DE102016110964A1

DE102016110964A1 - Brennstoffzellen-Kühlsystem mit zwei Kühlkreisen und Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016110964A1
Application number: DE102016110964.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hable; Nadine Rink; Oliver Berger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Kühlsystem (40), das zwei Kühlkreise, nämlich einen Brennstoffzellen-Kühlkreis mit einer ersten Kühleinrichtung (413) und einen zweiten Kühlkreis (420) mit einer zweiten Kühleinrichtung (423) aufweist. Erfindungsgemäß sind ferner Verbindungsmittel (431, 432, 433) vorgesehen, mit denen ein fluidführendes Verbinden der beiden Kühlkreise (410, 420) so erfolgt, dass die erste und die zweite Kühleinrichtung (413, 423) parallel zueinander geschaltet sind und ein Teil des Wärmeträgers durch die erste Kühleinrichtung (413) und ein Teil des Wärmeträgers durch die zweite Kühleinrichtung (423) strömt. Diese Gestaltung erlaubt in bestimmten Betriebssituationen ein besonders schnelles Abkühlen der Brennstoffzelle. Dieses wird insbesondere in einem Verfahren zum Abschalten der Brennstoffzelle genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Kühlsystem, umfassend einen Brennstoffzellen-Kühlkreis und einen zweiten Kühlkreis, die jeweils eine Fördereinrichtung zur Förderung eines Wärmeträgers (Kühlmittels) und eine Kühleinrichtung aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle, die ein solches Brennstoffzellen-Kühlsystem aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierzu weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) aus einer protonenleitenden Membran und beidseitig daran angeordneten Elektroden auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode als Brennstoff zugeführt und dort unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch oxidiert (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über die Membran, welche zwei Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, werden die Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum transportiert. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– können zum Verrichten einer elektrischen Arbeit genutzt werden, wonach sie an die Kathode geleitet werden. Dieser wird zudem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass dort eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen erfolgt (½O₂+ 2e^– → O^2–). Die gebildeten Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen zu Wasser (2H⁺ + O² → H₂O).
In der Regel ist die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Dabei ist zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die der Zuführung der Prozessgase zu Anode und Kathode benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen dient. Ferner sind die Bipolarplatten als elektrische und thermische Leiter ausgelegt. Sie werden somit für die Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, deren Kühlung und deren elektrischer Anbindung verwendet.
Um einen optimalen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, muss dieser in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Bei den bevorzugt für mobile Anwendungen genutzten Brennstoffzellen mit protonenleitenden Membranen (PEM-Brennstoffzellen) liegt dieser Temperaturbereich beispielsweise zwischen 60 und 90°C. Da die Brennstoffzellenreaktionen stark exotherm sind, ergibt sich somit die Notwendigkeit, den Brennstoffzellenstapel zu temperieren, was ein Aufheizen des Stapels vor dessen Inbetriebnahme und das Kühlen des Stapels während dessen laufenden Betriebs umfasst.
US 7,404,461 A1 beschreibt ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem ersten Kühlkreis, in dem die Brennstoffzelle thermisch eingebunden ist, und einen davon unabhängigen zweiten Kühlkreis, in dem elektrische Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere der Elektromotor und ein Inverter thermisch eingebunden sind.
Ferner ist bekannt, den Kühlkreis des Brennstoffzellensystems über den Kühler beziehungsweise Wärmetauscher desselben thermisch mit einem externen Kühlkreis zu koppeln, um eine schnellere Aufheizung der Brennstoffzelle nach einem Kaltstart zu erzielen (siehe zum Beispiel DE 10 2012 020 627 A1 ).
US 8865360 B2 beschreibt einen Kühlkreis einer Brennstoffzelle, in dem ein Wärmetauscher eine Kühlung über die Umgebungsluft ermöglicht. Zum Zwecke der Aufheizung kann das Kühlmedium ferner durch einen weiteren Zweig des Kühlkreises geleitet werden, in dem ein einem Brenner nachgeschalteter Wärmetauscher integriert ist, der die Brennerabwärme auf das Kühlmedium überträgt.
US 2002 187 375 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, bei dem Zellpakete als selbstständige Untereinheiten ausgebildet sind. Die Untereinheiten weisen separate Kühlkreise auf, die in serieller oder paralleler Schaltung miteinander verbindbar sind. Nach einer anderen Ausführung ist eine der Untereinheiten als Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle und die andere als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle ausgebildet, wobei die Kühlkreise auf den entsprechenden HT- beziehungsweise NT-Niveaus arbeiten.
