DE102013217594A1

DE102013217594A1 - Brennstoffzellensystem mit Temperiervorrichtung undVerfahren zum Temperieren einesBrennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102013217594A1
Application number: DE102013217594.9A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Hartung; Marcus Menzel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) sowie ein Verfahren zum Temperieren des Brennstoffzellensystems (1). Um das Brennstoffzellensystem (1) möglichst effektiv temperieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Temperiereinrichtung (9, 14) aufweist, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) erzeugtes Produktwasser (P) unabhängig vom Aggregatzustand sammelt und durch Veränderung dieses Aggregatzustandes das Brennstoffzellensystem (1) temperiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einer Brennstoffzelle und einer einen Temperierkreislauf aufweisenden Temperiervorrichtung zur Temperierung des Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme und Verfahren zu deren Temperierung der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren liegt ein zulässiger Betriebstemperaturbereich von Brennstoffzellen bei geringeren Temperaturen. Die Temperaturdifferenz zwischen zulässigen Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle und deren Umgebung ist also im Allgemeinen geringer als Temperaturdifferenzen zwischen zulässigen Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors und dessen Umgebung. Um das Brennstoffzellensystem ausreichend kühlen zu können, sind daher vergleichsweise große Wärmetauscher notwendig. In vielen Anwendungsgebieten und insbesondere bei Kraftfahrzeugen ist der Bauraum für Wärmetauscher jedoch begrenzt.
Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist das Brennstoffzellensystem bei dessen Inbetriebnahme zu erwärmen, um beispielsweise gefrorenes Produktwasser innerhalb der Brennstoffzelle aufzuschmelzen. Zum Erwärmen wird vielfach eine elektrische Heizvorrichtung verwendet. Die zum Betrieb der Heizvorrichtung notwendige elektrische Energie kann durch eine Batterie bereitgestellt werden, wobei die Batterie mit von der Brennstoffzelle im Betrieb erzeugter elektrischer Energie wieder aufladbar sein kann. Es steht also weniger elektrische Energie für einen externen Verbraucher bereit, solange die Heizvorrichtung mit elektrischer Energie betrieben und/oder die eine Betriebsenergie für die Heizvorrichtung bereitstellende Batterie aufgeladen wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem effektiv temperierbar ist.
Für das eingangs genannte Brennstoffzellensystem ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Temperiervorrichtung mindestens eine Wärme übertragend mit dem Temperiermittelkreislauf verbundene Temperiereinrichtung aufweist, der vom Brennstoffzellensystem im Betrieb erzeugtes Produktwasser zuführbar ist und die ausgebildet ist, den Aggregatzustand des Produktwassers zu ändern. Die Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass der Aggregatzustand eines vom Brennstoffzellensystem im Betrieb erzeugten Produktwassers zum Temperieren des Brennstoffzellensystems geändert wird.
Durch die Verwendung des Produktwassers kann das Brennstoffzellensystem, ohne diesem Energie zum Erwärmen oder zum Abkühlen zuführen zu müssen, und auch mit normal großen Wärmetauschern effektiv temperiert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungsformen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann das Produktwasser zum Kühlen verdampft oder zum Erwärmen kondensiert oder erstarrt werden.
Die Temperiereinrichtung kann zumindest teilweise über eine Wärmebrücke, beispielsweise ein Wärmeübertragungselement, Wärme übertragend mit dem Temperiermittelkreislauf verbunden sein. Vorzugsweise durchströmt der Temperiermittelkreislauf die Temperiereinrichtung, wodurch ein besonders effektiver Austausch von Wärmeenergie mit dem Temperiermittelkreislauf gewährleistet ist.
Die Temperiereinrichtung kann eine Kühleinrichtung aufweisen, der im Betrieb des Brennstoffzellensystems das Produktwasser zuführbar ist und die Wärme leitend, zum Beispiel über die Wärmebrücke, wie etwa ein Wärmeübertragungselement, mit einem Kühlpfad des Temperierkreislaufs verbunden ist. Die Wärmeleitung ist besonders effektiv, wenn der Kühlpfad die Temperiereinrichtung zumindest teilweise durchsetzt. Die Temperiereinrichtung kann im Kühlpfad enthaltene Wärmeenergie aufnehmen und abführen. Ist das Produktwasser flüssig, so kann es auf die Kühleinrichtung aufgebracht werden und dort verdunsten oder verdampfen. Durch die Verdampfungsenthalpie wird die Kühleinrichtung gekühlt, so dass auch verhältnismäßig kleine Kühleinrichtungen im Betrieb des Brennstoffzellensystems entstehende Wärme ableiten können.
