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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein
Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer
derartigen Kühlvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem
zum Antrieb eines Transportmittels.
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Brennstoffzellensysteme
zur Erzeugung von elektrischer Energie aus gasförmigen
Edukten, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft, sind
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere zur
Anwendung in Transportmitteln, wie insbesondere in Personenkraftwagen
und Nutzfahrzeugen, sind dabei sehr häufig mit einer sogenannten
Niedertemperaturbrennstoffzelle als Kernelement des Brennstoffzellensystems
ausgerüstet. Ein verbreiteter Typ einer derartigen Niedertemperaturbrennstoffzelle
ist beispielsweise die sogenannte PEM-Brennstoffzelle, welche im
Allgemeinen auf einem Temperaturniveau von 60–90°C
betrieben wird. Um dieses Temperaturniveau der Brennstoffzelle während
des Betriebs sicherzustellen, weist das Brennstoffzellensystem üblicherweise
einen Kühlkreislauf auf, welcher überschüssige
Abwärme aus dem Bereich der Brennstoffzelle und aus dem
Bereich anderer Komponenten abführt. Die anderen Komponenten
können dabei Komponenten des Brennstoffzellensystems sein,
beispielsweise eine Luftfördereinrichtung oder ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse,
um unverbrauchten Wasserstoff aus einem Bereich nach der Anode der
Brennstoffzelle in den Bereich vor der Anode der Brennstoffzelle
zurückzuführen. Dort wird der zurückgeführte,
unverbrauchte Wasserstoff mit frischem Wasserstoff, beispielsweise
aus einem Druckgastank gemischt und wieder der Anode der Brennstoffzelle
zugeführt. Neben derartigen Komponenten, welche unmittelbar dem
Brennstoffzellensystem zuzurechnen sind, können auch weitere
Komponenten, insbesondere elektrische und/oder elektronische Bauteile,
insbesondere auch für den Antrieb des Transportmittels, vorhanden
sein, welche ebenfalls der Kühlung bedürfen. In sehr
vielen Systemen ist daher ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen,
da insbesondere elektrische und elektronische Bauteile, wie beispielsweise
Leistungselektronik-Komponenten oder Elektromotoren, im Allgemeinen
eine bessere Leistungsfähigkeit und eine längere
Lebensdauer aufweisen, wenn sie auf ein entsprechend niedriges Temperaturniveau
gekühlt werden. Daher weist der zweite Kühlkreislauf
typischerweise ein niedrigeres Temperaturniveau, als der Kühlkreislauf
für die Brennstoffzelle, auf und dient der Kühlung
dieser Komponenten.
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Nun
ist es bei Brennstoffzellensystemen außerdem bekannt, dass
die Edukte, welche zu der Brennstoffzelle strömen, eine
gewisse Feuchtigkeit enthalten müssen, um ein Austrocknen
der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die von der Brennstoffzelle abströmenden
Produkte, also im Allgemeinen die Abluft aus dem Kathodenbereich
und das aus dem Anodenbereich abströmende unverbrauchte
Gas, welches über das Wasserstoffrezirkulationsgebläse
zurückgeführt wird, weisen außerdem in
der Brennstoffzelle aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehendes Produktwasser
auf. Die Tatsache, dass die Leitungselemente eines Brennstoffzellensystems
von Gasen durchströmt werden, welche einen hohen Feuchtigkeitsgehalt
und/oder Flüssigkeitströpfchen aufweisen, ist
hinsichtlich des Abstellens und insbesondere hinsichtlich eines
späteren Wiederanfahrens des Brennstoffzellensystems bei
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts außerordentlich
kritisch. Die sich in den Leitungen bildenden Flüssigkeitströpfchen können
unter diesen Umständen nämlich gefrieren und beim
Wiederstart zu erheblichen Problemen führen. Insbesondere
im Bereich der Luftfördereinrichtung sowie des Wasserstoffrezirkulationsgebläses kann
es zu einem Gefrieren von Wassertröpfchen im Inneren des
Gasförderbereichs kommen. Insbesondere bei Strömungsverdichtern
und Gebläsen können die zur Förderung
des Gases benötigten Schaufelelemente dadurch an den Wandungen
des Gasförderbereichs festfrieren. Beim Wiederstart des
Brennstoffzellensystems ist die entsprechende Komponente dann nicht
funktionsfähig, sondern muss erst zeit- und energieaufwändig
aufgetaut werden, ehe sie die für sie vorgesehene Funktion übernehmen
kann.
