DE10152233A1

DE10152233A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10152233A1
Application number: DE10152233A
Authority: DE
Inventors: Harald Tober
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2001-10-20
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einem der Brennstoffzelleneinheit zugeordneten ersten Kühlkreislauf, wobei im Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinheit eine Wärmepumpe mit ihrer Primärseite zum Kühlen des Kühlkreislaufs angeordnet ist. Die Sekundärseite der Wärmepumpe ist über einen weiteren Kühlkreislauf mit einer Kühlkomponente und/oder einer Temperierkomponente verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Betriebstemperatur von Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembranen liegen üblicherweise im Temperaturbereich von 50°C-120°C. Dadurch wird eine Kühlung etwa mit Umgebungsluft erschwert, sofern die Umgebungstemperaturen wesentlich über 20°C liegen. Üblicherweise kommen daher voluminöse Luftkühler zum Einsatz, um auch bei höheren Umgebungstemperaturen die Brennstoffzellen noch ausreichend zu kühlen. Bei extrem hohen Umgebungstemperaturen wird die Kühlproblematik weiter erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung eines Brennstoffzellensystems auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen, zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird ein erster Kühlmittelkreislauf durch einen Luftkühler gekühlt. Ein zweiter Kühlmittelkreislauf ist zur Kühlung einer Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Zwischen den ersten und den zweiten Kühlmittelkreislauf ist eine Wärmepumpe geschaltet, welche die Austrittstemperatur des Brennstoffzellenkühlmittels auf ein höheres Temperaturniveau hebt, um so eine höhere Kühlleistung gegenüber der Umgebung zu gewährleisten.

Vorteilhaft ist, daß auch bei geringen Temperaturunterschieden zwischen der Austrittstemperatur des Brennstoffzellenkühlmittels und der Umgebungstemperatur eine effektive Wärmeabfuhr möglich ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Wärmepumpe so gesteuert, daß die Abwärme zur Erwärmung von Komponenten des Brennstoffzellensystems und/oder anderer Komponenten wie z. B. eines Fahrzeug-Innenraums verwendet werden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen sind der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer zu beheizenden Komponente,

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Serienschaltung von zu beheizenden Komponenten,

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellen in Serie,

Fig. 5 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellen in Serie,

Fig. 6 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellen in Serie und mit einer Serienschaltung von zu beheizenden Komponenten,

Fig. 7 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Serienschaltung von zu beheizenden Komponenten sowie mehreren Brennstoffzellen,

Fig. 8 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von zu beheizenden Komponenten und mehreren Brennstoffzellen,

Fig. 9 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems einer Brennstoffzelle, mehreren Wärmepumpen und einer Mehrzahl von zu beheizenden Komponenten,

Fig. 10 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems einer Serienschaltung von Brennstoffzelle und Wärmequelle,

Fig. 11 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Serienschaltung von Brennstoffzelle und Wärmequelle und einer zu beheizenden Komponente,

Fig. 12 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Serienschaltung von Brennstoffzelle und Wärmequellen und zu beheizenden Komponenten,

Fig. 13 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit Brennstoffzelle und Wärmequelle und einer Serienschaltung von zu beheizenden Komponenten und

Fig. 14 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit Wärmequelle, Brennstoffzelle und einer Mehrzahl von zu beheizenden Komponenten.

Die Erfindung ist besonders für Fahrzeuge mit Brennstoffzellensystemen geeignet, kann jedoch auch vorteilhaft in stationären Systemen eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer bevorzugten Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems. Es sind keine Details des Brennstoffzellensystems dargestellt. Es kann sich um ein Brennstoffzellensystem handeln, welches mit Wasserstoff betrieben wird oder bei dem in einem Gaserzeugungssystem Wasserstoff aus einem Brennmittel gewonnen wird oder auch andere Brennstoffzellensysteme, wie z. B. sogenannte DMFC- Systeme (Direct Methanol Fuel Cell) und sonstige, wie sie dem Fachmann geläufig sind.

