DE102009051298A1 - Kühlsystem für eine Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Kühlsystem für eine Brennstoffzelle mit einem zur Verkürzung der Kaltstartdauer in Wärmerohren (Heatpipes) in einem Primärkreislauf zirkulierenden Primärkühlmedium und Wärmeabfuhr aus dem Primärkreislauf durch ein nach Erreichen der Betriebstemperatur mit dem Primärkühlmedium des Primärkreislaufes thermisch koppelbaren in einem Sekundärkreislauf zirkulierenden Sekundärkühlmedium.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges, das heißt eines mit der Brennstoffzelle als alleinige oder ergänzende Traktionseinheit angetriebenen Kraftfahrzeuges. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum schnellen Erreichen einer gewünschten Brennstoffzellen-Betriebstemperatur und somit zur Verringerung der Kaltstartdauer und zum Kühlen der Brennstoffzelle bei Erreichen dieser Brennstoffzellen-Betriebstemperatur.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente – die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die einen Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode darstellt. Die Elektroden weisen eine katalytische Schicht auf, die entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist oder direkt auf der Membran. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum im Wege der Ionenleitung. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von Sauerstoff zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den Protonen unter Entstehung von Wasser. In der Regel umfasst eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten in Stapeln (Stacks), wobei üblicherweise außen an den Elektroden jeweils eine poröse Gasdiffusionsschicht zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase zu den Elektroden angeordnet ist. Durch die direkte Umsetzung chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber Wärmekraftmaschinen aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
  • Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Die verbreiteteste PEM ist eine Membran aus sulfoniertem Polytetrafluorethylen (Handelsname: Nafion®). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist und die Betriebstemperatur derartiger Zellen bei Normdruck auf unter 100°C limitiert ist. Ferner kann im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich sein, was einen hohen Systemaufwand bedeutet.
  • Zur Überwindung dieser Probleme sind Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen entwickelt worden, die bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180°C arbeiten und die keine oder nur geringe Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit der in diesen Brennstoffzellen der zweiten Generation eingesetzten Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten, insbesondere Säuren oder Basen, die auch bei vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise sind Hochtemperaturmembrane aus Polybenzimidazol (PBI) bekannt, die mit Säuren, wie etwa Trifluoressigsäure, Phosphorsäure und anderen, komplexiert werden. Die zurzeit am weitesten verbreitete PEM-Brennstoffzelle basiert auf einer Polymer-Membran als Elektrolyt, dessen elektrolytische Leitung von hydratisierten Protonen an das Vorhandensein von flüssigem Wasser gekoppelt ist. Hierdurch ist die Betriebstemperatur bei Normaldruck auf unter 100°C limitiert. Besondere Vorteile aufgrund des wasserfreien Protonenleitmechanismus (Entfallen der aufwendigen Medienbefeuchtung) verspricht der Einsatz von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, die bei Betriebstemperaturen von bis zu 160°C ihren besten Wirkungsgrad ereichen.
  • Sowohl Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen als auch Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (kurz: HTPEM-Brennstoffzellen) weisen damit Temperaturfenster auf, innerhalb derer optimale Wirkungsgrade vorliegen. Normalerweise erzeugt die in der Brennstoffzelle während des Betriebs ablaufende Reaktion ausreichend Wärme, um das System auf entsprechende Temperaturen zu bringen. Gerade bei dem Einsatz der Brennstoffzelle in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen kann jedoch, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, dieser Selbsterwärmungsvorgang eine gewisse Zeit dauern, was zu einem eingeschränkten Betrieb in der Startphase führt. Bei der Anwendung von Brennstoffzellen für den Kraftfahrzeugsantrieb ist ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur bei Umgebungstemperaturen idealerweise bis zu –40°C wünschenswert.