Im Falle des Herunterfahrens eines Brennstoffzellenstapels ist es wünschenswert, den Stapel möglichst schnell abzukühlen. Dies ermöglicht ein frühzeitiges Trennen der Anoden- und Kathodenräume der Brennstoffzelle von der Umgebung, da Wasserdampf im abgeschlossenen Bereich schneller kondensiert werden kann. Die erzwungene Kondensation von Wasserdampf verhindert, dass selbiger Vorgang bei der natürlichen Abkühlung des Systems (welches durch Klappen annähernd luftdicht zur Umgebung abgesperrt ist) im abgestellten Zustand eine Unterdruckbildung und eine damit verbundene erhöhte Lufteindringrate verursacht, wodurch die Häufigkeit von sogenannten Luft-Luft-Starts steigt. Mit Luft-Luft-Start wird eine Situation beim Wiederstart der Brennstoffzelle bezeichnet, in der sowohl auf Kathoden- als auch auf Anodenseite Luft vorliegt, was zu hohen lokalen Spannungen an den Elektroden und damit zu einer Degradation derselben führen kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, das besonders schnelle Kühl- und/oder Heizraten und somit kurze Abkühl- beziehungsweise Aufheizdauern des Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Abschalten (Abfahren, Herunterfahren) eines Brennstoffzellenstapels angegeben werden, das Degradationseffekte an den Elektroden sowie an der Membran vermindert und somit die Lebensdauer verlängert.
Diese Aufgaben werden durch ein Brennstoffzellen-Kühlsystem und durch ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühlsystem, umfasst:

– einen mit einer Brennstoffzelle thermisch gekoppelten ersten Kühlkreis (Brennstoffzellen-Kühlkreis), der eine erste Fördereinrichtung zur Förderung eines Wärmeträgers in dem ersten Kühlkreis und eine erste Kühleinrichtung aufweist,
– einen zweiten Kühlkreis, der eine zweite Fördereinrichtung zur Förderung eines Wärmeträgers in dem zweiten Kühlkreis und eine zweite Kühleinrichtung aufweist, und
– Verbindungsmittel zum fluidführenden Verbinden des ersten Kühlkreises und des zweiten Kühlkreises so miteinander, dass die erste und die zweite Kühleinrichtung parallel zueinander geschaltet sind und ein Teil des Wärmeträgers durch den ersten Kühler und ein Teil des Wärmeträgers durch den zweiten Kühler strömt.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühlsystem erlaubt somit den temporären Zusammenschluss zweier an sich autark arbeitender Kühlmittelkreise. Auf diese Weise kann einerseits der temperierte Wärmeträger des zweiten Kühlkreises direkt in den ersten Kreis eingespeist werden und dessen abweichendes Temperaturniveau genutzt werden, ohne dass der in dem ersten Kühlkreis zirkulierende Wärmeträger erst gekühlt oder geheizt werden muss. Ferner können die Kühlleistungen beider Kühleinrichtungen gleichzeitig im Brennstoffzellen-Kühlkreis genutzt werden, sodass insbesondere eine größere Wärmeaustauschfläche zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist das System so ausgelegt, dass pro Strömungszyklus ein Teil des Wärmeträgers ausschließlich durch den ersten Kühler und der andere Teil des Wärmeträgers ausschließlich durch den zweiten Kühler strömt. In jedem Fall gelangt der Wärmeträger aus beiden Kühleinrichtungen jedoch zu der Brennstoffzelle.
Dabei bezeichnet im Rahmen der Erfindung der Begriff „Kühlkreis” einen Kreislauf eines Wärmeträgers, der eine Temperierung des Wärmeträgers und/oder einer zu temperierenden Komponente auf ein vorbestimmbares Temperaturniveau erlaubt. Dieses schließt sowohl ein Heizen als auch ein Kühlen des Wärmeträgers ein. Somit kann der Kühlkreis neben der Kühleinrichtung auch noch eine Heizeinrichtung aufweisen. Die zu temperierende Komponente ist thermisch mit dem Kühlkreis gekoppelt, sodass ein Wärmetransport in beide Richtungen möglich ist.
Des Weiteren bezeichnet „Wärmeträger” ein Fluid, also ein Gas insbesondere aber eine Flüssigkeit, die in dem Kühlkreis zirkuliert und Wärme von der zu temperierenden Komponente aufnimmt und abführt und/oder Wärme in die zu temperierenden Komponente einträgt. Dabei steht der Wärmeträger in einem thermischen Kontakt mit der zu temperierenden Komponente, ohne dass ein stofflicher Austausch erfolgt. Bei dem Wärmeträger handelt es sich insbesondere um Kühlmittel, vorzugsweise auf wässriger Basis, wobei weitere Additive wie Frostschutzmittel, bakterizide und/oder fungizide Mittel etc. zugesetzt werden können. Vorzugsweise wird in beiden Kühlkreisen der gleiche Wärmeträger, nachfolgend auch als Kühlmittel bezeichnet, eingesetzt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Temperaturniveau im ersten Kühlkreis sich von einem Temperaturniveau im zweiten Kühlkreis unterscheidet, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen beiden Kühlkreisen vorzugsweise mindestens 20 K, insbesondere mindestens 50 K, beträgt. Hierdurch wird ein besonders schneller Kühl- oder Heizeffekt im Brennstoffzellen-Kühlkreis, das heißt der Brennstoffzelle, bewirkt. Insbesondere ist ein Temperaturniveau im ersten Kühlkreis höher als ein Temperaturniveau im zweiten Kühlkreis. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle sehr schnell abgekühlt werden, was insbesondere beim Abschalten derselben von Vorteil ist.