Das Brennstoffzellensystem umfaßt eine Brennstoffzelleneinheit 1. Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist bevorzugt aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zu einem oder mehreren sogenannten Brennstoffzellenstapel oder Stack zusammengeschaltet. Der Brennstoffzelleneinheit 1 ist ein erster Kühlkreislauf 2 zugeordnet, um beim Betrieb entstehende Prozeßwärme abzuführen. Dies erfolgt über eine Kühlkomponente 5.

Gemäß der Erfindung ist zwischen der Kühlkomponente 5 und der Brennstoffzelleneinheit 1 eine Wärmepumpe 3 angeordnet, wobei der erste Kühlkreislauf 2 die Brennstoffzelleneinheit 1 mit der Wärmepumpe 3 und ein zweiter Kühlkreislauf 4 die Kühlkomponente 5 mit der Wärmepumpe 3 verbindet.

Die Wärmepumpe 3 ist mit ihrer Kühlseite, im folgenden auch als Primärseite bezeichnet, in Verbindung mit dem ersten Kühlkreislauf 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 und mit ihrer Heizseite, im folgenden auch als Sekundärseite bezeichnet, in Kontakt mit dem zweiten Kühlkreislauf 4. Die Wärmepumpe 3 hebt die Kühlmittelaustrittstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 1 auf ein höheres Temperaturniveau. Die Kühlkomponente 5 kann ein Luftkühler sein, der mit einem Kühlerventilator 6 gekühlt wird. Da z. B. sogenannte PEM-Brennstoffzellen bei relativ niederen Temperaturen zwischen um z. B. 60°C bis 80°C arbeiten, ist die Wärmeabfuhr über einen Luftkühler bei Umgebungstemperaturen über 20°C beschränkt und verschlechtert sich bei steigenden Umgebungstemperaturen weiter. Durch das Anheben der Kühlmittelaustrittstemperatur mittels Wärmepumpe 3 z. B. auf 100°C oder darüber wird eine ausreichende Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 1 ermöglicht.

Weiterhin ist es möglich, die Größe der Kühlkomponente 5 deutlich zu verringern, was den Platzbedarf, das Gewicht des Brennstoffzellensystems und Kosten spart. Soll im ersten Kühlkreislauf 2 z. B. eine Kühlmittelaustrittstemperatur von 80°C mittels eines Luftkühlers auf 60°C herunter gekühlt werden, so ist eine sehr große Kühlerfläche notwendig, um etwa bei einer Umgebungstemperatur von 30°C die notwendige Temperaturreduzierung zu erreichen. Wird dagegen mittels Wärmepumpe 3 die Kühlmittelaustrittstemperatur auf 100°C angehoben, so kann ein kleinerer Kühler 5 verwendet werden, da die Temperaturdifferenz höher ist. Je höher der Temperaturhub ist, desto effektiver wird Wärme abgeführt. Auch ist die Kühlung bei Vollast der Brennstoffzelleneinheit, d. h. bei maximalem Anfall von Abwärme, verbessert.

Bezogen auf ihre Strömungsrichtung zueinander können die Kühlmittel, die in den ersten und zweiten Kühlkreisläufen 2, 4 umlaufen, die Wärmepumpe 3 im Gleichstrom oder im Gegenstrom durchlaufen.

Zweckmäßig ist es, die Wärmepumpe 3 bedarfsabhängig zuzuschalten oder die Leistung der Wärmepumpe bedarfsabhängig einzustellen. Bei geringen Umgebungstemperaturen und/oder geringer angeforderter elektrischer Brennstoffzellenleistung ist nur eine geringe Leistung der Wärmepumpe 3 notwendig, während bei hohen Umgebungstemperaturen und/oder bei Vollast eine große Leistung der Wärmepumpe 3 notwendig ist. Damit kann der Systemwirkungsgrad optimiert werden. Ebenso kann die Wärmepumpe 3 auch abhängig von weiteren Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 1 und/oder anderen Komponenten gesteuert oder geregelt werden. Günstig ist, die Wärmepumpe im Normalbetrieb über das Brennstoffzellensystem mit elektrischer Leistung zu versorgen.

