DE102016124521A1

DE102016124521A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102016124521A1
Application number: DE102016124521.6A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Hartung; Oliver Berger; Nadine Grünheid; Philipp Rosen
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (150), umfassend eine Brennstoffzelle (10), ein Kühlsystem (60) und wenigstens einen Brennstofftank (44), welcher zur Versorgung der Brennstoffzelle (10) mit Brennstoff eingerichtet ist und- einen Speicherraum (80) zum Speichern von Brennstoff,- eine Hülle (82), welche den Speicherraum (80) brennstoffdicht umschließt, und- eine Kühlmittelleitung (84) aufweist, wobei die Kühlmittelleitung (84) in das Kühlsystem (60) eingebunden und das Kühlsystem (60) und der Brennstofftank (44) dazu eingerichtet sind, Wärme zwischen der Kühlmittelleitung (84) und der Hülle (82) direkt zu übertragen.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (200) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, ein Kühlsystem und wenigstens einen Brennstofftank, welcher zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff eingerichtet ist. Der Brennstofftank weist einen Speicherraum zum Speichern von Brennstoff und eine Hülle, welche den Speicherraum brennstoffdicht umschließt, auf. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgeschlagen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Brennstoffzellenstapel) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂+ 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
An Stapelenden des Brennstoffzellenstapels sind anstatt Bipolarplatten sogenannte Monopolarplatten angeordnet, welche lediglich auf einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Seite ein Flussfeld aufweisen. Insgesamt können Bipolarplatten und Monopolarplatten unter dem Begriff „Polarplatten“ zusammengefasst werden.
Bei Brennstoffzellen (auch Brennstoffzellen-Aggregate genannt) muss ein Großteil von entstehender Abwärme über das Kühlmittel, statt wie bei Verbrennungskraftmaschinen über das Abgas, abgeführt werden. Eine zulässige Maximaltemperatur des Kühlmittels ist jedoch vergleichsweise niedrig. Aus diesem Grund stellt der Einsatz von Brennstoffzellen im HeißlandBetrieb, also bei erhöhten Umgebungstemperaturen, zurzeit eine große Herausforderung dar. Zwar kann die Brennstoffzelle temporär bei höheren als für den Dauerbetrieb vorgesehenen Temperaturen betrieben werden, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen. Dies wirkt sich jedoch schädlich auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle aus. Deshalb versucht man diese sogenannten Heißland-Betriebsbedingungen soweit als möglich zu vermeiden. Ferner lässt sich in Extremfällen selbst bei Nutzung dieser Betriebsbedingungen die Abwärme der Brennstoffzelle nur begrenzt abführen.
Neben üblichen, evolutionären Möglichkeiten, wie zum Beispiel ein verbesserter Wärmeübertrager, größere Kühlfläche, etc. existieren auch komplexere Ansätze. Dazu gehören beispielsweise Wärmepumpen oder dedizierte Wärmespeicher, wobei Wärmepumpen Leistung verbrauchen und den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen und dedizierte Wärmespeicher aufgrund Gewichts- und Bauraumbeschränkungen nur schwer in ein Brennstoffzellenfahrzeug zu integrieren sind.
Ferner sind Ansätze bekannt, welche eine Verdunstungskühlung nutzen. Solche Kühlungen sind schwer umzusetzen, ferner ist es schwierig, ein zu verdunstendes Medium bereitzustellen. Die DE 10 2013 217 594 A1 stellt zwar einen Ansatz vor, das Produktwasser der Brennstoffzelle zu nutzen, dies benötigt jedoch ebenfalls zusätzliche Apparaturen.
WO2011/042215A1 offenbart ferner ein Brennstoffzellensystem für ein Flugzeug, mit einem Kühlsystem, das als Wärmesenke Kraftstoff in einem Kraftstofftank verwendet. Dadurch ergibt sich eine im Wesentlichen gleichbleibende Kühlleistung aufgrund relativ stabiler Temperatur des Kraftstoffs. Das Kühlsystem kann so realisiert sein, dass ein von einem Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher eines Kühlkreislaufs innerhalb des Kraftstofftanks angeordnet ist. Ferner können mehrere Kraftstofftanks mit jeweils einem Wärmetauscher vorgesehen sein.