Beispielsweise können als zu temperierende Komponenten des zweiten Kühlkreises Elektronikkomponenten thermisch gekoppelt sein. In einem solchen Fall weist dieser Kühlkreis ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau als der Brennstoffzellen-Kühlkreis auf.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Brennstoffzellen-Kühlsystem eingerichtet, in einem Normalbetriebsmodus den ersten und den zweiten Kühlkreis nicht miteinander zu verbinden und in einem Kühlmodus den ersten und den zweiten Kühlkreis miteinander zu verbinden. Demnach wird im Normalbetriebsmodus der erste Kühlkreis unabhängig von dem zweiten Kühlkreis und vorzugsweise auf einem höheren Temperaturniveau als der zweite Kühlkreis betrieben. Soll sodann eine besonders schnelle Abkühlung der Brennstoffzelle erfolgen, werden die beiden Kühlkreise im Kühlmodus „kurzgeschlossen”.
In Ausgestaltungen der Erfindung weisen die Verbindungsmittel die Kühlkreise verbindende Leitungsabschnitte auf, wobei

– ein erster Leitungsabschnitt stromab der Brennstoffzelle und stromauf der ersten Kühleinrichtung vom ersten Kühlkreis abzweigt und stromab der zweiten Kühleinrichtung in den zweiten Kühlkreis mündet und
– ein zweiter Leitungsabschnitt stromauf der zweiten Kühleinrichtung vom zweiten Kühlkreis abzweigt und stromab der ersten Kühleinrichtung und stromauf der Brennstoffzelle in den ersten Kühlkreis mündet.

Dabei beziehen sich im Rahmen dieser Erfindung die Begriffe „stromauf” und „stromab” auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgers innerhalb des jeweiligen Kühlkreises. Durch diese Art der Kopplung beider Kühlreise wird auf einfache Art die erfindungsgemäße Parallelschaltung der beiden Kühleinrichtungen erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsmittel zumindest ein Stellmittel auf, das in einem Normalbetriebsmodus den Wärmeträgerstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis unterbricht und das in einem Kühlmodus einen Wärmeträgerstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis, also die stoffliche, fluidführende Verbindung beider Kühlkreise miteinander erlaubt. Bei dem Stellmittel kann es sich insbesondere um ein Ventil, zum Beispiel ein Dreiwegeventil, eine Klappe oder dergleichen handeln. Dabei können auch Zwischenstellungen zwischen einer vollständig unterbrochenen Verbindung und einer vollständig geöffneten Verbindung möglich sein. Das zumindest eine Stellmittel kann insbesondere an oder in einem der die beiden Kühlkreise verbindenden Leitungsabschnitte angeordnet sein.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Kühleinrichtung einen ersten Wärmetauscher und die zweite Kühleinrichtung einen zweiten Wärmetauscher auf, wobei der erste und der zweiter Wärmetauscher so angeordnet sind, dass sie gemeinsam von einem Luftstrom, insbesondere einem von einem gemeinsamen Lüfter geförderten Luftstrom, angeströmt werden. Die Anordnung der Kühleinrichtungen in einem solchen Kühlerpaket, insbesondere mit nur einem Lüfter, ist besonders bauraumsparend und kostengünstig. Eine getrennte Anordnung der Kühler liegt jedoch ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Druckverlust des Wärmeträgers innerhalb einer im zusammengeschalteten Zustand im zweiten Kühlkreis zu durchströmenden und die zweite Kühleinrichtung aufweisenden Strecke niedriger als ein Druckverlust innerhalb einer hierzu parallelen und die erste Kühleinrichtung aufweisenden Strecke im ersten Kühlkreis. Mit anderen Worten weist die parallelgeschaltete Strecke im zweiten Kühlkreis einen geringeren Strömungswiderstand auf, als die hierzu parallelgeschaltete Strecke im ersten Kühlkreis. Auf diese Weise wird der aus dem ersten Kühlkreis stammende Wärmeträger passiv gezwungen, zumindest anteilsweise durch die die zweite Kühleinrichtung aufweisende Strecke des zweiten Kühlkreises zu strömen. Somit wird im „kurzgeschlossenen” Zustand eine Durchströmung der zweiten Kühleinrichtung durch einen Teil des Wärmeträgers gewährleistet.
