AT526262A1 - Temperature control housing for temperature control of components of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse (10) für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Gehäusewandung (20), welche einen Gehäuseinnraum (22) umschließt, wo- bei im Gehäuseinnenraum (22) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Ab- scheiden von Wasser (W) aus einem Anodenabgas (AAG) für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas (RZG) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter im Gehäuseinnenraum (22) ein Teil eines Kühlkreislaufs (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100) zum Temperieren des Gehäuseinnenraums (22) angeordnet ist, wobei die Ab- scheidevorrichtung (30) einen Anodenabgas-Einlass (32) aufweist für eine Aufnahme von Anodenabgas (AAG) von einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Rezirkulationsgas-Auslass (34) aufweist für einen Auslass des Anodenabgases (AAG) als Rezirkulationsgas (RZG) in einen Anodenzufuhrabschnitt (122) für eine Zufuhr zu dem Anodenabschitt (120) des Brennstoffzellenstapels (100).The present invention relates to a temperature control housing (10) for temperature control of components of a fuel cell system (100), having a housing wall (20) which encloses a housing interior (22), with a separating device (30) in the housing interior (22). Separation of water (W) from an anode exhaust gas (AAG) for recirculation as recirculation gas (RZG) is arranged, characterized in that part of a cooling circuit (140) for cooling system components of the fuel cell system (100) is further in the housing interior (22). ) is arranged for temperature control of the housing interior (22), wherein the separation device (30) has an anode exhaust gas inlet (32) for receiving anode exhaust gas (AAG) from an anode section (120) of a fuel cell stack (110) of the fuel cell system (100 ) and a recirculation gas outlet (34) for an outlet of the anode exhaust gas (AAG) as recirculation gas (RZG) into an anode supply section (122) for supply to the anode section (120) of the fuel cell stack (100).
Description
Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzel-Temperature control housing for temperature control of components of a fuel cell
lensystems lensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Temperiergehäuse sowie ein Verfahren für ein Temperieren eines Tempe-The present invention relates to a temperature control housing for temperature control of components of a fuel cell system, a fuel cell system with such a temperature control housing and a method for temperature control of a temperature control.
riergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung. rier housing according to the present invention.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Vorrichtungen aufweisen, um einzelne Komponenten zu temperieren. Insbesondere ist es bekannt, dass in solchen Brennstoffzellensystemen einzelne Komponenten sehr hohe Temperaturen erreichen, sodass sie gekühlt werden müssen. Auch ist es bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen Wasser entsteht, welches im Anodenabgas auftritt und abgetrennt werden soll. Für das Abtrennen muss das Wasser aus dem Anodenabgas ab-It is known that fuel cell systems have devices for controlling the temperature of individual components. In particular, it is known that individual components in such fuel cell systems reach very high temperatures, so that they must be cooled. It is also known that the operation of fuel cell systems produces water, which occurs in the anode exhaust gas and should be separated. To separate, the water must be removed from the anode exhaust gas.
geschieden werden. be divorced.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere in speziellen Betriebssituationen, wie einem Kaltstart oder insbesondere dem sogenannten Froststart, also einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0° Celsius, es durch ungleichmäßige Wärmeverteilung und/oder Erwärmung zu unerwünschter Abkühlung des Anodenabgases und/oder zu Vereisungen innerhalb der Abscheidevorrichtung kommen kann. Dies hat den Nachteil, dass es zu Austrocknung kommen kann und/oder ein Starten nur unter erschwerten Bedingungen oder sogar überhaupt nicht stattfinden kann. Um diesem Problem zu begegnen, sind bekannte Lösungen darauf gerichtet, Abscheidevorrichtungen mit elektrischen Heizelementen zu versehen, um in Kaltstartsituationen oder Forststartsituationen mithilfe elektrischer The disadvantage of the known solutions is that, particularly in special operating situations, such as a cold start or in particular the so-called frost start, i.e. a start of the fuel cell system at temperatures below 0° Celsius, uneven heat distribution and/or heating leads to undesirable cooling of the anode exhaust gas and/or or icing can occur within the separation device. This has the disadvantage that it can dry out and/or starting can only take place under difficult conditions or even not at all. To address this problem, known solutions are aimed at providing separation devices with electrical heating elements in order to use electrical heating elements in cold start situations or forest start situations
Leistung ein Erwärmen zu ermöglichen und damit eine Vereisung zu vermeiden. Performance to enable heating and thus avoid icing.