In Fig. 2 ist schematisch eine bevorzugte Anordnung dargestellt, wobei die Kühlkomponente 5 der Fig. 1 durch eine Temperierkomponente 7 ersetzt ist. Temperierkomponente 7 kann als Kühlkomponente oder als Heizkomponente ausgebildet sein. Diese ist vorzugsweise ein Wärmetauscher mit einer Heizseite, die mit dem zweiten Kühlkreislauf 4 verbunden ist, welcher auch mit der Wärmepumpe 3 verbunden ist. Besonders bevorzugt ist die Temperierkomponente 7 bzw. der Wärmetauscher Bestandteil des Brennstoffzellensystems. Dies kann ein Verdampfer sein, der zum Verdampfen von Brennmittel und/oder Wasser im Brennstoffzellensystem vorgesehen ist. Das Brennmittel, Medium 8, welches die Kühlseite der Temperierkomponente 7 durchläuft, wird durch die Wärme des Kühlkreislaufs 4 im Heizraum der Temperierkomponente 7 erwärmt, wobei gleichzeitig das Medium im Kühlkreislauf 4 gekühlt wird. Temperierkomponente 7 kann z. B. ein Verdampfer sein, in dem ein Brennmittel für die Brennstoffzelleneinheit 1 verdampft wird. Als Brennmittel können Alkohole, Ether, Kohlenwasserstoffe und dergleichen eingesetzt werden. Der Wärmetauscher kann auch ein katalytischer Reaktor im Gaserzeugungssystem des Brennstoffzellensystems sein, vorzugsweise ein Reformierungsreaktor, bei dem die Heizseite durch den Kühlkreislauf 4 gebildet wird.

In Fig. 3 ist schematisch eine günstige Weiterbildung dargestellt. Der zweite Kühlkreislauf 4 durchläuft hintereinander zwei Temperierkomponenten 7', 7", die bezüglich ihrer Heizseite in Serie miteinander verbunden sind. Die Temperierkomponenten 7', 7" können gleichartig oder verschieden sein, z. B. ein Luftkühler und ein Wärmetauscher und/oder ein Luftkühler und ein Verdampfer und/oder ein Verdampfer und ein Wärmetauscher und/oder ein Reformierungsreaktor und ein Verdampfer und/oder eine Kombination mehrerer Temperierkomponenten 7', 7". Die Temperierkomponenten 7', 7" können auch durch eine oder mehrere Kühlkomponenten 5 ersetzt sein, wie sie z. B. in Fig. 1 beschrieben ist.

Bei Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist es günstig, den zweiten Kühlkreislauf 4 mit einer Heizseite eines Wärmetauschers eines Klimageräts zu verbinden, wobei das Fahrzeug und/oder der Fahrgastraum mit der Abwärme geheizt werden kann. Die Verwendung zu Klimatisierung und/oder Heizzwecken kann auch vorteilhaft in einer stationären Anlage erfolgen.

Besonders bevorzugt ist es, den zweiten Kühlkreislauf 4 der Wärmepumpe 3 so zu steuern, daß eine höhere Heizleistung der Wärmepumpe 3 erzeugt wird, als zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit notwendig ist. Dabei kann die überschüssige Wärme vollständig oder teilweise für Heizzwecke bzw. eine Klimatisierung von Innenräumen, z. B. in mit Brennstoffzellen ausgestatteten Fahrzeugen, und/oder Komponenten des Brennstoffzellensystems verwendet werden, ebenso wie die Leistung der Wärmepumpe 3 überhaupt zumindest teilweise für diese Zwecke eingesetzt werden kann.

Vorteilhaft ist auch, beim Kaltstart des Systems die Wärmepumpe 3 mittels einer separaten Energiequelle, z. B. einer Batterie, zu betreiben und die auf der heißen Seite der Wärmepumpe 3 verfügbare Abwärme zum schnellen Aufwärmen des Brennstoffzellensytems zu verwenden. Die Kaltstartphase wird dadurch vorteilhaft verkürzt.

Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung analog zu der Ausführung gemäß Fig. 1. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zwei Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" werden von einem gemeinsamen Kühlkreislauf 2 gekühlt. Sie sind bezüglich des Kühlkreislaufes 2 in Serie geschaltet. Zwischen dem Kühlkreislauf 2 und dem Kühlkreislauf 4 der Kühlkomponente 5 ist die Wärmepumpe 3 geschaltet.

Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung analog zu der Ausführung gemäß Fig. 2. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zwei Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" werden von einem gemeinsamen Kühlkreislauf 2 gekühlt. Sie sind bezüglich des Kühlkreislaufes 2 in Serie geschaltet. Ihre Abwärme wird über die Wärmepumpe 3 zum Temperieren des Mediums 8 der Temperierkomponente 7 verwendet.

Fig. 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung analog zu der Ausführung gemäß Fig. 3. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zwei Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" werden von einem gemeinsamen Kühlkreislauf 2 gekühlt. Sie sind bezüglich des Kühlkreislaufes 2 in Serie geschaltet. Eine Wärmepumpe 3 verbindet den Kühlkreislauf 2 mit dem Kühlkreislauf 4 und speist so die Abwärme der beiden Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" auf höherem Temperaturniveau als der Kühlmittelaustrittstemperatur der Brennstoffzelle in den Kühlkreislauf 4 ein. Dieser durchläuft zwei Temperierkomponenten 7', 7", welche Medien 8', 8" temperieren. Die Temperierkomponenten 7', 7" sind bezüglich des Kühlkreislaufes 4 in Serie geschaltet, während die Medien 8', 8" eigene, unabhängige Kreisläufe bilden können. Dabei können beide Temperierkomponenten 7', 7" die Medien 8', 8" erwärmen oder kühlen, oder eine der Temperierkomponenten 7', 7" kühlt das eine Medium 8' oder 8" und die andere erwärmt das andere Medium 8" oder 8'.

Fig. 7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zwei Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" werden von zwei getrennten Kühlkreisläufen 2', 2" gekühlt. Zwischen einem Kühlkreislauf 4 und den beiden Kühlkreisläufen 2', 2" ist eine Wärmepumpe 3 angeordnet, welche die Abwärme der beiden Kühlkreisläufe 2', 2" auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und in den Kühlkreislauf 4 einspeist. Der Kühlkreislauf 4 durchströmt hintereinander zwei Temperierkomponenten 7', 7", welche zum Temperieren von Medien 8', 8" vorgesehen sind.

Fig. 8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zwei Brennstoffzelleneinheiten 1', 1" werden von zwei getrennten Kühlkreisläufen 2', 2" gekühlt. Zwischen zwei Kühlkreisläufen 4', 4" und den beiden Kühlkreisläufen 2', 2" ist eine Wärmepumpe 3 geschaltet, welche die Abwärme der beiden Kühlkreisläufe 2', 2" auf einem höheren Temperaturniveau in die beiden Kreisläufe 4', 4" einspeist. Kühlkreislauf 4' verbindet eine Temperierkomponente 7', welche ein Medium 8' kühlt oder heizt, mit der Wärmepumpe 3, und Kühlkreislauf 4" verbindet Temperierkomponente 7", welche ein Medium 8" kühlt oder heizt, mit derselben Wärmepumpe 3.