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Um
dieses Problem zu verringern sieht es die
DE 103 14 820 A1 vor, dass
diese „gefährliche” Feuchtigkeit durch
ein trockenes Spülgas ausgetrieben wird, sodass die in
dem System vorliegenden Gase so weit trocken sind, dass die oben
genannte Problematik nicht auftreten kann. Einen etwas anderen Ansatz
zur Lösung dieser Problematik betreibt die
JP 2008-041433 A , bei
welcher durch den Betrieb des Wasserstoffrezirkulationsgebläses
eine Beheizung und Trocknung der Gase zumindest im Anodenkreislauf
erreicht wird. Beide Lösungen haben dabei den Nachteil,
dass sie zusätzliche Energie benötigen oder entsprechende
Anschlüsse und Komponenten, um beim Abschalten ein trockenes
Gas durch die entsprechenden Leitungsbereiche zu fördern.
Außerdem haben beide Aufbauten den Nachteil, dass sie, alleine
schon aus energetischen Gründen, nur dann verwendet werden
sollten, wenn tatsächlich ein Abschalten für einen
entsprechend längeren Zeitraum ansteht. Dies macht die
benötigte Steuerung vergleichsweise aufwendig und verursacht
bei einem schnellen Wiederstart des Brennstoffzellensystems unnötige
Energieverluste.
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Es
ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung
für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche diese
Nachteile vermeidet und dennoch in der Lage ist, die oben genannte
Problematik hinsichtlich eines eventuellen Einfrierens von während
des Betriebs aktiv gekühlten Komponenten, welche Gase in
dem Brennstoffzellensystem fördern, zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Lösung an.
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Die
erfindungsgemäße Kühlung der Komponente
zusammen mit der Brennstoffzelle in einem Kühlkreislauf
hat den Vorteil, dass die Komponente auf einem relativ hohen Temperaturniveau
gekühlt wird. Die elektronischen Bauteile in einer Gasfördereinrichtung
sind dabei bei weitem nicht so komplex ausgebildet, wie in anderen
leistungselektronischen Bauteilen, beispielsweise einer Antriebssteuerung
für einen Fahrantrieb, einem DC/DC-Wandler oder dergleichen.
Sie können daher vergleichsweise einfach und kostengünstig
so ausgebildet werden, dass sie auch dieses höhere Temperaturniveau über
einen längeren Zeitraum ohne Schaden aushalten. Durch die
Kühlung der Komponente, auf dem höheren Temperaturniveau
der Brennstoffzelle selbst, wird beim Abschalten des Systems jedoch
erreicht, dass die Komponente gegenüber den sie umgebenden
Leitungselementen langsamer abkühlt, da sie im Betrieb ein
entsprechend hohes Temperaturniveau hatte und die Wärme
aufgrund ihrer Masse länger speichert als beispielsweise
ein Leitungselement. So wird erreicht, dass im Allgemeinen die Brennstoffzelle
und zumindest die wenigstens eine Komponente langsamer abkühlen,
als die sie umgebenden Bereiche in Form von anderen Komponenten,
Leitungselementen oder dergleichen. Beim Abkühlen wird
die Feuchtigkeit dann in diese Bereiche, welche entsprechend schneller
abkühlen, abgezogen und kondensiert dort aus. Die Gefahr,
dass Tröpfchen im Bereich der Komponente auskondensieren,
kann somit ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand massiv
verringert werden, sodass bei einem Wiederstart unter Gefrierbedingungen
die eingangs geschilderte Problematik nicht mehr auftreten wird.
Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich dies
ohne zusätzliche Komponenten zur Beheizung, Durchspülung
oder dergleichen erreichen. Außerdem stellt sich der Effekt
beim Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einer derartigen Kühlvorrichtung
selbsttätig ein, sodass dieser unabhängig von
der Dauer bis zum Wiederstart immer und ohne zusätzlichen
Steuerungsaufwand zur Verfügung steht.