Die Temperiereinrichtung kann einen Kondensator aufweisen, dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems das Produktwasser zuführbar ist, und der Wärme leitend mit einem Heizpfad des Temperiermittelkreislaufs verbunden ist. Durch den Heizpfad, der beispielsweise von einem Hauptpfad des Temperiermittelkreislaufs abzweigt, kann ein Temperiermittel, beispielsweise ein auf Wasser basierendes Temperierfluid, zumindest teilweise oder vollständig strömen, wenn die Brennstoffzelle zu erwärmen ist. Der Heizpfad kann sich durch eine Heizeinrichtung, beispielsweise einen Elektroheizer, erstrecken. Ein Wärmeübergangsbereich, in dem der Kondensator Wärme leitend mit dem Temperiermittelkreislauf verbunden ist, ist vorzugsweise in Reihe mit der Heizeinrichtung vorgesehen. Beispielsweise ist der Kondensator entlang des Heizpfades und in einer Strömungsrichtung des Temperiermittels vor oder nach der Heizeinrichtung vorgesehen.
Kondensiert gasförmiges Produktwasser am Kondensator, so wird dieser, und somit auch das Temperiermittel, durch die Kondensationsenthalpie erwärmt. Die Kondensationswärme wird vom Temperiermittelkreislauf verteilt und das Brennstoffzellensystem, zum Beispiel die Brennstoffzelle, durch Erwärmen temperiert.
Das am Kondensator kondensierte Produktwasser kann zurück zu einer Produktwasserableitung geleitet werden. Alternativ kann das kondensierte Produktwasser dem Temperiermittelkreislauf zur Verfügung gestellt werden, um Temperiermittelverluste auszugleichen.
Vorzugsweise ist der Kondensator ausgangsseitig Flüssigkeit leitend mit einer Kühleinrichtung, die Teil des Kühlpfades des Temperiermittelkreislaufs sein kann, verbunden. Der Kühlpfad kann vom Hauptpfad abzweigen und beispielsweise parallel zum Heizpfad verlaufen. Um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu senken, kann das kondensierte Produktwasser verdampft und durch die Verdampfungsenthalpie die Brennstoffzelle gekühlt werden.
Kann flüssiges Produktwasser oder anderes flüssiges Wasser auch ohne den Kondensator bereitgestellt werden, kann dieses, auch ohne am Kondensator kondensiert worden zu sein, bei Bedarf zur Kühleinrichtung geleitet werden.
Zur effektiven Ableitung von Wärme aus dem Temperiermittel kann die Kühleinrichtung einen Verdunstungskühler aufweisen, dem das Produktwasser zuführbar ist. Beispielsweise ist der Verdunstungskühler Flüssigkeit leitend mit dem Kondensator verbunden oder verbindbar. Der Verdunstungskühler kann vom Kühlpfad des Temperiermittelkreislaufs durchsetzt sein, um einen effektiven Abtransport von Wärme aus dem Kühlmittel zu gewährleisten. Eine Verdunstungsfläche des Verdunstungskühlers, auf die das flüssige Produktwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle aufgebracht wird, kann strukturiert sein, um eine möglichst große Kontaktfläche für das kondensierte Produktwasser bereitzustellen. Um zu verhindern, dass Wasser von der Verdunstungsfläche abläuft, ohne zu verdunsten, kann diese ausgebildet sein, Wasser zu halten oder zu speichern. Beispielsweise ist die Verdunstungsfläche Bestandteil einer schwammartigen Speicher- und Verdunstungsstruktur. Das Produktwasser kann zum Beispiel als ein Sprühnebel auf die Kühleinrichtung aufgesprüht werden.
