DE102004016375A1

DE102004016375A1 - Brennstoffzellensystem mit Kühlkanälen sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Kühlkanälen

Info

Publication number: DE102004016375A1
Application number: DE102004016375A
Authority: DE
Inventors: Dirk Wexel; Ralph Hobmeyr
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: DE102004016375B4; US7368196B2; US20040209135A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen (26), die zu einem Brennstoffzellenstapel (10) zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16), bei dem Kühlmittel von einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70), der die Kühlkanäle und einen Kühler (74) umfasst, umwälzbar sind sowie mit einem Wärmespeicher (100) und einer Heizeinrichtung (104), zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmespeicher (100) in einem ersten zum Kühler (74) parallelen Zweig (102) des Kühlmittelkreislaufs (16) angeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung (104) erwärmbarer Wärmetauscher (106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100) angeordneten Zweig (108) angeordnet ist, dass eine zweite Pumpe (110) im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher (100) angeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil (112) vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss (114), der im ersten Zweig (102) vor der zweiten Pumpe (110), einen zweiten Anschluss (116), der im ersten Zweig (102) nach der zweiten Pumpe (110), und einen dritten Anschluss (118), der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher (106) angeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung (120) zwischen dem ersten Zweig (102), dem zweiten Zweig (108) und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf, bei dem Kühlmittel von einer Pumpe in einem Hauptkreislauf, der die Kühlkanäle und einen Kühler umfasst, umwälzbar ist, sowie mit einem Wärmespeicher und einer Heizeinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.

Ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art ist in der DE-OS 101 07 596 A1 beschrieben. Dort wird der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug in Form eines Busses eingebaut und wird mit einem den Hauptkreislauf bildenden Primärkühlkreislauf ausgestattet, der mit Deionat, d.h. mit Wasser, in einer nicht Strom leitenden Form betrieben wird, welches außer zu Kühlzwecken auch zum Anfeuchten der Prozessluft in die Brennstoffzellen geleitet wird. Da Deionat bei niedrigen Temperaturen unter Volumenzunahme friert, können der Kühlkreislauf und die Brennstoffzellen beschädigt werden. Die Aufgabe der DE-OS 101 07 596 A1 liegt daher darin, eine Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, welche gegen Frostschäden geschützt ist. Um diese Aufgabe zu lösen, wird dort vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Heizeinrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie und/oder wenigstens einen Wärmespeicher zur Speicherung wenigstens eines Teils der in einer vorangehenden Be triebsphase von den Brennstoffzellen erzeugten Wärmeenergie und/oder wenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung erzeugten Wärmeenergie umfasst, wobei die erzeugte oder gespeicherte Wärmeenergie zur mittelbaren oder unmittelbaren Beheizung wenigstens eines der gefriergefährdeten Stoffe, zumindest bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere bei Frost, vorgesehen ist.

Der Primärkühlkreislauf ist mit einem sekundären Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher gekoppelt, wobei der sekundäre Kühlkreislauf mit einem herkömmlichen Frostschutzmittel wie Glysantin betrieben werden kann, da das leitfähige Kühlmittel dort nicht störend ist, da es nicht in Berührung mit den Brennstoffzellen kommt. Der sekundäre Kühlkreislauf wird zur Beheizung des Innenraumes des Busses herangezogen und kann auch über einen Kühler Wärme, die vom primären Kühlkreislauf in den sekundären Kreislauf übertragen wird, abführen.

Die Heizeinrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie wird in der DE-OS 101 07 596 A1 in eine Reihenschaltung im primären Kühlkreislauf eingebaut. Die genaue Auslegung des dort vorgesehenen Wärmespeichers zur Speicherung wenigstens eines Teils der in einer vorangehenden Betriebsphase von den Brennstoffzellen erzeugten Wärmeenergie und/oder wenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung erzeugten Wärmeenergie ist nicht im Detail angegeben. Da dort Deionat für das Kühlmittel verwendet wird, muss bei Außentemperaturen unter 0°C das Kühlmittel auch dann beheizt werden, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Dies mag zwar für einen Bus vertretbar sein, da Busse sich quasi im Dauereinsatz befinden, so dass die Dauer von Phasen, bei denen keine Wärme erzeu gender Betrieb vorliegt, begrenzt ist, für einen PKW mit häufig ausgeprägten Standzeiten wäre dies aber eher unwirtschaftlich.

Für den Start eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0°C ist üblicherweise eine Anhebung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder wenigstens von Teilbereichen der einzelnen Zellen eines solchen Brennstoffzellenstapels auf etwa 0°C notwendig. Die Brennstoffzellen arbeiten unter diesen, nicht idealen, Umgebungstemperaturen relativ ineffizient, so dass die Selbsterwärmung des Brennstoffzellensystems nicht sehr schnell vonstatten geht, wodurch auch die Stromerzeugung beim Anlassen des Brennstoffzellensystems begrenzt wird. Eine schnelle Anhebung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist auch aus diesem Grund wünschenswert.

Derzeit gibt es verschiedene Ansätze, einen Brennstoffzellenstapel auf eine Temperatur von etwa 0°C zu bringen, und einen Betrieb auch bei Temperaturen unter 0°C zu ermöglichen.

Die Vorwärmung des Kühlmittels des Brennstoffzellenstapels durch eine elektrische oder eine die Verbrennung nutzende Wärmequelle, wie zum Beispiel in der DE-OS 101 07 596 A1 gelehrt, hat den Nachteil, dass Kühlmittel und Stack von einer niedrigen Temperatur in kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht werden müssen. Dazu sind große Heizleistungen notwendig, da sowohl der Stack als auch das Kühlmittel eine hohe thermische Masse aufweisen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems der ein gangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Vorwärmung des Brennstoffzellenstapels auf eine energieeffiziente Art und Weise erreicht werden kann, wobei:

(a) die Auslegung des Brennstoffzellensystems verhältnismäßig wenig Material erfordert, einen kleinen Platzbedarf hat und einen hohen Wirkungsgrad erreicht,
(b) der Energiebedarf relativ gering ist und weitestgehend durch ohnehin sonst verlorene Energie abgedeckt werden kann,
(c) die Auslegung alle relevanten Betriebsbedingungen berücksichtigt bzw. erfüllt und
(d) den normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems in keinster Weise gestört wird.