  • Brennstoffzellen und zugehörige Systemkomponenten müssen bei Überschreiten einer Grenztemperatur gekühlt werden, um irreversible Schädigungen zu verhindern. In technischen Anwendungen werden oftmals mehrere hundert dieser Zellen zu einem
  • Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet. Neben einem elektrischen Strom, der im Falle der mobilen Anwendung den Antriebsmotor speist, fällt bei den einzelnen Brennstoffzellen und somit im Brennstoffzellenstapel Reaktionswärme an, die über ein Kühlsystem abgeführt werden muss.
  • Bei derzeitigen Kühlsystemen wird ein Kühlmedium mit Hilfe einer Pumpe in einen Kreislauf geführt. Es strömt durch eine Vielzahl von Kühlkanälen innerhalb der Brennstoffzelle, nimmt dabei die Reaktionswärme auf und gibt sie anschließend an einem Wärmeüberträger an die Umgebungsluft ab. Hierfür ist üblicherweise im Brennstoffzellensystem ein Kühlkreislauf mit Kühler und Kühlmittel vorgesehen.
  • Eine wesentliche Herausforderung beim Einsatz von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen liegt darin, die ideale Temperatur von ca. 160°C möglichst schnell zu erreichen, da dort die höchste Leistungsdichte vorliegt. Folglich ist es das Ziel der Entwicklungsarbeit, die Startzeit auf ein Minimum zu reduzieren. Der oben beschriebene Kühlkreislauf stellt in nachteiliger Weise eine hohe thermische Masse dar, die zusätzlich zur Brennstoffzelle bis zum Erreichen der Betriebstemperatur aufgeheizt werden muss, wodurch die Aufheizdauer der Brennstoffzelle relativ lang ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen eine schnelle, zuverlässige und möglichst kosteneffiziente Aufheizung von Brennstoffzellen auf die gewünschte Betriebstemperatur zur Verkürzung der Kaltstartdauer, insbesondere beim Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, möglich ist, wobei die Aufgabe ferner darin besteht, nach Erreichen der Betriebstemperatur eine ebenfalls zuverlässige und möglichst kosteneffiziente Kühlung der Brennstoffzellen zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung geht von einem Kühlsystem für mindestens eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges aus, welches die Brennstoffzelle nach Erreichen einer Betriebstemperatur kühlt.
  • Mehrere Brennstoffzellen sind zumeist in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst.
  • Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist für einzelne Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel einsetzbar.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Kühlsystem einerseits einen im Bereich der mindestens einen Brennstoffzelle, die Reaktionswärme der Brennstoffzelle in einer Kaltstartphase aufnehmenden Primärkreislauf und andererseits einen außerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle angeordneten Sekundärkreislauf umfasst, wobei der Primärkreislauf zur thermischen Kopplung mit dem Sekundärkreislauf zum Kühlen der Brennstoffzelle nach Erreichen ihrer Betriebstemperatur zum Teil aus der Brennstoffzelle herausgeführt ist.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die thermische Kopplung des Primärkreislaufes und des Sekundärkreislaufes über einen Wärmetauscher, der einerseits mit dem aus dem Primärkreislauf herausgeführten Bereich und anderseits mit dem Sekundärkreislauf In Verbindung steht.
  • Der Primärkreislauf ist aus einem geschlossenen Wärmerohr gebildet, welches zumindest teilweise mit einem Fluid als Primärkühlmedium gefüllt ist, wobei das Wärmerohr eine Wärmequelle und eine aus dem Bereich der Brennstoffzelle herausgeführte, mit dem Sekundärkreislauf gekoppelte Wärmesenke ausbildet, wodurch sich zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ein Verdampfungs- und Kondensationskreislauf einstellt.
  • Bevorzugt ist ferner, dass der Sekundärkreislauf ebenfalls einen geschlossenen Kühlkreislauf umfasst, der mit mindestens einem Fluid als Sekundärkühlmedium gefüllt ist, welches in einem Reservoir bevorratet ist, von dem das Fluid über in Reihe geschaltete Komponenten mittels einer Pumpe zu dem mit dem Primärkreislauf gekoppelten Wärmtauscher und von dort über einen sich anschließenden Kühler wieder zum Reservoir zurück förderbar ist.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist ein Verfahren ausführbar, welches eine Verkürzung der Kaltstartdauer einer Brennstoffzelle gewährleistet und nach Erreichen ihrer Betriebstemperatur zum Kühlen der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.
  • Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reaktionswärme der Brennstoffzelle nach Durchlaufen einer gegenüber dem Stand der Technik verkürzten Kaltstartdauer bis zum Erreichen ihrer Betriebstemperatur zunächst von einem Primärkühlmedium eines Primärkreislaufes aufgenommen und nach Erreichen der Betriebstemperatur und thermischer Kopplung mit einem Sekundärkreislauf an den ein Sekundärkühlmedium führenden Sekundärkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle abgegeben wird.
  • Innerhalb des Verfahrens stellt sich in dem zumindest teilweise mit dem Primärkühlmedium gefüllten Primärkreislauf zwischen einer Wärmequelle und Wärmesenke des Wärmerohres ein Verdampfungs- und Kondensationskreislauf ein.
  • Die Reaktionswärme der Brennstoffzelle wird innerhalb der Kaltstartphase durch die Entkopplung von Primärkreislauf und Sekundärkreislauf zunächst nicht zum Kühlen, sondern nur zum Aufheizen der Brennstoffzelle auf ihre Betriebstemperatur, beispielsweise 160°C, genutzt. Da die Reaktionswärme der Brennstoffzelle zunächst zum Aufheizen der Brennstoffzelle selbst verwendet wird, ergibt sich der besondere Vorteil, dass die mit der Brennstoffzelle beziehungsweise die mit dem aus mehreren Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel in Verbindung stehende Kühlmittelmenge des im Primärkreislauf zirkulierenden Primärkühlmediums reduziert werden kann. Bisher wurde ein und dasselbe Kühlmedium, welches nach dem Aufheizen auf Betriebstemperatur später auch die Kühlung der Brennstoffzelle übernahm, innerhalb der Kaltstartphase vollständig aufgeheizt, wodurch sich eine sehr lange Kaltstartdauer ergab.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahren ist vorgesehen, die Reaktionswärme der Brennstoffzelle nach Erreichen der im Primärkreislauf gewünschten Betriebstemperatur der Brennstoffzelle durch Umwandlung der Reaktionswärme der Brennstoffzelle innerhalb eines den Primärkreislauf bildenden Wärmerohres in Verdampfungswärme und anschließend im Bereich der Wärmesenke des Wärmerohes von einem im Sekundärkreislauf mit dem Primärkreislauf gekoppelten Wärmetauscher als Kondensationswärme zu entnehmen und über mindestens einen im Sekundärkreislauf angeordneten Kühler an die Umgebung abzuführen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und aus der Beschreibung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematisches Wärmerohr, eine sogenannte Heatpipe und dessen Funktionsweise innerhalb eines Primärkreislaufes und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit angeordneten Wärmerohren sowie einer schematischen Darstellung der Verschaltung und Funktionsweise eines mit dem Primärkreislauf gekoppelten Sekundärkreislaufs.
  • Die 1 und 2 zeigen ein Kühlsystem K für mindestens eine Brennstoffzelle 30 unter Verwendung von so genannten Wärmerohren 10. Diese Wärmerohre 10 werden auch „Heatpipes” genannt. In den Wärmerohren 10 bildet ein Primärkühlmedium 11 einen Primärkreislauf P, der mit einem Sekundärkühlmedium 21 in einem Sekundärkreislauf S in thermischer Verbindung steht, wobei die thermische Masse des Primärkreislaufes P, des den Primärkreislauf P und den Sekundärkreislauf S umfassenden Kühlsystems 11, 21 beim Kaltstart von der Brennstoffzelle 30 thermisch entkoppelt ist.
