DE102007033428A1 - Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material - Google Patents

Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und diesem zugeordnete, ein Phasenwechselmaterial umfassende Temperierungsmittel. Erfindungsgemäß zeichnet sich ein solches Brennstoffzellensystem dadurch aus, dass die Temperierungsmittel mindestens ein von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separates, einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels flächig wärmeleitend zugeordnetes Element umfassen.The present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack and associated therewith, a phase change material comprising temperature control. According to the invention, such a fuel cell system is characterized in that the tempering means comprise at least one element which is separate from the functional elements of the fuel cell stack and has an area of heat-conducting associated with an outer surface of the fuel cell stack.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem ein Phasenwechselmaterial umfassendes Temperierungsmittel entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a fuel cell system having a a tempering agent comprising a phase change material according to of the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Beim Betrieb handelsüblicher Brennstoffzellen entsteht Wasser, das nach Abschalten der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel verbleibt und bei entsprechenden Umgebungsbedingungen gefrieren kann. Hierdurch kann der Neustart deutlich erschwert und die Startzeit des Brennstoffzellensystems verlängert werden. Insbesondere besteht auch die Gefahr, dass gefrorenes Produktwasser die Ein- und/oder Ausgänge des Brennstoffzellenstapels verschließt und dadurch ein gefährlicher Druckanstieg im Brennstoffzellensystem die Folge sein kann.At the Operation commercially available Fuel cells produce water after switching off the fuel cells remains in the fuel cell stack and under appropriate environmental conditions can freeze. This makes the reboot significantly more difficult and the start time of the fuel cell system be extended. Especially There is also a risk that frozen product and / or outputs the fuel cell stack closes and thus a dangerous Pressure increase in the fuel cell system may be the result.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs dargelegten Art zu verbessern.Of the The present invention is therefore based on the object, a fuel cell system to improve the type set forth.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. In den Unteransprüchen sind zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.The solution This object is achieved by the features of claim 1. In the Subclaims are appropriate and indicated advantageous developments.

Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und diesem zugeordnete, ein Phasenwechselmaterial umfassende Temperierungsmittel. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperierungsmittel mindestens ein von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separates, einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels flächig wärmeleitend zugeordnetes Element umfassen und den Brennstoffzellenstapel von seiner Außenseite her in seiner Temperatur beeinflussen können. Funktionselemente des Brennstoffzellenstapels sind mindestens z. B. Anode, Kathode, Membran, Polplatten und dgl.Accordingly The present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack and associated therewith, a phase change material comprehensive tempering agent. The fuel cell system stands out characterized in that the tempering agent at least one of the Functional elements of the fuel cell stack separate, one Outer surface of the fuel cell stack flat thermally conductive associated element and the fuel cell stack of its outside can influence its temperature. Functional elements of the fuel cell stack are at least z. B. anode, cathode, membrane, pole plates and the like.

Ein Phasenwechselmaterial weist oftmals einen sprunghaften Übergang zwischen zwei Phasen auf, zum Beispiel der festen und der flüssigen Phase. Zur Wärmespeicherung wird das Phasenwechselmaterial mittels Wärmezufuhr von einer Phase in eine andere Phase überführt, üblicherweise von einer festen oder kristalline Phase in eine flüssige oder gelöste Phase. Sofern auf das Phasenwechselmaterial nicht weiter eingewirkt wird, behält das Material seine letztgenannte Phase bei, auch wenn es abkühlt. In der geänderten Phase, d. h. flüssig oder gasförmig des Materials ist Wärmeenergie latent, also versteckt gespeichert. Die Freisetzung der gespeicherten Wärmeenergie wird bewirkt, indem in das Phasenwechselmaterial gezielt eine geringfügige elektrische, mechanische oder chemische Veränderung eingebracht wird. Bei der Verwendung einer Salzlösung als Phasenwechselmaterial kann dies z. B. ein Freilegen von kristallinen Oberflächen sein. Nach dem Auslösen der Phasenumwandlung geht das Phasenwechselmaterial in kurzer Zeit von seiner flüssigen bzw. gelösten Phase in eine fest beziehungsweise kristalline Phase über, wobei die zuvor gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt wird.One Phase change material often has a sudden transition between two phases, for example the solid and the liquid phase. to heat storage is the phase change material by means of heat from a phase in a different phase, usually from a solid or crystalline phase to a liquid or dissolved Phase. Unless affected on the phase change material will, keep the material contributes to its latter phase, even when it cools down. In the amended Phase, d. H. liquid or gaseous Material is heat energy latent, so hidden stored. The release of the stored Thermal energy is effected by targeted in the phase change material a slight electrical, mechanical or chemical change is introduced. When using a salt solution as a phase change material can this z. B. be an exposure of crystalline surfaces. After the release of the Phase transformation is the phase change material in a short time of his liquid or dissolved Phase in a solid or crystalline phase over, where the previously stored heat energy is released.

Insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen kann der Brennstoffzellenstapel so vor einem massiven Auskühlen je nach Ausführungsform teilflächig oder vollflächig geschützt werden bzw. bei erfolgter Auskühlung durch das flächig wärmeleitend zugeordnete Element großflächig wirkend, rasch und einfach wieder in einen bestimmten Temperaturbereich gebracht werden. Das flächig wärmeleitende Element kann somit primär als Temperierungsmittel zur Zufuhr von Wärme zum und/oder zur Abfuhr von Wärme vom Brennstoffzellenstapel weg wirken und sekundär zusätzlich als Isolierung gegenüber dem Umgebungsbereich des Brennstoffzellenstapels. Als Phasenwechselmaterial eignen sich z. B. Paraffine und Salzhydrate.Especially at low outside temperatures The fuel cell stack can be so before a massive cooling ever according to embodiment part of the area or over the entire surface protected or when it has cooled down through the area thermally conductive assigned Element acting over a large area, quickly and easily brought back to a specific temperature range become. The area thermally conductive element can thus be primary as tempering agent for the supply of heat to and / or for removal of heat act away from the fuel cell stack and secondarily additionally as insulation from the surrounding area of the fuel cell stack. As a phase change material are suitable z. As paraffins and salt hydrates.

Insbesondere vorteilhaft kann es sein, wenn ein und/oder mehrere flächig wärmeleitende Elemente den Brennstoffzellenstapel umschließen, insbesondere vollkommen ummanteln. Eine solche Einkapselung des Brennstoffzellenstapels kann beispielsweise durch einzelne, flächige Elemente erfolgen, die eine Seite oder einen Teil einer Seite des Brennstoffzellenstapels abdecken und zusammen mit weiteren solchen Elementen den Brennstoffzellenstapel einschließen.Especially it may be advantageous if one and / or more heat-conducting surface Elements enclose the fuel cell stack, in particular completely wrap. Such encapsulation of the fuel cell stack can be done for example by individual, flat elements that a side or part of a side of the fuel cell stack cover and along with other such elements the fuel cell stack lock in.

Die Anordnung mehrerer solcher Elemente kann in verschiedenen Ausführungen erfolgen. Zum einen ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel durch nebeneinander an seiner Oberfläche angeordneten, flächig wärmeleitenden Elementen zu verkleiden. Hierbei ist auch ein Ineinandergreifen einzelner solcher Elemente oder Teilabschnitte solcher Elemente möglich. Als insbesondere vorteilhaft wird es dabei angesehen, wenn die dem Brennstoffzellenstapel zugeordnete Seite eines solch flächig wärmeleitenden Elementes komplementäre Strukturen der betreffenden Brennstoffzellenstapeloberfläche aufweist, so dass eine möglichst große Wärmekontaktfläche mit möglichst geringen zwischenliegend angeordneten Isolationsbereichen, z. B. durch Lufteinflüsse, realisiert werden kann.The Arrangement of several such elements can be in different designs respectively. For one thing, it is possible arranged the fuel cell stack by side by side on its surface, flat thermally conductive To disguise elements. This is also an interlocking individual such elements or subsections of such elements possible. As particularly advantageous it is considered when the the Fuel cell stack associated side of such a surface thermally conductive Element complementary Having structures of the fuel cell stack surface in question, so that as possible size Thermal contact surface with preferably small intermediate arranged isolation areas, eg. B. by air, can be realized.

Alternativ oder zusätzlich zu einer einschichtigen Verkleidung des Brennstoffzellenstapels durch ein oder mehrere solcher flächig wärmeleitende Elemente kann auch eine weitere, zusätzliche einhüllende Schicht am Brennstoffzellenstapel ausgebildet werden, vorzugsweise wieder diesen möglichst vollständig umkleidend.Alternatively, or in addition to a single-layer cladding of the fuel cell stack by one or more such surface heat-conducting elements can also wrap another, additional de layer can be formed on the fuel cell stack, preferably again as completely encasing this.

Es kann aber durchaus auch vorteilhaft sein, nur bestimmte Bereich des Brennstoffzellenstapels mit einer ersten und/oder einer zweiten solchen flächig wärmeleitenden Schicht zu überziehen. Z. B. könnten dies die Bereiche der Ein- und/oder Ausgänge der Versorgungsleitungen sein.It but can also be beneficial, only certain area the fuel cell stack with a first and / or a second such flat thermally conductive Coat to coat. For example, could these are the areas of the inputs and / or outputs of the supply lines be.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das flächig wärmeleitende Element selbst ein Phasenwechselmaterial umfassen. Dadurch kann die Energieaufnahme bzw. die Energieabgabe aufgrund des Phasenwechsels des Phasenwechselmaterials direkt am Brennstoffzellenstapel erfolgen, so dass Verluste durch dazwischenliegende Isolierungen und/oder Leitungen ausgeschlossen werden können. Eine weitere mögliche Ausführungsform wäre integriert in den Stack, z. B. in jeder x-ten Biplarplatte.In a preferred embodiment can the area thermally conductive Element itself include a phase change material. This can the energy intake or the energy output due to the phase change the phase change material take place directly on the fuel cell stack, so that losses due to intervening insulation and / or Lines can be excluded. Another possible embodiment would be integrated into the stack, z. In every xth biplar plate.