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Gemäß einer
weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass ein weiterer
Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Temperaturniveau vorhanden
ist, durch welchen nicht im Bereich der Komponente befindliche Elektronikbauteile
und/oder weitere Hilfsaggregate kühlbar sind.
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Dieser
Aufbau sieht die eingangs beschriebene, an sich aus dem Stand der
Technik bekannte Kombination eines Brennstoffzellensystems mit einem
Niedertemperatur- und einem Hochtemperaturkühlkreislauf
vor. Der Niedertemperaturkühlkreislauf kühlt dabei
insbesondere die Komponenten der Antriebselektronik, elektronische
Umrichter und dergleichen. Die wenigstens eine Komponente mit der
Gasfördereinrichtung, welche als elektronische Komponente
in den herkömmlichen Aufbau ebenfalls von diesem Niedertemperaturkühlkreislauf
gekühlt werden würde, wird nun jedoch in den Hochtemperaturkreislauf
zur Kühlung der Brennstoffzelle selbst verschoben. Dadurch
wird erreicht, dass die Komponente während des Betriebs
auf einer höheren Temperatur ist. Sie kühlt damit
beim Abstellen des Systems entsprechend langsamer ab, sodass Feuchtigkeit nicht
im Gasförderbereich der Komponente, sondern in den die
Komponente umgebenden Bereichen, beispielsweise der Leitungselemente,
auskondensiert. Liegen nun Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts
vor, so können zwar Tröpfchen in den umgebenden
Bereichen an den Wänden der Leitungselemente festfrieren,
da im Gasförderbereich jedoch keine Flüssigkeit
auskondensiert, kann es dort auch nicht zu einem Einfrieren und
insbesondere nicht zu einem Festfrieren der Gasfördermittel
in diesem Bereich kommen.
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Gemäß einer
sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein,
dass die wenigstens eine Komponente eine thermische Isolierung aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Effekt, dass durch die Kühlung
der wenigstens einen Komponente im Kühlkreislauf auf höherem
Temperaturniveau diese beim Abastellen des Brennstoffzellensystems
eine höhere Temperatur hat und dadurch langsamer abkühlt,
kann durch eine thermische Isolierung der Komponente noch verstärkt
werden. Mit diesem einfachen, kostengünstigen und passiven
Mittel, lässt sich das Abkühlen der Komponente
nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems noch weiter verlangsamen,
sodass eine Auskondensation von Flüssigkeit im Gasförderbereich
der Komponente noch unwahrscheinlicher wird, als in den oben bereits
geschilderten Fällen.
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Die
erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für ein
Brennstoffzellensystem ist besonders für Brennstoffzellensysteme
geeignet, welche häufig gestartet, abgestellt und wieder
gestartet werden, und welche sich dabei außerdem in Bereichen
befinden, bei welchen aufgrund der niedrigen Temperaturen die Gefahr
eines Einfrierens von auskondensiertem Wasser besteht. Eine besonders
günstige und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung für Brennstoffzellensysteme ist
deshalb bei Brennstoffzellensystemen zu sehen, welche zum Antrieb
von Transportmitteln eingesetzt werden.
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Derartige
Antriebssysteme unterliegen einem häufigen Starten und
Abstellen und können in unseren Breitengraden auch häufig
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt sein. Da außerdem
die möglichst effiziente Nutzung von Energie für
den Vortrieb von Transportmitteln eine immer größere
Rolle spielt, können die oben genannten Vorteile bei dieser
Verwendung besonders gut zur Geltung kommen. Außerdem ist
es mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
einfach, robust und zuverlässig möglich, ein Brennstoffzellensystem mit
idealen Bedingungen für einen Wiederstart unter Gefrierbedingungen
abzustellen. Auch dies prädestiniert den Aufbau für
den Einsatz in Transportmitteln.
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Unter
Transportmitteln im Sinne der Erfindung können dabei verschiedenartige
Transportmittel zu Lande, im Wasser oder in der Luft verstanden werden,
insbesondere Fahrzeuge zur Beförderung von Personen oder
Gütern, Fahrzeuge im Logistikbereich, Schiffe oder Unterseeboote.