  • Heatpipes weisen, wie 1 zeigt, grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres auf. Das Rohr wird mit einem Arbeitsmedium, dem Primärkühlmedium 11, beispielsweise Wasser gefüllt, wobei das in das Rohr eingefüllte Volumen des Primärkühlmediums 11 das hermetisch gekapselte Volumen des Rohres nicht vollständig ausfüllt.
  • Eine Heatpipe 10 verfügt grundsätzlich über mindestens je eine Wärmeübertragungsfläche A12, A14 für eine Wärmequelle 12 und eine Wärmesenke 14.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Wärmequelle 12 in einem Fahrzeug unterhalb der Wärmesenke 14 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das flüssige Primärkühlmedium 11 durch Schwerkraft beziehungsweise durch die Kapillarwirkung in Verdampfungsrichtung 15, das heißt in der Richtung in das Primärkühlmedium 11 erneut verdampft, wieder zur Wärmequelle 12 nach unten zurückkehrt.
  • Ist die Wärmequelle 12 oberhalb der Wärmesenke 14 angeordnet, wird das in der Wärmesenke 14 kondensierte, flüssige Primärkühlmedium 11 nicht mehr durch die Schwerkraft, sondern nur durch die Kapillarwirkung in Verdampfungsrichtung 15 wieder zur Wärmequelle 12 nach oben zurückkehren.
  • Bei dem aus einer Brennstoffzelle 30 durch die Reaktionswärme Q in die Heatpipes 10 erfolgenden Wärmeeintrag beginnt, gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante im unteren Bereich der Heatpipes 10 das Primärkühlmedium 11 unter Aufnahme der Verdampfungswärme ΔQV zu verdampfen. Der entstehende Dampf strömt in Kondensationsrichtung 13, d. h. in die Richtung in der das dampfförmige Primärkühlmedium 11 kondensiert, nach oben, wo der Dampf wegen der niedrigeren Temperatur in der Wärmesenke 14 unter Abgabe der Kondensationswärme ΔQK kondensiert.
  • Dabei wird die zuvor über die Wärmeübertragungsfläche A12 aufgenommene Wärme über die Wärmeübertragungsfläche A14 wieder abgegeben. Das in der Wärmesenke 14 als in der flüssigen Phase vorliegende Primärkühlmedium 11 kehrt in der bevorzugten Ausführungsvariante durch Schwerkraft und durch die Kapillarwirkung in Verdampfungsrichtung 15 wieder zur Wärmequelle 12 nach unten zurück, wo es erneut verdampft wird. Innerhalb der Heatpipes 10 stellt sich somit ein natürlicher Umlauf ein.
  • Da sich Dampf und Flüssigkeit des fluiden Primärkühlmediums 11 im gleichen geschlossenen Raum aufhalten, befindet sich das Primärkühlmedium 11 innerhalb des geschlossenen Primärkreislaufes P im Nassdampfgebiet. Das hat zur Folge, dass bei einem bestimmten Druck im Wärmerohr 10 exakt eine bestimmte Temperatur vorliegt. Die Druckunterschiede in Wärmerohren 10 und somit auch die Temperaturunterschiede sind meist sehr gering, das heißt, die sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle 12 als Verdampfer und Wärmesenke 14 als Kondensator 14 ist niedrig. Inder vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist unter Verwendung von zum Beispiel Wasser als Fluid des Primärkreislaufes P der Druck innerhalb der Heatpipes 10 so einzustellen, dass sich für das in flüssiger Phase vorliegende Primärkühlmedium 11 eine Verdampfungstemperatur von 160°C ergibt. Die Heatpipes 10 weisen dabei eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, um der Druckerhöhung durch die Verdampfung sowie bis hin zu einem Gefrieren des Wassers standzuhalten.