Zusätzlich oder alternativ kann das flächig wärmeleitende Element auch mit einem weiteren ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement wärmeleitend verbunden sein. Hierzu eignet sich insbesondere ein Wärmetauscher, der gegebenenfalls über einen dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Kühlmittelkreislauf mit dem flächig wärmeleitenden Element verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise die Wärme in bezüglich des Raumverbrauchs des Brennstoffzellenstapels sparender Weise an einem anderen Ort zwischengespeichert und über die betreffenden Leitungen wärmeleitend angekoppelt werden. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass die Wärmespeicherkapazität durch zwei voneinander getrennt ausgebildete, jeweils ein Phasenwechselmaterial umfassende Wärmespeicherelemente erhöht werden kann, ebenfalls wieder vorteilhaft ohne zusätzlichen Platz- bzw. Raumbedarf direkt am Brennstoffzellenstapel. In weiter vorteilhafter Weise ist bei mehreren voneinander getrennt ausgebildeten Wärmespeicherelementen mit Phasenwechselmaterial auch eine gestaffelte Energiekontrolle bzw. Energiezustandsbeeinflussung/Temperaturbeeinflussung möglich.Additionally or Alternatively, the surface thermally conductive Element also with another a phase change material comprehensive Heat storage element thermally conductive be connected. For this purpose, a heat exchanger is particularly suitable, possibly over a fuel cell stack associated with the coolant circuit with the heat-conducting surface Element is connected. As a result, for example, the heat in terms of the space consumption the fuel cell stack saving at a different location cached and over the lines in question conduct heat be coupled. Another advantage may be that the heat storage capacity by two formed separately from each other, each a phase change material comprehensive heat storage elements elevated can also be advantageous without additional space. or space required directly on the fuel cell stack. In more advantageous Way is at several separately formed heat storage elements with phase change material also a staggered energy control or energy state influencing / temperature influencing possible.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Temperaturbereich für den Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials z. B. im Bereich von etwa 0° Celsius oder etwas darüber liegen. Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel bei Bedarf entweder vor Abkühlen unter einen solchen Temperaturbereich geschützt werden oder bei erfolgtem tieferen Abkühlen durch Einleiten des Phasenübergangs des Phasenwechselmaterials wieder auf bzw. über diese Temperatur aufgewärmt werden, so dass ein rascher und unproblematischer Startvorgang des Brennstoffzellenstapels auch bei tiefen äußeren Temperaturbedingungen, insbesondere bei Temperaturen < 0°C, gewährleistet werden kann.In a further preferred embodiment can the temperature range for the phase change of the phase change material z. In the range of about 0 ° Celsius or something about it lie. As a result, the fuel cell stack can either before cooling be protected under such a temperature range or when done deeper cooling by initiating the phase transition the phase change material are reheated to or above this temperature, allowing a quick and unproblematic startup of the fuel cell stack even at low external temperature conditions, especially at temperatures <0 ° C, guaranteed can be.

Alternativ oder zusätzlich kann der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials auch etwa im Bereich der maximal zulässigen Kühlmitteleintrittstemperatur in den Brennstoffzellenstapel liegen bzw. auch etwas darunter. Dies hat den Vorteil, dass eine große Wärmemenge vom Brennstoffzellenstapel an das Energie speichernde Phasenwechselmaterial abgeführt werden kann, ohne dass die kritische Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels überschritten wird. Ziel ist das Abfangen von Temperaturspitzen.alternative or additionally can the temperature range for a phase change of the phase change material also in the area the maximum allowed Coolant inlet temperature lie in the fuel cell stack or something underneath. This has the advantage of being a great one heat from the fuel cell stack to the energy storing phase change material dissipated can be without exceeding the critical coolant temperature of the fuel cell stack becomes. The goal is to catch temperature peaks.

Zum Beispiel könnte in einer Ausführungsform das hierzu verwendete Phasenwechselmaterial in dem vom Brennstoffzellenstapel entfernt angeordneten Zusatzenergiespeicher und/oder Wärmetauscher ausgebildet sein. Wenn das eintretende Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf diese kritische Temperatur erreicht, findet der Phasenübergang des Phasenwechselmaterials statt, z. B. von fest nach flüssig oder von flüssig nach gasförmig oder auch von fest nach gasförmig. Der Phasenwechsel bedarf einer großen Energiemenge aufgrund der latenten Energie des Phasenübergangs. Dadurch kann auch über einen längeren Zeitraum Energie integral zugeführt werden, z. B. während eines Volllastbetriebs bis der Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist. Eine solche Einflussnahme aber ist selbstverständlich auch für direkt am Brennstoffzellenstapel angeordnete Phasenübergangsmaterialien möglich.To the Example could be in one embodiment the phase change material used for this purpose in the fuel cell stack remote arranged additional energy storage and / or heat exchanger be educated. When the incoming coolant from the cooling circuit reaches this critical temperature, finds the phase transition the phase change material instead, z. B. from solid to liquid or from liquid after gaseous or from solid to gaseous. The phase change requires a large amount of energy due to the latent energy of the phase transition. This can also be over a longer one Period energy can be supplied integrally, z. During full load operation until the phase transition is completed is. Of course, such influence is also possible for direct At the fuel cell stack arranged phase transition materials possible.