Fig. 9 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Brennstoffzelleneinheit 1 wird von einem Kühlkreislauf 2 gekühlt. Zwischen dem Kühlkreislauf 2 und zwei Kühlkreisläufen 4', 4" sind zwei Wärmepumpen 3', 3" geschaltet, welche die Abwärme des Kühlkreislaufs 2 auf einem höheren Temperaturniveau in die beiden Kreisläufe 4', 4" einspeisen. Kühlkreislauf 4' verbindet eine Temperierkomponente 7', welche ein Medium 8' kühlt oder heizt, mit der Wärmepumpe 3', und Kühlkreislauf 4" verbindet Temperierkomponente 7", welche ein Medium 8" kühlt oder heizt, mit der Wärmepumpe 3". Der Vorteil ist, daß die beiden Temperierkomponenten 7', 7" individuell und bedarfsgerecht mit Wärme versorgt werden können. Jede der beiden Wärmepumpen 3', 3" kann unabhängig von der anderen betrieben werden. Wird eine der Wärmepumpen 3', 3" nicht benötigt, kann die Brennstoffzelleneinheit 1 immer noch ausreichend gekühlt werden. Es können mehrere Wärmepumpen bezogen auf den primärseitigen und/oder sekundärseitigen Kühlkreislauf 2, 2', 2", 4, 4', 4" in Serie und/oder parallel geschaltet sein.

Fig. 10 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Brennstoffzelleneinheit 1 wird von einem Kühlkreislauf 2 gekühlt. Der Kühlkreislauf 2 durchströmt ebenso eine weitere Wärmequelle 9. Diese Wärmequelle 9 kann eine Komponente des Brennstoffzellensystems sein, eine Antriebsmaschine in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, z. B. eine Elektromaschine und/oder ein Verbrennungsmotor, oder eine andere zu kühlende oder zu wärmende Komponente. Wird die Wärmequelle 9 bezogen auf den Kühlkreislauf 2 stromab der Brennstoffzelleneinheit 1 angeordnet, so kann die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 1 sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen der Wärmequelle 9 verwendet werden. Umgekehrt kann, falls die Brennstoffzelleneinheit 1 stromab der Wärmequelle 9 angeordnet ist, die Abwärme der Wärmequelle 9 die Brennstoffzelleneinheit 1 kühlen oder, bei entsprechend anderer Temperaturlage, auch erwärmen. Zweckmäßigerweise ist die Austrittstemperatur der Wärmequelle 9 entsprechend eingestellt und daher geringer als die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Wärmequelle 9 zum Vortemperieren des Kühlmittels im Kühlkreislauf 2 dienen kann um auf diese Weise eine mögliche Spezifikation einer definierten Kühlmitteleintrittstemperatur des Kühlmittels in die Brennstoffzelleneinheit 1 zu ermöglichen.

Zwischen dem Kühlkreislauf 2 und einem Kühlkreislauf 4 ist eine Wärmepumpe 3 geschaltet, welche die Abwärme des Kühlkreislaufs 2 auf einem höheren Temperaturniveau in den Kühlkreislauf 4 einspeist. Kühlkreislauf 4 verbindet eine Kühlkomponente 5 mit der Wärmepumpe 3. Die Kühlkomponente 5 kann, wie im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 beschrieben, z. B. ein Luftkühler sein, der mit einem Ventilator 6 mit Umgebungsluft gekühlt wird.

Fig. 11 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Anordnung entspricht der in Fig. 10, jedoch ist die Kühlkomponente 5 durch eine Temperierkomponente 7 ersetzt, wie sie bereits in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde.

Fig. 12 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Anordnung entspricht der in Fig. 11, jedoch ist die Temperierkomponente 7 ersetzt durch zwei Temperierkomponenten 7', 7", wie sie bereits in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Die beiden Temperierkomponenten 7', 7" sind bezüglich des Kühlkreislaufs 4 in Serie geschaltet.

Fig. 13 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Brennstoffzelleneinheit 1 ist mit einem Kühlkreislauf 2' an eine Wärmepumpe 3 angebunden. Eine Wärmequelle 9 ist mit ihrem Kühlkreislauf 2" an dieselbe Wärmepumpe 3 angebunden. Die Wärmepumpe 3 verbindet die beiden Kühlkreisläufe 2', 2" mit einem Kühlkreislauf 4, welcher den Temperierkomponenten 7', 7" gemeinsam ist. Die Temperierkomponenten 7', 7" können auch durch eine oder mehrere Kühlkomponenten 5 ersetzt sein, wie sie z. B. in Fig. 1 oder Fig. 10 beschrieben ist. Die Entkopplung der Kühlkreisläufe 2', 2' der Brennstoffzelleneinheit 1 und der Wärmequelle 9 hat den Vorteil, daß der Wärmehaushalt der beiden Komponenten im wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden kann und ermöglicht trotzdem eine effiziente Kühlung, indem die Wärmepumpe 3 die Abwärme beider Komponenten an den Kühlkreislauf 4 abgibt.