Ebenso ist der Einsatz in Flugzeugen denkbar, wobei die elektrische Energie
hier typischerweise nicht zum Vortrieb des Flugzeugs, sondern zum
Antrieb von Nebenaggregaten eingesetzt werden wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus dem
Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren
näher erläutert wird.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug;
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2 eine
Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung in
einer ersten Ausführungsform; und
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3 einen
Hochtemperaturkühlkreislauf gemäß der
Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist
ein sehr stark schematisiertes Fahrzeug 1 als beispielhaftes
Transportmittel angedeutet. Das Fahrzeug 1 ist mit einem
Brennstoffzellensystem 2 ausgerüstet, welches
durch die strichpunktierte Linie umrandet ist. Eine Brennstoffzelle 3 als
Herzstück des Brennstoffzellensystems 2 liefert elektrische
Leistung, welche über einen DC/DC-Wandler 4 oder
eine andere vergleichbare elektronische Komponente einem Bordnetz
des Fahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird. Die
elektrische Leistung dient dabei in erster Linie dem Antrieb des
Fahrzeugs 1, was hier über eine Leistungselektronik 5 und
einen Elektromotor 6 entsprechend angedeutet ist. Über
eine Achse 7 werden in der hier gewählten schematischen
Darstellung Räder 8 des Fahrzeugs 1 vom
Elektromotor 6 angetrieben. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte
elektrische Leistung kann außerdem weiteren elektrischen
oder leistungselektronischen Elementen zur Verfügung gestellt
werden, welche hier durch die Box 9 exemplarisch angedeutet
sind. Ferner kann eine Speichereinrichtung 10 für
elektrische Energie, beispielsweise in Form einer Batterie und/oder
eines Hochleistungskondensators, vorgesehen sein.
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Die
Brennstoffzelle 3 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen (Polymer Elektrolyt
Membran), als sogenannter Stock, ausgebildet sein. Die Brennstoffzelle 3 weist
einen Kathodenraum 11 und einen Anodenraum 12 auf,
welche durch eine Polymermembran als Elektrolyt voneinander getrennt
sind. Über eine Luftfördereinrichtung 13 wird
dem Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 Luft
als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die verbrauchte Abluft
gelangt in diesem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2 dann
von dem Kathodenraum 11 in eine Turbine 14, in
welcher sie entspannt wird, bevor sie an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben wird.
Die Luftfördereinrichtung 13 umfasst neben einem
Förderbereich 15 und einer elektrischen Maschine 16 auch
diese eben beschriebene Turbine 14. Der gesamte hier beispielhaft
dargestellte Aufbau der Luftfördereinrichtung 13 wird
auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger)
bezeichnet. Über die Turbine 14 kann dabei Energie
aus der Abluft zurückgewonnen werden, sodass durch die elektrische
Maschine 16 nicht die gesamte zur Förderung der
Luft benötigte Energie aufgebracht werden muss. Kommt es
in Sonderfällen zu einem Energieüberschuss an
der Turbine 14, sodass mehr Energie an der Turbine 14 zur
Verfügung steht, als für die Förderung
der Luft im Luftförderbereich 15, welcher typischerweise
als Strömungsverdichter ausgebildet ist, benötigt
wird, so kann über die elektrische Maschine 16 im
generatorischen Betrieb auch Energie zurückgewonnen und
in das Bordnetz des Fahrzeugs 1 eingespeist werden.
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Die
Versorgung des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 erfolgt
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff,
welcher in einem Druckgastank 17 in dem Fahrzeug 1 gespeichert
ist. Über ein entsprechendes Dosierventil 18, welches
typischerweise einen Druckminderer umfassen wird, wird der Wasserstoff
aus dem Druckgastank 17 dem Anodenraum 12 der
Brennstoffzelle 3 zugeführt. Um alle Bereiche
des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 gleichmäßig
mit Wasserstoff zu versorgen und dadurch eine gute Leistungsfähigkeit der
Brennstoffzelle 3 sicherzustellen, wird üblicherweise
mehr Wasserstoff in die Brennstoffzelle 3 dosiert, als
in dieser verbraucht werden kann. Der überschüssige
Wasserstoff wird aus dem Bereich des Anodenraums 12 über
eine Rezirkulationsleitung 19 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 20 geführt, welche üblicherweise
als Wasserstoffrezirkulationsgebläse mit einem Gasförderbereich 21 und
einem elektrischen Antriebsmotor 22 ausgebildet sein wird. Die
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 unterstützt dabei
die Rückführung des unverbrauchten Anodenabgases.