  • Wie in 2 dargestellt, werden innerhalb einer Brennstoffzelle 30 eines Brennstoffzellenstapels mehrere Heatpipes 10 über die gesamte aktive Fläche jeder einzelnen Brennstoffzellen verteilt. Im Stand der Technik sind ebenfalls mehrere Kühlkanäle innerhalb einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapel angeordnet. Diese Kühlkanäle entfallen bei der neuen Lösung, wobei der dadurch frei werdende Bauraum zur Anordnung der Heatpipes 10 genutzt werden kann. Durch diese Verteilung und aufgrund der oben beschriebenen isothermen Verdampfung kann somit eine sehr homogene Temperaturverteilung über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle 30 erreicht werden, wodurch thermische Spannungen innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen 30 vermieden werden und die Stromdichteverteilung über die Fläche der Brennstoffzelle 30 sehr homogen ausgeprägt ist.
  • Durch die Anordnung und Verwendung der Heatpipes 30 wird die Reaktionswärme Q über die Wärmesenke 14 aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt. Hierbei besteht jedoch zunächst kein thermischer Kontakt, das heißt kein Wärmeaustausch zu einem zweiten Sekundärkreislauf S mit einem Sekundärkühlmedium 21, welches die Reaktionswärme Q über die Wärmesenke 14 an die Umgebung abführen soll. Dies ist insbesondere in der Kaltstartphase bis zum Erreichen der vorgesehenen Betriebstemperatur von 160°C von besonderem Vorteil, da bis auf die unvermeidbaren thermischen Verluste, die gesamte Reaktionswärme QB der Brennstoffzellen 30 zunächst zum gegenüber dem Stand der Technik beschleunigten Aufheizen der Brennstoffzellen 30 selbst verwendet wird. Dadurch kann als weiterer besonderer Vorteil, die mit der Brennstoffzelle 30 beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel in Verbindung stehende Kühlmittelmenge des im Primärkreislauf P zirkulierenden Primärkühlmediums 11 reduziert werden. Ferner kann zusätzlich aufgrund der höheren Verdampfungsenthalpie und der spezifischen Wärmekapazität, des als Primärkühlmedium verwendeten Fluids – Wasser – im Vergleich zu den derzeit verwendeten Kühlmedien eine weitere Verringerung der Menge an Primärkühlmedium 11 innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgenommen werden. Die beschriebene Lösung trägt somit zur Reduktion der in der Startphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur aufzuheizenden thermischen Masse des gesamten Brennstoffzellenstapels bei, wodurch die thermische und damit die Aufheizdauer der Brennstoffzelle 30 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels verringert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindungsmeldung berücksichtigt darüber hinaus die weitere Wärmeabfuhr aus dem Primärkreislauf P durch den bereits erwähnten Sekundärkreislauf S durch Wärmeabgabe an die Umgebung.
  • Gemäß 2 wird hierzu nach Erreichen der Brennstoffzellenbetriebstemperatur ein weiteres Kühlmedium, das Sekundärkühlmedium 21 des Sekundärkreislaufes S, mittels einer Pumpe 22 aus einem innerhalb des Sekundärkreislaufes S für das Sekundärkühlmedium 21 angeordneten Reservoir an den oberen wärmeübertragenden Flächen A14 der Heatpipes 100 entlang geführt, an denen das Sekundärkühlmedium 21 die Kondensationswärme ΔQK aufnimmt. Um eine thermische Trennung zwischen einem die im bevorzugten Ausführungsbeispiel oben angeordneten wärmeübertragenden Flächen A14 der Heatpipes 100 einfassenden Wärmetauscher 24 zu gewährleisten, ist eine thermische Isolierung 40 zwischen Brennstoffzellenstapel und Wärmetauscher 24 vorgesehen. Um beim Wärmeaustausch möglichst kleine wärmeübertragende Flächen sowohl der Wärmeübertragungsfläche A14 der Heatpipes 10 als auch der Wärmetauscherfläche A24 des Wärmetauschers 24 und somit ein geringes Bauvolumen zu erreichen, und um alle Heatpipes 10 mit annähernd gleicher Temperatur zu umströmen, wird auch hier eine Wärmeaufnahme durch Verdampfen des Sekundärkühlmediums 21 im Wärmetauchers 24 vorgeschlagen.