Fig. 14 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Elemente wie in den vorangegangenen Figuren sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausgestaltung entspricht der in Fig. 13, jedoch weist nunmehr jede der beiden Temperierkomponenten 7', 7" einen eigenen Kühlkreislauf 4', 4" auf, mit denen sie an die Wärmepumpe 3 angebunden sind. Dies ermöglicht eine relativ freie Ausgestaltung der einzelnen Wärmehaushalte der Komponenten 1, 9, 7', 7" unter Verwendung einer einzigen Wärmepumpe 3.

Es können auch mehr als eine oder zwei Temperierkomponenten 7, 7', 7" und/oder auch mehr als eine oder zwei Wärmepumpen 3, 3', 3" und/oder auch mehr als eine oder zwei Brennstoffzelleneinheiten 1, 1', 1" und/oder auch mehr als eine Wärmequelle 9 vorgesehen sein. Ebenso sind Kombinationen der einzelnen Ausgestaltungen möglich.

Neben dem seriellen Durchlaufen von Kühlmittel durch den oder die Kühlkreisläufe 2, 2', 2", 4, 4', 4" ist auch ein paralleles sowie kombiniertes paralleles und serielles Durchlaufen von zwei und/oder mehreren Komponenten möglich. So können z. B. zwei oder mehr Temperierkomponenten 7', 7" parallel miteinander verbunden sein. Es ist auch möglich, daß mehrere, zumindest drei, Temperierkomponenten 7', 7" parallel und in Serie miteinander verbunden werden. Gleiches gilt so auch für alle anderen Komponenten wie Wärmequellen 9, Brennstoffzelleneinheiten 1, 1', 1", Kühlkomponenten 5.

Es ist ebenfalls möglich, daß durch entsprechende weitere Verbindungsleitungen und Zusatzkomponenten, zeichnerisch nicht dargestellt, die Durchflussrichtungen und Durchflussmengen der Medien gesteuert und/oder geregelt werden. Dies kann auch durch die zusätzliche Einbeziehung von sogenannten Bypass-Leitungen erfolgen.

In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Wärmepumpe 3 auch während des Vollastbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 1 mittels einer separaten Energiequelle, z. B. einer Batterie betrieben werden. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert werden. Auch jede Kombination von Energiequellen zum Betrieb der Wärmepumpe und/oder anderer Komponenten der Kühlkreisläufe und/oder Wärmetauscher ist möglich. So kann etwa eine fahrzeugeigene Energiequelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug die Wärmepumpe versorgen, oder etwa eine externe Energiequelle bei einem stationären Brennstoffzellensystem.