Beim Abkühlen behält das Phasenübergangsmaterial seine Phase bei, die gespeicherte Wärmeenergie wird nur langsam abgegeben. Um den latenten Wärmespeicher zum Abfangen der nächsten Lastspitze wieder zu regenerieren, kann die gespeicherte Wärme durch gezieltes Einleiten der Kritallisation bzw. Sublimation, z. B. während eines Teillastbetriebs, wieder abgegeben werden. Dies verringert als weiterer Vorteil der Erfindung die Lastspreizung einer Kühlmittelpumpe eines Kühlkreislaufs, da der Durchfluss durch den Kühler und den Brennstoffzellenstapel im Teillastbereich mit relativ hohem Durchfluss aufrechterhalten werden kann und die Wärmeabgabe des Phasenwechselmaterials die Kühlmitteltemperatur und/oder die Brennstoffzellenstapeltemperatur auf einem Mindestniveau hält und eine zu starke Abkühlung des Brennstoffzellenstapels vermeidet.At the cooling down reserves the phase change material its phase at, the stored heat energy is slow issued. To the latent heat storage to catch the next one Regenerate peak load, the stored heat can through targeted initiation of the crystallization or sublimation, z. B. during a Partial load operation, be discharged again. This decreases as another Advantage of the invention, the load spread of a coolant pump of a refrigeration cycle, because the flow through the radiator and the fuel cell stack in the partial load range with relatively high Flow can be maintained and heat dissipation of the phase change material, the coolant temperature and / or the fuel cell stack temperature at a minimum level holds and one too much cooling of the fuel cell stack avoids.

Zur Beeinflussung der Phasenübergänge des und/oder der Phasenübergangsmaterialien kann in einer weiter vorteilhaften Ausführungsform eine Kontrolleinheit vorgesehen sein. Insbesondere bevorzugt ist es dabei, wenn diese Kontrolleinheit so ausgelegt ist, dass sie sowohl den oberen als auch den unteren Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials kontrollieren kann. Beispielsweise kann sie hierzu mit einem Kristallisationskeim in Verbindung stehen, welcher beispielsweise anregbar ist und bei entsprechender Initiierung den Phasenübergangswechsel auslöst.In order to influence the phase transitions of the and / or the phase transition materials, a control unit can be provided in a further advantageous embodiment. It is particularly preferred if this control unit is designed so that it can control both the upper and the lower phase change of the phase change material. For example, she can associated with a crystallization nucleus, which is excitable, for example, and triggers the phase change change with appropriate initiation.

Sofern mehrere, voneinander isoliert ausgebildete Phasenübergangsmaterialien vorgesehen sind, kann die Kontrolleinheit die jeweiligen Phasenübergänge in unterschiedlichen Modis beeinflussen, beispielsweise gestützt auf bestimmte Betriebsbedingungen. Hierzu kann beispielsweise über eine Abfrage an einen Benutzer festgelegt werden, ob die Übergänge gestaffelt erfolgen sollen, so dass z. B. bei beabsichtigter, baldiger Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels eine Unterschreitung einer Mindesttemperatur priorisiert werden kann. In einem anderen Betriebsmodus kann es auch vorgesehen sein, dass alle oder zumindest ein großer Teil der einzelnen Phasenwechselmaterialien gleichzeitig zum Phasenwechsel angeregt werden, um einen möglichst hohen Energietransfer in möglichst kurzer Zeit bewirken zu können. Beispielsweise wäre dies für einen Kaltstart denkbar, aber auch bei einer drohenden Überhitzung des Brennstoffzellensystems.Provided a plurality of phase-change materials formed separately from each other are provided, the control unit, the respective phase transitions in different Modis influence, for example, based on certain operating conditions. For this purpose, for example, over A query can be set to a user to see if the transitions are staggered should be done so that z. B. intentional, early recommissioning the fuel cell stack falls below a minimum temperature can be prioritized. In another operating mode it can also be provided that all or at least a large part the individual phase change materials simultaneously to the phase change be stimulated to one as possible high energy transfer in as possible to be able to effect a short time. For example, would be this for a cold start conceivable, but also in the case of impending overheating of the fuel cell system.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Kontrolleinheit so ausgebildet sein, dass sie einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vor und/oder während einer Startphase des Brennstoffzellenstapels einleitet. Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel bei gegebenenfalls erfolgten Abkühlung durch die Zufuhr der entsprechende Wärmemenge deutlich schneller wieder in seinen optimalen Betriebstemperaturbereich gebracht werden.In Particularly advantageously, the control unit can be designed in this way be that they a phase change of the phase change material before and / or while initiates a start phase of the fuel cell stack. Thereby If necessary, the fuel cell stack can be cooled by the supply of the corresponding amount of heat clearly returned to its optimum operating temperature range faster become.