Da in der Regel die Brennstoffzelle nicht gleichzeitig erwärmt und gekühlt werden muss, kann die Temperiervorrichtung einen Sammelbehälter aufweisen, dem eingangsseitig das Produktwasser zugeführt und der ausgangsseitig mit der Kühleinrichtung verbunden ist. Der Sammelbehälter nimmt das beispielsweise beim Erwärmen der Brennstoffzelle kondensierte oder abgeschiedene Produktwasser auf und hält es bereit, bis die Brennstoffzelle zu kühlen ist. Zum Senken der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gibt der Sammelbehälter das flüssige Produktwasser ab, das dann zur Kühleinrichtung geleitet und dort verdunstet wird. Der Sammelbehälter kann ferner Fluid leitend mit einer Produktwasserableitung verbunden sein, um nicht benötigtes kondensiertes Produktwasser abgeben zu können, ohne dass die Kühleinrichtung mit dem nicht benötigten Produktwasser beaufschlagt wird.
Das Brennstoffzellensystem kann so ausgebildet sein, dass ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Betriebsgas, beispielsweise Wasserstoff oder Luft, zum Kondensator und von dort der Brennstoffzelle zuführbar ist. Am Kondensator kann im Betriebsgas enthaltene Feuchtigkeit auskondensieren, um eine ungewollte Befeuchtung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die auskondensierte Feuchtigkeit kann ebenfalls als Produktwasser zur Kühlung des Brennstoffzellensystems und zum Beispiel zur Kühlung der Brennstoffzelle verwendet werden.
Beispielsweise weist der Kondensator zwei Kondensationsbereiche auf, wobei dem ersten Kondensationsbereich das gasförmige Produktwasser und dem zweiten Kondensationsbereich das Betriebsgas zuführbar ist.
Alternativ oder zusätzlich zum Kondensator kann die Temperiereinrichtung einen Wasserabscheider aufweisen, der zum Beispiel wenigstens teilweise flüssiges Produktwasser abscheidet. Das abgeschiedene Produktwasser kann zur Kühleinrichtung oder zumindest zunächst zum Sammelbehälter geleitet werden.
Ferner kann die Temperiereinrichtung durch einen Abzweigabschnitt mit einer Produktwassersammelleitung verbunden sein, um das Produktwasser bei Bedarf zur Temperiereinrichtung oder daran vorbeileiten zu können. Zum Beispiel kann das Produktwasser vollständig zur Temperiereinrichtung geleitet werden, wenn das Produktwasser gesammelt oder das Brennstoffzellensystem schnell erwärmt werden soll. Alternativ kann es ausreichen, nur einen Teil des Produktwassers zur Temperiereinrichtung zu leiten. Hat das Brennstoffzellensystem eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht und / oder ist eine ausreichende Menge an Produktwasser gespeichert, kann das Produktwasser vollständig an der Temperiereinrichtung vorbeigeleitet werden. Die Produktwassersammelleitung verbindet die Temperiereinrichtung, vorzugsweise Produktwasser leitend zumindest mit der Brennstoffzelle.
Zur Steuerung der Erwärmung der Brennstoffzelle kann der Abzweigabschnitt ein steuerbares Mehrwegeventil sein. Das Mehrwegeventil ist vorzugsweise Steuersignal übertragend mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung zur Überwachung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems verbunden. Die Temperaturüberwachungseinrichtung kann Teil der Temperiervorrichtung oder Teil eines Steuergerätes eines Kraftfahrzeuges sein.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 bis 5 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme; und
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems.
Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Zunächst ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 2 zur Wandlung von chemischer in elektrischer Energie auf. Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Niedrig-Temperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die bei Betriebstemperaturen von bis zu 90°C Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität und Produktwasser P umwandelt. Die bei dieser Umwandlung entstehende Wärme ist über einen Temperiermittelkreislauf 3 von der Brennstoffzelle 2 abführbar. Bei Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 2 kann es notwendig sein, dieser Wärmeenergie zuzuführen, um eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 2 bis in einen zulässigen Betriebstemperaturbereich zu erhöhen. Hierzu kann der Temperiermittelkreislauf 3 zum Transport von Wärmeenergie in die Brennstoffzelle 2 verwendet werden.
Der Temperiermittelkreislauf 3 ist nur teilweise und mit einer Temperiermittelleitung 4 sowie mit einem Kühlpfad 5 und einem Heizpfad 6 dargestellt. Der Kühlpfad 5 und der Heizpfad 6 sind Temperiermittel leitend durch die Temperiermittelleitung 4 mit der Brennstoffzelle 2 verbunden oder verbindbar. Das Temperiermittel ist beispielsweise ein Temperierfluid, das auf Wasser basieren kann.