In kalten Umgebungen kühlt die Brennstoffzelle nach dem Herunterfahren ab und kann dabei Temperaturen unter 0 Grad Celsius erreichen. Auf den Anoden- und/oder Kathodenseiten befindliches Wasser gefriert dadurch. Bei einem anschließenden Start kann zu viel Eis an der Anodenseite der Einzelzellen dazu führen, dass diese von einer Brennstoffunterversorgung betroffen ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches besser für extreme Umgebungstemperaturen geeignet ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, ein Kühlsystem und wenigstens einen Brennstofftank, welcher zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff eingerichtet ist und

- einen Speicherraum zum Speichern von Brennstoff,
- eine Hülle, welche den Speicherraum brennstoffdicht umschließt, und
- eine Kühlmittelleitung

Durch die Erfindung ist es somit möglich, eine Wärmekapazität eines (insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug ohnehin verbauten) Brennstofftanks zum insbesondere temporären Einspeichern von Abwärme bei zum Beispiel relativ hohen Umgebungstemperaturen und/oder zum insbesondere temporären Entnehmen von Wärme bei zum Beispiel relativ niedrigen Umgebungstemperaturen zu nutzen. Somit wird durch die Erfindung ermöglicht, die Wärmekapazität des Brennstofftanks zum Puffern von ansonsten nicht abführbarer Abwärme und zum Vorwärmen eines Kühlmittels bei einem Froststart zu nutzen. Zudem kann mittels der Erfindung auch ein Betankungsvorgang des Brennstofftanks optimiert werden. Das Brennstoffzellensystem ist somit insbesondere für ein Brennstoffzellenfahrzeug geeignet.
Der Brennstofftank ist insbesondere ein Hochdruck-Gastank. In solchen Brennstofftanks kann der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff insbesondere mit einem Druck von mehr als 500 bar, bevorzugt mehr als 600 bar, besonders bevorzugt wenigstens 700 bar gespeichert werden. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem mehr als einen Brennstofftank, wobei insbesondere wenigstens zwei, bevorzugt alle Brennstofftanks erfindungsgemäß ausgestaltet und in das Kühlsystem integriert sind.
Die Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Vielzahl an Einzelzellen und kann somit auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden.
Das Kühlsystem umfasst als Betriebsmedium insbesondere ein Kühlmittel, zum Beispiel ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel (insbesondere Glykol), welches im Betrieb der Brennstoffzelle im Kühlsystem zirkuliert. Das Kühlsystem umfasst insbesondere einen Kühler, also einen Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher, welcher für eine Abfuhr von Abwärme des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Brennstoffzelle zuständig ist.
Der Speicherraum des Brennstofftanks ist insbesondere ein Hohlraum, in welchem der Brennstoff speicherbar, also bevorratbar ist.
Die Kühlmittelleitung ist insbesondere dazu ausgebildet, ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit zu leiten. Dazu kann die Kühlmittelleitung des Brennstofftanks insbesondere in das Kühlsystem eingebunden sein, indem ein Kühlmittel des Kühlsystems durch die Kühlmittelleitung des Brennstofftanks leitbar ist. Ferner bevorzugt kann die Kühlmittelleitung des Brennstofftanks auch in das Kühlsystem eingebunden sein, indem durch die Kühlmittelleitung des Brennstofftanks ein Kühlmittel eines Brennstofftankkreislaufs strömt, und der Brennstofftankkreislauf und das Kühlsystem mittels eines Kühlmittel/Kühlmittel-Wärmetauschers miteinander verbunden sind.
Die Kühlmittelleitung ist insbesondere in die Hülle eingebettet. Dazu verläuft die Kühlmittelleitung insbesondere innerhalb eines Materials der Hülle, ist also bevorzugt von einem Material der Hülle (die Kühlmittelleitung direkt kontaktierend) umschlossen. Die Kühlmittelleitung kann bevorzugt auch in den Brennstofftank eingebettet sein, indem ein Material der Hülle die Kühlmittelleitung formt, also die Kühlmittelleitung kein eigenes Bauteil darstellt.
