 75 are locked in any other way. With the arrow pointing to the dashed line, let the rotary movement of the in the form of a sleeve 30th procured control 28 indicated in this direction, ie a shift of a corresponding control edge 36 with a first slope 38 and a second slope 40 .

8 zeigt, dass der Stapelaufbau 16 aus einer Anzahl von Einzelelementen 18 auf der unteren Endplatte 24 aufgebaut ist. Die beiden Strömungskanäle 71, 75, die den Stapelaufbau 16 senkrecht zur Durchströmungsrichtung der Bipolarplatten 100 durchziehen, sind jeweils mit einem im Wesentlichen in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelement 28 versehen. Entsprechend von dessen Verdrehgrad werden Öffnungen 88, 90, die einerseits zum Eintritt von Luft in das Einzelelement 18 und andererseits zum Eintritt von Brennstoff, bevorzugt gasförmigen Wasserstoff, in die Einzelelemente 18 dienen, hinsichtlich des Volumenstroms am Durchströmungsquerschnitt 96 variiert. Entsprechend der Verdrehposition des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28, werden die Öffnungen 88, 90 zu einem größeren oder kleineren Grad freigegeben, sodass der Volumenstrom des Fluidstroms, der die Einzelelemente 18 durchströmt, variiert wird. Entsprechend der Neigung der Schrägen 38, 40 des in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28, variiert der Volumenstrom im Stapelzentrum 102 des Stapelaufbaus 16, verglichen mit dem ersten peripheren Stapelende 104 und dem zweiten peripheren Stapelende 106. Entsprechend des am Umfang 98 des im Wesentlichen in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelements 28 ausgebildeten Öffnungsmusters 108 an Durchbrüchen 42 kann ebenfalls Fluidstrom, der die Einzelelemente 18 passiert, variiert werden. Je nach Verdrehungsstellung der in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28 in den Strömungskanälen 71, 75 für die Eduktgase werden Durchströmungsquerschnitte 96, die auch eine minimale Überdeckung 94 aufweisen können, im Stapelzentrum 102 oder im ersten peripheren Stapelende 104 oder im zweiten peripheren Stapelende 106 eingestellt. 8th shows that the stack structure 16 from a number of individual elements 18th on the lower end plate 24 is constructed. The two Flow channels 71 , 75 that are building the stack 16 perpendicular to the direction of flow through the bipolar plates 100 pull through, are each with a substantially sleeve shape 30th trained control 28 Mistake. Openings are made according to its degree of twist 88 , 90 on the one hand to the entry of air into the single element 18th and on the other hand for the entry of fuel, preferably gaseous hydrogen, into the individual elements 18th serve, with regard to the volume flow at the flow cross-section 96 varies. According to the twisted position of the sleeve 30th procured control 28 , are the openings 88 , 90 released to a greater or lesser degree, so that the volume flow of the fluid flow that the individual elements 18th flows through, is varied. According to the slope of the slopes 38 , 40 des in sleeve shape 30th procured control 28 , the volume flow varies in the stacking center 102 of the stack structure 16 compared to the first peripheral end of the stack 104 and the second peripheral end of the stack 106 . According to the scope 98 des essentially in the form of a sleeve 30th procured control 28 formed opening pattern 108 of breakthroughs 42 can also fluid flow, which the individual elements 18th happens to be varied. Depending on the position of rotation, in the form of a sleeve 30th procured controls 28 in the flow channels 71 , 75 flow cross-sections are used for the educt gases 96 that also have a minimal overlap 94 may have in the stack center 102 or in the first peripheral end of the stack 104 or in the second peripheral end of the stack 106 set.

Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen im Wesentlichen in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelementen 28 erfolgt ein Einschieben derselben in Strömungskanäle 71, 75 des Stapelaufbaus 16. Die Strömungskanäle 71, 75 verlaufen nicht parallel zur Strömungsrichtung der Einzelelemente 18. Die Länge 110 der in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelemente 28 überdeckt wenigstens zwei übereinander liegende Einzelelemente 18 des Stapelaufbaus 16, wobei die Steuerelemente 28 wenigstens zu einem Teil ihrer Länge 110 in Achsrichtung und über wenigstens einen Teil ihres Umfangs 98 durchbrochen sind. Dadurch kann entweder durch dauerhafte Positionierung oder durch Verdrehung mittels einer der Stellantriebe 58, 60 temporär relativ zu den im Strömungskanal 71, 75 angeordneten Öffnungen 88, 90 an den Einzelelementen 18 ein Durchströmungsquerschnitt 96 und damit eine Drosselung eines Fluidstroms vorgenommen werden. Dies bedeutet, dass beim starren Einschieben der in Hülsenform 30 ausgebildeten Steuerelemente 28 in die Strömungskanäle 71, 75 die Kennlinie der Durchströmung einmalig eingestellt werden kann. Werden hingegen die in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28 über die Stellantriebe 58, 60 verdreht, vorzugsweise um ihre Längsachse 92, so kann eine Variation der Kennlinie der Durchströmung erreicht werden.In the case of those proposed according to the invention, essentially in the form of a sleeve 30th procured controls 28 the same is pushed into flow channels 71 , 75 of the stack structure 16 . The flow channels 71 , 75 do not run parallel to the direction of flow of the individual elements 18th . The length 110 the one in sleeve shape 30th trained controls 28 covers at least two individual elements lying one above the other 18th of the stack structure 16 , with the controls 28 at least part of its length 110 in the axial direction and over at least part of its circumference 98 are broken. This can be done either by permanent positioning or by rotating one of the actuators 58 , 60 temporarily relative to those in the flow channel 71 , 75 arranged openings 88 , 90 on the individual elements 18th a flow cross-section 96 and thus a throttling of a fluid flow can be carried out. This means that when the rigid insert is in the form of a sleeve 30th trained controls 28 into the flow channels 71 , 75 the flow characteristic can be set once. On the other hand, those in sleeve form 30th procured controls 28 via the actuators 58 , 60 twisted, preferably around its longitudinal axis 92 , a variation of the flow characteristic can be achieved.

Die in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28 können dicht eingesetzt werden, was bedeutet, dass deren Umfang 98 an der Bipolarplatte 100 beziehungsweise an deren Dichtung in einem Spaltmaß anliegt. Dabei können besonders vorteilhaft Polymerstrukturen auf metallischen (Bipolar-)Platten genutzt werden, die dort zur Abdichtung der Einzelelemente 18 beim Aufbau des Stapels verwendet werden. Wird beispielsweise die Polymerdichtung so ausgeführt, dass ein kleiner Polymerüberstand über eine metallische Bipolarplattenstruktur hinaus in einen Eduktkanal ragt, ergibt sich eine relativ weiche Dichtkante 84, 86, an der das in Hülsenform 30 beschaffene Steuerelement 28 tatsächlich dichtend anliegt. Bevorzugt werden die in Hülsenform 30 beschaffenen Steuerelemente 28 in den Eduktkanälen, d. h. am Strömungskanal 71 für Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder am Strömungskanal 75 für das Eduktgas Luft oder für zugeführte Kühlmittel wie Kühlwasser eingesetzt. Das in Hülsenform 30 ausgebildete Steuerelement 28 kann gerade Steuerkanten 34 und schräge Steuerkanten 36 oder eine Steuerkante mit einem polygonalen Verlauf (z. B. y = ax4 + bx3 + cx2 + dx + e), insbesondere einen stetigen Verlauf, vorzugsweise in Achsrichtung des Steuerelements 28, aufweisen, womit alle Einzelelemente 18 gleichzeitig oder gleichzeitig kontinuierlich angesteuert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, eine schräge Steuerkante 36 derart auszubilden, dass beispielsweise eine V-förmige Steuerkante dazu genutzt werden kann, einen vollen Öffnungsquerschnitt im Stapelzentrum 102 früher oder später freizugeben, verglichen mit den Querschnitten der Öffnungen 88, 90, die am ersten peripheren Stapelende 104 beziehungsweise am zweiten peripheren Stapelende 106 freigegeben oder verschlossen werden können.The in sleeve shape 30th procured controls 28 can be used tightly, which means that their scope 98 on the bipolar plate 100 or rests against the seal in a gap. It is particularly advantageous to use polymer structures on metallic (bipolar) plates, which there are used to seal the individual elements 18th used in building the stack. If, for example, the polymer seal is designed in such a way that a small polymer protrusion protrudes beyond a metallic bipolar plate structure into an educt channel, the result is a relatively soft sealing edge 84 , 86 at which the sleeve shape 30th procured control 28 actually fits tightly. Those in sleeve form are preferred 30th procured controls 28 in the educt channels, ie on the flow channel 71 for fuel, in particular gaseous hydrogen, or on the flow channel 75 used for the educt gas air or for supplied coolants such as cooling water. That in the form of a sleeve 30th trained control 28 can straight control edges 34 and sloping control edges 36 or a control edge with a polygonal course (e.g. y = ax 4 + bx 3 + cx 2 + dx + e), in particular a continuous course, preferably in the axial direction of the control element 28 , with which all individual elements 18th can be controlled simultaneously or continuously at the same time. There is also the option of an inclined control edge 36 to be designed in such a way that, for example, a V-shaped control edge can be used to create a full opening cross-section in the center of the stack 102 sooner or later to release compared to the cross-sections of the openings 88 , 90 that are at the first peripheral end of the stack 104 or at the second peripheral end of the stack 106 can be released or locked.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Steuerelemente 28 in Hülsenform 30 rotativ oder axial bewegt werden, sie können elektrisch, pneumatisch oder durch Bimetallelemente betätigt werden. Es besteht die Möglichkeit der Implementierung einer Selbststeuerung im Sinne von Flatterventilen, bei denen bei hohem Durchfluss durch die Strömungskraft der Strömungskanal 71, 75 freigegeben wird, weil sich ein bewegliches Element vor der Ausnehmung verbiegt und den Kanal freigibt; bei geringem Durchfluss hingegen erfolgt ein elastisches Rückstellen und der Strömungskanal 71, 75 wird wieder verschlossen.In the solution proposed according to the invention, the control elements 28 in sleeve shape 30th be moved rotatively or axially, they can be operated electrically, pneumatically or by bimetal elements. There is the possibility of implementing self-control in the sense of flutter valves, in which the flow channel is created by the flow force at high flow rates 71 , 75 is released because a movable element bends in front of the recess and releases the channel; in contrast, when the flow rate is low, there is an elastic return and the flow channel 71 , 75 is closed again.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, it is within the range indicated by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of professional action.

