DE102012023828A1

DE102012023828A1 - Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102012023828A1
Application number: DE201210023828
Authority: DE
Inventors: Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (2) für ein Brennstoffzellenfahrzeug (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (5) sowie wenigstens einer Systemkomponente (9, 10, 11, 12, 16, 17, 18). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) und die wenigstens eine Systemkomponente (9, 10, 11, 12, 16, 17, 18) von einem Systemgehäuse (19) umgeben sind, wobei mittels einer Luftfördereinrichtung (27) ein Luftstrom durch das Systemgehäuse (19) erzeugbar ist. Der Luftstrom kann insbesondere erwärmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Vorbereiten des Starts eines solchen Brennstoffzellensystems bzw. -fahrzeugs.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise bestehen diese aus wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, welcher seinerseits eine Vielzahl von Einzelzellen aufweist. Der Brennstoffzellenstapel selbst ist dann typischerweise in einem Brennstoffzellengehäuse angeordnet und ist mit weiteren Systemkomponenten wie beispielsweise Befeuchter, Ventileinrichtungen, Leitungselemente, Luftfördereinrichtungen, einem Wasserstoffrezirkulationsgebläse, Turbinen und/oder Wasserabscheidern zu dem Brennstoffzellensystem komplettiert.
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, das Brennstoffzellensysteme bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts teilweise sehr schlecht gestartet werden können, da sowohl die Brennstoffzelle selbst als auch alle oder einige der Systemkomponenten von Eis in ihrer Funktion blockiert sein können. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil bei dem Brennstoffzellensystem aus den eingesetzten Edukten neben der gewünschten elektrischen Leistung Produktwasser entsteht, welches sehr rein ist und, sofern es in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sehr leicht einfriert. Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist es daher allgemein bekannt und üblich, einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems beheizbar auszugestalten, um diese im Falle eines Starts bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts entsprechend schnell aufwärmen und den Start des Brennstoffzellensystems durchführen zu können. Beispielhaft soll in diesem Zusammenhang auf die deutsche Patentschrift DE 101 02 358 B4 verwiesen werden. Diese beschäftigt sich mit einem Befeuchter für eine Brennstoffzelle als beispielhafte Systemkomponente. Dieser Befeuchter ist beheizt ausgeführt und kann beispielsweise über eine elektrische Beheizung oder die Anbindung an einen Kühlkreislauf der Brennstoffzelle erwärmt werden, um einen schnellen Start des Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Befeuchter zu ermöglichen.
Die Anbindung einer Vielzahl von Systemkomponenten an eine elektrische Beheizung oder einen Kühlkreislauf zur Beheizung mittels der Kühlflüssigkeit ist entsprechend aufwändig und komplex, da er zusätzliche Leitungselemente, Wärmetauscher und dergleichen in dem System vorsehen muss. Das System wird dadurch außerordentlich komplex, groß und teuer.
Eine alternative Möglichkeit besteht darin, verschiedene Komponenten thermisch miteinander zu koppeln, beispielsweise indem diese mechanisch miteinander verbunden werden. Eine solche thermische bzw. wärmeleitende Kopplung der Komponenten, welche beispielsweise in der DE 10 2008 061 771 A1 , wiederum am Beispiel des Befeuchters, beschrieben ist, kann eine Erwärmung der Komponenten jedoch nur dann bewerkstelligen, wenn zumindest eine der Ausgangskomponenten, typischerweise die wenigstens eine Brennstoffzelle selbst, bereits entsprechend erwärmt ist. Die Erwärmung kann also nicht zur Vorbereitung eines Starts sondern erst nach dem Start der Brennstoffzelle erfolgen, wodurch entsprechende Nachteile bei dem Zeitablauf für den Start des Brennstoffzellensystems entstehen, da die Erwärmung eine entsprechend lange Zeit benötigt.
Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug bzw. ein Brennstoffzellenfahrzeug anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet, und welches ein optimiertes Verfahren zum Vorbereiten eines Starts, insbesondere bei Gefrierbedingungen, ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches die Aufgabe löst, ist mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrzeugs ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist ein entsprechendes Verfahren im Anspruch 10 angegeben. Die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 lösen ebenfalls die oben genannte Aufgabe.
Die wenigstens eine Brennstoffzelle wird typischerweise als Stapel von vielen Einzelzellen ausgebildet sein. In den meisten Fällen ist dabei um den Brennstoffzellenstapel ein Brennstoffzellengehäuse angeordnet, welches beispielsweise mit einem Wasserstoffsensor oder entsprechenden Einrichtungen versehen ist, um Wasserstoff, im Falle eine Undichtheit, entsprechend zu neutralisieren. Um die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellengehäuse und die Systemkomponenten wird erfindungsgemäß nun ein Systemgehäuse angeordnet, welches die Brennstoffzelle und die Systemkomponenten umfasst und ein kompaktes innerhalb des Gehäuses in sich abgeschlossenes Brennstoffzellensystem bereitstellt. Über eine Luftfördereinrichtung kann nun, bei Bedarf, ein Luftstrom durch das Gehäuse erzeugt werden. Ein solcher Luftstrom durch das Gehäuse ermöglicht die Erzeugung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Systemgehäuses aufgrund der Luft, welche dieses als Temperierungsmedium bzw. Wärmefördermedium durchströmt.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass der Luftstrom vor dem Eintritt in das Systemgehäuse einen Wärmetauscher durchströmt. Insbesondere bei diesem besonders vorteilhaften und günstigen Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ist bei Bedarf eine gezielte Erwärmung des Brennstoffzellensystems, also der Brennstoffzelle selbst und insbesondere der Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems, möglich. Der Wärmetauscher wird in diesem Fall entsprechend beheizt, beispielsweise elektrisch oder über eine erwärmte Flüssigkeit. Die Wärme geht dann auf den aktiv durch die Luftfördereinrichtung geförderten Luftstrom über, welcher die Wärme in das Systemgehäuse trägt und dort die Brennstoffzelle und insbesondere die Systemkomponenten der Brennstoffzelle umströmt und hierdurch erwärmt. Durch einen einzigen Wärmetauscher, welcher vorteilhafterweise außerhalb des Systemgehäuses platziert werden kann, und die Luftfördereinrichtung, welche beispielsweise in einer Öffnung des Systemgehäuses platziert werden kann, kann so außerordentlich einfach und effizient eine Erwärmung der Systemkomponenten und der Brennstoffzelle innerhalb des Systemgehäuses erfolgen. Dabei müssen lediglich geringe Strömungsquerschnitte für die Luft innerhalb des Systemgehäuses vorgesehen sein, sodass der Aufbau, anders als bei einer Anbindung einzelner Systemkomponenten über elektrische Leitungen oder Leitungen für ein Temperierungsfluid, ohne zusätzliche Bauteile und mit sehr viel weniger Bauraum innerhalb des Brennstoffzellensystems, eine sehr gute Erwärmung der Systemkomponenten erzielt werden kann. Dabei ist insbesondere eine sehr gezielte Erwärmung auch solcher Systemkomponenten möglich, welche nicht ohnehin im Kontakt zu einem Kühlkreislauf für die wenigstens eine Brennstoffzelle stehen.