Eine Produktwasserableitung 8 leitet das bei der Energiewandlung entstehende Produktwasser P von der Brennstoffzelle 2 ab. Die Produktwasserleitung 8 ist Fluid leitend mit einem Kondensator 9 verbindbar, der Teil einer Temperiereinrichtung der Temperiervorrichtung sein kann. Insbesondere gasförmiges Produktwasser P kann am Kondensator 9 kondensieren, wobei die Kondensationswärme die Temperatur des Kondensators 9 erhöht.
Liegt das Produktwasser P bereits zumindest teilweise flüssig vor, kann der Kondensator 9 durch einen Wasserabscheider ersetzt oder ergänzt sein.
Der Kondensator 9 ist Wärme übertragend mit dem Heizpfad 6 verbunden und gibt die durch die Kondensation erzeugte Wärme an das zum Aufheizen der Brennstoffzelle 2 durch den Heizpfad 6 strömende Temperiermittel ab. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Kondensator 9 mit dem Heizpfad 6 durchsetzt. Dadurch, dass sich der Heizpfad 6 durch den Kondensator 9 erstreckt, ist eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kondensator 9 und dem durch den Heizpfad 6 strömenden Temperiermittel gewährleistet.
Sollte die Kondensationswärme nicht ausreichen, um die Temperatur der Brennstoffzelle 2 ausreichend oder ausreichend schnell zu erhöhen, kann der Heizpfad 6 noch eine Heizvorrichtung 10, beispielsweise eine elektrisch betreibbare Heizvorrichtung 10, aufweisen. Die Heizvorrichtung 10 ist ebenfalls Wärme übertragend mit dem Heizpfad 6 verbunden.
Entlang des Heizpfades 6 können der Kondensator 9 und die Heizvorrichtung 10 hintereinander angeordnet sein, so dass das Temperiermittel nacheinander durch den Kondensator 9 und die Heizvorrichtung 10 in einer Strömungsrichtung S strömt. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Heizvorrichtung 10 in der Strömungsrichtung S hinter dem Kondensator 9 angeordnet, so dass das Temperiermittel zunächst durch den Kondensator 9 und anschließend durch die Heizvorrichtung 10 strömt, wenn die Brennstoffzelle 2 zu erwärmen ist.
Das kondensierte Produktwasser P kann vom Kondensator 9 abgeführt und entsorgt werden. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird das Produktwasser jedoch zumindest teilweise in einem Sammelbehälter 11 gesammelt. Der Sammelbehälter 11 ist durch eine Fluidleitung 12 Flüssigkeit leitend mit dem Kondensator 9 verbunden. Um das kondensierte Produktwasser P vom Kondensator 9 zum Sammelbehälter 11 transportieren zu können, ist ein Produktwasserförderer 13, beispielsweise eine Pumpe, vorgesehen. Auf den Produktwasserförderer 13 kann beispielsweise verzichtet werden, wenn das kondensierte Produktwasser P durch Einwirkung der Schwerkraft zum Sammelbehälter 11 fließt.
Der Sammelbehälter 11 kann das gesammelte Produktwasser P Wasserverbrauchern des Brennstoffzellensystems 1 oder eines das Brennstoffzellensystem 1 aufweisenden Kraftfahrzeuges zur Verfügung stellen. Insbesondere kann der Sammelbehälter 11 durch eine Fluidleitung 12' mit dem Kühlpfad 5 verbunden sein, so dass das gesammelte Produktwasser P zum Kühlpfad 5 geleitet werden kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eine Kühleinrichtung 14, zum Beispiel einen Wärmetauscher, aufweisen, die Wärme ableitend mit dem Kühlpfad 5 verbunden ist. Beispielsweise kann der Kühlpfad 5 die Kühleinrichtung 14 durchsetzen oder sich durch die Kühleinrichtung 14 hindurch erstrecken. Die Kühleinrichtung 14 ist vorzugsweise Teil der Temperiereinrichtung. In einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1, in dem beispielsweise die Brennstoffzelle 2 zu kühlen ist, strömt das Temperiermittel durch den Kühlpfad 5 und gibt von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wärmeenergie über die Kühleinrichtung 14 ab. Um die Abgabe von Wärme über die Kühleinrichtung 14 zu verbessern, kann das Produktwasser P auf die Kühleinrichtung 14 aufgebracht werden und von der Kühleinrichtung 14 verdunsten. Die Verdunstungs- oder Verdampfungsenthalpie des Produktwassers P kühlt die Kühleinrichtung 14, so dass diese von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wärmeenergie effektiver abführen kann.