Sind diese Druckverlustverhältnisse nicht gegeben, kann alternativ der gleiche Effekt erzielt werden, indem die zweite Fördereinrichtung des zweiten Kühlkreises oder eine zusätzliche Fördereinrichtung innerhalb der zu durchströmenden, die zweite Kühleinrichtung aufweisenden Strecke des zweiten Kühlkreises angeordnet ist. Diese Option ist von Vorteil, da hierdurch eine genauere und flexiblere Steuerung des die zweite Kühleinrichtung durchströmenden Teilstroms des Wärmeträgers möglich ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellen-Kühlsystem der vorliegenden Erfindung aufweist. Noch ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle mit einem Brennstoffzellen-Kühlsystem gemäß der Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Betreiben des Brennstoffzellen-Kühlsystems in einem Normalbetriebsmodus, wobei der erste und der zweite Kühlkreis nicht miteinander fluidführend verbunden sind, und Betreiben der Brennstoffzelle unter Erzeugung elektrischer Energie, und
– Betreiben des Brennstoffzellen-Kühlsystems in einem Kühlmodus, wobei der erste und der zweite Kühlkreis miteinander fluidführend verbunden werden, und Abschalten der Brennstoffzelle.

Das erfindungsgemäße Abschaltverfahren, das das Zusammenschließen der beiden Kühlkreise einschließt, erlaubt die Nutzung einer wesentlich größeren Kühlleistung beziehungsweise Kühlfläche und damit eine wesentlich schnellere Kühlung der Brennstoffzelle von Betriebstemperatur auf Umgebungstemperatur. Hierdurch wird die Degradation der Brennstoffzelle verlangsamt und ihre Lebensdauer verlängert.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, und
2 ein Brennstoffzellen-Kühlsystem gemäß vorliegender Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10 (nachfolgend auch als Brennstoffzelle 10 bezeichnet), der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode können als Beschichtung auf der Membran ausgebildet sein und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der MEA 14 ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der MEA 14 und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Zudem verfügen sie über ein System innerer Kühlmittelkanäle, die der Durchleitung eines Kühlmittels und somit der Temperierung des Stapels 10 dienen. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. In dem Anodenabgaspfad 22 der Rezirkulationsleitung 25 nachgelagert, ist ein zweites Stellmittel 26 angeordnet, um den Anteil des rezirkulierten Anodenabgases einzustellen und ein Spülen (Purgen) zu ermöglichen, wenn Anteile an Fremdgasen wie Stickstoff im rezirkulierten Anodengas zu stark ansteigen. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider 28 verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser zu kondensieren und abzuleiten.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Bypass-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 unter Umgehung des Befeuchtermoduls 39 kurzschließt. Ein in der Bypass-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Befeuchter 39 umgehenden Kathodenbetriebsmittels.
Zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 weist das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 zudem ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Kühlsystem 40 auf, das hier nur teilweise angedeutet ist und anhand von 2 näher erläutert wird. Das Kühlsystem 40 ist durch ein einen Wärmeträger (Kühlmittel) führendes Leitungssystem 411 gebildet, das mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist hier nicht dargestellte Kühlmittelhauptkanäle auf, die den Stapel 10 in seiner Stapelrichtung durchsetzen. Die Bipolarplatten 15 verteilen das durchströmende Kühlmittel über die Ebene der Einzelzellen 11 durch die Kühlmittelkanäle, die innerhalb der Bipolarplatten 15 vorgesehen sind. Auf diese Weise führt das Kühlmittel entstehende Reaktionswärme der exothermen Brennstoffzellenreaktionen ab oder führt Wärme zum Aufheizen des Stapels nach einem Kaltstart zu. Zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung 411 und durch den Brennstoffzellenstapel 10 ist im Kühlsystem 40 eine erste Fördereinrichtung 412 angeordnet. Zudem ist ein Ausgleichsbehälter 43 in dem Kühlmittelsystem 40 angeordnet und mit der Kühlmittelleitung 411 fluidführend verbunden.
Das Kühlsystem 40 weist zudem einen Ionenaustauscher 45 auf, der mit einem nicht dargestellten Entionisierungsmittel gefüllt ist und über ein steuerbares Stellmittel 46 mit den Kühlmittelleitungen 411 des Kühlkreislaufs 40 verbunden werden kann. Das Stellmittel 46 ist dabei als steuerbares Dreiwegeventil ausgebildet. Wird der Ionenaustauscher 45 von dem Kühlmittel durchströmt, nimmt das darin enthaltene Entionisierungsmittel im Kühlmittel gelöste Ionen (Kationen und Anionen) auf und gibt dafür H⁺- und OH^–-Ionen ab, die im Kühlmittel zu Wasser abreagieren. Eine Kühlkreis-Steuereinrichtung 47 steuert das Kühlsystem 40, insbesondere darin vorhandene Stellmittel und Fördereinrichtungen, was anhand von 2 näher erläutert wird.
2 zeigt das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühlsystem 40 in teilweise vereinfachter Form. Das Kühlsystem 40 umfasst als einen ersten Kühlkreis den Brennstoffzellen-Kühlkreis 410 und einen zweiten Kühlkreis 420.