Die bekannten Lösungen sind jedoch dahingehend nachteilhaft, da sie entweder ohne Temperiermöglichkeit für die Abscheidevorrichtung den Betriebsbereich und insbesondere die möglichen Startbedingungen einschränken. Zum anderen ist die bekannte Lösung nachteilhaft, da beim Verwenden elektrischer Heizvorrichtungen, die-However, the known solutions are disadvantageous in that they either limit the operating range and in particular the possible starting conditions without the possibility of temperature control for the separation device. On the other hand, the known solution is disadvantageous because when using electrical heating devices,
se die Komplexität, die Kosten und den Bauraumbedarf erhöhen. se increase the complexity, the costs and the installation space requirement.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorlie-It is therefore an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the task of the present
sätzliche Konditionierung des Anodenabgases zu ermöglichen. to enable additional conditioning of the anode exhaust gas.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Temperiergehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wech-The above object is achieved by a temperature control housing with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 11 and a method with the features of claim 12. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the Drawings. Features and details that are described in connection with the temperature control housing according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention always changes.
selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. is or can be referred to mutually.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird. Ein solches Temperiergehäuse weist eine Gehäusewandung auf, welche einen Gehäuseinnenraum umschließt. Innerhalb des Gehäuseinnenraums ist eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus einem Anodenabgas für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse zeichnet sich dadurch aus, dass im Gehäuseinnenraum ein Teil eines Kühlkreislaufs zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems zum Temperieren des Gehäuseinnenraums angeordnet ist. Dabei ist die Abscheidevorrichtung mit einem Anodenabgas-Einlass ausgestattet, für eine Aufnahme von Anodenabgas von einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Weiter weist die Abscheidevorrichtung einen Rezirkulationsgas-Auslass auf, für einen Auslass des Anodenabgases als Rezirkulationsgas in einen Anodenzufuhrabschnitt, für According to the invention, it is proposed that a temperature control housing is used for temperature control of components of a fuel cell system. Such a temperature control housing has a housing wall which encloses an interior housing space. A separation device for separating water from an anode exhaust gas for recirculation as recirculation gas is arranged within the housing interior. A temperature control housing according to the invention is characterized in that part of a cooling circuit for cooling system components of the fuel cell system for temperature control of the housing interior is arranged in the housing interior. The separation device is equipped with an anode exhaust gas inlet for receiving anode exhaust gas from an anode section of a fuel cell stack of the fuel cell system. Furthermore, the separation device has a recirculation gas outlet for an outlet of the anode exhaust gas as recirculation gas into an anode supply section
eine Zufuhr zu dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. a supply to the anode section of the fuel cell stack.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Abscheidevorrichtung mit einer aktiven Temperiermöglichkeit zu versehen. Diese aktive Temperiermöglichkeit ist jedoch nicht durch eine separate Temperiervorrichtung ausgebildet, wie sie beispielsweise im Stand der Technik durch elektrische Heizmittel gewährleistet wurde. Vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Temperiergehäuse während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entstehende Abwärme von ande-The core idea according to the invention is based on providing the separation device with an active temperature control option. However, this active temperature control option is not formed by a separate temperature control device, as was ensured, for example, in the prior art by electrical heating means. Rather, in the embodiment according to the invention, the temperature control housing is used to absorb waste heat from other sources during operation of the fuel cell system.
ren Komponenten, hier den Systemkomponenten, zum Temperieren der Abscheide-components, here the system components, for temperature control of the separator
vorrichtung verwenden. Um diese Sekundärnutzung der aufgenommenen Abwärme use device. To make this secondary use of the waste heat absorbed
von Systemkomponenten auszubilden, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung of system components is to be formed in the design according to the invention
das Temperiergehäuse mit einem Teil des Kühlkreislaufs ausgestattet. the temperature control housing is equipped with part of the cooling circuit.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEMBrennstoffzellensystem ausgebildet. Bei einem PEM-Brennstoffzellensystem ist es notwendig, entstehende Abwärme in einem entsprechend ausgebildeten Kühlkreislauf abzuführen. Die Membran einer PEM-Brennstoffzelle beginnt ab Temperaturen von über 95 °C Schaden zu nehmen, da sich Sulfonsäureketten ab diesen Temperaturen zersetzen. Daher weist das Brennstoffzellensystem Kühlkreisläufe auf, um die Brennstoffzellen und alle anderen Systemkomponenten vor einer Überhitzung zu schützen. Dieser Kühlkreislauf weist dann in der Regel höhere Temperaturen auf als zum Beispiel ein Kühlkreislauf für die Batterie oder die Leistungselektronik. Das Kühlwasser im Kühlkreislauf weist eine Maximaltemperatur von etwa 90 °C bis etwa 95 °C auf. The fuel cell system according to the invention is designed in particular as a PEM fuel cell system. With a PEM fuel cell system, it is necessary to dissipate the resulting waste heat in an appropriately designed cooling circuit. The membrane of a PEM fuel cell begins to be damaged at temperatures above 95 °C, as sulfonic acid chains decompose at these temperatures. Therefore, the fuel cell system has cooling circuits to protect the fuel cells and all other system components from overheating. This cooling circuit then usually has higher temperatures than, for example, a cooling circuit for the battery or the power electronics. The cooling water in the cooling circuit has a maximum temperature of around 90 °C to around 95 °C.