Um diese Ausgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet, dass der Wärmespeicher in einem ersten zum Kühler parallelen Zweig des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung erwärmbarer Wärmetauscher in einem zweiten parallel zum Wärmespeicher angeordneten Zweig angeordnet ist, dass eine zweite Pumpe im ersten Zweig vor dem Wärmespeicher angeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss, der im ersten Zweig vor der zweiten Pumpe, einen zweiten Anschluss, der im ersten Zweig nach der zweiten Pumpe und einen dritten Anschluss, der im zweiten Zweig vor dem Wärmetauscher angeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung zwischen dem ersten Zweig, dem zweiten Zweig und dem Hauptkreislauf vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems durch die folgenden Schritte aus:

a) bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter Nullgrad Celsius oder im Bereich von Nullgrad Celsius wird die zweite Pumpe eingeschaltet, um Kühlmittel durch den Wärmespeicher zu fördern und in den Brennstoffzellenstapel einzuführen, um diesen zu erwärmen,
b) bei nicht ausreichender Wärmezufuhr durch den Wärmespeicher wird eine Durchströmung des Wärmetauschers bei eingeschalteter Heizeinrichtung durch die Schaltstellung des Umschaltventils ermöglicht,
c) bei Leistungsbetrieb des Brennstoffzellensystems, ggf. mit eingeschalteter erster Pumpe und Wärmeabgabe vom Hauptkreislauf über den Kühler, wird die zweite Pumpe zur Aufladung des Wärmespeichers mit mindestens einem Teilstrom des im Brennstoffzellenstapel erwärmten Kühlmittels eingeschaltet und
d) beim Abschalten des Brennstoffzellensystems oder im Leerlaufbetrieb bei kühlen Umgebungstemperaturen wird die zweite Pumpe bei eingeschalteter Heizeinrichtung und ausgeschalteter erster Pumpe betrieben, um den Wärmespeicher aufzuladen, wobei das Umschaltventil und die T-Verbindung für eine Umwälzung des Kühlmittels in einem durch den ersten und den zweiten Zweig gebildeten Kreislauf geschaltet ist.

Dadurch, dass der Wärmespeicher in einem ersten, zum Kühler parallelen Zweig des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist, kann er weitgehend unabhängig vom Hauptkreislauf betrieben werden und stört den Hauptkreislauf im Betrieb nicht. Ferner kann durch diese Anordnung der Wärmespeicher unmittelbar neben dem Brennstoffzellenstapel angeordnet werden, so dass die Menge an Kühlmittel, die zwischen dem Wärmespeicher und dem Brennstoffzellenstapel umgewälzt werden muss, um Wärme vom Wärmespeicher in den Brennstoffzellenstapel zu transportieren, verhältnismäßig klein ist und man keine unnötigen Mengen an Kühlmittel mit dem begrenzten Wärmeinhalt des Wärmespeichers aufwärmen muss. Mit anderen Worten sorgt man dafür, dass die begrenzte Wärmemenge, die im Wärmespeicher gespeichert werden kann, effizient auf den Brennstoffzellenstapel übertragen wird. Hierdurch wird die Menge an Wärme, die im Wärmespeicher gespeichert ist, effizient genützt, der Wärmespeicher kann mit anderen Worten kleiner gehalten werden, so dass verhältnismäßig wenig Material für den Wärmespeicher benötigt wird und der Platzbedarf klein gehalten werden kann. Ferner wird auf diese Weise ein höherer Wirkungsgrad erreicht.

Der Wärmespeicher kann im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit Abwärme des Brennstoffzellenstapels wieder aufgeladen werden, so dass sonst verlorene Energie verwendet wird, was ebenfalls zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Sollte die Wärmemenge, die im Wärmespeicher gespeichert ist, nicht ausreichen, beispielsweise weil die Umgebungstemperaturen sehr niedrig liegen, so kann der Brennstoffzellenstapel durch Einschaltung der Heizeinrichtung und der Wärmetauscher direkt beheizt werden. Auch hier wirkt die Anordnung der ersten und zweiten Zweige weitestgehend unabhängig vom Hauptkreislauf und daher auch effizient. Auch die Heizeinrichtung und der Wärmetauscher können in der unmittelbaren Nachbarschaft des Brennstoffzellenstapels angebracht werden. Da diese ergänzende Heizungsmöglichkeit vorgesehen ist, kann der Wärmespeicher verhältnismäßig klein ausgeführt werden, wodurch ebenfalls Material und Platz gespart wird. Die Heizeinrichtung selbst kann beispielsweise auch mit Wasserstoff betrieben werden, der als Abdampfverlust eines Tieftemperaturspeichers entsteht. Solche Abdampfverluste können zwar minimiert aber nicht vollständig ausgeschlossen werden. Wenn daher solche Verluste zum Betrieb der Heizeinrichtung herangezogen werden, so wird die Heizwirkung mit Energie abgedeckt, die sonst verloren gehen würde. Diese Möglichkeit kann auch vollständig unabhängig vom Betrieb des Brennstoffzellensystems genützt werden, so dass beispielsweise bei auftretenden Wärmeverlusten im Wärmespeicher, wenn das Fahrzeug lange steht, der Wärmespeicher von der Heizeinrichtung immer wieder aufgefüllt werden kann. Da die Heizeinrichtung und der Wärmespeicher eng beieinander angeordnet sind und unabhängig vom Hauptkreislauf betrieben werden können, ist dieser Aufwärmvorgang auch sehr effizient.

Bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen und/oder bei kurzen Fahrstrecken kann die Situation eintreten, dass nicht mehr genügend Wärme im Wärmespeicher vorhanden ist, um ein erneutes Anlassen des Brennstoffzellensystems bei kalten Umgebungsbedingungen zu ermöglichen. Hierzu schafft die Heizeinrichtung Abhilfe, da sie unabhängig vom Brennstoffzellensystem betrieben werden kann. Sollten die vorhandenen Abdampfverluste nicht ausreichen, um die Heizeinrichtung zu betreiben, so kann diese auch mit Brennstoff aus dem Tieftemperaturenspeicher gespeist werden.

Dadurch, dass der Wärmespeicher wie auch die Heizeinrichtung in parallelen Zweigen des Kühlmittelkreislaufs angeordnet sind, können sie weitestgehend unabhängig vom normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems betrieben werden und somit wird der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems in keinster Weise gestört.