Zusätzlich unterstützend kann in vorteilhafter Weise eine Isolierung für das flächig wärmeleitende Element vorgesehen sein, welche insbesondere vorteilhaft an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite ausgebildet ist. Diese Isolierung kann somit zusätzlich den Brennstoffzellenstapel nach außen hin gegen starke Temperaturschwankungen schützen. Aber auch für einen über wärmeleitende Verbindungen, wie z. B. einem Kühlkreislauf angeschlossene Einheiten, wie z. B. der oben erwähnte Wärmetauscher, können in vorteilhafter Weise mit einer Isolierung zu deren Temperaturstabilisierung isoliert werden.Additionally supportive provided in an advantageous manner insulation for the planar heat-conducting element which is particularly advantageous at one of the fuel cell stack opposite side is formed. This insulation can thus additionally the Fuel cell stack to the outside protect against strong temperature fluctuations. But also for a thermally conductive connections, such as B. a cooling circuit connected units, such. As the above-mentioned heat exchanger can in advantageous manner with an insulation for the temperature stabilization be isolated.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThe The invention will be apparent from the drawings and the following Description closer explained. Show it

1 bis 4 jeweils beispielhaft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit unterschiedlichen Ausführungsformen von ihm zugeordneten, flächig wärmeleitenden Elementen 1 to 4 in each case by way of example a fuel cell system with a fuel cell stack with different embodiments of its associated, areal heat-conducting elements

5 eine weitere Ausführungsform eines Brennsstoffzellensystems mit einem an einen Kühlkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel angeschlossenen zusätzlichen Wärmetauscher. 5 a further embodiment of a fuel cell system with an additional heat exchanger connected to a cooling circuit for a fuel cell stack.

Die 1 zeigt beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2, der mit einem flächig wärmeleitenden Element eines ein Phasenwechselmaterial umfassenden Temperierungsmittels ummantelt ist. In dieser Ausführungsform weist das von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separat ausgebildete, einer Außenfläche 11 des Brennstoffzellenstapels flächig zugeordnete, wärmeleitende Element 3 selbst ein Phasenwechselmaterial 4 auf. Damit kann der Brennstoffzellenstapel 2, je nach Ausführungsform, bei tiefen Außentemperaturen vor Abkühlen unter einen Bereich von 0°C oder etwas darüber durch Initiierung eines Phasenübergangs und einer Einspeisung der dabei frei werdenden Wärme in dem Brennstoffzellenstapel geschützt werden, so dass darin befindliches Wasser nicht gefrieren kann. In einer anderen Ausführungsform ist alternativ oder zusätzlich bei erfolgtem Unterschreiten dieser Gefriertemperatur für Wasser eine rasche Zufuhr einer hohen Energiemenge in den Brennstoffzellenstapel möglich, um darin gefrorenes Wasser wieder aufzutauen und so wiederum die Kaltstartphase zu verkürzen. Ein weiterer Vorteil des Auftauens von gefrorenem Wasser liegt in der Freilegung von gegebenenfalls eingefrorenen Anschlüssen von Zuleitungen oder Ableitungen des Brennstoffzellenstapels, so dass darin andernfalls eventuell entstehende Überdruckverhältnisse vermieden werden können.The 1 shows an example of a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2 , which is coated with a surface thermally conductive element of a phase change material comprising temperature control. In this embodiment, the separately formed by the functional elements of the fuel cell stack, an outer surface 11 the fuel cell stack areally assigned, thermally conductive element 3 even a phase change material 4 on. This allows the fuel cell stack 2 depending on the embodiment, at low outside temperatures, before cooling below a range of 0 ° C or slightly above, by initiating a phase transition and feeding the heat released thereby into the fuel cell stack, so that water therein can not freeze. In another embodiment, alternatively or additionally, if the freezing temperature for water is undershot, a rapid supply of a high amount of energy into the fuel cell stack is possible in order to thaw frozen water therein again, and in turn shorten the cold start phase. Another advantage of the thawing of frozen water lies in the exposure of possibly frozen connections of supply lines or discharges of the fuel cell stack, so that otherwise possibly resulting overpressure conditions can be avoided therein.

Als weiterer thermischer Schutz des Brennstoffzellenstapels ist eine Isolierung 5, hier ebenfalls beispielhaft den Brennstoffstapel 2 bzw. das ihn ummantelnde großflächig wärmeleitende Element 3 umschließend, dargestellt. Dadurch kann das Absinken der Innentemperatur bei fallenden Außentemperaturen zusätzlich verlangsamt werden.Another thermal protection of the fuel cell stack is insulation 5 , here also exemplifies the fuel stack 2 or the large area thermally conductive element which surrounds it 3 enclosing. As a result, the fall in the internal temperature can be additionally slowed down with falling outside temperatures.