Um das Produktwasser P bedarfsgerecht von der Produktwasserableitung 8 zum Heizpfad 6 oder daran vorbeileiten zu können, kann die Produktwasserableitung 8 in eine Produktwassersammelleitung 15 münden, die das Produktwasser P in Richtung auf den Heizpfad 6 leitet. Die Produktwassersammelleitung 15 verbindet die Produktwasserableitung 8 Fluid leitend vorzugsweise mit einem Abzweigabschnitt 16, der das Produktwasser P bei Bedarf über eine Zuleitung 17 zum Kondensator 9 oder über eine Ableitung 18 vom Brennstoffzellensystem 1 weg leitet. Die Ableitung 18 kann alternativ Fluid leitend mit dem Temperiermittelkreislauf 3 verbunden sein, um kondensiertes Produktwasser P dem Temperiermittelkreislauf 3 zuführen zu können.
Alternativ kann der Abzweigabschnitt 16 bei Bedarf das Produktwasser P auch am Kondensator 9 vorbei zur Kühleinrichtung 14 leiten. Sollte das gasförmige Produktwasser P bereits in der Produktwasserableitung 8 oder in der Fluidsammelleitung 15 wenigstens teilweise kondensieren, kann also zumindest der kondensierte Teil des Produktwassers P vom Abzweigabschnitt 16 durch eine Zuleitung 19 zur Kühleinrichtung 14 leitbar sein. An der Kühleinrichtung 14 kann der kondensierte Anteil des Produktwassers P zum Senken der Temperatur der Brennstoffzelle 2 verdampfen.
Der Abzweigabschnitt 16 ist vorzugsweise ein Mehrwegeventil, das Steuersignal übertragend mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung der Temperiervorrichtung, beispielsweise zur Überwachung der Temperatur der Brennstoffzelle 2, verbunden ist. Die Temperaturüberwachungseinrichtung ist im Ausführungsbeispiel der 1 nicht gezeigt, kann jedoch Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 oder alternativ eines Steuergerätes des Kraftfahrzeuges sein.
Der Temperiermittelkreislauf 3 kann nicht nur zur ausschließlichen Temperierung der Brennstoffzelle 2 ausgebildet sein. Er kann ferner Temperiermittel leitend mit einer weiteren Vorrichtung 20 des Brennstoffzellensystems 1 oder einer externen Vorrichtung, beispielsweise des Kraftfahrzeuges, verbunden sein. Die Vorrichtung 20 ist beispielsweise ein Nebenverbraucher, etwa ein Elektromotor zur Verdichtung von Betriebsgasen für die Brennstoffzelle 2. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 20 einen Gaskonditionierer aufweisen, der das verdichtete Betriebsgas kühlt.
Der Nebenverbraucher und der Gaskonditionierer sind im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 oftmals zu kühlen, wobei die durch die Vorrichtung 20 abgegebene Wärme zumindest teilweise vom Temperiermittel aufgenommen und abgeführt wird. Die Vorrichtung 20 ist zum Beispiel durch eine weitere Produktwasserableitung 8' mit der Produktwassersammelleitung 15 Fluid leitend verbunden. Somit kann bei der Abkühlung des Betriebsgases Feuchtigkeit aus dem Betriebsgas auskondensieren und zum Temperieren des Brennstoffzellensystems 1 verwendet werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
2 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 mit der Brennstoffzelle 2, dem Kühlpfad 5, dem Heizpfad 6 sowie zwei Vorrichtungen 20, 20'. In der Vorrichtung 20', beispielsweise bei der Konditionierung des Betriebsgases, wird Produktwasser P flüssig abgeschieden, das über die Produktwasserableitung 8' der Kühleinrichtung 14 zuführbar ist. Zur Sammlung des Produktwassers P leitet die Produktwasserableitung 8' das Produktwasser P zunächst zum Sammelbehälter 11, von wo das Produktwasser P bei Bedarf durch die Fluidleitung 13 zur Kühleinrichtung 14 geleitet wird.
