DE102014000571A1

DE102014000571A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014000571A1
Application number: DE102014000571.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Ralf Nüßle; Christine Sonntag
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-01-18
Filing date: 2014-01-18
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit einem Kühlkreislauf (14) mit einem Kühlmedium zur Temperierung der Brennstoffzelle (2), mit einem Arbeitsmedienkreislauf einer Wärmepumpe (13), welcher einen Verdichter (17), wenigstens eine Entspannungseinrichtung in Form einer Drossel (19, 19.1, 19.2) und jeweils in Strömungsrichtung dazwischen jeweils wenigstens einen Wärmetauscher (12, 16, 20) aufweist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmetauscher (16) von dem Arbeitsmedium einerseits und von dem Kühlmedium andererseits durchströmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems sowie eine bevorzugte Verwendung für das Brennstoffzellensystem und/oder das Verfahren.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, um elektrische Antriebsleistung bereitzustellen. Typischerweise haben Brennstoffzellensysteme dabei wenigstens eine Brennstoffzelle, welche normalerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, vorzugsweise in PEM-Technologie, aufgebaut ist. Ein derartiges Brennstoffzellensystem verfügt ferner über einen Kühlkreiskreislauf mit einen Kühlmedium zur Temperierung der Brennstoffzelle, im regulären Betrieb zur Abfuhr der in der Brennstoffzelle entstehenden Abwärme. Im Falle eines Kaltstarts der Brennstoffzelle kann diese über das Kühlmedium jedoch auch erwärmt werden.
Eines der Probleme bei derartigen Brennstoffzellensystemen, welches insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen auftritt, ist die eher geringe Betriebstemperatur der Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und damit des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf weisen im Allgemeinen Temperaturen in der Größenordnung von 70–90°C auf. Bei einer Austrittstemperatur des Kühlmediums aus der Brennstoffzelle von beispielsweise 85° ist bei einem herkömmlichen Fahrzeugkühler und der durch das Fahrzeugdesign typischerweise eingeschränkten zur Verfügung stehenden Kühlfläche die Abfuhr der Wärme, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, eine Herausforderung.
Gelingt dies nicht, muss die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem in seiner Leistung beschränkt werden.
Ein weiteres Problem bei derartigen Brennstoffzellensystemen, und auch hier insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, besteht darin, dass eine vergleichsweise hohe Menge an Produktwasser in der Brennstoffzelle anfällt. Dieses Produktwasser, welches überwiegend mit dem Abluftstrom aus der Brennstoffzelle gelangt, sollte nach Möglichkeit nicht flüssig aus dem Fahrzeug abgegeben werden, beispielsweise um eine Eisbildung beim Betrieb im Winter zu verhindern und um keine ständige Benetzung der Straßen mit dem Wasser zu haben.
Aus dem Stand der Technik sind dabei Brennstoffzellensysteme bekannt, welche in Fahrzeugen gemeinsam mit einer Klimaanlage, im weitesten Sinn also mit einer Wärmepumpe, eingesetzt werden. Beispielhaft kann hierzu auf die JP 2010-91151 A hingewiesen werden, welche eine Klimaanlage aufweist, über welche parallel zum Brennstoffzellensystem ein Innenraum des Fahrzeugs entsprechend klimatisiert, also beheizt oder abgekühlt werden kann, da je nach Betriebssituation die Abwärme der Brennstoffzelle zum Beheizen hierfür gegebenenfalls nicht ausreichend ist.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben, welche das Brennstoffzellensystem, insbesondere hinsichtlich der beiden Eingangs genannten Nachteile, zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 9 löst die Aufgabe ebenfalls. Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine bevorzugte Verwendung für das Brennstoffzellensystem bzw. das Verfahren angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem neben dem Kühlkreislauf einen Arbeitsmediumkreislauf einer Wärmepumpe aufweist. Dieser Aufbau eines Arbeitsmedienkreislaufs einer Wärmepumpe umfasst einen Verdichter, eine Entspannungseinrichtung sowie jeweils in Strömungsrichtung dazwischen jeweils wenigstens einen Wärmetauscher, also wenigstens einen Kondensator und wenigstens einen Verdampfer. Erfindungsgemäß ist es so, dass einer der Wärmetauscher so aufgebaut ist, dass er von dem Arbeitsmedium einerseits und von dem Kühlmedium andererseits durchströmt wird. Er sitzt also in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems. In vorteilhafter Weise kann er so Wärme aus dem Kühlkreislauf aufnehmen, wenn die Abwärme aus dem Kühlkreislauf nur schwer abgeführt werden kann. In diesem Fall kann dann durch den Aufbau der Wärmepumpe die Abwärme der Brennstoffzelle durch die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, um so besser abgeführt werden zu können. Bei der gleichen zur Verfügung stehenden Kühlerfläche und derselben Umgebungstemperatur kann dann mehr Abwärme abgeführt werden, sodass die sehr nachteilige Leistungslimitierung der Brennstoffzelle entfallen oder zumindest auf ein zeitliches Minimum reduziert werden kann.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass der von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher als einziger Wärmetauscher zur Temperierung des Kühlmediums vorgesehen ist. Dieser Aufbau, bei welchem auf den eigentlichen Kühler in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems verzichtet wird, ist besonders einfach und effizient. Durch einen einfachen und vergleichsweise klein ausgeführten Wärmetauscher, welcher von dem Kühlmedium einerseits und von dem Arbeitsmedium der Wärmepumpe andererseits durchströmt wird, kann dann die gesamte Wärme aus dem Kühlkreislauf bei Bedarf abgeführt werden. Beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug kann dann die gesamte zur Verfügung stehende Kühlerfläche für einen Wärmetauscher der Wärmepumpe, in diesem Fall den Kondensator, verwendet werden, während der angesprochene Wärmetauscher zwischen dem Kühlmedium und dem Arbeitsmedium als Verdampfer der Wärmepumpe dient.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es nun ferner vorgesehen, dass einer der Wärmetauscher mit einem Wassersammelbehälter in der Ablufttrecke des Brennstoffzellensystems in wärmeleitendem Kontakt steht. Ein solcher Aufbau, bei welchem das Wasser in der Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems in einen Sammelbehälter gesammelt wird, ist besonders günstig, da hierdurch eine unkontrollierte Abgabe des Wassers verhindert wird. Der Sammelbehälter kann insbesondere als „Endtopf” einer Abluftanlage ausgeführt sein. Er kann so gleichzeitig als Sammelbehälter für das Wasser und als Schalldämpfer dienen. Durch den wärmeleitenden Kontakt zu einem der Wärmetauscher der Wärmepumpe, in diesem Fall insbesondere zum Kondensator im regulären Betrieb, kann nun erreicht werden, dass die aus den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle stammende Abwärme über die Wärmepumpe auf ein so hohes Temperaturniveau gebracht wird, dass sie das Wasser in dem Wassersammelbehälter in der Abluftstrecke verdampfen kann. Durch die gleichmäßige Abgabe von Wasserdampf an die Umgebung entsteht ein Aufbau, welcher die Umgebung nicht mit Flüssigwasser belastet, und welcher durch die gleichmäßige Abgabe des Wasserdampfs auch übermäßig dichte Dampfwolken hinter dem Fahrzeug oder im Bereich eines stationär eingesetzten Brennstoffzellensystems verhindert.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass parallel zu dem mit dem Wassersammelbehälter in Kontakt stehenden Wärmetauscher ein Kühler als Wärmetauscher angeordnet ist. Insbesondere ein solcher Aufbau, bei welchem im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems und der Wärmepumpe zwei parallele Wärmetauscher als Kondensatoren vorhanden sind, einerseits einer zum Verdampfen des Wassers in dem Wassersammelbehälter und andererseits einer, welcher beispielsweise als Kühler mit der Umgebungsluft in wärmetauschendem Kontakt steht, lässt sich ein sehr effizienter Aufbau erreichen, bei dem die Abfuhr der in der Brennstoffzelle entstehenden Abwärme in jedem Fall sichergestellt ist, auch bei entsprechend hohen Umgebungstemperaturen. Der Aufbau benötigt dabei eine vergleichsweise kleine Kühlerfläche, sodass ohne wesentliche Änderung im Design – beispielsweise eines Kraftfahrzeugs – ein derartiges Brennstoffzellensystem ohne die Notwendigkeit einer Leistungslimitierung aufgrund einer ungenügenden Kühlung eingesetzt werden kann.