Wie bereits erwähnt kann der Wärmetauscher dabei beispielsweise elektrisch beheizt sein, oder wird von einer Flüssigkeit als Wärmelieferant durchströmt. Diese Flüssigkeit kann ihrerseits wiederum beispielsweise elektrisch oder über einen Brenner – beispielsweise für Wasserstoff – erwärmt werden, sodass die Wärme unabhängig vom Betrieb des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden kann. Die Wärme kann damit vor der eigentlichen Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems erzeugt werden, um so über die Luftströmung die Brennstoffzelle und die Systemkomponenten innerhalb des Systemgehäuses vorzuwärmen und auf einen bevorstehenden Start des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, ideal vorzubereiten.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug, welches insbesondere ein Omnibus sein kann, ist es nun vorgesehen, dass neben dem Brennstoffzellensystems in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein Temperierungssystem des Brennstoffzellenfahrzeugs vorhanden ist. Der Luftstrom vor dem Systemgehäuse wird bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug dabei zumindest mittelbar durch das Temperierungssystem erwärmt. Eine solche Erwärmung des Luftstroms durch das Temperierungssystem entweder direkt oder indirekt ermöglicht eine optimale Startvorbereitung des Brennstoffzellensystems.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs kann es dementsprechend vorgesehen sein, dass das Temperierungssystem zumindest teilweise zur Beheizung eines Innenraums des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildet ist, wobei warme Abluft aus dem Innenraum als Luftstrom durch das Systemgehäuse strömt. Abluft des beheizten Innenraums wird typischerweise, zumindest nachdem der Innenraum für eine gewisse Zeit beheizt worden ist, Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts aufweisen. Die Abwärme ist dabei sehr gut geeignet, um als Luftstrom durch das Systemgehäuse des Brennstoffzellensystems zu strömen und dort die Brennstoffzelle und Systemkomponenten zu erwärmen. Da ein gewisser Abluftstrom bei der Innenraumbeheizung des Fahrzeugs ohnehin notwendig ist, kann die Beheizung des Brennstoffzellensystems so annähernd ohne zusätzliche eingesetzte Energie erfolgen.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Brennstoffzellenfahrzeugs kann es auch vorgesehen sein, dass der Luftstrom vor dem Systemgehäuse mittels des Wärmetauschers erwärmt wird, wobei der Wärmetauscher als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher von einer Flüssigkeit aus einem Temperierungssystem des Brennstoffzellenfahrzeugs durchströmt wird. Eine solche Flüssigkeit aus dem Temperierungssystem für das Brennstoffzellenfahrzeug kann insbesondere eine Kühlflüssigkeit für das Brennstoffzellensystem selbst oder auch eine Heizflüssigkeit für ein Heizsystem für den Innenraum des Fahrzeugs sein. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs kann es dementsprechend vorgesehen sein, dass das Temperierungssystem weitere Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher als Innenraumheizung für das Brennstoffzellenfahrzeug aufweist. Ein solches Temperierungssystem kann also mit einer Flüssigkeit zur Beheizung sowohl des Innenraums als auch des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein. Die Flüssigkeit wird beispielsweise elektrisch oder über einen Brenner beheizt und kann so sehr energieeffizient zur Beheizung sowohl des Innenraums als auch des Brennstoffzellensystems beitragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vorbereitung des Starts eines derartigen Brennstoffzellensystems bzw. Brennstoffzellenfahrzeugs ist es nun vorgesehen, dass vor dem elektrischen Start der Brennstoffzelle das Systemgehäuse von einem erwärmten Luftstrom durchströmt wird. Unabhängig von dem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird, insbesondere wenn Gefrierbedingungen vorliegen, also die Temperaturen beispielsweise in der Umgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs nahe am Gefrierpunkt oder unterhalb des Gefrierpunkts sind, eine Erwärmung des Brennstoffzellensystems vorgenommen. Diese Erwärmung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems vorhandenes Kühlmedium entsprechend erwärmt und durch das Brennstoffzellensystem gefördert wird. Hierdurch werden dann in an sich bekannter Art und Weise die mit dem Kühlmedium in Verbindung stehenden Bauteile entsprechend erwärmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun alternativ oder insbesondere zusätzlich ein erwärmter Luftstrom, welcher insbesondere durch dasselbe Kühlmedium in einem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher erwärmt wird, durch das Systemgehäuse geleitet, um so auch die Komponenten wie beispielsweise Befeuchter, Ventileinrichtungen, Klappen oder dergleichen zu erwärmen und gegebenenfalls aufzutauen, welche nicht mit dem Kühlmedium in unmittelbarer Verbindung stehen.