Besonders günstig ist es, wenn die T-Verbindung durch ein T-Stück realisiert ist. Dies stellt eine sehr preisgünstige Möglichkeit dar, die auch einwandfrei funktioniert. Noch günstiger ist es jedoch, wenn die T-Verbindung durch ein zweites Umschaltventil realisiert wird, da man auf diese Weise eine noch sicherere Trennung des ersten und zweiten Zweiges vom Hauptkreislauf des Kühlmittels erreicht. Besonders günstig ist es, wenn die T-Verbindung durch ein Regelventil, vorzugsweise mit Umschaltfunktion, realisiert wird. Dies ermöglicht es, dass die Heizeinrichtung gleichzeitig mit der Entladung des Wärmespeichers betrieben wird, so dass beide Wärmequellen zur Erwärmung des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung stehen und die jeweilige Wärmeeinspeisung in den Brennstoffzellenstapel optimal geregelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann so an den Hauptkreislauf angeschlossen werden, dass der Eingang des ersten Zweiges bzw. der erste Anschluss des Umschaltventils an der Vorlaufleitung des Hauptkreislaufs vor dem Brennstoffzellenstapel angeschlossen ist. Noch günstiger erscheint es jedoch, wenn der Eingang des ersten Zweiges bzw. der erste Anschluss des ersten Umschaltventils an der Rücklaufleitung des Kühl mittelkreises nach dem Brennstoffzellenstapel angeschlossen ist, da auf diese Weise die Temperatur des Kühlmittels, die in den Wärmespeicher einläuft, etwas höher ist und mehr Wärme im Wärmespeicher gespeichert werden kann. Ferner entspricht dann die Durchströmung des Brennstoffzellenstapels bei der Erwärmung mit Wärme aus dem Wärmespeicher bzw. von der Heizeinrichtung der normalen Strömungsrichtung im normalen Betrieb.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen aufgrund der beigefügten Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das entsprechend der Erfindung ausgelegt ist und so geschaltet ist, dass das System vom kalten Zustand gestartet werden kann,
2 zeigt die gleiche Ausführung wie 1, jedoch im Schaltzustand, bei dem die Wärme von einer Heizeinrichtung in den Brennstoffzellenstapel eingeführt wird,
3 die gleiche Ausführung wie 1 und 2, jedoch im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems,
4 wiederum die gleiche Ausführung wie die 1 bis 3, jedoch hier bei der Nachladung des Wärmespeichers in einen Zustand, in dem das Brennstoffzellensystem selbst sich nicht in Betrieb befindet,
5 – 8 eine weitere Ausführungsform, die der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß 1 bis 4 entspricht, wobei aber der Eingang des ersten Zweigs und der Anschluss des Umschaltventils an der Vorlaufleitung des Hauptkreislaufs des Brennstoffzellenstapels anstelle dessen Rücklaufleitung angeschlossen ist, und
9 das Grundkonzept der Integration eines Ladeluftkühlers in die Ausführungsformen der obigen Figuren.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Anodenseite 12 und einer Kathodenseite 14. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlmittelkreislauf 16 auf, der mit einem isolierenden Kühlmittel gefüllt ist, das je nachdem, wo das Brennstoffzellensystem betrieben wird, bei den dort maximal zu erwartenden negativen Temperaturen nicht friert, d.h. nicht in einen festen Zustand übergeht.
Auf der Anodenseite 12 wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, in einem Tieftemperaturenspeicher 18 oder in einem anderen geeigneten Druckspeicher gespeichert. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Ventil, das zur Reduzierung des Drucks im Speicher 18 auf einen niedrigeren Speisedruck dient. Das Ventil 20 wird von einer Steuerung 22 über eine Leitung 20A angesteuert. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist der Verlauf der Steuerleitung 20A zwischen dem Ventil 20 und der Steuerung 22 nicht gezeigt, jedoch versteht sich, dass die Stichleitung 20A am Ventil 20 mit der Stichleitung 20A an der Steuerung 22 verbunden ist. Dies gilt auch für alle weiteren Stichleitungen, die in der 1 eingezeichnet sind, das heißt alle Stichleitungen, die zu einem Bauteil in der Zeichnung führen, werden mit dem gleichen Bezugszeichen versehen wie das Bauteil selbst, jedoch mit dem Zusatz "A" und entsprechend wird die Stichleitung an der Steuerung 22 mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das Ventil 20 kann beispielsweise ein Ventil sein, das nicht nur als Druckreduzierventil arbeitet, sondern auch eine Ausschaltfunktion aufweist, die über die Steuerleitung 20A ausgelöst werden kann.
Auf der Anodenseite 12 wird der Brennstoff bzw. der Wasserstoff vom Druckreduzierventil 20 an ein Steuerventil 24 weitergeleitet, das über eine Stichleitung 24A an die Steuerung 22 angeschlossen ist, wobei die Steuerung 22 die Einstellung des Ventils 24 festlegt, damit die erforderliche Menge an frischem Wasserstoff bzw. Brennstoff der Anodenseite 12 des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Der dem Brennstoffzellensystem zugeführte Wasserstoff bzw. Brennstoff liefert Protonen an die einzelnen Brennstoffzellenzellen 26 des Brennstoffzellenstapels 10 und diese wandern durch die dort vorgesehenen Membrane (nicht gezeigt) auf die Kathodenseite 14 zu.
In an sich bekannter Weise wird der Kathodenseite 14 Luftsauerstoff über den Kompressor 28 und die Leitung 30 zugeführt. Der Luftkompressor 28 wird von einem Elektromotor 32 über eine Welle 34 angetrieben und saugt Luft über den Luftfilter und Schalldämpfer 36 und die Leitung 38 an. Der Elektromotor 32 weist elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) sowie eine Steuerleitung 32A auf, die an der Steuerung 22 angeschlossen ist. Die Protonen, die durch die Membrane der einzelnen Brennstoffzellen 26 hindurch diffundieren, reagieren auf der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 10 mit Sauerstoffmolekülen, die vom Kompressor 28 geliefert werden und erzeugen durch diese Reaktion Wasserdampf sowie elektrische Leistung, die an den Klemmen 40 und 42 des Brennstoffzellenstapels abgezapft werden kann. Diese elektrische Leistung wird bei Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem PKW für die Versorgung eines Elektromotors oder mehrerer Elektromotoren verwendet, der bzw. die das Fahrzeug antreibt bzw. antreiben. Ein Teil der elektrischen Leistung kann auch für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise um den Elektromotor 32 anzutreiben. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet ein Ventil auf der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellensystems, das den Betriebsdruck auf der Kathodenseite steuert. Um das Ventil 44 regeln zu können, weist dieses eine Steuerleitung 44A auf, die ebenfalls an der Steuerung 22 angeschlossen ist. Die kathodenseitigen Abgase, die hauptsächlich aus nicht verbrauchtem Luftsauerstoff, Wasserdampf, Stickstoff und Wassertröpfchen bestehen, können bedenkenlos direkt in die Umgebung abgelassen werden, da es sich bei diesen Abgasen um natürliche Bestandteile der Luft handelt. Gewöhnlich werden die Wassertröpfchen aber in einer Wassertrenneinrichtung 46 gesammelt, bevor die restlichen Abgase über die Leitung 48 in die Umgebung ausströmen.