Unter Systemkomponenten sind im Rahmen der Erfindung vorteilhaft alle Komponenten des Brennstoffzellensystems wie die Balance-of-Plant-Komponenten und/oder die Hochtemperaturkreis-Komponenten zu verstehen. In the context of the invention, system components are advantageously understood to mean all components of the fuel cell system, such as the balance-of-plant components and/or the high-temperature circuit components.
Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse nutzt nun diese entstehende Abwärme von Systemkomponenten, insbesondere die Abwärme des Brennstoffzellenstapels, und die Tatsache, dass diese Abwärme sich zumindest teilweise bereits in einem Kühlmittel innerhalb des Kühlkreislaufs befindet. Durch die konstruktive Ausgestaltung eines Teils des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums des Temperaturgehäuses wird es nun möglich, diese Abwärme zumindest teilweise für ein Temperieren des Gehäuseinnenraums zu verwenden. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, wie die Wärmeübertragung von dem Teil des Kühlkreislaufs an dem Gehäuseinnenraum stattfindet. Dabei kann es sich um einfache Wärmeübertragungsflächen, aber auch komplexere Möglichkeiten handeln, welche die verschiedenen Wärmetransportphänomene, insbesondere Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion, zum Wärmeübergang von dem aufgeheizten Kühlmittel an den Gehäusein-A temperature control housing according to the invention now uses this resulting waste heat from system components, in particular the waste heat from the fuel cell stack, and the fact that this waste heat is at least partially already in a coolant within the cooling circuit. Due to the structural design of a part of the cooling circuit within the housing interior of the temperature housing, it is now possible to use this waste heat at least partially to control the temperature of the housing interior. In a first step, it is irrelevant how the heat transfer takes place from the part of the cooling circuit to the housing interior. These can be simple heat transfer surfaces, but also more complex options, which use the various heat transport phenomena, in particular heat conduction and/or heat convection, to transfer heat from the heated coolant to the housing interior.
nenraum übernehmen. take over the internal space.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt es also, Abwärme, welche beim Start eines Brennstoffzellensystems an Systemkomponenten sehr schnell entsteht, mittels The design according to the invention therefore allows waste heat, which is generated very quickly on system components when a fuel cell system is started, to be removed by means of
der bereits vorhandenen und benötigten Kühlfunktion aufzunehmen und in das Tem-the already existing and required cooling function and into the temperature
gemäßes Temperiergehäuse weiter gesteigert werden kann. appropriate temperature control housing can be further increased.
Unter dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse wird insbesondere auch ein integrales Bauteil verstanden, welches alle Komponenten und deren Funktionen umfasst, wie insbesondere Wärmetauscher, Abscheider, Injektor, Behälter. Bei dieser Ausführungsform ist dann auch der Gehäuseinnenraum integral mit den ganzen anderen Bauteilen und Komponenten ausgebildet. Ein derartiges Temperiergehäuse wird bevorzugt zumindest teilweise durch 3-D-Druck oder durch ein anderes Fertigungsver-The temperature control housing according to the invention is understood in particular to mean an integral component which includes all components and their functions, such as in particular heat exchangers, separators, injectors, containers. In this embodiment, the housing interior is then also formed integrally with all the other parts and components. Such a temperature control housing is preferably manufactured at least partially by 3D printing or by another manufacturing process.