  • Darüber hinaus ist durch das zumindest teilweise Verdampfen des Sekundärkühlmediums 21 im Sekundärkreislauf S ein erheblich geringerer Massenstrom des Sekundärkühlmediums 21 erforderlich, als bei konvektiven Wärmeübergängen eines nichtverdampfenden Sekundärkühlmediums. Hierdurch bietet sich ein erhebliches Einsparpotential an Energie durch die mögliche Verringerung der Leistung der Pumpe 22 im Sekundärkreislauf S.
  • Jedoch kann der Wärmeaustausch auch mit einem sich dauerhaft in flüssiger Phase befindenden Sekundärkühlmediums 21 in einem dafür bereitgestellten Wärmetauscher 24 mit konvektiven Wärmeübergängen durchgeführt werden.
  • Im Anschluss an die Wärmeaufnahme des Sekundärkühlmediums 21, die im Wesentlichen der Kondensationswärme ΔQK beziehungsweise der Verdampfungswärme ΔQV des Primärkühlmediums 11 entspricht, wird das Sekundärkühlmedium 21, vorzugsweise als zweiphasiges Wasser-Dampf-Gemisch, durch einen Kühler 26, der gleichzeitig als Kondensator dient, insbesondere einen Fahrzeugkühler geführt, in dem das Sekundärkühlmedium 21 kondensiert und die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Daraufhin wird das Sekundärkühlmedium 21 – ausschließlich in flüssiger Phase vorliegend – wieder in das Reservoir 20 zurückgeführt. Da der Sekundärkreislauf S von dem Primärkreislauf P getrennt ist, ist der Sekundärkreislauf S örtlich und dadurch sowohl thermisch als druckseitig von den Brennstoffzellen 30 isoliert betreibbar, wodurch in vorteilhafter Weise eine druckseitige Abstimmung des Kühlmediums zur Wärmeabfuhr aus den Brennstoffzellen 30, die bisher bestimmten Einschränkungen hinsichtlich der Drucklage unterlag, nicht mehr gegeben ist. Bei derzeit verwendeten Kühlsystemen darf der Druck im Kühlsystem der Brennstoffzellen nur unwesentlich höher als die Drucklage der beiden Reaktionspartner, Wasserstoff und Sauerstoff, liegen.
  • Aus der beschriebenen Trennung von Primärkreislauf P, der auch wegen seiner Anordnung innerhalb eines Brennstoffzellenstapels als Stapelkreislauf bezeichnet wird, und Sekundärkreislauf S, ergeben sich neben dem erreichten Freiheitsgrad hinsichtlich der Auswahl des Druckes innerhalb des Sekundärkreislaufes S weitere Freiheitsgrade hinsichtlich der im Sekundärkreislauf S verwendbaren Kühlmittel an sich.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wärmerohr (Heatpipe)
    11
    Primärkühlmedium
    12
    Wärmequelle
    13
    Kondensationsrichtung
    14
    Wärmesenke
    15
    Verdampfungsrichtung
    20
    Reservoir
    21
    Sekundärkühlmedium
    22
    Pumpe
    24
    Wärmetauscher
    26
    Kühler
    30
    Brennstoffzelle
    40
    thermische Isolierung
    K
    Kühlsystem
    P
    Primärkreislauf
    S
    Sekundärkreislauf
    A12
    Wärmeübertragungsfläche der Wärmequelle 12
    A14
    Wärmeübertragungsfläche der Wärmesenke 14
    A24
    Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers 24
    ΔQV
    Verdampfungswärme
    ΔQK
    Kondensationswärme
    QB
    Reaktionswärme

Claims (9)

  1. Kühlsystem (K) für mindestens eine Brennstoffzelle (30) eines Brennstoffzellenfahrzeuges (30), welches die Brennstoffzelle (30) nach Erreichen einer Betriebstemperatur kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (K) einerseits einen im Bereich der mindestens einen Brennstoffzelle (30), die Reaktionswärme (QB) der Brennstoffzelle (30) in einer Kaltstartphase aufnehmenden Primärkreislauf (P) und andererseits einen außerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle (30) angeordneten Sekundärkreislauf (S) umfasst, wobei der Primärkreislauf (P) zur thermischen Kopplung mit dem Sekundärkreislauf (S) zum Kühlen der Brennstoffzelle (30) nach Erreichen ihrer Betriebstemperatur zum Teil aus der Brennstoffzelle (30) herausgeführt ist.