In dem Brennstoffzellen-Kühlkreis 410 sind die Brennstoffzelle 10 sowie optional weitere zu temperierende Komponenten 418, 419 des Brennstoffzellensystems thermisch gekoppelt eingebunden. Bei den Komponenten 418, 419 handelt es sich beispielsweise um mechanische Bauteile, wie die Fördereinrichtung 27 der Anodenrezirkulation oder den Kompressor 33 der Kathodenversorgung (siehe 1). Der Brennstoffzellen-Kühlkreis 410 umfasst das Kühlmittelleitungssystem 411 (dargestellt durch gestrichelte Linien) mit den Leitungsabschnitten 411.1 bis 411.5 und die erste Fördereinrichtung 412 zur Förderung des Wärmeträgers (Kühlmittels) durch das Kühlmittelleitungssystem 411. Ferner ist in dem Kühlmittelleitungssystem 411 eine erste Kühleinrichtung 413 angeordnet, die hier als ein Luftkühler ausgebildet ist, der mit durch einen Lüfter/Gebläse 414 geförderte Luft angeströmt wird. Dabei kann es sich um einen üblichen Fahrzeugkühler handeln. Das Leitungssystem 411 umfasst ferner eine Kühler-Bypassleitung 415, die von dem Leitungsabschnitt 411.5 stromauf des Kühlers 413 abzweigt und stromab des Kühlers 413 in den Leitungsabschnitt 411.1 mündet. Ein Stellmittel 416 erlaubt die Einstellung des Verhältnisses der Kühlmittelteilströme, die durch den Kühler 413 und die Bypassleitung 415 strömen. Ferner ist stromab des Kühlers 413 ein Temperatursensor und/oder ein Thermostat 417 angeordnet. Optional kann in dem Kühlkreis 410 zusätzlich eine Heizeinrichtung integriert sein (nicht dargestellt), um ein Aufheizen der Brennstoffzelle 10 nach einem Kaltstart zu beschleunigen. Im Falle einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle liegt das typische Temperaturniveau des ersten Kühlkreises 410 bei 50 bis 105°C.
Der zweite Kühlkreis 420 umfasst ein zweites Kühlmittelleitungssystem 421 (dargestellt durch durchgezogene Linien) mit den Leitungsabschnitten 421.1 bis 421.3 und eine zweite Fördereinrichtung 422 zur Förderung eines Wärmeträgers (Kühlmittel durch das Kühlmittelleitungssystem 421. Ferner ist in dem Kühlmittelleitungssystem 421 eine zweite Kühleinrichtung 423 angeordnet, die hier ebenfalls als ein Luftkühler 423 ausgebildet ist. Der Kühler 413 des Brennstoffzellen-Kühlkreises 410 und der Kühler 423 des zweiten Kühlkreises 420 sind parallel in Form eines Kühlerpakets angeordnet, sodass beide Kühler 413, 423 durch den Lüfter 414 gemeinsam angeströmt werden. Das Leitungssystem 421 des zweiten Kühlkreises 420 umfasst ferner eine Kühler-Bypassleitung 425, die von dem Leitungsabschnitt 421.3 stromauf des Kühlers 423 abzweigt und stromab des Kühlers 423 in den Leitungsabschnitt 421.1 mündet. Ein Stellmittel 426 erlaubt die Einstellung des Verhältnisses der Kühlmittelteilströme, die durch den zweiten Kühler 423 und die Bypassleitung 425 strömen. Ferner ist stromab des Kühlers 423 ein Temperatursensor und/oder ein Thermostat 427 angeordnet.
In dem zweiten Kühlkreis 420 sind zu temperierende Komponenten 428, 429 thermisch gekoppelt eingebunden. Bei den Komponenten 428, 429 handelt es sich insbesondere um Elektronikkomponenten des Brennstoffzellensystems 100, beispielsweise Spannungswandler, Gleichrichter oder Batterien, oder um externe Elektronikkomponenten. Das typische Temperaturniveau des zweiten Kühlkreises 420 liegt bei 20 bis 65°C und damit deutlich unterhalb des Temperaturniveaus des ersten Kühlkreises 410. Somit kann der Brennstoffzellen-Kühlkreis 410 auch als Hochtemperatur-Kühlkreis und der zweite Kühlkreis 420 auch als Niedertemperatur-Kühlkreis bezeichnet werden.