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zumindest in Teilen des Arbeitsmedienkreislaufs umkehrbar ist. Dies ermöglicht den Betrieb der Wärmepumpe mit unterschiedlichen Förderrichtungen für die Wärme. Konstruktiv kann dies gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise so realisiert sein, dass der Verdichter über ein Vierwegeventil in den Arbeitsmedienkreislauf eingebunden ist. Durch ein Umschalten des Vierwegeventils kann dann bei gleicher Drehrichtung des Verdichters und damit hohem Wirkungsgrad beispielsweise das Arbeitsmedium nach der Verdichtung einmal in die eine und einmal in die andere Richtung gefördert werden. Dies ermöglicht insbesondere einen Betrieb, bei dem über den zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmedium auftretenden Wärmeaustausch das Kühlmedium nicht nur abgekühlt sondern bei Bedarf auch erwärmt werden kann. Dies kann insbesondere für einen Kaltstartfall, insbesondere einen Kaltstartfall bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, ein entscheidender Vorteil sein. Das Brennstoffzellensystem kann dann durch einen Betrieb der Wärmepumpe in der Art, dass Wärme in den Kühlkreislauf eingetragen wird, sehr schnell erwärmt werden. Gleichzeitig kann der elektrische Leistungsbedarf für den Verdichter der Wärmepumpe genutzt werden, um die Brennstoffzelle entsprechend zu belasten, um so durch eine vergleichsweise hohe Leistungsentnahme und einem gleichzeitigen Eintrag von Wärme in den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems die Brennstoffzelle außerordentlich schnell zu erwärmen und dementsprechend schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen ein entscheidender Vorteil, da hier nur ein schnelles Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf die notwendige Betriebstemperatur eine sehr einfache und komfortable Nutzung des Brennstoffzellensystems für einen Nutzer darstellt, vor allem wenn er das Fahrzeug unter widrigen Bedingungen, beispielweise mit einem Kaltstart bei Temperaturen unterhalb oder weit unterhalb des Gefrierpunkts, in Betrieb nimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es dementsprechend vorgesehen sein, dass im Normalbetrieb der von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher als Verdampfer der Wärmepumpe eingesetzt wird, und dass im Kaltstartfall der vom Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher als Kondensator genutzt wird. Die Betriebsrichtung der Wärmepumpe kann also je nach Bedarf entsprechend umgeschaltet werden.
Wie bereits mehrfach erwähnt eignet sich ein derartiges Brennstoffzellensystem sowie ein solches Verfahren insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug, weil derartige Brennstoffzellensysteme einerseits mit der Gefahr einer Leistungslimitierung durch eine unzureichende Kühlung zu kämpfen haben, und da der Einsatz von Fahrzeugen häufig unter widrigen Temperaturbedingungen, also auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, notwendig ist. Auch in diesen Situationen sollen die Fahrzeuge einfach und schnell gestartet werden können, was durch den erfindungsgemäßen Aufbau bzw. das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt wird. Die besonderen Vorteile lassen sich deshalb insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems bzw. des Verfahrens in einem Fahrzeug erzielen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer ersten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer zweiten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
3 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer dritten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
4 das Brennstoffzellensystem analog zur Darstellung in 3 in einer umgekehrten Betriebsrichtung.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, wie es zum Beispiel in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung verbaut sein kann. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut ist. Die Brennstoffzelle 2 wird deshalb auch als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet. Der Brennstoffzellenstack 2 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel angedeutet einen Kathodenraum 3, einen Anodenraum 4 sowie einen Kühlwärmetauscher 5 auf, über welchen die Brennstoffzelle 2 temperiert wird. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird beispielsweise Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher für Wasserstoff oder aus einer anderen Wasserstoffquelle zugeführt. Zur Vereinfachung der Darstellungen ist in der Darstellung der 1 und in den Darstellungen der fortfolgenden Figuren die Versorgung des Anodenraums 4 mit Wasserstoff nicht dargestellt.
Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 6 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 6 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Strömungsverdichter und Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers (ETC) dargestellt. Die Luftfördereinrichtung 6 sitzt dafür zusammen mit einer elektrischen Maschine 7 und einer Turbine 8 auf einer gemeinsamen Welle. Wie es später noch erläutert wird, wird über die Turbine 8 Wärme und Druck aus der Abluft der Brennstoffzelle 2 zurückgewonnen und kann dann zumindest teilweise zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 mitgenutzt werden. Restliche benötigte Energie zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 6 wird über die elektrische Maschine 7 bereitgestellt. Falls im Bereich der Turbine 8 mehr Energie anfällt als von der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 7 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Leistung zu erzeugen.
Nach der Luftfördereinrichtung 6 gelangt die verdichtete und dadurch heiße Zuluft zu der Brennstoffzelle 2 bzw. deren Kathodenraum 3 zuerst durch einen Ladeluftkühler 9, bevor sie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Gas/Gas-Befeuchter 10 befeuchtet und dann in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 eingeleitet wird. In der Brennstoffzelle 2 wir dann Sauerstoff aus der Luft mit Wasserstoff in an sich bekannter Art und Weise umgesetzt, wodurch elektrische Leistung bereitgestellt wird, und Produktwasser entsteht. Der größte Teil des Produktwassers entsteht dabei im Kathodenraum 3 und gelangt zusammen mit der an Sauerstoff abgereicherten Abluft aus der Brennstoffzelle 2 und durchströmt in hier dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum den Gas/Gas-Befeuchter und gibt zumindest einen Teil der in gasförmiger Form in ihr enthaltenen Feuchtigkeit durch für Wasserdampf durchlässige Membranen an die trockene Zuluft ab, um diese zu befeuchten. Anschließend durchströmt die immer noch mit einem großen Teil des Produktwassers beladene Abluft einen Wasserabscheider 11, in welchem flüssiges Wasser abgeschieden wird, bevor die von flüssigem Wasser befreite Luft durch die Turbine 8 strömt und in ihr entspannt wird. Für die schnelllaufende Turbine 8 wären dabei Wassertöpfchen sehr schädlich, sodass der Wasserabscheider 11 in Strömungsrichtung vor der Turbine 8 ein außerordentlich nützliches Bauteil ist. Das flüssige Wasser kann dann, wie es durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, beispielsweise der Abluft nach der Turbine 8 wieder zugeführt werden. Über die angedeutete Abluftstrecke strömt die Abluft zusammen mit dem flüssigen und gasförmigen Wasser dann in den Bereich eines Endtopfs 12, welcher einerseits als Endschalldämpfer und andererseits als Sammelbehälter für das flüssige Wasser ausgebildet ist, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser unmittelbar aus dem Brennstoffzellensystem 1 und damit beispielsweise aus dem mit ihm ausgestatteten Fahrzeug gelangt. Außerdem bildet der Endtopf 12 in später noch näher beschriebener Art und Weise einen Wärmetauscher einer in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordneten Wärmepumpe 13, auf welche später noch im Detail eingegangen wird.
Ferner ist in dem Brennstoffzellensystem 1 ein Kühlkreislauf 14 dargestellt. Das in dem Kühlkreislauf 14 umströmende Kühlmedium wird durch eine Kühlmedienpumpe 15 umgewälzt und gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach der Kühlmedienpumpe 15 in einem ersten Zweig zuerst durch den Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle 2 und kann Abwärme aus dieser aufnehmen. Anschließend strömt das Kühlmedium durch einen Wärmetauscher 16, bevor es zurück zur Kühlmedienpumpe 15 gelangt. Über einen parallelen Strömungszweig, welcher zwischen der Kühlmedienpumpe 15 und dem Kühlwärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 abzweigt, gelangt ein Teil des Kühlmediums durch den Ladeluftkühler 9 und kühlt die nach der Luftfördereinrichtung 6 verdichtete heiße Zuluft entsprechend ab. Dieser Zweig wird vor dem Wärmetauscher 16, welcher im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 zur Abkühlung des Kühlmediums vorgesehen ist, wieder mit dem anderen Zweig des Kühlkreislaufs 14 zusammengeführt.