Dieses wird dann mit dem frischen, aus dem Druckgastank 17 stammenden
Wasserstoff vermischt und als gemeinsamer Wasserstoffstrom wieder
dem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 zugeführt.
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In
einem solchen Brennstoffzellensystem 2 sowie in den elektrischen
und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs 1 fällt
im Betrieb üblicherweise Abwärme an, welche aktiv
abgeführt werden muss. Für diese aktive Kühlung
weist das Fahrzeug 1 üblicherweise zwei Kühlkreisläufe 23, 24 auf, welche
in 2 beispielhaft dargestellt sind. Die Kühlkreisläufe 23, 24 sind
dabei in einen Hochtemperaturkühlkreislauf 23 und
einen Niedertemperaturkühlkreislauf 24 aufgeteilt.
Die Temperatur des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 wird
im Bereich des typischen Temperaturniveaus zum Betrieb der Brennstoffzelle 3,
also bei ca. 60–90°C, liegen. Die Temperatur des
Niedertemperaturkühlkreislaufs 24 wird niedriger
als dieses Temperaturniveau liegen, da der Kühlkreislauf 24 zur
Kühlung von elektrischen und/oder elektronischen bzw. leistungselektronischen
Komponenten dient, welche im Allgemeinen einfacher, kostengünstiger
und mit höherer Lebensdauer realisiert werden können,
wenn sie auf ein Temperaturniveau gekühlt werden, welches
unterhalb des Temperaturniveaus des Hochtemperaturkühlkreislaufs
liegt. Typische Temperaturniveaus für den Niedertemperaturkühlkreislauf
liegen demnach unter 60°C.
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In
der Darstellung des Fahrzeugs 1 in 1 sind nun
an verschiedenen Komponenten Wärmetauscher eingezeichnet
und mit der der arabischen Nummerierung der Komponente entsprechenden
römischen Ziffer versehen. Diese Wärmetauscher
III, IV, V, VI, IX, XIII und XX stellen beispielhaft die wichtigsten
zu kühlenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 sowie
des Bordnetzes bzw. Antriebes des Fahrzeugs 1 dar.
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In
der Darstellung der Kühlkreisläufe 23, 24 der 2 ist
nun zu erkennen, dass jeder der Kühlkreisläufe über
eine Kühlmittelfördereinrichtung 25, 26 sowie
einen Kühlwärmetauscher 27, 28 verfügt. Die
Kühlwärmetauscher 27, 28 sind
dabei dem Fahrzeugkühler bei herkömmlichen mit
einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Fahrzeugen vergleichbar. Sie
werden üblicherweise vom Fahrtwind angeströmt und
kühlen das in den Kühlkreisläufen 23 und 24 strömende
Kühlmedium ab. Sie können bei Bedarf außerdem über
beispielhaft angedeutete Lüfter 29, 30 angeströmt
werden, um die Abkühlung des Kühlmediums in dem
jeweiligen Kühlkreislauf 23, 24 zu verbessern.
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Wie
in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, kühlt
der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 die Brennstoffzelle 3,
was hier durch die mit III bezeichnete Box angedeutet ist, welche
den Wärmetauscher III im Bereich der Brennstoffzelle 3 symbolisiert.
Außerdem durchströmt das Kühlmedium in
einer Reihenschaltung den Wärmetauscher XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20,
bevor es den Wärmetauscher III der Brennstoffzelle 3 durchströmt.
In dem weiteren Kühlkreislauf 24 auf dem niedrigeren
Temperaturniveau sind beispielhaft die Wärmetauscher IV,
V, VI des DC/DC-Wandlers 4, der Leistungselektronik 5 des
Antriebs sowie des Antriebsmotors 6 in einer seriellen
Verschaltung dargestellt. Daneben durchströmt das Kühlmedium
in einem beispielhaft angedeuteten parallelen Zweig den Wärmetauscher IX
der weiteren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 9.