Das Brennstoffzellen-Kühlsystem 40 weist ferner Verbindungsmittel 431, 432, 433 auf, die eine fluidführende Verbindung des ersten Kühlkreises 410 mit dem zweiten Kühlkreis 420 erlauben. Im dargestellten Beispiel weisen die Verbindungsmittel zwei die Kühlkreise 410, 420 verbindende Leitungsabschnitte 431, 432 auf. Ein erster Leitungsabschnitt 431 zweigt stromab der Brennstoffzelle 10 und stromauf der ersten Kühleinrichtung 413 vom ersten Kühlkreis 410 ab, hier von dem Leitungsabschnitt 411.5, und mündet stromab der zweiten Kühleinrichtung 423 in den zweiten Kühlkreis 420, hier in den Leitungsabschnitt 421.3. Ein zweiter Leitungsabschnitt 432 zweigt stromab der zweiten Kühleinrichtung 423 vom zweiten Kühlkreis 420 ab, hier von dem Leitungsabschnitt 421.2, und mündet stromab der ersten Kühleinrichtung 413 und stromauf der Brennstoffzelle 10 in den ersten Kühlkreis 410, hier in den Leitungsabschnitt 411.1. Ferner umfassen die Verbindungsmittel ein Stellmittel 433, das hier als ein Dreiwegeventil ausgebildet ist und beispielsweise an der Übergangsstelle zwischen dem verbindenden Leitungsabschnitt 432 und dem zweiten Kühlkreis 420 angeordnet ist. Das Stellmittel 433 unterbricht in einer ersten Schaltstellung den Kühlmittelstrom des Wärmeträgers zwischen den beiden Kühlkreisen 410, 420 und stellt in einer zweiten Stellung den stofflichen Kühlmittelstrom zwischen den Kühlkreisen 410, 420 her. In der zweiten Stellung ist vorzugsweise die Strömung durch die die Komponenten 428, 429 einbindende Teilstrecke des zweiten Kühlkreises 420 gesperrt. Optional können weitere Stellungen und Zwischenstellungen des Stellmittels 433 möglich sein.
Bei der hier dargestellten Ausführung, bei der nur ein Stellmittel 433 an einem der beiden die Kühlkreise 410, 420 verbindenden Leitungsabschnitte 431, 432 angeordnet ist und kein weiteres Stellmittel an oder in dem anderen verbindenden Leitungsabschnitt vorgesehen ist, ist sicher zu stellen, dass in der die Kühlkreise 410, 420 verbindenden zweiten Stellung des Stellmittels 433 ein Teil des Kühlmittels aus dem ersten Kühlkreis 410 in den zweiten Kühlkreis 420 einströmt und dass die parallelgeschaltete Strecke des zweiten Kühlkreises 420, in der die Kühleinrichtung 423 angeordnet ist, durchströmt wird. Dies kann, wie hier dargestellt, dadurch erfolgen, dass die zweite Fördereinrichtung 422 (oder optional eine zusätzliche Fördereinrichtung) innerhalb dieser Strecke angeordnet ist, also innerhalb der Strecke des zweiten Leitungssystems 421, die an der Einmündungsstelle des Verbindungsleitungsabschnitts 431 beginnt, über den Kühler 423 führt und an der Abzweigungsstelle des Verbindungsleitungsabschnitts 432 endet. In alternativer Ausführung ist der Druckverlust des Wärmeträgers innerhalb dieser Strecke des zweiten Kühlkreises 420, welche die zweite Kühleinrichtung 423 aufweist, niedriger ausgelegt als der Druckverlust innerhalb der hierzu parallelen, die erste Kühleinrichtung 413 aufweisenden Strecke des ersten Kühlkreises 410. Im optimalen Fall wird entweder durch die entsprechend gesteuerte Förderleistung der Fördereinrichtung 422 oder durch die entsprechende Auslegung der Strömungswiderstände in den beiden parallelgeschalteten Strecken erreicht, dass die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den beiden Strecken so erfolgt, dass eine maximale Ausnutzung der in den beiden Strecken zur Verfügung stehenden Kühlerkapazität, insbesondere Kühlflächen, erzielt wird. Insbesondere erfolgt die mengenmäßige Aufteilung des Kühlmittelstroms derart, dass ein Verhältnis der Kühlfläche des ersten Kühlers 413 zur Kühlfläche des zweiten Kühlers 423 im Wesentlichen dem Verhältnis des Massenstroms des den ersten Kühler 413 durchströmenden Kühlmittels zu dem Massenstrom des den zweiten Kühler 423 durchströmenden Kühlmittels entspricht.
Ferner umfasst das Brennstoffzellen-Kühlsystem 40 die Kühlkreis-Steuereinrichtung 47, die in Abhängigkeit verschiedener eingehender Signale den Betrieb des Kühlsystems 40 und seine Komponenten steuert. Dies betrifft insbesondere die Steuerung der ersten und zweiten Fördereinrichtung 412, 422, der Bypass-Stellmittel 416, 426 und des Stellmittels 433. Hierzu empfängt die Steuereinrichtung 47 Temperatursignale T1, T2 entsprechend den mit den Temperatursensoren 417, 427 in den Kühlkreisen 410 beziehungsweise 420 gemessenen Kühlmitteltemperaturen. Weiterhin gehen verschiedene Steuersignale S einer übergeordneten Systemsteuerung in die Steuereinrichtung 47 ein, die die Einstellung bestimmter Betriebsmodi oder Routinen auslösen. Beispielsweise führt das Eingehen eines Abschaltsignals zur Einstellung eines Kühlmodus.