Die Besonderheit des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 gegenüber den im Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen besteht nun in der Wärmepumpe 13. Diese verfügt über einen Arbeitsmedienkreislauf, welcher in dem Ausführungsbeispiel der 1 den Wärmetauscher 16, den Wärmetauscher im Endtopf 12, einen Verdichter 17 mit elektrischem Antriebsmotor 18 sowie eine Drossel 19 als Expansionsventil umfasst. Neben der Drossel 19 als Expansionsventil wäre auch eine andersartige Expansionseinrichtung denkbar, beispielsweise eine Expansionsmaschine, welche wiederum mechanische Leistung zurückgewinnt, welche beispielsweise in elektrische Leistung umgewandelt und/oder direkt zum Antrieb des Verdichters 17 oder anderer anzutreibender Bauteile eingesetzt werden könnte. Eine solche Expansionseinrichtung, welche gleichzeitig Energie aus dem Arbeitsmedienkreislauf zurückgewinnt, würde den Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter steigern. Für das Verständnis der Funktion ist sie jedoch nicht zwingend notwendig, sodass sowohl in 1 als auch in den nachfolgenden Figuren lediglich die Drossel 19 als Expansionseinrichtung beispielhaft dargestellt ist. Diese Drossel 19 könnte immer auch durch eine entsprechende Expansionsmaschine ersetzt werden.
Die Wärmepumpe 13 in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1 funktioniert nun so, dass der Wärmetauscher 16, welcher von der Wärmepumpe 13 einerseits und von dem Kühlmedium des Kühlkreislaufs 14 andererseits durchströmt wird, als Verdampfer genutzt wird. In seinem Bereich wird also das Arbeitsmedium der Wärmepumpe, beispielsweise CO₂ oder ein anderes bekanntes und übliches Arbeitsmedium bzw. Kältemittel entsprechend erwärmt, bevor es durch den Verdichter 17 verdichtet und weiter erwärmt wird. Der Wärmetauscher im Endtopf 12 dient dann als Kondensator, in dessen Bereich Wärme abgegeben wird, bevor das so abgekühlte Arbeitsmedium im Bereich der Drossel 19 entspannt und hierdurch noch weiter heruntergekühlt wird. Der Aufbau bewirkt so letztlich, dass die in dem Kühlkreislauf 14 des Brennstoffzellensystems 1 vorliegende Abwärme des Brennstoffzellensystems 1 im regulären Normalbetrieb, welche beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 85°C vorliegt, auf ein entsprechend höheres Temperaturniveau gebracht wird. Dieses Temperaturniveau kann beispielsweise nach dem Verdichter 17 ca. 120°C betragen. Da sich im Endtopf 12 flüssiges Wasser auf der Abluftstrecke sammelt, wird die Wärme dann zum Verdampfen dieses Wassers eingesetzt. Solange noch flüssiges Wasser vorhanden ist, erfolgt die Verdampfung immer bei ca. 100°C, je nach vorliegendem Luftdruck, sodass die Abwärme auf einem entsprechend hohen Temperaturniveau vorliegt und durch den genannten Temperaturunterschied eine entsprechend hohe Arbeitszahl der Wärmepumpe 12 erreicht wird. Mit vergleichsweise wenig zusätzlicher Leistung im Bereich des Verdichters 17 lässt sich das Temperaturniveau der Abwärme also anheben. Hierdurch kann einerseits die Abwärme aus dem Kühlkreislauf 14 des Brennstoffzellensystems 1 ideal abgeführt werden, da ihr Temperaturniveau entsprechend erhöht wird, was einer hohen Abfuhr von Wärme zuträglich ist. Andererseits kann das im Wassersammelbereich des Endtopfs 12 gesammelte Wasser entsprechend verdampft werden und kann so in geringer Menge kontinuierlich als Wasserdampf in die Umgebung gelangen. Dies stellt einen erheblichen Vorteil dar, da der Austritt von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 so sicher und zuverlässig vermieden werden kann.