fahren hergestellt. drive manufactured.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Kondensattank angeordnet ist, in fluidkommunizierender Verbindung mit der Abscheidevorrichtung zur Aufnahme von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenem Wasser. Darunter ist zu verstehen, dass beim Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Gasstrom des Anodenabgases, It can have advantages if, in a temperature control housing according to the invention, a condensate tank is arranged in the interior of the housing, in fluid-communicating connection with the separation device for receiving liquid water separated from the anode exhaust gas. This means that when liquid water is separated from the gas stream of the anode exhaust gas,
dieses zwar grundsätzlich auch an andere Komponenten weitergeleitet oder auch In principle, this is also forwarded to other components
keit vermieden werden kann. ity can be avoided.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäRen Temperiergehäuse ein Ablassventil für ein Ablassen von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenen, Wasser vorgesehen ist. Ein solches Ablassventil kann in Kombination mit einem Kondensattank gemäß dem voranstehenden Absatz eingesetzt werden. Jedoch ist grundsätzlich auch ein solches Ablassventil ohne einen Kondensattank denkbar. Das Ablassventil kann innerhalb, aber auch bei spezifischen Ausführungsvarianten des Temperiergehäuses außerhalb, des Gehäuseinnenraums angeordnet sein. Die Anordnung des Ablassventils innerhalb des Gehäuseinnenraums bringt die gleichen Vorteile der Temperierung mit sich, sodass auch hier ein unerwünschtes Vereisen bei Kaltstart- oder Froststartsituationen auch für In addition, it can have advantages if, in a temperature control housing according to the invention, a drain valve is provided for draining liquid water separated from the anode exhaust gas. Such a drain valve can be used in combination with a condensate tank according to the previous paragraph. However, such a drain valve is also conceivable without a condensate tank. The drain valve can be arranged inside, but also outside of the housing interior in specific embodiment variants of the temperature control housing. The arrangement of the drain valve within the housing interior brings with it the same advantages of temperature control, so that undesirable icing in cold start or frost start situations is also possible here
diese Komponente in Form des Ablassventils reduziert werden kann. this component can be reduced in the form of the drain valve.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Teilabschnitt des Anodenzufuhrabschnitts angeordnet ist. Der Anodenzufuhrabschnitt wird bei dieser Ausführungsform, also in diesem Teilabschnitt, ebenfalls durch den Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses geleitet. Damit steht die Temperierfunktionalität des Teils des Kühlkreislaufs auch für diesen Teil des Anodenzufuhrabschnitts zur Verfügung. Der Anodenzufuhrabschnitt, der hier temperiert wird, kann sowohl ein Teilabschnitt sein, welcher ausschließlich, von extern zugeführten, Brennstoff enthält. Jedoch kann der Teil des Anodenzufuhrabschnitts innerhalb des Gehäuseinnenraums auch bereits nach einer Mischvorrichtung mit dem Rezirkulationsgas angeordnet sein, sodass eine Mischkammer zum Vermischen von Brennstoff und Rezirkulationsgas zu einem gemeinsamen Mischgas als Anodenzuführgas ebenfalls innerhalb des Gehäuseraums platziert sein kann. Die erfindungsgemäße Temperiermöglichkeit wird hier auf den regu-In addition, it can be advantageous if a partial section of the anode supply section is arranged in the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention. In this embodiment, i.e. in this section, the anode supply section is also guided through the housing interior of the temperature control housing. This means that the temperature control functionality of the part of the cooling circuit is also available for this part of the anode supply section. The anode supply section, which is tempered here, can be a section that only contains externally supplied fuel. However, the part of the anode supply section within the housing interior can also be arranged after a mixing device with the recirculation gas, so that a mixing chamber for mixing fuel and recirculation gas to form a common mixed gas as anode supply gas can also be placed within the housing space. The temperature control option according to the invention is used here on the regulated
lären Betrieb erweitert, sodass eine Vorwärmung von extern zur Verfügung gestell-lar operation expanded so that preheating is provided externally.
ter verstärkt. ter reinforced.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse der Gehäuseinnenraum frei von einem Wärmetauscher ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie im voranstehenden Absatz erläutert worden ist, ein Teil des Anodenzufuhrabschnitts in den Gehäuseinnenraum integriert ist. Der Wärmetauscher ist dabei nach dieser Definition eine Vorrichtung, bei welchem aktiv und in geführter Weise Fluid im Wärmeaustausch mit anderem Fluid strömt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Plattenwärmetauscher oder ähnliche Wärmetauscherarten handeln, wie sie später noch kurz erläutert werden. Die erfindungsgemäße Temperierfunktionalität in der unspezifischen Weise, nämlich in einer Art und Weise, dass der gesamte Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses aufgeheizt wird, führt dazu, dass auf solche spezifischen Wärmetauscher bei dieser Ausführungsform verzichtet werden There are further advantages if the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention is free of a heat exchanger. This applies in particular if, as explained in the previous paragraph, part of the anode supply section is integrated into the housing interior. According to this definition, the heat exchanger is a device in which fluid flows actively and in a guided manner in heat exchange with other fluid. These can be, for example, plate heat exchangers or similar types of heat exchangers, as will be briefly explained later. The temperature control functionality according to the invention in the non-specific manner, namely in a way that the entire housing interior of the temperature control housing is heated, means that such specific heat exchangers are dispensed with in this embodiment