Auf die Darstellung des Wärmetauschers XIII der Luftfördereinrichtung 13 wurde
in 2 verzichtet, dieser könnte prinzipiell
sowohl im Hochtemperaturkreislauf 23 als auch im Niedertemperaturkreislauf 24 angeordnet
werden.
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Wie
bereits eingangs erwähnt, ist es bei Temperaturen unterhalb
des Gefrierpunkts besonders problematisch, dass im Bereich der Leitungselemente
des Brennstoffzellensystems 2 feuchtes Gas bzw. Gas mit
Flüssigkeitströpfchen vorhanden ist. Beim Abkühlen
des Brennstoffzellensystems 2 nach dem Abstellen kann es
nämlich zu einem Auskondensieren bzw. ansammeln dieser
Feuchtigkeit kommen. Sammelt sich Feuchtigkeit insbesondere im Gasförderbereich 21 der
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 oder im Luftförderbereich 15 oder
der Turbine 14 der Luftfördereinrichtung 13,
so kann es hierdurch zu einem Festfrieren der Fördermittel
der typischerweise als Strömungsverdichter oder Gebläse
ausgebildeten Bereiche 14, 15, 21 kommen.
Besonders problematisch ist dies bei der Rezirkulationsfördereinrichtung 20,
da hier im rezirkulierten Anodenabgas eine relativ hohe Feuchtigkeit
vorliegt. Bis zu einem gewissen Grad tritt die Problematik auch
bei der Luftfördereinrichtung 13 auf, hier wird
jedoch frische Luft aus der Umgebung angesaugt, welche zu diesem
Zeitpunkt noch keine allzu hohe Feuchtigkeit aufweist. Problematischer
ist im Bereich der Luftfördereinrichtung 13 der
Bereich der Turbine 14, da auch hier mit Produktwasser
beladenes Abgas aus dem Kathodenbereich strömt, welches
ebenfalls sehr viel Feuchtigkeit mit sich bringt, welche in diesem
Bereich entsprechend auskondensieren kann.
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Am
Beispiel des Wasserstoffrezirkulationsgebläses 20 soll
nun beschrieben werden, wie dieser Effekt verhindert bzw. deutlich
verringert werden kann. Dies lässt sich dann auf die Luftfördereinrichtung 13 mit
dem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 entsprechend übertragen,
wobei hier die Problematik nicht so groß ist, wie im Gasförderbereich 21 der
Rezirkulationsfördereinrichtung 20.
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Dadurch,
dass die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 über
den Wärmetauscher XX aktiv im Hochtemperaturkühlkreislauf 23 erfolgt, wird
erreicht, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 als
eine Komponente des Brennstoffzellensystems 2 auf einem
vergleichsweise hohen Temperaturniveau betrieben wird. Da die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 mit
dem Gasförderbereich 21 und dem elektrischen Antriebsmotor 22 insgesamt
eine vergleichsweise hohe Masse aufweist, wird sich während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 die gesamte
Masse auf eine Temperatur erwärmen, welche in etwa dem
Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 entspricht.
Damit wird erreicht, dass beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 die
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf einem relativ
hohen Temperaturniveau ist und entsprechend langsam abkühlt.
Insbesondere wird sie aufgrund ihrer größeren
Masse langsamer abkühlen als die ihr benachbarten Bereiche,
insbesondere als die ihr benachbarten Leitungselemente. Dadurch
wird ein Auskondensieren von Flüssigkeit in dem feuchten
Gas der Anodenrezirkulationsleitung 19 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vermieden.
Die Feuchtigkeit wird nämlich eher in den benachbarten Bereichen
auskondensieren, in denen ein niedrigeres Temperaturniveau vorlag,
und welche dementsprechend schneller abkühlen. Dadurch
wird die Bildung von Kondensat im Gasförderbereich 21 der
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 weitgehend
vermieden, sodass die Gefahr eines Festfrierens der Fördermittel
vermieden oder zumindest deutlich verringert wird. Um das langsame
Abkühlen der Rezirkulationsfördereinrichtung beim
Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 noch weiter zu
verlangsamen, kann außerdem eine thermische Isolierung 31 im
Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vorgesehen sein,
wie es in 1 schematisch angedeutet ist.