Ferner ist der Temperiermittelkreislauf 3 mit der Temperiermittelleitung 4 und einer weiteren Tempereriermittelleitung 4' dargestellt, so dass das Temperiermittel durch den Temperiermittelkreislauf 3 zirkulieren kann. Da das Produktwasser P flüssig abgeschieden wird, ist das Brennstoffzellensystem 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel ohne den Kondensator ausgebildet. Alternativ kann der Kondensator in einer anderen Vorrichtung, zum Beispiel in der Vorrichtung 20 oder der Vorrichtung 20', angeordnet oder sogar darin integriert sein.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der Kondensator 9 nicht entlang des Heizpfades 6 mit der Heizvorrichtung 10 in Reihe geschaltet. Vielmehr ist der Kondensator 9 entlang eines zusätzlichen Heizpfades 6' angeordnet, mit dem er Wärme leitend verbunden ist. Die beiden Heizpfade 6, 6' sind miteinander und mit dem Kühlpfad 5 parallel verbunden. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem 1 zwei Abzweigabschnitte 16, 16' auf, durch die das Produktwasser P bei Bedarf zum Heizpfad 6, zum Kühlpfad 5 oder zum zweiten Heizpfad 6' geleitet wird. Heizpfade 6, 6', die entweder den Kondensator 9 oder die Heizvorrichtung 10 aufweisen, sind womöglich einfacher vom Temperiermittel zu durchströmen, als ein Heizpfad, der den Kondensator 9 und die Heizvorrichtung 10 aufweist bzw. durchströmt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen Ausführungsbeispielen eingegangen.
Zur Kühlung des durch den Kühlpfad 5 strömenden Temperiermittels weist das Brennstoffzellensystem 1 des Ausführungsbeispiels der 4 den Wärmetauscher auf, der beispielsweise als ein Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist, der vom Temperiermittel aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Ferner weist die Kühleinrichtung 14 des Brennstoffzellensystems 1 einen Verdunstungskühler 21 auf, der ebenfalls Wärme leitend mit dem Kühlpfad 5 des Temperiermittelkreislaufs 3 verbunden ist.
Der Kondensator 9 ist Fluid leitend mit dem Verdunstungskühler 21 verbunden. Beispielsweise im Sammelbehälter 11 gespeichertes Produktwasser P kann auf den Verdunstungskühler 21 aufgebracht werden, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 und/oder der Vorrichtung 20 gesenkt werden soll. Entlang des Kühlpfades 5 und in der Strömungsrichtung S kann der Verdunstungskühler 21 hinter der Kühleinrichtung 14 angeordnet sein. Das Temperiermittel kann also zunächst durch die Kühleinrichtung 14 strömen und dort gekühlt werden. Der Verdunstungskühler 21 kühlt im Anschluss das Temperiermittel weiter herab. Das Ausführungsbeispiel der 4 ist besonders vorteilhaft, da es geeignet ist, in kurzer Zeit viel Wärmenergie von der Brennstoffzelle 2 und/oder von der Vorrichtung 20 abzuführen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen Ausgestaltungsformen eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 5 verbindet die Fluidleitung 12' den Kondensator 9 Flüssigkeit leitend mit der Vorrichtung 20'. Insbesondere leitet die Fluidleitung 12' bei Bedarf Produktwasser P vom Sammelbehälter 11 zur Vorrichtung 20'. Wird das Produktwasser P auf die Vorrichtung 20' aufgebracht, so kann es dort verdunsten und die Vorrichtung 20' kühlen. Ist die Vorrichtung 20' beispielsweise ausgebildet, das Betriebsgas zu konditionieren und insbesondere zu kühlen, kann die Verdunstungs- oder Verdampfungsenthalpie des verdunstenden Produktwassers P das Abkühlen des Betriebsgases beschleunigen.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems 1 schematisch als ein Flussdiagramm.