Zur kontrollierten Initiierung eines Phasenübergangs, insbesondere zur Freisetzung der im Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärme, ist im Weiteren beispielhaft eine Kontrolleinheit 7 dargestellt, die über eine Leitung 8 mit einem z. B. elektrisch anregbaren Kristallisationskeim verbunden ist, der bei einem entsprechenden Signal der Kontrolleinheit 7 den Phasenwechsel im Phasenwechselmaterial auslöst. Dieses Auslösesignal kann die Kontrolleinheit z. B. abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 einerseits zur Unterstützung des Startvorgangs an den Kristallisationskeim abgeben, und andererseits auch zur Freigabe von Speicherkapazität und gegebenenfalls zur Stabilisierung einer idealen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise in dessen Teillastbetrieb.For the controlled initiation of a phase transition, in particular for the release of the heat stored in the phase change material, an example of a control unit is shown below 7 represented by a line 8th with a z. B. electrically energizable crystallization nucleus, which is at a corresponding signal of the control unit 7 triggers the phase change in the phase change material. This trigger signal, the control unit z. B. depending on the operating state of the fuel cell system 1 on the one hand to support the startup process to the crystallization nucleus, and on the other hand to release memory capacity and, where appropriate, to stabilize an ideal operating temperature of the fuel cell stack, for example, in its partial load operation.

Die 2 zeigt eine gegenüber der 1 dahingehend abgewandelte Ausführungsform, dass der Brennstoffzellenstapel 2 von zwei flächig wärmeleitenden Elementen 3, 9 umgeben ist. In dieser Ausführungsform sind die beiden Elemente 3, 9 in Bezug auf die Außenfläche 11 des Brennstoffzellenstapels 2 übereinanderliegend angeordnet. Sie stellen also einen doppelten Mantel aus jeweils einem flächig wärmeleitenden Element 3, 9 mit jeweils einem ihm zugeordneten Phasenwechselmaterial 4, 10 dar.The 2 shows one opposite the 1 to modified embodiment that the fuel cell stack 2 of two flat heat-conducting elements 3 . 9 is surrounded. In this embodiment, the two elements 3 . 9 in terms of the outer surface 11 of the fuel cell stack 2 arranged one above the other. So you put a double jacket from each a flat heat-conducting element 3 . 9 each with its associated phase change material 4 . 10 represents.

Dem Phasenwechselmaterial 10 ist in dieser Ausführungsform beispielhaft kein Kristallisationskeim zugeordnet, er leitet bei Erreichen seiner Phasenübergangstemperatur selbständig den Phasenübergang ein und gibt damit die in ihr gespeicherte Energie frei, bzw. kann bei Erreichen einer entsprechend hohen Temperatur einen weiteren großen Energieeintrag zur Einleitung des Phasenübergangs aufnehmen, und zwar ohne weiteren deutlichen Temperaturanstieg.The phase change material 10 In this embodiment, by way of example, no crystallization seed is assigned, it independently initiates the phase transition upon reaching its phase transition temperature and thus releases the stored energy in it, or can record a further large energy input to initiate the phase transition when a correspondingly high temperature is reached without further significant increase in temperature.

Denkbar wäre auch eine einfachere Ausführungsform, in der überhaupt kein Kristallisationskeim für die jeweiligen Phasenübergangsmaterialien vorgesehen ist, oder eine in der nur das Phasenwechselmaterial 10 mit einem Kristallisationskeim ausgestattet ist, oder aber auch eine in der beiden Phasenwechselmaterialien 4 und 10 jeweils ein Kristallisationskeim zugeordnet ist.A simpler embodiment would also be conceivable in which no nucleation seed for the respective phase transition materials is provided, or one in which only the phase change material is present 10 is equipped with a crystallization nucleus, or else one in the two phase change materials 4 and 10 in each case a crystallization seed is assigned.

In der 3 ist, wiederum beispielhaft, eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt, in welchem mehrere flächig wärmeleitende Elemente 3, 9, 12 und 13 an jeweils einer Außenseite 11 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind, um diesen insbesondere möglichst vollständig zu ummanteln und ihn möglichst gut innerhalb des vorgesehenen Betriebstemperaturbereichs halten zu können. Das heißt also entweder möglichst vor Abkühlung unter den Gefrierpunkt für gegebenenfalls darin angesammeltes Wasser zu schützen, oder, bei erfolgter Abkühlung, möglichst rasch wieder über diesen Temperaturpunkt anzuheben.In the 3 is, again by way of example, another embodiment of a fuel cell system 1 shown in which several surface heat-conducting elements 3 . 9 . 12 and 13 on one outside each 11 of the fuel cell stack 2 are arranged in order to cover this as completely as possible and to keep it as well as possible within the intended operating temperature range. That is, either as possible to protect against cooling below freezing for possibly accumulated therein water, or, when cooling, as soon as possible to raise again above this temperature point.

Eine zweite wesentliche Funktion kann auch hier darin liegen, in einem oberen Betriebstemperaturbereich des Brennstoffzellenstapels durch Abziehen weiter entstehender Energie ein Überschreiten der Brennstoffzellenstapeltemperatur durch Einspeichern dieser Energie in das Phasenwechselmaterial zu verhindern. Hierdurch kann insbesondere eine bei Volllastbetrieb entstehende starke Wärmeentwicklung des Brennstoffzellensystems in vorteilhafter Weise vom Brennstoffzellenstapel abgeführt und zwischengespeichert werden.A second essential function can also lie here in one upper operating temperature range of the fuel cell stack through Subtracting further energy from exceeding the fuel cell stack temperature by storing this energy in the phase change material prevent. This can in particular one at full load operation resulting strong heat development the fuel cell system advantageously from the fuel cell stack dissipated and cached.