Das Bezugszeichen 50 bezeichnet ein Ventil, das über die Stichleitung 50A angesteuert werden kann, um gesammeltes Wasser über die Leitung 52 abzulassen oder einer anderen Verwendung zuzuführen.
Auf der Anodenseite 12 des Brennstoffzellenstapels 10 befindet sich eine Rücklaufleitung 54, die über eine Pumpe 56 an den Anodeneingang 58 führt. Auf diese Weise können die Anodenabgase, die hauptsächlich aus noch nicht verbrauchtem Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf bestehen, erneut durch den Brennstoffzellenstapel hindurchgeführt werden, wodurch eine bessere Ausnutzung des zugeführten Wasserstoffs erreicht werden kann. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe 56 und daher deren Förderleistung kann aber die Leitung 56A von der Steuerung 22 bestimmt werden. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet ein Ablassventil, das diskontinuierlich oder kontinuierlich angesteuert werden kann, um einen Teil der anodenseitigen Abgase aus dem Anodenkreislauf zu entfernen. Da diese Gase noch einen Wasserstoffanteil enthalten und dieser nicht bedenkenlos an die Umgebung abgelassen werden kann, werden die abgelassenen anodenseitigen Abgase über einen Brenner 64, üblicherweise einen katalytischen Brenner, geführt, der Sauerstoff oder Luftt über die Leitung 66 erhält und dafür sorgt, Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu verbinden, um Wasser zu bilden, das bedenkenlos abgelassen werden kann, wobei, falls gewünscht, auch ein Teil dieses Wassers in einer Wassertrenneinrichtung gesammelt werden könnte. Die verbleibenden Kathodenabgase, d.h. Wasserdampf, Wassertröpfchen und Stickstoff können wiederum unbedenklich in die Umgebungsluft abgelassen werden, da sie natürliche Bestandteile der Umgebungsluft bilden. Der Stickstoff, der in den Anodenabgasen enthalten ist, ist deshalb auf der Anodenseite zu finden, weil er durch die Membrane der Brennstoffzellen zu der Anoden seite hindurch diffundiert wie auch das auf der Kathodenseite vorhandene Wasser.
Der Kühlmittelkreislauf 16 besteht aus einem Hauptkreislauf 70, der eine Pumpe 72 und einen Kühler 74 enthält. In der Darstellung der 1 saugt die Pumpe 72 heißes Kühlmittel in die Rücklaufleitung 80 des Hauptkreislaufes 70 an und befördert sie im Betrieb durch den Kühler 74 und nach entsprechender Abkühlung anschließend über die Vorlaufleitung 82 wieder in den Brennstoffzellenstapel 10 hinein. Das Bezugszeichen 76 bezeichnet ein Kühlgebläse, das vom Elektromotor 78 angetrieben wird, der wiederum über nicht dargestellte Leitungen elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem erhält, d.h. ein Teil der elektrischen Leistung, die von Klemmen 40 und 42 erhalten wird und darüber hinaus über die Steuerleitung 78A von der Steuerung 22 in seiner Drehzahl gesteuert wird. Durch Steuerung der Drehzahl der Pumpe 72 über die Steuerleitung 72A und Steuerung der Drehzahl des Elektromotors 78 und deshalb des Luftgebläses 76 über die Steuerleitung 78A kann die gewünschte Kühlleistung des Hauptkreislaufs 70 von der Steuerung 22 bestimmt werden. Das Brennstoffzellensystem wie bisher beschrieben ist an sich gut bekannt und es bestehen viele mögliche Abwandlungen zu realisieren, die hier nicht von Belang sind, da sie mit der vorliegenden Erfindung, die sich im Kühlmittelkreislauf abspielt, nichts zu tun haben.
Es soll nur darauf hingewiesen werden, dass die einzelnen Brennstoffzellen aus einer so genannten Membran-Elektroden-Einheit bestehen (so genannte MEA), die jeweils zwischen zwei bipolaren Platten angeordnet sind. Die bipolaren Platten, die jeweils häufig aus zwei aneinander flächig angelegten Platten realisiert sind, haben in ihrem Inneren Kühlkanäle, durch welche das Kühlmittel zirkuliert, um die einzelnen Brennstoffzellen in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten. Die Konstruktion der Brennstoffzellen und der innerhalb der bipolaren Platten vorgesehenen Kühlkanäle ist an sich gut bekannt, nicht zuletzt aus einer Vielzahl von Patentschriften, z.B. aus der DE 101 28 836 A1 , und wird daher hier nicht weiter beschrieben.
Das Bezugszeichen 100 bezeichnet einen Wärmespeicher, der in einen ersten zum Kühler 74 parallelen Zweig 102 des Kühlmittelkreislaufs 70 angeordnet ist, d.h. dass der parallele Zweig 102 des Kühlmittelkreislaufs 70 sich zwischen der Rücklaufleitung 80 und der Vorlaufleitung 82 erstreckt. Ein von einer Heizeinrichtung 104 erwärmbarer Wärmetauscher 106 ist in einem zweiten parallel zum Wärmespeicher 100 angeordneten Zweig 108 angeordnet. Ferner befindet sich im ersten Zweig 102 eine zweite Pumpe 110, die vor dem Wärmespeicher angeordnet ist. Das Bezugszeichen 112 bezeichnet ein Zweigwegumschaltventil, das einen ersten Anschluss 114, der im ersten Zweig 102 vor der zweiten Pumpe 110, einen zweiten Anschluss 116, der im ersten Zweig 102 nach der zweiten Pumpe 110 und einen dritten Anschluss 118, der im zweiten Zweig 108 vor dem Wärmetauscher 106 angeordnet ist, aufweist. Eine T-Verbindung 120 ist zwischen dem ersten Zweig 102, dem zweiten Zweig 108 und dem Hauptkreislauf 70 angeordnet. Wie in den Figuren dargestellt, ist die T-Verbindung 120 durch ein zweites Umschaltventil gebildet, das über die Steuerleitung 120A an der Steuerung 22 angeschlossen ist, wodurch das Umstellventil 120 von der Steuerung 22 aus umgeschaltet werden kann. Obwohl hier die T-Verbindung 120 durch ein Umschaltventil realisiert ist, könnte es sich stattdessen um eine reine T-Verbindung, d.h. um ein T-Stück handeln.
Auch das Umschaltventil 112 weist eine Steuerleitung 112A auf, die an der Steuerung 22 angeschlossen ist, damit auch dieses Ventil je nach Betriebszustand von der Steuerung 22 aus umgeschaltet werden kann.
Das Bezugzeichen 122 bezeichnet einen Temperatursensor, der gegebenenfalls an anderen Stellen innerhalb des Kühlkreislaufs angeordnet werden könnte, beispielsweise in der Vorlaufleitung 82.