Das in 2 dargestellte Kühlsystem 40 weist somit zumindest folgende zwei Betriebsmodi auf. Im Normalbetriebsmodus ist das Stellmittel 433 in seiner ersten Schaltstellung geschaltet, in welcher der Kühlmittelstrom zwischen den beiden Kühlkreisen 410, 420 unterbrochen ist und der Kühlmittelstrom zwischen den Leitungsabschnitten 421.1 und 421.2 des zweiten Kühlkreises 420 geöffnet ist. In seiner zweiten Stellung stellt das Stellmittel 433 den stofflichen Kühlmittelstrom zwischen den Kühlkreisen 410, 420 her, indem es den Kühlmittelstrom zwischen den Leitungsabschnitten 421.1 und 421.2 sperrt und die Verbindung zwischen dem Leitungsabschnitt 421.1 des zweiten Kühlkreises 420 und dem verbundenen Leitungsabschnitt 432 freigibt.
Das in 2 dargestellte erfindungsgemäße Kühlsystem 40 zeigt insbesondere folgende Funktion:
Im Normalbetriebsmodus wird das Stellmittel in seiner ersten Schaltstellung geschaltet, sodass der erste und der zweite Kühlkreis 410, 420 nicht fluidführend miteinander verbunden sind. Die beiden Kühlkreise laufen somit unabhängig voneinander. Währenddessen wird die Brennstoffzelle 10 unter Erzeugung elektrischer Energie betrieben, wobei sie Wärmeenergie freisetzt. Um die Brennstoffzelle 10 auf ihrer gewünschten Betriebstemperatur zu halten, fördert die Pumpe 412 Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 10 und die Komponenten 418, 419 und transportiert die Wärme ab. Je nach aktueller Temperatur T1 des Kühlmittels im ersten Kühlkreis 410 wird das Bypass-Stellmittel 416 geschaltet, sodass das Kühlmittel entweder durch den Kühler 413 oder durch den Bypass 415 strömt oder zwischen beiden aufgeteilt wird. Sofern die Brennstoffzelle 10, etwa nach einem Kaltstart, ihre Solltemperatur noch nicht erreicht hat, wird das Kühlmittel durch den Kühler-Bypass 415 geleitet und gegebenenfalls zusätzlich eine Heizeinrichtung im Kühlkreis 420 aktiviert.
Sofern die Kühlkreis-Steuereinrichtung 47 ein Abschaltsignal empfängt, das etwa durch das Abstellen des Brennstoffzellenfahrzeugs durch den Fahrer ausgelöst wird und das Abschalten der Brennstoffzelle 10 zur Folge hat, betreibt sie das Kühlsystem 40 im Kühlmodus, indem sie das Stellmittel 433 in seine zweite Schaltstellung schaltet, die die Fluidverbindung zwischen den Kühlkreisen 410, 420 herstellt, jedoch die Verbindung zwischen den Leitungsabschnitten 421.1 und 421.2 des zweiten Kühlkreises 420 unterbricht. Zudem sind die Bypass-Ventile 416, 426 so geschaltet, dass die Bypässe 415, 425 geschlossen sind. Im Kühlmodus werden beide Fördereinrichtungen 412, 422 betrieben. Auf diese Weise kommt es an der Abzweigungsstelle des ersten verbindenden Leitungsabschnitts 431 von dem ersten Kühlkreis 410 zu einer Aufteilung des im ersten Kühlkreis 410 strömenden Kühlmittels, wobei ein Teil im ersten Kühlkreis 410 verbleibt und durch den ersten Kühler 413 strömt und der andere Teil in den zweiten Kühlkreis 420 überströmt und den zweiten Kühler 423 durchströmt. Hierdurch können die Kühlleistungen beider Kühler 413, 423 gleichzeitig zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 genutzt werden, wodurch eine wesentlich höhere Abkühlrate und damit kürzere Kühldauer erzielt wird. Ferner strömt gleichzeitig mit Umschalten des Stellmittels 433 in seine zweite Schaltstellung der im zweiten Kühlkreis 420 vorhandene und ohnehin bereits kühlere Kühlmittelstrom über den verbindenden Leitungsabschnitt 432 aus den zweiten Kühlkreis 420 in den ersten Kühlkreis 410, sodass die Abkühlung noch weiter beschleunigt wird.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel/Brennstoffzelle
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungsleitung
22: Anodenabgasleitung
23: Brennstofftank
24: erstes Stellmittel
25: Rezirkulationsleitung
26: zweites Stellmittel
27: Rezirkulationsfördereinrichtung
28: Wasserabscheider
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungsleitung
32: Kathodenabgasleitung
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Bypass-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
40: Brennstoffzellen-Kühlsystem
43: Ausgleichsbehälter
45: Ionenaustauscher
46: Stellmittel
47: Kühlkreis-Steuereinrichtung
410: Brennstoffzellen-Kühlkreis
411: erstes Leitungssystem
411.1–411.5: Leitungsabschnitte
412: erste Fördervorrichtung/Pumpe
413: erste Kühleinrichtung/Kühler
414: Lüfter/Gebläse
415: Kühler-Bypassleitung
416: Stellmittel, Ventil, Bypass-Ventil
417: Temperatursensor/Thermostat
418: zu temperierende Komponente
419: zu temperierende Komponente
420: zweiter Kühlkreis
421: zweites Leitungssystem
421.1–421.3: Leitungsabschnitte