Insbesondere sind wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 50%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, insbesondere bevorzugt wenigstens 90% der Länge des innerhalb (einer äußeren Umrandung) des Brennstoffzellentanks angeordneten Teils der Kühlmittelleitung in der Hülle eingebettet. Ein verbleibender Prozentsatz der Länge des innerhalb des Brennstofftanks angeordneten Teils der Kühlmittelleitung kann im Speicherraum angeordnet, also von Brennstoff umgeben sein oder es ist bevorzugt eine weitere Kühlmittelleitung vorgesehen, welche innerhalb des Speicherraums angeordnet ist. Der innerhalb des Brennstofftanks angeordnete Teil der Kühlmittelleitung kann bevorzugt auch komplett in der Hülle eingebettet sein, wodurch die Wärmeleitung in die Hülle optimiert wird. Somit ist die Kühlmittelleitung insbesondere außerhalb des Speicherraums angeordnet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlmittelleitung parallel zu einer äußeren Oberfläche des Speicherraums, also parallel zu einer inneren Oberfläche der Hülle, verläuft. Dadurch kann relativ einfach eine relativ große Länge der Kühlmittelleitung vorgesehen werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kühlmittelleitung den Speicherraum mehrfach (insbesondere spiralförmig) umschließt. So kann die Hülle besonders gut von der Kühlmittelleitung durchsetzt werden. Ferner bevorzugt kann vorgesehen sein, dass sich die Kühlmittelleitung verzweigt, also beispielsweise eine Verteilerleitung und eine Sammelleitung vorgesehen sind, welche über mehrere (parallele) Zwischenleitungen miteinander verbunden sind, wobei die Zwischenleitungen den Speicherraum insbesondere umschließen.
Dass das Kühlsystem und der Brennstofftank dazu eingerichtet sind, mittels der Kühlmittelleitung Wärme zwischen der Kühlmittelleitung und der Hülle direkt zu übertragen, ist insbesondere derart realisiert, dass eine direkte Wärmeleitung zwischen der Kühlmittelleitung und der Hülle, also einem Material der Hülle vorgesehen ist, oder die Kühlmittelleitung von einem Material der Hülle geformt ist. Somit entfällt eine relativ schlechte Wärmeleitung über den ansonsten zwischen der Kühlmittelleitung und der Hülle befindlichen Brennstoff.
Dass das Kühlsystem und der Brennstofftank dazu eingerichtet sind, mittels der Kühlmittelleitung Wärme zwischen der Kühlmittelleitung und der Hülle zu übertragen, bedeutet insbesondere, dass Kühlsystem und der Brennstofftank dazu eingerichtet sind, mittels der Kühlmittelleitung Wärme in die Hülle des Brennstofftanks einzuleiten und/oder aus der Hülle des Brennstoffzellentanks zu entnehmen.
Insbesondere sind das Kühlsystem und der Brennstofftank dazu eingerichtet, Abwärme der Brennstoffzelle aufzunehmen und mittels der Kühlmittelleitung direkt in die Hülle des Brennstofftanks zu übertragen und/oder Wärme des Brennstoffzellentanks mittels der Kühlmittelleitung direkt aus der Hülle des Brennstoffzellentanks aufzunehmen und an die Brennstoffzelle oder an einen Kühler des Kühlsystems zu übertragen. Somit kann die Wärmekapazität des Brennstofftanks optimal genutzt werden.
Typischerweise umfasst der Brennstofftank wenigstens eine die Hülle durchdringende (und von der Kühlmittelleitung separate) Brennstoffleitung, welche von außerhalb des Brennstofftanks in den Speicherraum führt und dort mündet. Mittels der Brennstoffleitung ist ein Entleeren und/oder Befüllen des Brennstofftanks möglich.