Die Abgabe dieser gespeicherten Energie kann durch gezieltes Einleiten eines Phasenwechsels über die Kontrolleinheit 7, zum Beispiel im Teillastbetrieb, wieder an das Brennstoffzellensystem erfolgen. Insbesondere ist es hiermit möglich, einem Unterschreiten einer idealen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in zusätzlich vorteilhafter Weise entgegen zu wirken, so dass sich hierdurch der Wirkungsgrad dieses Brennstoffzellensystems zusätzlich weiter verbessert.The delivery of this stored energy can be achieved by deliberately initiating a phase change via the control unit 7 , for example, in partial load operation, made again to the fuel cell system. In particular, it is thereby possible to counteract an undershooting of an ideal operating temperature of the fuel cell stack in an additionally advantageous manner, so that the efficiency of this fuel cell system is further improved as a result.

Die in der 3 beispielhaft dargestellten, mit Phasenwechselmaterialien 4, 10, 14 und 15 ausgestatteten flächig wärmeleitenden Elemente 3, 9, 12 und 13 sind zwar jeweils mit einem Kristallisationskeim 6 zur kontrollierten Einflussnahme auf den jeweiligen Phasenwechsel ausgestattet, der Übersichtlichkeit halber wurde jedoch nur ein Kristallisationskeim 6 über eine Leitung 8 mit der Kontrolleinheit 7 beispielhaft verbunden.The in the 3 exemplified, with phase change materials 4 . 10 . 14 and 15 equipped flat thermally conductive elements 3 . 9 . 12 and 13 are each with a crystallization germ 6 equipped for the controlled influence on the respective phase change, for the sake of clarity, however, only a crystallization nucleus 6 over a line 8th with the control unit 7 connected by way of example.

Die Darstellung in der 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei flächig wärmeleitende Elemente 4, 9 mit ihnen zugeordneten Phasenwechselmaterialien 4, 10 fingerförmig ineinander greifend an der jeweiligen Außenseite 11 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann somit in dieser Schnittdarstellung als mäanderförmig ausgebildet zwischen diesen flächig wärmeleitenden Elemente 3, 9 beschrieben werden. Auch hier ist wiederum beispielhaft eine Isolationsschicht 5 an einer dem Brennstoffzellenstapel 2 abgewandten Seite der wärmeleitenden Elemente zur zusätzlichen Wärmeisolierung dargestellt.The presentation in the 4 shows an embodiment in which two flat heat-conducting elements 4 . 9 associated with them phase change materials 4 . 10 finger-shaped interlocking on the respective outer side 11 of the fuel cell stack 2 are arranged. The fuel cell stack 2 can thus be formed in this sectional view as a meandering shape between these flat heat-conducting elements 3 . 9 to be discribed. Again, an example is an insulation layer 5 at one of the fuel cell stacks 2 opposite side of the heat-conducting elements shown for additional thermal insulation.

In der 5 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher das flächig wärmeleitende Element 3 mit einem weiteren, ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement 16 wärmeleitend verbunden ist. Dieses weitere Wärmespeicherelement kann z. B. ein Wärmetauscher sein, der über Leitungen 23 eines Kühlkreislaufs 18 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist. Wie hier dargestellt, kann ein von einer Kühlmittelpumpe 20 durch die Leitungen 23 des Kühlkreislaufs 18 gepumptes Kühlmittel über eine Kühl- bzw. Heizschlange 19 Energie aus dem Phasenwechselmaterial 17 zur Zufuhr an dem Brennstoffzellenstapel entnehmen oder diesem zur raschen Abfuhr einer großen, überschüssigen Energiemenge dem Brennstoffzellenstapel zuführen. Damit wird eine zusätzliche Energiespeicherkomponente 16 zur ebenfalls beispielhaft dargestellten ersten Energiespeicherkomponente in der Form des flächig wärmeleitenden Elementes 3 mit dem ihm zugeordneten Phasenwechselmaterial, dessen Funktionalität oben bereits beschrieben wurde, vorgeschlagen.In the 5 a further embodiment is shown, in which the flat heat-conducting element 3 with a further, a phase change material comprehensive heat storage element 16 is thermally conductively connected. This further heat storage element can, for. B. be a heat exchanger, via lines 23 a cooling circuit 18 with the fuel cell stack 2 connected is. As shown here, one of a coolant pump 20 through the pipes 23 of the cooling circuit 18 pumped coolant via a cooling or heating coil 19 Energy from the phase change material 17 remove it from the supply to the fuel cell stack or feed it to the fuel cell stack for the rapid removal of a large, surplus amount of energy. This becomes an additional energy storage component 16 to the first exemplary energy storage component in the form of the planar heat-conducting element also shown as an example 3 with its associated phase change material whose functionality has already been described above proposed.