Auch kann jede Komponente, die in den Kühlkreisläufen 2, 2', 2", 4, 4', 4" angeordnet ist und die elektrische Leistung benötigt, in jedem beliebigen Betriebszustand aus einer beliebigen, am Gebrauchsort des Brennstoffzellensystems 1 verfügbaren Energiequelle oder aus einer Kombination von derartigen verfügbaren Energiequellen mit elektrischer Leistung versorgt werden.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) und einem der Brennstoffzelleneinheit (1) zugeordneten ersten Kühlkreislauf (2), dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkreislauf (2, 2', 2") der Brennstoffzelleneinheit (1, 1', 1") eine Wärmepumpe (3, 3', 3") mit ihrer Primärseite zum Kühlen des Kühlkreislaufs (2, 2', 2") angeordnet ist, und mit ihrer Sekundärseite über einen weiteren Kühlkreislauf (4, 4', 4") mit einer Kühlkomponente (5) und/oder einer Temperierkomponente (7, 7', 7") verbunden ist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Kühlkreislauf (2, 2', 2") mehr als eine Brennstoffzelleneinheit (1, 1', 1") angeordnet ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Kühlkreislauf (2, 2', 2") der Brennstoffzelleneinheit (1, 1', 1") eine oder mehrere weitere Wärmequellen (9) angeordnet ist.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite der Wärmepumpe (3, 3', 3") zum Kühlen von mehreren Kühlkreisläufen (2, 2', 2") vorgesehen ist.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite der Wärmepumpe (3, 3', 3") zum Temperieren von mehr als einem Kühlkreislauf (4, 4', 4") vorgesehen ist.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Wärmepumpe (3, 3', 3") primärseitig und/oder sekundärseitig mit mehr als einem Kühlkreislauf (2, 2', 2", 4, 4', 4") verbunden ist.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkomponente (5) ein luftgekühlter Kühler ist.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierkomponente (7, 7', 7") eine Heizkomponente des Brennstoffzellensystems ist.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf (4, 4', 4") der Temperierkomponente (7, 7', 7") mit einer Heizseite eines Wärmetauschers eines Klimageräts verbunden ist.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf (4, 4', 4") der Temperierkomponente (7, 7', 7") mit einer Heizseite eines Wärmetauschers eines Gaserzeugungssystems des Brennstoffzellensystems verbunden ist.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf (4, 4', 4") der Temperierkomponente (7, 7', 7") mit einer Heizseite eines Verdampfers eines Gaserzeugungssystems des Brennstoffzellensystems ist.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennstoffzelleneinheiten (1, 1', 1") und/oder Wärmequellen (9) bezogen auf den Kühlkreislauf (2, 2', 2") parallel und/oder in Serie miteinander verbunden sind.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmepumpen (3, 3', 3") bezogen auf den Kühlkreislauf (2, 2', 2", 4, 4', 4") parallel und/oder in Serie miteinander verbunden sind.

14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Temperierkomponenten (7, 7', 7") und/oder Kühlkomponenten (5) bezogen auf den Kühlkreislauf (4, 4', 4") parallel und/oder in Serie miteinander verbunden sind.

15. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (3, 3', 3") abhängig von einem Kühl- und/oder Heizbedarf zugeschaltet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (3, 3', 3") abhängig von der elektrischen Brennstoffzellenleistung und/oder der Umgebungstemperatur gesteuert oder geregelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Wärmepumpe (3, 3', 3") zumindest teilweise zum Beheizen eines Verdampfers und/oder eines Reformierungsreaktors und/oder eines Wärmetauschers im Brennstoffzellensystem und/oder zur Klimatisierung verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (3, 3', 3") mehr Leistung erzeugt als für die Kühlung der Brennstoffzelleneinheit (1, 1', 1") und/oder von Wärmequellen (9) benötigt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssige Leistung zumindest teilweise zum Beheizen eines Verdampfers und/oder eines Reformierungsreaktors und/oder eines Wärmetauschers im Brennstoffzellensystem und/oder für eine Klimatisierung verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb die Wärmepumpe (3, 3', 3") mit elektrischer Leistung des Brennstoffzellensystems versorgt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltstart die Wärmepumpe (3, 3', 3") von einer separaten Energiequelle mit elektrischer Leistung versorgt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltstart die Heizleistung der Wärmepumpe (3, 3', 3") zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystems verwendet wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (3, 3', 3") aus einer oder mehreren am Gebrauchsort des Brennstoffzellensystems verfügbaren Energiequellen mit elektrischer Leistung versorgt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollast die Wärmepumpe (3, 3', 3") von einer separaten Energiequelle mit elektrischer Leistung versorgt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß jede elektrisch betreibbare Komponente der Kühlkreisläufe (2, 2', 2", 4, 4', 4") aus einer oder mehreren, am Gebrauchsort des Brennstoffzellensystems (1, 1', 1") verfügbaren Energiequellen mit elektrischer Leistung versorgt wird.