1 zeigt den Entladevorgang des Wärmespeichers 100 bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems. Dabei wird die zweite Pumpe 110 über die Steuerleitung 110A in Betrieb genommen und zirkuliert Kühlmittel durch den Wärmespeicher 100, durch das Umschaltventil 120, die Vorlaufleitung 82, den Brennstoffzellenstapel 10 und die Rücklaufleitung 80. Diese Betriebsweise setzt voraus, dass der Wärmespeicher 100 zuvor Wärme gespeichert hat ist, die jetzt vom Kühlmittel aufgenommen und zur Erwärmung des Brennstoffzellenstapels verwendet werden kann. Dabei wird die aktuelle Temperatur des Kühlmittels über die Sensorleitung 122A von der Steuerung 22 aufgenommen und für die Steuerung des Systems herangezogen. Neben der Aufnahme der Wärme aus dem Speicher wird warmes Kühlmedium aus dem Wärmespeicher verdrängt. Dieses verdrängt seinerseits kühleres Medium aus den Kühlkanälen des Brennstoffzellenstapels, welches wiederum Kühlmittel im Speicher ersetzt.
Bei diesem Kaltstartvorgang läuft die erste Pumpe 72 nicht, d.h. es liegt kein Ansteuersignal an der Steuerleitung 72A an. Hierdurch wirkt die erste Pumpe 72 wie ein Absperrventil und verhindert, dass Kühlmittel in den Hauptkreislauf durch die Pumpe 72 und den Kühler 74 hindurch strömt.
Während dieses Kaltstartvorgangs ist das Umschaltventil 112 und die Steuerleitung 112A von der Steuerung 22 so geschaltet, dass der erste Anschluss 114 mit dem dritten Anschluss 118 verbunden ist und das zweite Umschaltventil 120 ist über die Steuerleitung 120A von der Steuerung so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen seinem ersten Anschluss 124 und seinem dritten Anschluss 128 vorliegt. Eine Durchströmung des zweiten Zweiges 108 wird hiermit unterbunden. Das bedeutet, dass die Wärmemenge, die im Wärmespeicher 100 zur Verfügung steht, ausschließlich zur Erwärmung des Kühlmittels verwendet wird, das sich im Kühlkreis des Brennstoffzellensystems 10 und im ersten Zweig des Kühlkreises befindet, d.h. die im Wärmespeicher 100 verfügbare Wärmemenge wird auf eine geringe Menge Kühlmittel begrenzt, so dass die maximale Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 10 mit der verfügbaren Wärmemenge erreicht wird. Der Wärmespeicher 100 wird solange entladen, bis der Temperatursensor 122 eine Temperatur von beispielsweise 0°C detektiert. Der Kaltstart des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenstapels 10 kann parallel zum Entladen des Wärmespeichers anlaufen oder erst nach Erwärmung des Brennstoffzellensystems auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 0°C, erfolgen. Um den Brennstoffzellenstapel anlaufen lassen zu können, müssen ihm dann Wasserstoff aus dem Speicher 18 und Luft vom Kompressor 28 in an sich bekannter Weise zugeführt werden. Bei Aufnahme des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt dieser auch zusätzliche Wärme, so dass der Brennstoffzellenstapel 10 auf Betriebstemperatur gebracht wird.
Sollte die im Wärmespeicher 100 gespeicherte Menge nicht ausreichen, um den Brennstoffzellenstapel 10 auf die vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 0°C, zu bringen, beispielsweise deshalb, weil ein Teil der gespeicherten Wärme über einen entsprechenden Zeitraum entwichen ist oder weil der Wärmespeicher 100 nicht so groß dimensioniert ist, dass die dort gespeicherte Wärmemenge alleine für die anfängliche Erwärmung des Brennstoffzellenstapels sorgen kann, so wird das System von der Steuerung 22 so umgestellt, dass ein Teilstrom oder der komplette Kühlmittelstrom über den Wärmetauscher 106 geleitet wird.
Gleichzeitig wird Wärme über die Heizeinrichtung 104 diesem Teilstrom oder dem kompletten Kühlmittelstrom zugeführt. Um diese Betriebsweise, die in 2 angedeutet ist, zu realisieren, bleibt die Pumpe 72 im ausgeschalteten Zustand, so dass keine Durchströmung des Kühlers 74 erfolgt. Dagegen ist das Umschaltventil 112 durch die Steuerung 22 so geschaltet, dass der zweite Anschluss 116 mit dem dritten Anschluss 118 kommuniziert. Gleichzeitig wird das Umschaltventil 120 so geschaltet, dass sowohl der erste Anschluss 124 als auch der zweite Anschluss 126 mit dem dritten Anschluss 128 kommuniziert, wodurch die Schaltposition des Umschaltventils 120 die Verhältnisse der Durchströmung des ersten Zweiges 102 und der Durchströmung des zweiten Zweiges 108 bestimmt, d.h. Teilströme können durch beide Zweige strömen. Eine solche Durchströmen von beiden Zweigen findet auch dann statt wenn ein einfaches T-Stück anstelle eines variablen Umschaltventils zur Anwendung gelangt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Umschaltventil 120 so zu schalten, dass nur sein zweiter Anschluss 126 mit seinem dritten Anschluss 128 kommuniziert und dies führt den Kühlmittelstrom bei Betrieb der Pumpe 110 ausschließlich durch den Wärmetauscher 106 und den zweiten Zweig 108, nicht jedoch durch den Wärmespeicher 100.
Die Heizeinrichtung 104 wird bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff im Brennstoffspeicher 18 vorzugsweise über die Leitung 130 mit Wasserstoff oder Brennstoff gespeist, der als Abdampfverlust des Brennstoffspeichers 18 entsteht, wobei diese Abdampfverluste gegebenenfalls in einen Speicher 132 zwischengespeichert werden können. Das Bezugszeichen 133 zeigt ein Ventil, das sich erst öffnet, wenn die Abdampfverluste zu einem vorgegebenen Überdruck in der Leitung 135 geführt haben, während das Ventil 137 mit der Steuerleitung 137A die Ein- und Ausschaltung sowie Regelung der Brennstoffzufuhr zur Heizeinrichtung 104 bewerkstelligt. Auch könnte die Heizeinrichtung 104 direkt mit Brennstoff aus dem Speicher 18 gespeist werden, beispielsweise dann, wenn die Abdampfverluste nicht ausreichen.
Gegebenenfalls könnte die Heizeinrichtung 104 anders ausgelegt werden, beispielsweise für Erwärmung des Kühlmittels mittels elektrischer Heizleistung, die von einer Batterie stammt oder im Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird. Auch bei dieser Betriebsweise wird die Wärmemenge, die von der Heizeinrichtung 104 geliefert wird, auf das Kühlmittel konzentriert, das unmittelbar im Brennstoffzellenstapel 10 und im zweiten Zweig des Kühlmittelkreislaufs zirkuliert, so dass eine sehr effiziente Wärmeübertragung an den Brennstoffzellenstapel 10 erfolgt, vor allem dann, wenn die Vorlauf- und Rücklaufleitungen 82, 80 kurz gehalten werden und der erste und zweite Zweig 102, 108 des Kühlmittelkreislaufs 70 in unmittelbarer Nachbarschaft zum Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet sind.