Zur Einflussnahme auf Phasenübergänge der Phasenwechselmaterialien ist hier wiederum beispielhaft eine Kontrolleinheit 7 dargestellt, die über Leitungen 8 mit jeweiligen Kristallisationskeimen 6 verbunden sind. Durch die Anbindung der Kontrolleinheit 7 an dieses zusätzliche Wärmespeicherelement 16 ist die Kontrolleinheit auch hier in der Lage, einen Phasenwechsel des darin gespeicherten Phasenwechselmaterials, z. B. während eines Teillastbetriebes, gezielt wieder an den Brennstoffzellenstapel abzugeben. Dadurch kann einerseits ein Halten der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in einem optimalen Betriebstemperaturbereich unterstützt werden und andererseits die bei einem Volllastbetrieb vom Brennstoffzellenstapel abgezogene, überschüssige Energie zur Freigabe des Zwischenspeichers aus diesem wieder abgeführt werden.In order to influence phase transitions of the phase change materials, a control unit is again exemplified here 7 represented by lines 8th with respective crystallization seeds 6 are connected. By connecting the Kontrol leinheit 7 to this additional heat storage element 16 the control unit is also able here, a phase change of the phase change material stored therein, for. B. during a part load operation, selectively return to the fuel cell stack. As a result, on the one hand, maintaining the operating temperature of the fuel cell stack in an optimum operating temperature range can be supported and, on the other hand, the excess energy withdrawn from the fuel cell stack during full load operation can be dissipated from the intermediate storage device for release of the intermediate storage device.

Der Kühlkreislauf des Brennstoffzellenstapels 2 kann im Weiteren, wie hier beispielhaft dargestellt, einen Kühler 21 und gegebenenfalls einer Lüfter 22 sowie weitere, hier nicht dargestellte Elemente umfassen. Der Anschluss des Kühlkreislaufs 18 an den Brennstoffzellenstapel erfolgt hier beispielhaft über den Einlass 24 und den Auslass 25. Von der Darstellung weiterer Elemente und signal- bzw. energieübertragender Verbindungen, insbesondere zwischen Kühler, Lüfter, Kühlmittelpumpe, zusätzlichem Wärmespeicherelement 16, Brennstoffzellenstapel 2 und der Kontrolleinheit 7 wurde auch hier aus Übersichtlichkeitsgründen abgesehen.The cooling circuit of the fuel cell stack 2 can hereinafter, as exemplified here, a cooler 21 and optionally a fan 22 and further, not shown here elements include. The connection of the cooling circuit 18 to the fuel cell stack is done here for example via the inlet 24 and the outlet 25 , From the presentation of other elements and signal or energy-transmitting connections, in particular between radiator, fan, coolant pump, additional heat storage element 16 , Fuel cell stack 2 and the control unit 7 was also omitted here for reasons of clarity.

Claims (11)

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und diesem zugeordnete, ein Phasenwechselmaterial umfassende Temperierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsmittel mindestens ein von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separates, einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels flächig wärmeleitend zugeordnetes Element umfassen.Fuel cell system, comprising a fuel cell stack and this associated, a phase change material comprehensive Temperierungsmittel, characterized in that the tempering comprise at least one of the functional elements of the fuel cell stack separate, an outer surface of the fuel cell stack surface thermally conductive associated element. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein und/oder mehrere flächig wärmeleitende Elemente den Brennstoffzellenstapel umschließen.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that that one and / or more area thermally conductive Elements enclose the fuel cell stack. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächig wärmeleitende Element ein Phasenwechselmaterial umfasst.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the planar heat-conducting element is a phase change material includes. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das flächig wärmeleitende Element mit einem weiteren, ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement wärmeleitend verbunden ist.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized, the area thermally conductive Element with another, a phase change material comprehensive Heat storage element thermally conductive connected is. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Wärmespeicherelement an einen Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels angekoppelt ist.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the further heat storage element to a coolant circuit the fuel cell stack is coupled. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel eines Phasenwechselmaterials im Bereich von etwa 0°C oder etwas darüber liegt.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the temperature range for a Phase change of a phase change material in the range of about 0 ° C or something about that lies. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials etwa im Bereich der maximal zulässigen Kühlmitteleintrittstemperatur in den Brennstoffzellenstapel oder etwas darunter liegt.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the temperature range for a Phase change of the phase change material approximately in the range of the maximum permissible Coolant inlet temperature in the fuel cell stack or slightly below. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit zur Einleitung eines Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that a control unit for initiation a phase change of the phase change material is provided. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vor und/oder während einer Startphase des Brennstoffzellenstapels einzuleiten.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the control unit is designed to is, a phase change of the phase change material before and / or while to initiate a start phase of the fuel cell stack. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials während eines Teillastbetriebs des Brennstoffzellenstapels einzuleiten.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the control unit is designed to is a phase change of the phase change material during a Partial load operation of the fuel cell stack to initiate. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächig wärmeleitende Element an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Isolierung aufweist.Fuel cell system according to one of the preceding Claims, characterized in that the areal thermally conductive element at a the Fuel cell stack facing away from having insulation.
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