Vorzugsweise ist die Kühlmittelleitung stromab des Kühlers und stromauf der Brennstoffzelle in das Kühlsystem eingebunden. Durch diese Anordnung wird erwärmtes Kühlmittel aus der Brennstoffzelle zunächst im Kühler abgekühlt und erst anschließend durch die Kühlmittelleitung im Brennstofftank geführt. Dadurch weist das Kühlmittel im Kühler eine höhere Temperatur auf, wodurch die durch den Kühler abgegebene Wärme gesteigert wird. Ferner bevorzugt kann die Kühlmittelleitung zusätzlich oder alternativ auch stromab der Brennstoffzelle und stromauf des Kühlers in das Kühlsystem eingebunden sein. Dies ist vorteilhaft, da dann zum Abführen von Wärme aus dem Brennstofftank an die Umgebung der Wärmestrom nicht durch die Brennstoffzelle sondern direkt zum Kühler geführt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hülle des Brennstofftanks einen brennstoffdichten Innenbehälter und eine den Innenbehälter umschließende und diesen stabilisierende Ummantelung aufweist. Insbesondere ist die Kühlmittelleitung zwischen dem Innenbehälter und der Ummantelung angeordnet. Dadurch kann bei der Fertigung des Brennstofftanks die Kühlmittelleitung besonders einfach und somit günstig in den Brennstofftank eingebettet werden. Wenn die Ummantelung insbesondere dicker, bevorzugt wenigstens dreimal dicker, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal dicker als der Innenbehälter ist, wird einerseits ein Wärmeübergang zum Speicherraum und auch ein Abstand zur Umgebung des Brennstofftanks vergrößert, wodurch die Nutzbarkeit des Brennstofftanks als Wärmespeicher optimiert wird. Der Innenbehälter umfasst insbesondere ein Leichtmetall (bevorzugt Aluminium) oder besteht daraus. Ferner bevorzugt umfasst der Innenbehälter ein Polymer oder besteht daraus. Durch eine solche Innenhaut wird es einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff erschwert, durch die Hülle zu diffundieren. Die Ummantelung umfasst insbesondere Kohlenstofffasern oder besteht aus diesen. Durch die hohe Festigkeit der Kohlenstoffasern kann die Hülle besonders hohen Drücken standhalten, wodurch bei typischerweise gasförmigem Brennstoff die Speicherfähigkeit des Brennstofftanks erhöht wird. Bevorzugt umfasst die Ummantelung einen (Kohlenstoff-)faserverstärkten Kunststoff oder besteht aus diesem. Die Fasern sind dabei typischerweise in einer Matrix aus einem Polymer eingebettet. Die Kühlmittelleitung kann ferner bevorzugt direkt in der Ummantelung angeordnet sein. Dadurch wird die Kühlmittelleitung von einem Material der Ummantelung umschlossen, wodurch der Wärmeübergang zwischen der Kühlmittelleitung und der Ummantelung verbessert wird. Ferner bevorzugt kann die Kühlmittelleitung direkt in dem Innenbehälter angeordnet sein. Dadurch wird die Kühlmittelleitung von einem Material des Innenbehälters umschlossen, wodurch der Wärmeübergang zwischen der Kühlmittelleitung und dem Innenbehälter verbessert wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Hülle ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Paraffin, aufweist. Phasenwechselmaterialien werden im deutschen Sprachgebrauch oft auch Latentwärmespeicher genannt. Phasenwechselmaterialien (englisch: phase change materials, PCM) weisen eine (latente) Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme auf, welche wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Beim Erwärmen des Phasenwechselmaterials wird dieses, insbesondere durch Wärme aus der Brennstoffzelle, geschmolzen. Es nimmt dabei eine relativ hohe Wärmeenergie (zum Beispiel Schmelzwärme) auf. Das Entladen findet als Erstarren statt, wobei das Phasenwechselmaterial die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme abgibt und die Wärme in der Folge an die Brennstoffzelle übertragbar ist. Durch das Phasenwechselmaterial wird die Wärmekapazität (die Wärmespeicherfähigkeit) des Brennstofftanks wesentlich erhöht.
Die Phasenwechsel (Phasenübergänge) des Phasenwechselmaterials erfolgen typischerweise in einem Phasenwechselpunkt, also insbesondere einer Phasenwechseltemperatur. Indem ein Phasenwechselmaterial mit einer geeigneten Phasenwechseltemperatur gewählt wird, kann eine Temperatur vorbestimmt werden, bei welcher der Phasenwechsel stattfindet und somit beim Abkühlen der größte Wärmeeintrag in den Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial bei der Abgabe von Wärme von einem flüssigen zu einem festen Zustand wechselt. Flüssige und feste (Aggregats-) Zustände sind leicht zu handhaben. Paraffinwachse weisen beispielsweise in ihrem Phasenwechselpunkt einen solchen Wechsel auf.
Vorzugsweise ist die Phasenwechseltemperatur derart gewählt, dass (insbesondere höchstens 10 °C, bevorzugt höchstens 5 °C) vor Erreichen einer maximal zulässigen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die Phasenwechseltemperatur erreicht ist. Noch bevor die Brennstoffzelle somit ihre maximale Betriebstemperatur erreicht hat, wird der Phasenwechselpunkt erreicht.