Auch hier wird beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur, die vom Temperatursensor 122 ermittelt und der Steuerung 22 über die Leitung 122A mitgeteilt wird, die Heizeinrichtung 104 abgeschaltet, und zwar unter Anwendung der Steuerleitung 137A und gegebenenfalls der Steuerleitung 104A. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Fahrzeuginnenraumheizung, die beispielsweise über einen Wärmetauscher, der parallel zum Kühler 74 und Brennstoffzellenstapel 10 im Kühlkreislauf angeordnet ist, zu unterstützen. Die Wärme wird dazu über die Primärseite des Wärmetauschers dem Kühlmittel entzogen und an die Luft, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird, abgegeben. Dieser Wärmetauscher (Fahrzeuginnenraumheizung) mit einem vorgeschalteten Regelventil ist damit ebenfalls parallel zum Kreislauf 102 geschaltet. Die Wärme, die der elektrische Heizer oder ein Brenner erzeugt, kann damit genutzt werden, um die Temperatur des Kühlkreislaufs 70, auch aus Komfortgründen über 0°C hinaus, anzuheben. Ein dauerhafter Betrieb eines elektrischen Heizers oder Brenners zur Deckung des Heizungswärmebedarfs bei niedriger Brennstoffzellenlast ist ebenfalls denkbar.
Wenn die Aufwärmung des Brennstoffzellenstapels 10 durch die im Wärmespeicher 100 gespeicherte Wärme bzw. zusätzlich oder gleichzeitig durch die Heizeinrichtung 104 zugeführte Heizleistung abgeschlossen ist, befindet sich der Wärmespeicher 100 im leeren Zustand und muss nachgeladen werden. Für die Nachladung des Wärmespeichers 100 wird das System so geschaltet, wie in 3 gezeigt. D.h., dass die zweite Pumpe 110 Kühlmittel aus der Rücklaufleitung 80 in den Wärmespeicher 100 fördert, wobei das in der Rücklaufleitung 80 enthaltene, jetzt heiße Kühlmittel, da der Brennstoffzellenstapel 10 in Betrieb ist, zur Erwärmung des Wärmespeichers 100 dient und diesen wieder mit Wärme füllt. Das Kühl mittel, das aus dem Wärmespeicher 100 austritt, wird dann in die Vorlaufleitung 82 wieder eingespeist und wieder im Brennstoffzellenstapel 10 erwärmt. Für diesen Vorgang kann die Pumpe 72 zunächst geschlossen bleiben, da der Wärmespeicher 100 die Wärme aufnimmt und für die erforderliche Kühlung des Brennstoffzellenstapels 10 sorgt.
Alternativ hierzu kann die Pumpe 72 zusätzlich zu der Pumpe 110 in Betrieb genommen werden, so dass nur ein Teilstrom durch den ersten Zweig 102 strömt, wobei die Größe dieses Teilstroms durch das Verhältnis der jeweils eingestellten Förderleistung der Pumpe 72 und der zweiten Pumpe 110 bestimmt wird. Da beim Laden des Wärmespeichers 100 eine Durchströmung des zweiten Zweiges 108 eher unerwünscht ist, wird das Umschaltventil 112 vorzugsweise so geschaltet, dass der erste Anschluss 114 wieder mit dem dritten Anschluss 118 kommuniziert. Das zweite Umschaltventil 120 wird so geschaltet, dass die Durchströmung von seinem ersten Anschluss 124 zu seinem dritten Anschluss 128 erfolgt. Dabei kann eine Durchströmung des zweiten Zweiges 108 nicht mehr stattfinden.
Der Wärmespeicher 100 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Temperatur des Kühlmittels im Speicher bei einer Parkzeit von beispielsweise ca. 4 bis 8 Tagen in Abhängigkeit von der Außentemperatur nicht unter 0°C fällt. Der Speicher kann ein Wärme isolierter Speicher sein oder ein Latentwärmespeicher, wobei es auch kombinierte Wärme isolierte und Latentwärmespeicher gibt, die hier ebenfalls zur Anwendung gelangen können. Bei beiden Prinzipien ergibt sich das Problem der Speicherentladung. Der isolierte Speicher hat kontinuierliche Wärmeverluste, der Latentwär mespeicher entlädt sich schlagartig bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur.
Um diesen Nachteil zu umgehen, können alle Speichertypen, wie in 4 dargestellt, nachgeladen werden. Als Wärmequelle wird die Heizeinrichtung 104 hier vorzugsweise als Wasserstoffbrenner realisiert. Der dazu benötigte Wasserstoffbedarf kann dann z.B. durch die Abdampfverluste des Flüssigwasserstofftanks 18 erfolgen, wie vorher im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde.
Durch den Ladebetrieb des Wärmespeichers 100 werden die Umschaltventile 112 und 120 so geschaltet, wie in 4 angedeutet. Konkret wird der erste Anschluss 114 des Umschaltventils 112 zu seinem dritten Anschluss 118 durchgeschaltet, so dass die Pumpe 110 Kühlmittel durch den Wärmetauscher 106 saugt und diese in den Wärmespeicher 100 speist. Eine Durchströmung des zweiten Anschlusses 116 des Umschaltventils 112 ist aufgrund der Schaltstellung des Schaltventils 112 nicht möglich.
Das Umschaltventil 120 ist in diesem Beispiel so geschaltet, dass sein erster Anschluss 124 mit seinem zweiten Anschluss 126 verbunden ist, so dass Kühlmittel, das aus dem Wärmespeicher 100 austritt und Wärme in den Wärmespeicher 100 abgegeben hat, wiederum durch den Wärmetauscher 106 hindurch gesaugt, dabei erwärmt und erneut in den Wärmespeicher 100 eingespeist wird. Man sieht, dass der Kühlmittelkreislauf bei dieser Betriebsart auf den ersten Zweig 102 und den zweiten Zweig 108 beschränkt ist, so dass auch hier nur eine beschränkte Menge an Kühlmittel zur Anwendung gelangt und die Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung 104 an dieses Kühlmittel sehr wirtschaftlich vonstatten geht.
Mit anderen Worten, es wird wirtschaftlich mit dem verfügbaren Brennstoff im Speicher 132 umgegangen.
Die Heizeinrichtung 104 kann neben den beschriebenen Funktionen zudem noch zum Zweck der Emissionsbehandlung verwendet werden. Beispielsweise können Wasserstoffemissionen, die beim kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Ablassen der Anodenabgase über das Ventil 60 abgelassen werden, anstatt in einem getrennten Brenner 64 in der Heizeinrichtung 104 verbrannt zu werden. Damit kann der Brenner 64 eingespart werden. Diese Möglichkeit ist durch die gestrichelte Leitung 140 in 4 dargestellt. In diesem Falle dient die Heizeinrichtung 104, die als katalytischer Brenner ausgelegt ist dazu, um die Wasserstoffemissionen in H₂O umzusetzen, so dass diese Reaktionsprodukte bedenkenlos in die Umgebung abgelassen werden können.