kann. can.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Wärmetauscher für ein Erwärmen von Rezirkulationsgas und/oder von Anodenzuführgas angeordnet ist. Je nach tatsächlich anfallender Menge an Abwärme von den Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems kann vorausberechnet werden, ob die Temperierfunktionalität ausreicht, um die gewünschte Vorwärmung von Rezirkulationsgas, Brennstoff oder Mischgas als Anodenzuführgas zu gewährleisten. Ist diese Temperierfunktion nicht ausreichend dimensioniert, so kann mithilfe von zusätzlichen Wärmetauschern ein spezifisches, stärkeres Erwärmen für die einzelnen Gasströme zur Verfügung gestellt werden. Dadurch, dass diese Wärmetauscher nun auch in den Gehäuseinnenraum integriert sind, müssen sie nicht mehr die vollständige Erwärmung zur Verfügung stellen, sondern bauen sozusagen auf der Basistemperierung mithilfe des Temperiergehäuses There are further advantages if a heat exchanger for heating recirculation gas and/or anode supply gas is arranged in the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention. Depending on the actual amount of waste heat generated by the system components of the fuel cell system, it can be calculated in advance whether the temperature control functionality is sufficient to ensure the desired preheating of recirculation gas, fuel or mixed gas as anode supply gas. If this temperature control function is not sufficiently dimensioned, additional heat exchangers can be used to provide specific, stronger heating for the individual gas streams. Because these heat exchangers are now integrated into the interior of the housing, they no longer have to provide complete heating, but rather rely on the basic temperature control using the temperature control housing
auf. on.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse It is also advantageous if in a temperature control housing according to the invention
im Gehäuseinnenraum eine Ejektorvorrichtung des Anodenzufuhrabschnitts wenigs-in the housing interior an ejector device of the anode supply section at least
vermieden werden. be avoided.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung Fluidleitungen aufweist, welche den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zumindest teilweise ausbilden. Während grundsätzlich jede Form von Wärmeübergang an das Innenvolumen des Gehäuseinnenraums ausreicht, um die Temperierfunktionalität in erfindungsgemäßer Weise zur Verfügung zu stellen, können solche Kühlleitungen eine deutlich genauere Temperierfunktion erlauben. Die Kühlleitungen können dabei zum Beispiel netzartig in die Gehäusewandung integriert sein, und insbesondere in unterschiedlichen Bereichen der Gehäusewandung unterschiedlich starke Wärmeübertragungsfunktionen zur Verfügung stellen. So ist es beispielsweise denkbar, dass im Bereich der Abscheidevorrichtung eine so sehr hohe Anzahl an Kühlleitungen vorgesehen ist, um eine überproportional große Menge der geförderten Abwärme innerhalb des Kühlmittels im Kühlkreislauf auch tatsächlich der Abscheidevorrichtung zur Verfügung stellen zu können. Das Integrieren der Fluidleitungen in die Gehäusewandung reduziert den Platzbedarf noch weiter und kann auf diese Weise den Vorteil des verbesserten Bauraums weiter stär-It is also advantageous if, in a temperature control housing according to the invention, the housing wall has fluid lines which at least partially form the part of the cooling circuit in the housing interior. While in principle any form of heat transfer to the internal volume of the housing interior is sufficient to provide the temperature control functionality in the manner according to the invention, such cooling lines can allow a significantly more precise temperature control function. The cooling lines can, for example, be integrated into the housing wall like a network and, in particular, provide heat transfer functions of different strengths in different areas of the housing wall. For example, it is conceivable that such a very high number of cooling lines is provided in the area of the separation device in order to actually be able to make a disproportionately large amount of the waste heat conveyed within the coolant in the cooling circuit available to the separation device. Integrating the fluid lines into the housing wall further reduces the space requirement and can in this way further strengthen the advantage of the improved installation space.
ken. ken.
Auch vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung wenigstens einen Isolierabschnitt aufweist, für eine thermische Isolation des Gehäuseinnenraums gegen die Umgebung des Temperiergehäuses. It is also advantageous if, in a temperature control housing according to the invention, the housing wall has at least one insulating section for thermal insulation of the housing interior from the surroundings of the temperature control housing.