422: zweite Fördervorrichtung/Pumpe
423: zweite Kühleinrichtung/Kühler
425: Kühler-Bypassleitung
426: Stellmittel, Ventil, Bypass-Ventil
427: Temperatursensor/Thermostat
428: zu temperierende Komponente
429: zu temperierende Komponente
431: Verbindungsmittel/Leitungsabschnitt
432: Verbindungsmittel/Leitungsabschnitt
433: Verbindungsmittel/Stellmittel/Ventil

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

US 7404461 A1 [0005]
DE 102012020627 A1 [0006]
US 8865360 B2 [0007]
US 2002187375 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellen-Kühlsystem (40), umfassend – einen mit einer Brennstoffzelle (10) thermisch gekoppelten ersten Kühlkreis (410), der eine erste Fördereinrichtung (412) zur Förderung eines Wärmeträgers in dem ersten Kühlkreis (410) und eine erste Kühleinrichtung (413) aufweist, – einen zweiten Kühlkreis (420), der eine zweite Fördereinrichtung (422) zur Förderung eines Wärmeträgers in dem zweiten Kühlkreis (420) und eine zweite Kühleinrichtung (423) aufweist, und – Verbindungsmittel (431, 432, 433) zum fluidführenden Verbinden des ersten Kühlkreises (410) und des zweiten Kühlkreises (420) so miteinander, dass die erste und die zweite Kühleinrichtung (413, 423) parallel zueinander geschaltet sind und ein Teil des Wärmeträgers durch die erste Kühleinrichtung (413) und ein Teil des Wärmeträgers durch die zweite Kühleinrichtung (423) strömt.
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturniveau im ersten Kühlkreis (410) mindestens um 20 K von einem Temperaturniveau im zweiten Kühlkreis (420) abweicht, insbesondere das Temperaturniveau im zweiten Kühlkreis (420) höher ist als das Temperaturniveau des ersten Kühlkreises (410).
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) eingerichtet ist, in einem Normalbetriebsmodus den ersten und den zweiten Kühlkreis (410, 420) nicht miteinander zu verbinden und in einem Kühlmodus den ersten und den zweiten Kühlkreis (410, 420) miteinander zu verbinden.
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (431, 432, 433) Leitungsabschnitte (431, 432) aufweisen, wobei – ein erster Leitungsabschnitt (431) stromab der Brennstoffzelle (10) und stromauf der ersten Kühleinrichtung (413) vom ersten Kühlkreis (410) abzweigt und stromab der zweiten Kühleinrichtung (423) in den zweiten Kühlkreis (420) mündet und – ein zweiter Leitungsabschnitt (432) stromauf der zweiten Kühleinrichtung (423) vom zweiten Kühlkreis (420) abzweigt und stromab der ersten Kühleinrichtung (413) und stromauf der Brennstoffzelle (10) in den ersten Kühlkreis (410) mündet.
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (431, 432, 433) zumindest ein Stellmittel (433) aufweisen, das in einem Normalbetriebsmodus einen Kühlmittelstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis (410, 420) unterbricht und das in einem Kühlmodus einen Wärmeträgerstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis (410, 420) erlaubt.
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühleinrichtung (413) einen ersten Wärmetauscher und die zweite Kühleinrichtung (423) einen zweiten Wärmetauscher aufweist und der erste und der zweiter Wärmetauscher angeordnet sind, gemeinsam von einem Luftstrom, insbesondere einem von einem gemeinsamen Lüfter (414) geförderten Luftstrom, angeströmt zu werden.
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlust des Wärmeträgers innerhalb einer im zusammengeschalteten Zustand zu durchströmenden, die zweite Kühleinrichtung (423) aufweisenden Strecke des zweiten Kühlkreises (420) niedriger ist als ein Druckverlust innerhalb einer hierzu parallelen, die erste Kühleinrichtung (413) aufweisenden Strecke des ersten Kühlkreises (410).
Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fördereinrichtung (422) oder eine zusätzliche Fördereinrichtung innerhalb einer im zusammengeschalteten Zustand im zweiten Kühlkreis (420) zu durchströmenden, die zweite Kühleinrichtung (423) aufweisenden Strecke angeordnet ist.
Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle (10) mit einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Schritten: – Betreiben des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) in einem Normalbetriebsmodus, wobei der erste und den zweite Kühlkreis (410, 420) nicht fluidführend miteinander verbunden sind, und Betreiben der Brennstoffzelle (10) unter Erzeugen elektrischer Energie, und – Betreiben des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) in einem Kühlmodus, wobei der erste und der zweite Kühlkreis (410, 420) miteinander fluidführend verbunden werden, und Abschalten der Brennstoffzelle (10).