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Claims (18)

Steuerelement (28) einer gestapelten Anordnung, die einen Stapelaufbau (16) aus mehreren übereinander angeordneten Einzelelementen (18) aufweist, die jeweils Öffnungen (22) umfassen, die im Stapelaufbau (16) Strömungskanäle (71, 75) für Edukte oder ein Kühlmedium bilden, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanälen (71, 75) für Edukte jeweils ein hülsenförmiges Steuerelement (28) eingelassen ist, welches mittels eines Stellantriebs (58, 60) um seine Längsachse (92) verdrehbar ist und welches an Öffnungen (88, 90) zu Einzelelementen (18) einen Durchströmungsquerschnitt verändert.Control element (28) of a stacked arrangement which has a stack structure (16) of several individual elements (18) arranged one above the other, each of which comprises openings (22) which form flow channels (71, 75) for educts or a cooling medium in the stack structure (16) , characterized in that a sleeve-shaped control element (28) is embedded in each of the flow channels (71, 75) for educts, which control element (28) can be rotated about its longitudinal axis (92) by means of an actuator (58, 60) and which is connected to openings (88, 90 ) to individual elements (18) changed a flow cross-section. Steuerelement (28) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (71, 75) im Stapelaufbau (16) im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmungsrichtung der Einzelelemente (18) verlaufen.Control element (28) according to Claim 1 , characterized in that the flow channels (71, 75) in the stack structure (16) run essentially perpendicular to the direction of flow through the individual elements (18). Steuerelement (28) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (28) hülsenförmig ausgeführt ist und seine Länge in Richtung der Längsachse (92) zumindest zwei Einzelelemente (18) gleichzeitig überdeckt.Control element (28) according to Claim 1 , characterized in that the control element (28) is designed in the form of a sleeve and its length in the direction of the longitudinal axis (92) covers at least two individual elements (18) at the same time. Steuerelement (28) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Steuerelement (28) zumindest zu einem Teil seiner Länge und zumindest zu einem Teil seines Umfangs (98) durchbrochen ist.Control element (28) according to the Claims 1 to 3 , characterized in that the sleeve-shaped control element (28) is perforated at least over part of its length and at least over part of its circumference (98). Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellantriebe (58, 60) der hülsenförmigen Steuerelemente (28) in den Strömungskanälen (71, 75) unabhängig voneinander betätigbar sind.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the actuators (58, 60) of the sleeve-shaped control elements (28) in the flow channels (71, 75) can be actuated independently of one another. Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmigen Steuerelemente (28) entweder starr in die Strömungskanäle (71, 75) eingeschoben und fixiert sind und Kennlinien der Durchströmung einmalig einstellen oder beweglich, vorzugsweise um ihre Längsachse (92) verdrehbar, sind.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the sleeve-shaped control elements (28) are either rigidly inserted and fixed in the flow channels (71, 75) and the characteristic curves of the flow are set once or are movable, preferably rotatable about their longitudinal axis (92). Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (28) in Hülsenform (30) eine erste gerade oder wellenförmige oder einen polygonalen Verlauf aufweisende Steuerkante (34) und eine weitere schräge Steuerkante (36) aufweisen, die eine erste Schräge (38) und eine zweite Schräge (40) umfasst, die zueinander entgegengesetzt verlaufen.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the control elements (28) in the form of a sleeve (30) have a first straight or wavy or polygonal control edge (34) and a further inclined control edge (36) which has a first bevel (38) and a second bevel (40) which run opposite to each other. Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Umfang (98) der hülsenförmigen Steuerelemente (28) Durchbrüche (42) in Schlitzform (44) oder in Fensterform (46) ausgeführt sind.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that in the circumference (98) of the sleeve-shaped control elements (28) openings (42) are designed in the form of a slot (44) or in the form of a window (46). Steuerelement (28) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (42) im Umfang (98) des hülsenförmigen Steuerelements (28) so angeordnet sind, dass eine Öffnungsverteilung (108) derart gebildet wird, dass je nach Drehposition des hülsenförmigen Steuerelements (28) im jeweiligen Strömungskanal (71, 75) nur ein oder jedes zweite oder mehrere Einzelelemente (18) angeströmt werden.Control element (28) according to Claim 8 , characterized in that the openings (42) in the circumference (98) of the sleeve-shaped control element (28) are arranged in such a way that an opening distribution (108) is formed in such a way that, depending on the rotational position of the sleeve-shaped control element (28) in the respective flow channel (71 , 75) only one or every second or several individual elements (18) are exposed to the flow. Steuerelement (28), gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (28) einen flexiblen, an einem Drehstab befestigten Folienabschnitt (48) umfasst.Control element (28) according to Claim 1 , characterized in that the control element (28) comprises a flexible film section (48) attached to a torsion bar. Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (28) durch die Stellantriebe (58, 60) rotativ oder in axiale Richtung betätigt ist.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the control element (28) is actuated rotatively or in the axial direction by the actuators (58, 60). Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellantriebe (58, 60) elektrisch, pneumatisch oder durch Bimetallelemente betätigbar sind.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the actuators (58, 60) can be actuated electrically, pneumatically or by means of bimetal elements. Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (28) lastabhängig betätigt sind und bei hohen Gasdurchflüssen der Edukte (H2, Luft) große Durchströmungsquerschnitte zu den gestapelten Einzelelementen (18) des Stapelaufbaus (16) und bei geringen Gasdurchflüssen der Edukte geringere Durchströmungsquerschnitte zu den gestapelten Einzelelementen (18) des Stapelaufbaus (16) freigeben.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that the control elements (28) are actuated as a function of the load and with high gas flows of the educts (H2, air) large flow cross-sections to the stacked individual elements (18) of the stack structure (16) and with low gas flows of the educts smaller flow cross-sections to the stacked individual elements Release (18) of the stack structure (16). Steuerelement (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellantriebe (58, 60) eine Abschaltfunktionalität umfassen.Control element (28) according to one of the Claims 1 to 13th , characterized in that the actuators (58, 60) include a shutdown functionality. Steuerelement (28) in Hülsenform (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerelement (28) mehr als eine Steuerkante (34, 36) ausgebildet ist, insbesondere über den Umfang (98) drei Steuerkanten oder Fenster angeordnet werden, wobei die Kanten unterschiedliche Strömungscharakteristiken aufweisen.Control element (28) in the form of a sleeve (30) according to one of the Claims 1 to 13th , characterized in that more than one control edge (34, 36) is formed on the control element (28), in particular three control edges or windows are arranged over the circumference (98), the edges having different flow characteristics. Steuerelement (28) in Hülsenform (30) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strömungscharakteristik für die Erstinbetriebnahme des Systems ausgelegt ist, eine weitere, zweite Strömungscharakteristik für das Starten des Systems bei niedrigen Außentemperaturen < 0 °C, insbesondere < 10 °C, und eine dritte Strömungscharakteristik für den Dauerbetrieb des Stapelaufbaus (16) aus übereinander liegend angeordneten Einzelelementen (18) ausgelegt ist.Control element (28) in the form of a sleeve (30) according to Claim 15 , characterized in that a first flow characteristic is designed for the initial start-up of the system, a further, second flow characteristic for starting the system at low outside temperatures <0 ° C, in particular <10 ° C, and a third flow characteristic for continuous operation of the stack structure (16) is designed from individual elements (18) arranged one above the other. Verwendung des Steuerelements (28) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche an einem Stapelaufbau (16) gleichartiger Einzelelemente (18), bei denen ein Volumenstrom schwankt und ein sich einstellender Druckverlust Δp an den Einzelelementen (18) nachjustiert wird.Use of the control element (28) according to one of the preceding claims on a stack structure (16) of similar individual elements (18), in which a volume flow fluctuates and a pressure loss Δp that occurs at the individual elements (18) is readjusted. Verwendung des Steuerelements (28) an einer Brennstoffzelle zur Steuerung eines Fluidstroms von Edukten, insbesondere Luft und Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff, oder ein Temperiermedium wie Kühlwasser, durch Einzelelemente (18) innerhalb des Stapelaufbaus (16).Use of the control element (28) on a fuel cell to control a fluid flow of educts, in particular air and fuel, in particular gaseous hydrogen, or a temperature control medium such as cooling water, through individual elements (18) within the stack structure (16).
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