Eine solche thermische Isolation kann zum Beispiel als thermische Isolierschicht Such thermal insulation can be used, for example, as a thermal insulating layer
gigkeit von der Umgebungstemperatur sich vergrößert. sensitivity to the ambient temperature increases.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäRen Temperiergehäuse der Teil des Kühlkreislaufs Kontrollmittel, insbesondere in Form von wenigstens einem Kontrollventil, aufweist, für eine Kontrolle der Fluidströmung durch den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zur Kontrolle der Temperierleistung. Darunter ist zu verstehen, dass der Volumenstrom und die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs die Temperierleistung vorgeben. Je höher die Temperatur ist, umso geringer kann der Volumenstrom gewählt werden, um die Vereisungswahrscheinlichkeit zu reduzieren. Um nun eine Kontrollmöglichkeit zu geben, sind Kontrollventile einsetzbar, welche entweder in qualitativer Weise den Fluidstrom durch diesen Teil des Kühlkreislaufs vollständig absperren oder vollständig freischalten. Auch eine quantitative Kontrolle, zum Beispiel durch ein tatsächliches Einstellen und Regeln eines Volumenstroms an Kühlfluid durch diesen Teil des In addition, it can have advantages if, in a temperature control housing according to the invention, the part of the cooling circuit has control means, in particular in the form of at least one control valve, for controlling the fluid flow through the part of the cooling circuit in the housing interior to control the temperature control performance. This means that the volume flow and the temperature of the coolant within the cooling circuit determine the temperature control performance. The higher the temperature, the lower the volume flow can be selected to reduce the likelihood of icing. In order to provide a control option, control valves can be used, which either qualitatively completely shut off or completely unlock the fluid flow through this part of the cooling circuit. Also quantitative control, for example by actually setting and regulating a volume flow of cooling fluid through this part of the
Kühlkreislaufs, ist grundsätzlich denkbar. Cooling circuit is basically conceivable.
Darüber hinaus ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Anodenzuführgas und einem Anodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Kathodenabgas ausgestattet. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreislauf zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabfuhrabschnitt eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus dem Anodenabgas innerhalb eines erfindungsgemäßen Temperiergehäuses angeordnet ist. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert worden Furthermore, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system which has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section. The anode section is equipped with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode exhaust gas. The cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas. In addition, the fuel cell system has a cooling circuit for cooling system components of the fuel cell system. Such a fuel cell system is characterized in that a separating device for separating water from the anode exhaust gas is arranged in the anode discharge section within a temperature control housing according to the invention. A fuel cell system according to the invention therefore also brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a temperature control housing according to the invention
sind. are.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Temperie-Another subject of the present invention is a method for a temperature control
ren eines Temperiergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Kaltstart ren of a temperature control housing according to the present invention during a cold start
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schrit-a fuel cell system according to the invention, comprising the following steps
te: — Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems, te: — starting the operation of the fuel cell system,
— Betreiben eines Kühlkreislaufs zur Aufnahme von Abwärme von Sys-— Operating a cooling circuit to absorb waste heat from systems
temkomponenten des Brennstoffzellensystems, system components of the fuel cell system,
— Führen wenigstens eines Teils der aufgenommenen Abwärme in den Teil des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums zum Abge-— Lead at least part of the waste heat absorbed into the part of the cooling circuit within the housing interior for dissipation.
ben an die Abscheidevorrichtung. ben to the separator.
Auch ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert wor-A method according to the invention also brings with it the same advantages, as explained in detail with reference to a temperature control housing according to the invention.
den sind. which are.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It shows schematic
tisch: table:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-Fig. 1 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention, Fig. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention.
stoffzellensystems, fabric cell system,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 3 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-4 shows a further embodiment of a combustion chamber according to the invention
stoffzellensystems, fabric cell system,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-5 shows a further embodiment of a combustion chamber according to the invention
stoffzellensystems. fabric cell system.
ser Ausführung zumindest teilweise der Rezirkulation zugeführt. This version is at least partially recirculated.
Um nun eine Rezirkulation des Anodenabgases AAG als Rezirkulationsgas RZG zur Verfügung zu stellen, ist hier das Abscheiden von flüssigem Wasser W gewünscht. Um dies zu gewährleisten, wird das Anodenabgas AAG einer Abscheidevorrichtung 30 zugeführt, welche in der Lage ist, flüssiges Wasser W aus dem Anodenabgas AAG abzutrennen und hier über ein Ablassventil 50 abzulassen. Das getrocknete Anodenabgas AAG wird als Rezirkulationsgas RZG aus der Abscheidevorrichtung 30 über den Rezirkulationsgas-Auslass 34 ausgegeben und einem Mischabschnitt im Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt. In diesem Mischabschnitt erfolgt das Vermischen des Rezirkulationsgases RZG mit einem nicht näher dargestellten Brennstoff zu einem Mischgas, welches dann wiederum als Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt wird. In order to provide recirculation of the anode exhaust gas AAG as recirculation gas RZG, the separation of liquid water W is desired here. To ensure this, the anode exhaust gas AAG is fed to a separation device 30, which is able to separate liquid water W from the anode exhaust gas AAG and to drain it here via a drain valve 50. The dried anode exhaust gas AAG is output as recirculation gas RZG from the separation device 30 via the recirculation gas outlet 34 and fed to a mixing section in the anode supply section 122. In this mixing section, the recirculation gas RZG is mixed with a fuel (not shown) to form a mixed gas, which in turn is supplied as anode feed gas AZG to the anode section 120 via the anode feed section 122.
Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist zumindest die Abscheidevorrichtung 30 mit dem Rezirkulationsgas-Auslass 34 und dem Anodenabgas-Einlass 32 innerhalb eines Gehäuseinnenraums 22 eines Temperiergehäuses 10 angeordnet und wird damit von der Gehäusewandung 20 im Wesentlichen eingeschlossen. Dies führt dazu, dass innerhalb dieses Temperiergehäuses 10 eine definierte Temperatur eingestellt werden kann, also ein Temperieren erfolgen kann. Um dieses Temperieren aktiv be-1, at least the separation device 30 with the recirculation gas outlet 34 and the anode exhaust gas inlet 32 is arranged within a housing interior 22 of a temperature control housing 10 and is therefore essentially enclosed by the housing wall 20. This means that a defined temperature can be set within this temperature control housing 10, i.e. temperature control can take place. In order to actively control this temperature
einflussen zu können, ist hier ein Teilabschnitt eines Kühlkreislaufs 140 dargestellt. To be able to influence, a section of a cooling circuit 140 is shown here.
eines Froststarts. a frost start.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil des Kühlkreislaufs 140, welcher Teil des Gehäuseinnenraums 22 ist, nun als Fluidleitung 24 in die Gehäusewandung 20 integriert. Dies führt zu einer höheren Kompaktheit und gleichzeitig einer noch besseren Wärmeverteilung beim Temperieren des Gehäuseinnenraums 22. Als Alternative zu der Variante der Figur 1 ist hier anstelle eines Ablassventils 50 ein Kondensattank 40 vorgesehen, welcher abgeschiedenes Wasser W von der Abscheidevorrichtung 30 aufnehmen 2 shows a further development of the embodiment of FIG. 1. In this embodiment, the part of the cooling circuit 140, which is part of the housing interior 22, is now integrated into the housing wall 20 as a fluid line 24. This leads to greater compactness and, at the same time, even better heat distribution when controlling the temperature of the housing interior 22. As an alternative to the variant in FIG
und speichern kann. and can save.
In der Figur 3 ist dieser Kondensattank 40 der Figur 2 nun mit dem Ablassventil 52 der Figur 1 kombiniert, sodass der Kondensattank 40 sozusagen ein Zwischenspeichern gewährleisten kann und zu bestimmten Zeitpunkten ein Ablassen des flüssigen Wassers W möglich ist. Nicht näher dargestellt aber grundsätzlich auch möglich ist das Vorsehen eines sogenannten Purge Ventils an der Oberseite der Abscheidevor-In FIG. 3, this condensate tank 40 of FIG. 2 is now combined with the drain valve 52 of FIG. Not shown in more detail, but in principle also possible, is the provision of a so-called purge valve on the top of the separation device.
richtung 30, um Purge Vorgänge ebenfalls zur Verfügung stellen zu können. direction 30 in order to also be able to provide purge processes.
Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist darüber hinaus nun die Mischvorrichtung für das Vermischen eines Rezirkulationsgases RZG mit einem Brennstoff ebenfalls in den Gehäuseinnenraum 22 integriert. Dies führt dazu, dass nicht nur das Rezirkulationsgas RZG, sondern auch der zugeführte Brennstoff und anschließend das erzeugte Mischgas als Anodenzuführgas AZG durch die Temperierfunktionalität des Temperiergehäuses 10 beeinflusst und damit vorgewärmt werden können. Bei der Aus-In the embodiment of Figure 3, the mixing device for mixing a recirculation gas RZG with a fuel is now also integrated into the housing interior 22. This means that not only the recirculation gas RZG, but also the supplied fuel and then the mixed gas generated as anode supply gas AZG can be influenced by the temperature control functionality of the temperature control housing 10 and thus preheated. When exiting
führungsform der Figur 3 ist diese Temperier- und Vorwärmmöglichkeit so stark aus-3, this temperature control and preheating option is so strong
kann. can.
Die Figur 4 zeigt eine Variante, welche ein stärkeres Vorwärmen benötigt, als dies durch die Temperierfunktion des Temperiergehäuses 10 zur Verfügung gestellt werden kann. Daher ist hier im Anodenzufuhrabschnitt 122 in den Gehäuseinnenraum 22 integriert ein Wärmetauscher 60 vorgesehen, welcher hier den zugeführten Brennstoff noch vor dem Vermischen mit dem Rezirkulationsgas RZG vorwärmen kann. Figure 4 shows a variant which requires greater preheating than can be provided by the temperature control function of the temperature control housing 10. Therefore, a heat exchanger 60 is provided here in the anode supply section 122, integrated into the housing interior 22, which can preheat the supplied fuel before it is mixed with the recirculation gas RZG.