Die Gefahr, dass die Feuchtigkeit nun im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst
auskondensiert und dort einfriert ist dabei vergleichsweise gering,
da die Brennstoffzelle 3 selbst ebenfalls auf dem Temperaturniveau
des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 liegt, und da
die Brennstoffzelle mit einer vergleichsweise großen Masse
ohnehin langsam abkühlt. Außerdem kann die Brennstoffzelle 3 selbst
ebenfalls mit einer thermischen Isolierung versehen sein, welche
hier jedoch nicht dargestellt ist.
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Neben
dem langsamen Abkühlen wird durch den Betrieb der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 bzw.
ihrer Kühlung auf dem hohen Temperaturniveau des Hochtemperaturkreislaufs 23 ein
weiterer zusätzlicher positiver Effekt erreicht. Die Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellensystem 2 bzw. in den Leitungen des
Brennstoffzellensystems 2 wird unweigerlich immer zu einem
gewissen Anteil dort auskondensieren, wo Komponenten aktiv gekühlt
werden und während des Betriebs dementsprechend kühler
sind als ihre Umgebung. Durch die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf
einem höheren Temperaturniveau als bisher üblich,
wird das Auskondensieren von Flüssigkeit auch während
des Betriebs im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und
damit im Bereich der Rezirkulationsleitung 19 und des Anodenraums 12 selbst
entsprechend verringert. Dadurch fällt weniger Wasser in
flüssiger Form an, welches über Abscheider oder
dergleichen aus dem System abgelassen werden muss. Dies ist für
den Betrieb des Systems von Vorteil, da es die Systemperformance
bei gleichzeitiger ausreichender Befeuchtung der Membran in der
Brennstoffzelle 3 verbessert, und da beim Ablassen von
Wasser, insbesondere wenn dies zusammen mit dem Gas aus dem Bereich
der Rezirkulationsleitung 19 erfolgt, immer auch eine gewisse
Menge an Wasserstoff verloren geht. Ein möglichst seltenes
Ablassen hat damit Vorteile bezüglich Energie und Emission.
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Die
anhand der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 ausführlich
beschriebene Idee kann nun ebenso auf die Luftfördereinrichtung 13 mit
ihrem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 übertragen werden.
Auch hier kann durch eine Kühlung auf dem Temperaturniveau
des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 sowie gegebenenfalls
eine thermische Isolierung der beschriebene Effekt erreicht werden.
In der Darstellung der 3 ist daher ein Aufbau beschrieben,
bei dem der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 nochmals
in einer anderen Ausführungsform dargestellt ist. Auch
hier ist der Niedertemperaturkühlkreislauf 24 parallel
vorhanden, zur Vereinfachung der Darstellung jedoch nicht nochmals
dargestellt. In dem Kühlkreislauf 23 ist nun wiederum
der Kühlwärmetauscher 27, die Kühlmittelfördereinrichtung 25 sowie
der Lüfter 29 zu erkennen. Anstelle der oben dargestellten
seriellen Durchströmung der Wärmetauscher XX und
III durch das Kühlmedium werden hier nun die Wärmetauscher
XIII der Luftfördereinrichtung 13, XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und
III der Brennstoffzelle 3 in dem Kühlkreislauf 23 parallel
von dem Kühlmedium durchströmt. Die Aufteilung
Volumenströme des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 23 auf
die einzelnen Wärmetauscher XIII, XX und III kann durch
geeignete Blenden und/oder Ventileinrichtungen 32 in den
einzelnen Strängen des Kühlkreislaufs 23 erfolgen.
Neben der hier dargestellten Variante mit drei Blenden bzw. Ventileinrichtungen 32 wäre
es natürlich auch denkbar, lediglich zwei der Stränge
mit den Blenden zu versehen, da auch diese eine gezielte Regelung
der Durchströmung der einzelnen Stränge und damit
der Abkühlung der einzelnen Kühlwärmetauscher
XIII, XX und III ermöglichen würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10314820
A1 [0004]
- - JP 2008-041433 A [0004]