Der in 2 dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 unterscheidet sich lediglich im Bereich der Wärmepumpe 13 dadurch von dem in 1 dargestellten Aufbau, dass zusätzlich, parallel zu dem Wärmetauscher im Endtopf 12, ein Kühler 20 vorhanden ist. Dieser Kühler 20 kann beispielsweise der Fahrzeugkühler sein. Über eine Ventileinrichtung 21 lässt sich der Strom des Arbeitsmediums zwischen dem Endtopf 12 und dem Kühler 20 entsprechend aufteilen, sodass zusätzlich zur Abkühlung des Arbeitsmediums durch das Verdampfen des Produktwassers im Endtopf 12 eine Abkühlung durch die Umgebungsluft im Kühler 20 ermöglicht wird. Der Kühler 20 kann beispielsweise der übliche Fahrzeugkühler sein, sodass dieser auch für die primäre Abkühlung des Arbeitsmediums eingesetzt werden kann, und dass im Bereich des Endtopfs 12 lediglich soviel Wärme eingetragen wird, dass das Produktwasser entsprechend verdampft und unauffällig an die Umgebung abgegeben werden kann.
Der in 2 dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 erlaubt somit eine noch höhere Kühlleistung, sodass auch bei hohen Umgebungstemperaturen immer eine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems 1, auch bei entsprechend kleiner zur Verfügung stehender Kühlerfläche in dem Fahrzeug, gewährleistet ist. Die Gefahr, dass die Leistung des Brennstoffzellensystems aufgrund der Möglichkeit, dass die Brennstoffzelle 2 nicht ausreichend kühlen zu können, limitiert werden muss, wird hierdurch noch weiter verringert bzw. bei der an einem Fahrzeug üblicherweise vorhanden Kühlerfläche für den Kühler 20 nahezu ausgeschlossen.
Das in 3 dargestellte Brennstoffzellensystem entspricht wiederum dem in 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1, mit dem Unterschied, dass die Wärmepumpe 13 hier umschaltbar ausgeführt ist. Dies in dem dargestellten Ausführungsbeispiel so realisiert, dass der Verdichter 12 über ein Vierwegeventil 22 in den Arbeitsmedienkreislauf eingebunden ist. Je nach Schaltstellung des Vierwegeventils 22 kann so der Wärmetauscher 16 einmal als Verdampfer und einmal als Kondensator verwendet werden. In der Darstellung der 3 ist dabei die Schaltstellung des Vierwegeventils 22 für den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 beispielhaft angedeutet. Das Arbeitsmedium gelangt, wie es durch die Pfeile im Bereich der Wärmepumpe 13 angedeutet ist, vom Verdichter 17 über das Vierwegeventil 22 zur Ventileinrichtung 21 und wird dort je nach Bedarf zwischen dem Endtopf 12 und dem Kühler 20 entsprechend aufgeteilt, wobei diese beiden parallelen Wärmetauscher 12, 20 als Kondensatoren dienen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder dann eine eigene Drossel 19.1, 19.2, wobei nach der Drossel der gegebenenfalls aufgeteilte Volumenstrom des Arbeitsmediums über eine weitere Ventileinrichtung 23 wieder zusammengeführt und dem Wärmetauscher 16 als Verdampfer zugeführt wird. Von dort gelangt das erwärmte bzw. vorgewärmte Arbeitsmedium dann zurück zum Verdichter 17, woraufhin der Kreislauf von neuem beginnt. In dieser Schaltstellung des Vierwegeventils 22 ist also der Aufbau wiederum so wie in den 1 und 2 bereits beschrieben, also dafür ausgelegt, die Abwärme aus dem Kühlkreislauf 14 des Brennstoffzellensystems 1 auf ein entsprechend höheres Temperaturniveau zu heben, um so die Kühlung zu verbessern und anfallendes Produktwasser zu verdampfen.