Das erfindungsgemäße Verfahren 30 startet mit dem Verfahrensschritt 31. Im Verfahrensschritt 31 wird beispielsweise eine Temperatur der Brennstoffzelle 2 oder einer anderen Vorrichtung 20, 20' des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt. Im folgenden Verfahrensschritt 32 wird entschieden, ob das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Brennstoffzelle 2 und/oder die Vorrichtung 20, 20', zu temperieren ist. Insbesondere wird im Verfahrensschritt 32 entschieden, ob beim Temperieren gekühlt oder erwärmt werden soll. Soll beim Temperieren gekühlt werden, folgt auf den Verfahrensschritt 32 der Verfahrensschritt 33, bei dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 erzeugtes Produktwasser P verdampft und durch die Verdampfungsenthalpie das Brennstoffzellensystem 1 gekühlt wird.
Im folgenden Verfahrensschritt 34 wird geprüft, ob durch das Temperieren eine Zieltemperatur erreicht wurde. Wurde die Zieltemperatur erreicht, so wird das Verfahren im dann folgenden Verfahrensschritt 35 beendet. Wurde die Zieltemperatur nicht erreicht, so wird das Verfahren 30 nach dem Verfahrensschritt 34 im Verfahrensschritt 32 fortgesetzt.
Wurde im Verfahrensschritt 32 bestimmt, dass das Brennstoffzellensystem 1 und beispielsweise dessen Brennstoffzelle 2 und/oder dessen Vorrichtung 20, 20' zu erwärmen ist, folgt auf den Verfahrensschritt 32 der Verfahrensschritt 36. Im Verfahrensschritt 36 wird das im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 erzeugte gasförmige Produktwasser P kondensiert und durch die Kondensationsenthalpie das Brennstoffzellensystem 1 erwärmt. An den Verfahrensschritt 36 schließt sich der Verfahrensschritt 34 an, auf den entweder der Verfahrensschritt 35 oder der Verfahrensschritt 32 folgt.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Temperiermittelkreislauf
4, 4': Temperiermittelleitung
5: Kühlpfad
6, 6': Heizpfad
8, 8': Produktwasserableitung
9: Kondensator
10: Heizvorrichtung
11: Sammelbehälter
12, 12': Fluidleitung
13: Produktwasserförderer
14: Kühleinrichtung
15: Produktwassersammelleitung
16, 16': Abzweigabschnitt
17: Zuleitung
18: Ableitung
19: Zuleitung
20, 20': Vorrichtungen
21: Verdunstungskühler
30: Verfahren
31: Start
32: Temperieren?
33: P verdampfen
34: Zieltemperatur erreicht?
35: Ende
36: Verfahrensschritt P Kondensieren
P: Produktwasser
S: Strömungsrichtung

Claims

Brennstoffzellensystem (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einer Brennstoffzelle (2) und einer einen Temperiermittelkreislauf (3) aufweisenden Temperiervorrichtung zur Temperierung des Brennstoffzellensystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung mindestens eine Wärme übertragend mit dem Temperiermittelkreislauf (3) verbundene Temperiereinrichtung (9, 14) aufweist, der vom Brennstoffzellensystem (1) im Betrieb erzeugtes Produktwasser (P) zuführbar ist und die ausgebildet ist, den Aggregatzustand des Produktwassers (P) zu ändern.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung eine Kühleinrichtung (14) aufweist, der im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) das Produktwasser (P) zuführbar ist und die Wärme leitend mit einem Kühlpfad (5) des Temperiermittelkreislaufs (3) verbunden ist.
Brennstoffzellensystems (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) einen Verdunstungskühler (21) aufweist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung einen Sammelbehälter (11) aufweist, dem eingangsseitig das Produktwasser zugeführt und der ausgangsseitig Fluid leitend mit der Kühleinrichtung (14) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (9, 14) einen Kondensator (9) aufweist, dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) das Produktwasser (P) zuführbar ist und der Wärme leitend mit einem Heizpfad (6, 6') des Temperiermittelkreislaufs (3) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Brennstoffzelle (2) zuzuführendes Betriebsgas zum Kondensator (9) und von dort der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist.
Verfahren (30) zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Aggregatzustand eines vom Brennstoffzellensystem (1) im Betrieb erzeugten Produktwassers (P) zum Temperieren des Brennstoffzellensystems (1) geändert wird.
Verfahren (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktwasser (P) zum Kühlen verdampft (33) oder zum Erwärmen kondensiert (36) oder erstarrt wird.
Verfahren (30) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktwasser (P) zum Temperieren gesammelt bereitgestellt wird.