Synergieeffekte lassen sich dabei erzielen, indem gleichzeitig eine Beheizung des Innenraums, was insbesondere bei der Ausbildung des Brennstoffzellenfahrzeugs als Omnibus für den Komfort der Passagiere von entscheidendem Vorteil ist, mit vorgenommen wird. Hierdurch kann letztlich Energie eingespart werden, da die Beheizung des Innenraums und des Brennstoffzellensystems durch die erwärmte Luft entsprechend koordiniert und energetisch optimiert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenfahrzeugs sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der Erfindung;
2 das Brennstoffzellensystem und das Temperierungssystem des Fahrzeugs gemäß 1 in einer vergrößerten Prinzipdarstellung.
In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 1, in diesem Beispiel ein Omnibus, zu erkennen. Auf dem Dach des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 2 sowie ein Temperierungssystem 3 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 und das Temperierungssystem 3 werden später noch näher beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 2 und das Temperierungssystem 3 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb eines Innenraums 4 des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 angeordnet. Über das Brennstoffzellensystem 2 wird elektrische Antriebsleitung für das Brennstoffzellenfahrzeug 1 bereitgestellt.
In der Darstellung der 2 ist das Brennstoffzellensystem 2 in einer prinzipmäßigen Darstellung neben dem Temperierungssystem 3 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 5 bzw. ein Brennstoffzellenstapel 5. Dieser weist einen Kathodenraum 6 und einen Anodenraum 7 auf. Außerdem ist im Bereich der Brennstoffzelle 5 ein Kühlwärmetauscher 8 angeordnet, welcher von einem flüssigen Wärmetransportmedium des Temperierungssystems 3 durchströmt wird, um bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 5 entstehende Abwärme abzuführen. Dieses flüssige Temperierungsmedium wird nachfolgend als Kühlmedium bezeichnet, auch wenn es in bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems 2 bzw. des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 nicht zur Kühlung sondern zur Erwärmung von bestimmten Komponenten, Stoffströmen oder dergleichen herangezogen wird.
Das Brennstoffzellensystem 2 in der Darstellung der 2 ist dabei sehr stark schematisiert. Neben der Brennstoffzelle 5 weist es einen an sich bekannten Befeuchter 9 sowie einen kathodenseitigen Wasserabscheider 10 auf. Über einen Kompressor 11 wird dem Kathodenraum 6 Luft als Sauerstofflieferant über den Befeuchter 9 zugeführt. Die mit Feuchte beladene Abluft gelangt wiederum über den Befeuchter 9 und den kathodenseitigen Wasserabscheider 10 in eine Expansionseinrichtung 12, beispielsweise eine Turbine. Diese sitzt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit einer elektrischen Maschine 13 und dem Kompressor 11 auf einer Welle und wird als sogenannter ETC (Electric Turbo Charger) bzw. elektrischer Turbolader bezeichnet. Die Expansionseinrichtung 12 dient dabei zur Rückgewinnung von thermischer Energie und Druckenergie in der Abluft aus der Brennstoffzelle 5. Der Aufbau des elektrischen Turboladers und seine Funktionsweise sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
Aus einem hier nicht dargestellten Wasserstoffspeicher, beispielsweise einem Druckgastank, wird über die mit 14 bezeichnete Leitung Wasserstoff in den Bereich des Anodenraums 7 zugeführt. Unverbrauchtes Abgas aus dem Anodenraum 7 gelangt in an sich bekannter Art und Weise über eine Rezirkulationsleitung 15 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 16, welche beispielsweise, wie hier dargestellt, als Gebläse ausgebildet sein kann, zurück und wird dem Anodenraum 7 mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Anstelle eines Gebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung 16 wäre ebenso eine Gasstrahlpumpe oder eine Kombination aus Gasstrahlpumpe und Gebläse denkbar. Im dem rezirkulierten Abgasstrom mitgeführtes Wasser wird in einem anodenseitigen Wasserabscheider 17 abgeschieden. Beide Wasserabscheider 10, 17 weisen jeweils eine Ventileinrichtung 18 auf, über welche Wasser beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands abgelassen werden kann. Dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen und kann durch den Fachmann in an sich bekannter Art und Weise beliebig abgewandelt werden, ohne dass die Idee der Erfindung hierdurch verändert wird.