Die Figur 5 zeigt eine Variante, bei welcher die Abschottung von der Umgebung verstärkt ist. Um dies zu erzielen, ist das Temperiergehäuse 10 und die Gehäusewandung 20 mit einem Isolierabschnitt 26 ausgestaltet, welcher eine thermische Isolierung zur Umgebung gewährleistet. Das Einbringen von Wärme bei heißen Umgebungssituationen sowie der Verlust von Wärme bei kalten Umgebungssituationen kann auf diese Weise deutlich reduziert werden. Die Kontrollmöglichkeiten für den Temperiervorgang selbst steigen auf diese Weise. Darüber hinaus ist bei der Figur 5 eine Variante dargestellt, bei welcher eine Kontrollierbarkeit des Fluidstroms durch den Kühlkreislauf 140 gegeben ist. Hier sind insgesamt drei Kontrollmittel 80 in Form von Kontrollventilen dargestellt, welche es erlauben, in qualitativer oder sogar quantitativer Weise den Volumenstrom am Kühlmittel und damit die eingebrachte Wärmemenge für die Temperierfunktion zu kontrollieren. In einem Fall ist dabei sogar ein vollständiger Bypass möglich, sodass die Temperierfunktion durch diese Kontrollmittel 80 nicht nur variiert sondern auch vollständig ausgeschaltet werden kann. Figure 5 shows a variant in which the isolation from the environment is increased. To achieve this, the temperature control housing 10 and the housing wall 20 are designed with an insulating section 26, which ensures thermal insulation from the environment. The introduction of heat in hot environmental situations and the loss of heat in cold environmental situations can be significantly reduced in this way. This increases the control options for the temperature control process itself. 5 also shows a variant in which the fluid flow through the cooling circuit 140 can be controlled. A total of three control means 80 are shown here in the form of control valves, which allow the volume flow of the coolant and thus the amount of heat introduced for the temperature control function to be controlled in a qualitative or even quantitative manner. In one case, a complete bypass is even possible, so that the temperature control function can not only be varied but also completely switched off by these control means 80.
Darüber hinaus zeigen die Figuren 4 und 5 die Verwendung einer sogenannten Ejektorvorrichtung 70, welche zum Teil im Gehäuseinnenraum 22 angeordnet ist. Diese Ejektorvorrichtung 70 dient dazu, zugeführten Brennstoff und Rezirkulationsgas RZG zu vermischen und durch eine Ejektordüse hindurchzuführen. Bei dieser Ejektorfunktionalität entstehen Druckunterschiede, welche zu einem Ansaugen und damit einem aktiven Fördern des Rezirkulationsgases RZG führen. Diese Form der Förderung ist bevorzugt, da keine mechanisch bewegten, insbesondere rotierten, Bauteile für die In addition, Figures 4 and 5 show the use of a so-called ejector device 70, which is partly arranged in the housing interior 22. This ejector device 70 serves to mix supplied fuel and recirculation gas RZG and pass them through an ejector nozzle. With this ejector functionality, pressure differences arise, which lead to suction and thus active delivery of the recirculation gas RZG. This form of funding is preferred because there are no mechanically moved, especially rotated, components for the
Förderung des Rezirkulationsgases RZG benötigt werden. Promotion of the recirculation gas RZG is required.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende The above explanation of the embodiments describes the present one
Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Invention exclusively within the scope of examples.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 Temperiergehäuse 10 temperature control housing
20 Gehäusewandung 20 housing wall
22 Gehäuseinnraum 22 housing interior
24 Fluidleitung 24 fluid line
26 Isolierabschnitt 26 insulation section
30 Abscheidevorrichtung 32 Anodenabgas-Einlass 34 Rezirkulationsgas-Auslass 40 Kondensattank 30 Separator 32 Anode exhaust gas inlet 34 Recirculation gas outlet 40 Condensate tank
50 Ablassventil 50 drain valve
60 Wärmetauscher 60 heat exchangers
70 Ejektorvorrichtung 70 ejector device
80 Kontrollmittel 80 control means
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 100 fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section
122 Anodenzufuhrabschnitt 124 Anodenabfuhrabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section
132 Kathodenzufuhrabschnitt 134 Kathodenabfuhrabschnitt 140 Kühlkreislauf 132 cathode supply section 134 cathode discharge section 140 cooling circuit
AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas AZG anode feed gas AAG anode exhaust gas
KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas RZG Rezirkulationsgas W Wasser KZG cathode feed gas KAG cathode exhaust gas RZG recirculation gas W water
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| WO2024011274A2 (en) | 2024-01-18 |
| WO2024011274A3 (en) | 2024-03-14 |
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