In der Darstellung der 4 ist nun exakt derselbe Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, wie in 3. Die Schaltstellung des Vierwegeventils 22 ist jedoch andersherum, sodass das „warme Ende” und das „kalte Ende” der Wärmepumpe 13 entsprechend vertauscht ist. Diese Schaltstellung des Vierwegeventils 22 dient im Kaltstart- bzw. Gefrierstartfall des Brennstoffzellensystems 1 dazu, die Brennstoffzelle 2 möglichst schnell zu erwärmen und das Brennstoffzellensystem 1 in möglichst kurzer Zeit auf die benötigte Betriebstemperatur zu bringen. Über die Wärmepumpe 13 wird dazu in der in 4 dargestellten Schaltstellung Wärme aus dem Bereich des Kühlers 20 und/oder des Endtopfs 12, welche in diesem Fall als Verdampfer fungieren, aufgenommen und im Bereich des Wärmetauschers 16, welcher in diesem Fall als Kondensator dient, an das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 14 abgegeben. Hierdurch wird eine sehr schnelle Aufwärmung des Kühlmediums im Kühlkreislauf 14 erreicht, was wiederum zu einer schnellen Erwärmung der Brennstoffzelle 2 und damit einem sehr schnellen Erreichen der benötigten Betriebstemperatur beiträgt. Da für den Vorgang elektrische Leistung im Bereich des Verdichters 17 benötigt wird, kann der Antriebsmotor 18 des Verdichters 17 mit Leistung aus der Brennstoffzelle 2 betrieben werden. Durch den Antriebsmotor 18 wird, insbesondere bevor andere Komponenten in dem Fahrzeug in Betrieb gehen und Leistung benötigen, eine Lastsenke bereitgestellt, welche eine elektrische Belastung der Brennstoffzelle 2 ermöglicht und damit die Aufheizung der Brennstoffzelle 2 noch weiter beschleunigt. Der Aufbau kann dann, sobald die benötigte Betriebstemperatur im Bereich der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Kühlkreislauf 14 erreicht ist, in den in 3 dargestellten Normalbetrieb wechseln, indem das Vierwegeventil 22 entsprechend umgeschaltet wird.
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

JP 2010-91151 A [0006]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit einem Kühlkreislauf (14) mit einem Kühlmedium zur Temperierung der Brennstoffzelle (2), mit einem Arbeitsmedienkreislauf einer Wärmepumpe (13), welcher einen Verdichter (17), wenigstens eine Entspannungseinrichtung in Form einer Drossel (19, 19.1, 19.2) und jeweils in Strömungsrichtung dazwischen jeweils wenigstens einen Wärmetauscher (12, 16, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmetauscher (16) von dem Arbeitsmedium einerseits und von dem Kühlmedium andererseits durchströmt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher (16) als einziger Wärmetauscher (16) zur Temperierung des Kühlmediums vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmetauscher (12) mit einem Wassersammelbehälter in einer Abluftstrecke der Brennstoffzelle (2) in wärmeleitendem Kontakt steht.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (20) als Wärmetauscher parallel zu dem mit dem Wassersammelbehälter in Kontakt stehenden Wärmetauscher (12) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der zwei parallelen Wärmetauscher (12, 20) eine eigene Expansionsvorrichtung (19.1, 19.2) zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zumindest in Teilen des Arbeitsmedienkreislaufs umkehrbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbindung des Verdichters (17) in den Arbeitsmedienkreislauf über ein Vierwegeventil (22) erfolgt.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Expansionseinrichtung (19, 19.1, 19.2) als Expansionsmaschine ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Normalbetrieb der von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher (16) als Verdampfer der Wärmepumpe (13) genutzt wird, und wobei im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems (1) der von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscher (16) als Kondensator der Wärmepumpe (13) genutzt wird.
Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder des Verfahrens nach Anspruch 9, in einem Fahrzeug, in welchem elektrische Antriebsleistung durch das Brennstoffzellensystem (1) bereitgestellt wird.