Das Brennstoffzellensystem 2 mit den soeben angesprochenen Systemkomponenten 9, 10, 11, 12, 16, 17, 18 befindet sich dabei in einem Systemgehäuse 19, welches das Brennstoffzellensystem 2 in seiner Gesamtheit umgibt und dieses zu einer entsprechenden Einheit zusammenfasst. Das Systemgehäuse 19 kann beispielsweise auf dem Dach des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 in der in 1 angedeuteten Art und Weise angeordnet sein. Neben dem Systemgehäuse 19 des Brennstoffzellensystems 2 befindet sich die Temperierungseinrichtung 3, welche beispielsweise als Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle 5 bzw. den Kühlwärmetauscher 8 der Brennstoffzelle 5 eingesetzt wird. Das Temperierungssystem 3 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kühlmittelfördereinrichtung 20 sowie einen Kühler 21 zur Abfuhr von Wärme an die Umgebung während des regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems 2. Über einen Bypass 22 mit entsprechender Ventileinrichtung 23 kann der Kühler 21 ganz oder voll in bzw. aus dem Kreislauf des Kühlmediums herausgeschaltet werden. Über eine weitere Bypassleitung 24 mit entsprechender Ventileinrichtung 25 kann außerdem ein Wärmetauscher 26, welcher als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist, bei Bedarf von dem Kühlmedium durchströmt werden. Im Bereich dieses Wärmetauschers 26 befindet sich eine Luftfördereinrichtung 27 in Form eines Gebläses. Über eine Luftleitung 28 kann ein in dem Wärmetauscher 26 erwärmter Luftstrom über eine Öffnung 29 in das Systemgehäuse 19 des Brennstoffzellensystems 2 gefördert werden. Die erwärmte Luft durchströmt dann das Brennstoffzellensystem 2 – wie durch zahlreiche Pfeile angedeutet – und umströmt hier insbesondere die Komponenten, welche keine Anbindung an das Kühlmedium aufweisen. Über eine weitere Öffnung 30 kann der Luftstrom in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dann durch die Luftfördereinrichtung 27 wieder angesaugt und durch den Wärmetauscher 26 weiter erwärmt werden. Hierdurch entsteht ein Warmluftkreislauf durch die Luftleitung 28 und das Systemgehäuse 19, welcher durch die Luftfördereinrichtung 27 bei Bedarf aufrechterhalten werden kann. Ist dabei das Kühlmedium entsprechend erwärmt, so wird Wärme von dem Kühlmedium über den Wärmetauscher 26 auf die Luft übertragen und diese erwärmt wiederum die Systemkomponenten 9, 10, 11, 12, 16, 17, 18. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Brennstoffzellensystem 2 selbst noch nicht betrieben wird, wenn jedoch Temperaturen im Bereich des Gefrierpunkts oder unterhalb des Gefrierpunkts vorliegen. In dieser Situation muss damit gerechnet werden, dass die Systemkomponenten 9, 10, 11, 12, 16, 17, 18 und/oder die Brennstoffzelle 5 selbst durch Eis in ihrer Funktion beeinträchtigt sind und ein unmittelbarer Start des Brennstoffzellensystems 2 nicht möglich ist. In dieser Situation kann dann das Kühlmedium, beispielsweise über eine angedeutete elektrische Heizeinrichtung 31, beheizt werden, wobei das Kühlmedium in diesem Fall über den Bypass 22 strömt, um nicht im Kühler 21 abgekühlt zu werden. Die Wärme gelangt dann durch das warme Kühlmedium unmittelbar in die Brennstoffzelle 5, und zwar über den Kühlwärmetauscher 8 sowie bei entsprechend geschalteter Ventileinrichtung 25 teilweise durch den Wärmetauscher 26 auf die über die Luftfördereinrichtung 27 geförderte Luft, um so die nicht mit dem Kühlmedium in Verbindung stehenden Systemkomponenten 9, 10, 11, 12, 16, 17, 18 des Brennstoffzellensystems 2 zu erwärmen.