Das in den 1-4 dargestellte Brennstoffzellensystem stellt die bestbekannte Möglichkeit der Realisierung der vorliegenden Erfindung dar, weil der zweite Zweig von der Rücklaufleitung 80 an die Vorlaufleitung 82 führt. Das bedeutet, dass der Wärmespeicher 100 stets mit Kühlmittel mit dem höchsten Temperaturniveau gespeist wird und daher die maximale Wärmemenge speichern kann. Es wäre aber durchaus möglich, das Brennstoffzellensystem in einer "gespiegelten" Anordnung zu betreiben, d.h. in einer Anordnung, wo die Pumpe 110 Kühlmittel aus der normalen Zufuhrleitung zum Brennstoffzellenstapel entnimmt und das erwärmte Kühlmittel in die normale Rücklaufleitung einspeist. D.h. dass die Durchströmung des Brennstoffzellenstapels im Anlassbetrieb unter Anwendung der Wärme aus dem Wärmespeicher 100 in die entgegengesetzte Richtung zu der normalen Durchströmungsrichtung erfolgt, die bei Betrieb der Pumpe 72 einsetzt. Diese mögliche Anordnung, die in den 5-8 gezeigt ist, kann durchaus in Erwägung gezogen werden, hat aber den Nachteil, dass das Kühlmittel, das dem Wärmespeicher 100 bei der Speicherung von Wärme zugeführt wird, etwas kühler ist als bei der Anordnung gemäß 1 bis 4.
Das Brennstoffzellensystem nach den 5-8 ist dem Brennstoffzellensystem gemäß 1-4 so ähnlich, dass eine getrennte Beschreibung der 5-8 nicht notwendig ist. Es versteht sich, dass alle Bezugszeichen, die in den 1-4 verwendet werden, auch in den 5-8 zu finden sind und die gleichen Teile bezeichnen, die im Zusammenhang mit den 1-4 bisher beschrieben wurden. Ferner haben diese Teile und auch die gleichen Funktionen, die bisher beschrieben wurden. Bei der Darstellung der 5-8 ist im Prinzip lediglich die Drehrichtung der Pumpe 72 und das Vertauschen der Vorlauf- und Rücklaufleitungen 80 bzw. 82 anders als in den 1 bis 4 dargestellt.
In 9 ist eine Abwandlung gezeigt, die mit dem Brennstoffzellensystem entweder der 1 bis 4 oder mit der Ausführungsform der 5 bis 8 verwendet werden kann.
In der Zeichnung von 9 sind nur die wichtigen Elemente der Ausführungsformen der 1 bis 4 oder 5 bis 8 gezeigt, jedoch keine Einrichtungen, wie beispielsweise die Umschaltventile, die zweite Pumpe oder die Verbindungen mit dem Steuersystem, die jedoch gegebenenfalls in der Ausführungsform von 9 vorhanden sein können. Einrichtungen, die in 9 und in den Ausführungsformen 1, 4 und 5 bis 8 vorgesehen sind und dieselbe Gestaltung und Funktion besitzen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet worden. Das Brennstoffzellensystem umfasst den Brennstoffzellenstapel 10, der in dem Kühlmittelkreislauf 16 vorgesehen ist, der den Hauptkühlmittelkreislauf 70 mit der Pumpe 72 und dem Kühler 74 wie auch den ersten Kreislaufzweig 102, der parallel zu dem Kühler 74 verläuft und den Wärmespeicher 100 einschließt sowie den zweiten Kreislaufzweig 108 umfasst, der ebenfalls parallel zu dem Kühler 74 verläuft und den Wärmetauscher 106 umfasst, der durch die Heizeinrichtung 104 aufgeheizt werden kann.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1 bis 4 und 5 bis 8 umfasst das in 9 gezeigte Brennstoffzellensystem auch einen weiteren Wärmetauscher 200 in der Form eines Ladeluftkühlers 200, der in dem Hauptkreislauf 70 zwischen den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 und dem ersten und zweiten Kreislaufzweigen 102 und 108 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 200 umfasst erste Kanäle 202, die Teile der Leitung 30 bilden, die von dem Kompressor 28 zu dem Kathodeneinlass an der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 10 verläuft. Zusätzlich umfasst der Wärmetauscher 200 zweite Kanäle 204, durch die das in dem Hauptkreislauf strömende Kühlmittel bei dieser Ausführungsform auf seinem Weg von der Pumpe 72 in die Kühlmittelkanäle in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 strömt.
Es sei angemerkt, dass, wenn sich der Brennstoffzellenstapel bei Betriebstemperatur befindet, die Pumpe 72 relativ kaltes Kühlmittel, das in dem Kühler 74 herunter gekühlt worden ist, durch die Vorlaufleitung 82 an die Kühlmittelkanäle in dem Stapel 10 liefert. Diese Kühlmittelströmung dient in dem Wärmetauscher 200 dazu, die von dem Kompressor 28 stammende komprimierte Luftströmung zu kühlen. Die von dem Luftkompressor 28 erhaltene komprimierte Luft kann relativ heiß sein, zumindest wenn größere Mengen an Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt werden, da ein erheblicher Druckanstieg in dem Kompressor 28 vorhanden ist, was eine Erwärmung der Luft zur Folge hat. Somit kühlt bei einem normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems der Wärmetauscher 200 die an den Brennstoffzellenstapel gelieferte Luft herunter, was den Wirkungsgrad des Stapels verbessert.
Wenn der Brennstoffzellenstapel jedoch kalt gestartet wird, insbesondere bei Frosttemperaturen, dann fließt die von dem Wärmespeicher 100 in dem ersten Kreislaufzweig 102 oder von dem Wärmetauscher 106 in dem zweiten Kreislaufzweig 108 gelieferte Wärme auf ihrem Weg in die Kühlmittelkanäle des Stapels, um den Stapel aufzuwärmen, und durch die zweiten Kanäle 204 in dem Wärmetauscher 200 und heizt somit die von dem Kompressor 28 stammende Luft auf, die durch die ersten Kanäle 202 strömt, bevor sie in den Stapel eintritt.
Bei Kaltstartbedingungen, insbesondere bei Frostbedingungen arbeitet der Kompressor 28 anfänglich lediglich mit einer relativ niedrigen Drehzahl und mit einem relativ niedrigen Durchsatz und erzeugt daher keine größere Aufheizung der an den Brennstoffzellenstapel gelieferten Luft. Durch Aufheizen dieser Luft in dem Wärmetauscher 200 vor ihrer Lieferung an den Stapel wird der Stapel somit sowohl über das heiße Kühlmittel, das in die Kühlmitteldurchgänge des Stapels geliefert wird, als auch durch die warme Luft erwärmt, die in die Kathodenseiten der Brennstoffzellen geliefert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit Eis, das sich an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels gebildet haben kann, durch die gelieferte warme Luft geschmolzen werden kann. Obwohl die Anwesenheit des Wärmetauschers die Wärmemenge, die von dem Wärmespeicher 100 oder von dem Wärmetauscher 106 verfügbar ist, nicht erhöht, und obwohl die Gesamtwärmemenge, die von den Quellen für den Stapel verfügbar ist, im Wesentlichen konstant ist, führt die erfindungsgemäße Anordnung dazu, dass Wärme über zwei verschiedene Routen an den Stapel geliefert wird. Einerseits wird Wärme über die Kühlmittelkanäle an den Stapel 100 geliefert und andererseits an die Kathodenräume der Brennstoffzellen geliefert. Diese Anordnung ist für die anfängliche Aufwärmung des Stapels noch günstiger, da sie Wärmespannungen verringert und das Aufwärmen des Stapels verbessert.
Obwohl der weitere Wärmetauscher 200 bevorzugt in der Vorlaufleitung 82 zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, kann er gegebenenfalls genauso gut in der Rücklaufleitung 80 vorgesehen sein.