  2. Kühlsystem (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung des Primärkreislaufes (P) und des Sekundärkreislaufes (S) über einen Wärmetauscher (24) erfolgt, der einerseits mit dem aus dem Primärkreislauf (P) herausgeführten Bereich und anderseits mit dem Sekundärkreislauf (S) in Verbindung steht.
  3. Kühlsystem (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf (P) aus einem geschlossenen Wärmerohr (10) gebildet ist, welches zumindest teilweise mit einem Fluid, als Primärkühlmedium (11) gefüllt ist, wobei das Wärmerohr (10) eine Wärmequelle (12) und eine aus dem Bereich der Brennstoffzelle (30) herausgeführte mit dem Sekundärkreislauf (S) gekoppelte Wärmesenke (14) ausbildet, wodurch sich zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (12, 14) ein Verdampfungs- und Kondensationskreislauf einstellt.
  4. Kühlsystem (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (S) einen geschlossen Kühlkreislauf umfasst, der mit mindestens einem Fluid (21), als Sekundärkühlmedium gefüllt ist, welches in einem Reservoir (20) bevorratet ist, von dem das Fluid über in Reihe geschaltete Komponenten mittels einer Pumpe (22) zu dem mit dem Primärkreislauf (P) gekoppelten Wärmtauscher (24) und von dort über einen sich anschließenden Kühler (26) wieder zum Reservoir (20) zurück förderbar ist.
  5. Verfahren zur Verkürzung der Kaltstartdauer und zum Kühlen einer Brennstoffzelle (30) nach Erreichen ihrer Betriebstemperatur unter Verwendung eines Kühlsystem (100) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktionswärme (QB) der Brennstoffzelle (30) nach Durchlaufen einer kurzen Kaltstartdauer bis zum Erreichen ihrer Betriebstemperatur zunächst von einem Primärkühlmedium (11) eines Primärkreislaufes (P) aufgenommen und nach Erreichen der Betriebstemperatur und thermischer Kopplung mit einem Sekundärkreislauf (S) an den ein Sekundärkühlmedium (21) führenden Sekundärkreislauf (S) zur Kühlung der Brennstoffzelle (30) abgegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem zumindest teilweise mit dem Primärkühlmedium (11) gefüllten Primärkreislauf (P) zwischen einer Wärmequelle und Wärmesenke (12, 14) ein Verdampfungs- und Kondensationskreislauf einstellt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionswärme (ΔQB) innerhalb der Kaltstartphase durch die Entkopplung von Primärkreislauf (P) und Sekundärkreislauf (S) zunächst nicht zum Kühlen, sondern nur zum Aufheizen der Brennstoffzelle (30) auf ihre Betriebstemperatur genutzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionswärme (ΔQB) der Brennstoffzelle (30) nach Erreichen der im Primärkreislauf (P) gewünschten Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (30) durch Umwandlung der Reaktionswärme (ΔQB) der Brennstoffzelle (30) innerhalb eines den Primärkreislauf (P) bildenden Wärmerohres (10) in Verdampfungswärme (ΔQV) und anschließend im Bereich der Wärmesenke (14) des Wärmerohes (10) von einem im Sekundärkreislauf (S) mit dem Primärkreislauf (P) gekoppelten Wärmetauscher (26) als Kondensationswärme (ΔQK) entnommen und über mindestens einen im Sekundärkreislauf (S) angeordneten Kühler (26) an die Umgebung abgeführt wird.
  9. Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen (30) mit einem Kühlsystem (K) nach Anspruch 1 bis 4.
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