Ergänzend dazu kann das Temperierungssystem 3 außerdem in schaltbarer Verbindung mit einem oder typischerweise mehreren weiteren Wärmetauschern 32 stehen, welche für die Beheizung des Innenraums für das Brennstoffzellenfahrzeug 1 eingesetzt werden können.
Anstelle der Kreislaufführung der erwärmten Luft zur Erwärmung des Brennstoffzellensystems 2 zwecks Startvorbereitung bei niedrigen Umgebungstemperaturen könnte auch Abluft aus dem erwärmten Innenraum entsprechend eingesetzt werden, oder eine Erwärmung der Luft unmittelbar durch eine elektrische Heizeinrichtung anstelle des hier beschriebenen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauschers 26 erfolgen. Ebenso wäre es denkbar die Luft nicht im Kreislauf durch das Systemgehäuse 19 zu führen, sondern, beispielsweise bei der Verwendung von Abluft aus dem Innenraum 4 des Brennstoffzellenfahrzeugs 1, die Luft durch das Systemgehäuse 19 hindurch an die Umgebung abzugeben.
Alles in allem ist der Aufbau außerordentlich einfach und erlaubt ein sehr kompakt aufgebautes Brennstoffzellensystem 2, bei welchem lediglich Spalte zur Umströmung der einzelnen Komponenten, Leitungen, Ventile und dergleichen mit Luft vorgesehen werden muss, um das Brennstoffzellensystem 2 für einen Gefrierstart leicht, einfach und effizient vorzuwärmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10102358 B4 [0003]
DE 102008061771 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellensystem (2) für ein Brennstoffzellenfahrzeug (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (5) sowie wenigstens einer Systemkomponente (9, 10, 11, 12, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) und die wenigstens eine Systemkomponente (9, 10, 11, 12, 16, 17, 18) von einem Systemgehäuse (19) umgeben sind, wobei mittels einer Luftfördereinrichtung (27) ein Luftstrom durch das Systemgehäuse (19) erzeugbar ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom vor dem Eintritt in das Systemgehäuse (19) einen Wärmetauscher (26) durchströmt.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (26) zumindest mittelbar elektrisch beheizt ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (26) von einer Flüssigkeit als Wärmelieferant durchströmt ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom vor dem Systemgehäuse (19) zumindest mittelbar durch ein Temperierungssystem (2) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) erwärmt ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem (3) zumindest teilweise zur Beheizung eines Innenraums (4) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) ausgebildet ist, wobei warme Abluft aus dem Innenraum (4) als Luftstrom durch das Systemgehäuse (19) strömt.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom vor dem Systemgehäuse (19) mittels eines Wärmetauschers (26) erwärmt wird, wobei der Wärmetauscher (26) als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei die den Wärmetauscher (26) durchströmende Flüssigkeit aus dem Temperierungssystem (3) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) stammt.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem (3) als Kühlkreislauf für das Brennstoffzellensystem (2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem (3) einen Wärmetauscher (32) zur Beheizung des Innenraums (4) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) aufweist.
Verfahren zur Vorbereitung des Starts des Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem elektrischen Start der Brennstoffzelle (5) das Systemgehäuse (19) von einem erwärmten Luftstrom durchströmt wird.