Claims

Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen (26), die zu einem Brennstoffzellenstapel (10) zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16), bei dem Kühlmittel von einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70), der die Kühlkanäle und einen Kühler (74) umfaßt, umwälzbar sind sowie mit einem Wärmespeicher (100) und einer Heizeinrichtung (104), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100) in einem ersten zum Kühler (74) parallelen Zweig (102) des Kühlmittelkreislaufs (16) angeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung (104) erwärmbarer Wärmetauscher (106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100) angeordneten Zweig (108) angeordnet ist, dass eine zweite Pumpe (110) im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher (100) angeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil (112) vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss (114), der im ersten Zweig (102) vor der zweiten Pumpe (110), einen zweiten Anschluss (116), der im ersten Zweig (102) nach der zweiten Pumpe (110) und einen dritten Anschluss (118), der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher (106) angeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung (120) zwischen dem ersten Zweig (102), dem zweiten Zweig (108) und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der T-Verbindung um ein T-Stück handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der T-Verbindung um ein zweites Umschaltventil (120) handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der T-Verbindung um ein Regelventil, wahlweise mit Umschaltfunktion, handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des ersten Zweigs (102) bzw. der erste Anschluss (114) des ersten Umschaltventils (110) an der Rücklaufleitung (80) des Kühlmittelkreises (16) nach dem Brennstoffzellenstapel (10) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des ersten Zweigs (102) bzw. der erste Anschluss (114) des ersten Umschaltventils (110) an der Vorlaufleitung (82) des Kühlmittelkreises (16) vor dem Brennstoffzellenstapel (10) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturfühler (122) im Kühlmittelkreislauf (16) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (122) im ersten Zweig (102) zwischen der T-Verbindung und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104) ein Brenner ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (104) ein katalytischer Brenner ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein mit Flammenverbrennung (104) arbeitender Brenner ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104) mit den Abdampfverlusten eines Tieftemperaturspeichers (18) für einen als Flüssigkeit vorliegenden gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, speisbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104) an einer Leitung angeschlossen ist, die zu einem Dampfdruckentlastungsventil (133) des Tieftemperaturspeichers (18) führt, das ggf. in einen Speicherbehälter (132) mündet, an den die Leitung angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100) ein Wärme isolierter Wärmespeicher ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100) ein Latentwärmespeicher ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100) durch eine Kombination eines Wärme isolierten Wärmespeichers und eines Latentwärmespeichers gebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen (26), die zu einem Brennstoffzellenstapel (10) zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16), bei dem Kühlmittel von einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70), der die Kühlkanäle und einen Kühler (74) umfasst, umwälzbar ist sowie mit einem Wärmespeicher (100) und einer Heizein richtung (104), wobei der Wärmespeicher in einem ersten zum Kühler (74) parallelen Zweig (102) des Kühlmittelkreislaufs (16) angeordnet ist, ein von der Heizeinrichtung (104) erwärmbarer Wärmetauscher (106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100) angeordneten Zweig (108) angeordnet ist, eine zweite Pumpe (110) im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher (100) angeordnet ist, ein Zweiweg-Umschaltventil (112) vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss (114), der im ersten Zweig (102) vor der zweiten Pumpe (110), einen zweiten Anschluss (116), der im ersten Zweig (102) nach der zweiten Pumpe (110) und einen dritten Anschluss (118), der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher (106) angeordnet ist, aufweist und eine T-Verbindung (120) zwischen dem ersten Zweig (102), dem zweiten Zweig (108) und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) dass bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0°C oder im Bereich von 0°C die zweite Pumpe (110) eingeschaltet wird, um Kühlmittel durch den Wärmespeicher (100) zu fördern und in den Brennstoffzellenstapel (10) einzuführen, um diesen zu erwärmen, b) dass bei nicht ausreichender Wärmezufuhr durch den Wärmespeicher (100) eine Durchströmung des Wärmetauschers (106) bei eingeschalteter Heizeinrichtung (104) durch die Schaltstellung des ersten Umschaltventils (112) ermöglicht wird, c) dass bei Leistungsbetrieb des Brennstoffzellensystems, ggf. mit eingeschalteter erster Pumpe (72) und Wärmeabgabe vom Hauptkreislauf (70) über den Kühler, die zweite Pumpe (110) zur Aufladung des Wärmespeichers (100) mit mindestens einem Teilstrom des im Brennstoffzellenstapel (10) erwärmten Kühlmittels eingeschaltet wird, und d) dass beim Abschalten des Brennstoffzellensystems oder im Leerlaufbetrieb bei kühlen Umgebungstemperaturen die zweite Pumpe (110) bei eingeschalteter Heizeinrichtung (104) und ausgeschalteter erster Pumpe (72) betrieben wird, um den Wärmespeicher (100) aufzuladen, wobei das erste Umschaltventil (112) und die T-Verbindung für eine Umwälzung des Kühlmittels in einem durch den ersten (102) und den zweiten Zweig (108) gebildeten Kreislauf geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104) mindestens zum Teil durch die Abdampfverluste eines Tieftemperaturspeichers (18) für einen als Flüssigkeit vorliegenden gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt a) das erste Umschaltventil (112) den ersten Anschluss (114) mit dem dritten Anschluss (118) verbindet und daher eine Kühlmittelströmung durch den zweiten Anschluss (116) in den zweiten Zweig (108) hinein unterbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt b) das erste Umschaltventil (112) den zweiten Anschluss (116) mit dem dritten Anschluss (118) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Realisierung der T-Verbindung als Umschaltventil (120) dieses geschaltet wird, um eine Durchströmung des Wärmetauschers (106) zu erzwingen.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Realisierung der T-Verbindung als Regelventil dieses eingestellt wird, um ein erwünschtes Strömungsverhältnis durch den Wärmespeicher (100) im ersten Zweig (102) und dem Wärmetauscher (106) im zweiten Zweig (108) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt c) das erste Umschaltventil (112) den ersten Anschluss (114) mit dem dritten Anschluss verbindet und daher eine Kühlmittelströmung durch den zweiten Anschluss (116) in den zweiten Zweig hinein verhindert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt d) das erste Umschaltventil (112) den ersten Anschluss (114) mit dem dritten Anschluss (118) verbindet und daher eine Kühlmittelströmung aus dem zweiten Zweig (108) und über den ersten Anschluss (114) in die zweite Pumpe (110) und durch den Wärmespeicher (100) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei Realisierung der T-Verbindung als Umschaltventil (120) dieses den Ausgang des Wärmespeichers (100) mit dem Eingang des Wärmetauschers (106) verbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Ablassen wenigstens eines Teils der anodenseitig anfallenden Abgase über das Ventil (60) diese der Heizeinrichtung (104) zur Verbrennung zugeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei ein Ventil (60) zum kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Ablassen wenigstens eines Teils der anodenseitig anfallenden Abgase vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Ventils (60) direkt oder indirekt an den Eingang der Heizeinrichtung (104) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Wärmetauscher (200) vorgesehen ist, wobei der weitere Wärmetauscher (200) erste Kanäle (202), um eine Luftströ mung zu leiten, und zweite Kanäle (204) umfasst, die in dem Kühlmittelkreislauf (70) für den Durchfluss von Kühlmittel durch diese angeordnet sind, wobei ein Kompressor (28) zur Lieferung komprimierter Luft an die Brennstoffzellen (14) über eine Leitung (30) vorgesehen ist und die ersten Kanäle (202) einen Teil der Leitung (30) bilden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle (204) des weiteren Wärmetauschers in dem Hauptkreislauf (70) zwischen den Brennstoffzellen (14) und dem ersten und zweiten Kreislaufzweig (102, 108) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle (204) in dem Hauptkreislauf (70) in einer Vorlaufseite (82) der Kühlmittelkanäle angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen, – Kühlmittelkanälen, die in den Brennstoffzellen (14) vorgesehen sind, wobei die Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel (10) zusammengebaut sind, – einem Kühlmittelkreislauf, der einen Hauptkreislauf (70) mit den Kühlmittelkanälen sowie eine erste Pumpe (72), um Kühlmittel in dem Hauptkreislauf (70) umzuwälzen, umfasst, – einem Kühler (74) in dem Hauptkreislauf (70), – ersten und zweiten Kreislaufzweigen (102, 108), die parallel zu dem Kühler angeordnet sind, – einem Wärmespeicher (100), der in dem ersten Kreislaufzweig (102) angeordnet ist, – einem Wärmetauscher (106), der in dem zweiten Kreislaufzweig (108) parallel zu dem Wärmespeicher (100) angeordnet ist, – einer Heizeinrichtung (104), die Wärme an Kühlmittel in dem Wärmetauscher (106) liefert, – einer zweiten Pumpe, die in dem ersten Kreislaufzweig stromauf des Wärmespeichers (100) angeordnet ist, – einer Leitung (70), um komprimierte Luft an die Brennstoffzellen (14) zuzuführen und – einem weiteren Wärmetauscher (200) mit ersten Kanälen (202), um eine Luftströmung zu leiten, und zweiten Kanälen (204), die in dem Kühlmittelkreislauf (70) angeordnet sind, um eine Kühlmittelströmung durch diese zu führen, wobei die ersten Strömungskanäle (202) einen Teil der Leitung (30) bilden.