Bevorzugt kann die Phasenwechseltemperatur auch derart gewählt sein, dass (insbesondere höchstens 10 °C, bevorzugt höchstens 5 °C) nach Erreichen der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die Phasenwechseltemperatur erreicht ist. Somit wird die Wärmekapazität des Brennstofftanks nur in außergewöhnlichen Situationen erhöht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Phasenwechseltemperatur (insbesondere eine Schmelztemperatur) des Phasenwechselmaterials zwischen vorgesehenen Kühlmitteleintrittstemperaturen der Brennstoffzelle bei einem Normal- und Heißlandbetrieb liegt. Die Kühlmitteleintrittstemperaturen im Normalbetrieb liegen zwischen 55 und 75 °C. Diese Temperaturen gelten prinzipiell auch für den Heißlandbetrieb, können aber (aufgrund zu hoher Außentemperaturen) nicht eingeregelt werden. Deshalb werden im Heißlandbetrieb Kühlmitteleintrittstemperaturen zugelassen, welche um bis zu 30 °C höher liegen als im Normalbetrieb. Die Temperaturen im Heißlandbetrieb können beispielsweise zwischen 10 °C und 30 °C oder zwischen 20 °C und 30°C höher sein als im Normalbetrieb. Somit kann durch das Phasenwechselmaterial sichergestellt werden, dass ein Heißlandbetrieb des Brennstoffzellensystems nicht erreicht wird, bis der Phasenwechsel vollzogen ist. Der Normal- und Heißlandbetrieb bezeichnen zwei verschiedene Betriebstemperaturintervalle, wobei der Heißlandbetrieb aufgrund der beschleunigten Alterung insgesamt nur während höchstens ca. 10 % der angestrebten Brennstoffzellensystem-Betriebszeit zulässig ist. Der Begriff „Heißlandbetrieb“ definiert somit einen Zustand, in dem diese erhöhten Betriebstemperaturen vorliegen und durch andere Maßnahmen (beispielsweise Druckerhöhung, Leistungsreduktion und so weiter) soweit wie möglich kompensiert werden sollen. Es handelt sich also um einen Sonderfall, bei dem sich eine Reihe von Regelkreisen (besonders Sollwerte) anders verhalten - die Temperaturregelung selbst gehört aber nicht dazu. Im Heißlandbetrieb kann das Betriebstemperaturniveau, also Kühlmitteleinlass-, Kühlmittelauslass- und Brennstoffzellentemperatur um beispielsweise wenigstens 5 °C, ferner wenigstens oder genau 10 °C gegenüber dem Normalbetrieb erhöht sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Phasenwechseltemperatur zwischen 50 und 100 °C, besonders bevorzugt zwischen 60 und 90 °C, insbesondere zwischen 70 und 80 °C beträgt. Bei Verwendung von Paraffin als Phasenwechselmaterial kann die Phasenwechseltemperatur, also die Schmelztemperatur beispielsweise bis zu 75 °C betragen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial in einem porösen Material, insbesondere einem Schaum, bevorzugt einem Metallschaum eingelagert ist, wodurch das Phasenwechselmaterial auch im geschmolzenen Zustand innerhalb des Brennstofftanks gehalten wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial zwischen dem Innenbehälter und der Ummantelung angeordnet ist. Ferner bevorzugt umhüllt das Phasenwechselmaterial den Innenbehälter, beispielsweise in Form einer Paraffin-Hülle. Zwischen dem Innenbehälter und der Ummantelung ist das Phasenwechselmaterial besonders einfach einbringbar. Die Ummantelung dient neben ihrer Wärmespeicherfähigkeit auch gleichzeitig als Isolierung für das Phasenwechselmaterial. Bevorzugt ist die Kühlmittelleitung zwischen dem Phasenwechselmaterial und der Umhüllung angeordnet, wodurch das Phasenwechselmaterial als Isolierung hin zum Brennstoff dient.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelleitung zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial eingebettet ist. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen der Kühlmittelleitung und dem Phasenwechselmaterial erheblich verbessert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Brennstofftank eine weitere Kühlmittelleitung umfasst, welche im Speicherraum angeordnet ist oder ein Teil der ansonsten mit der Hülle direkt wärmeübertragend verbundenen Kühlmittelleitung durch den Speicherraum verläuft. Durch den direkten Kontakt der Kühlmittelleitung mit dem Brennstoff wird eine Wärmeübertragung zwischen dem Brennstoff und der Kühlmittelleitung verbessert. Die weitere Kühlmittelleitung oder der Teil der Kühlmittelleitung ist insbesondere als eine Spirale oder mäanderförmig ausgestaltet.
Ferner wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenfahrzeug umfasst. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Zudem wird ein Brennstofftank zur Verfügung gestellt. Die Wärmekapazität des Tanks kann als Puffer genutzt werden.
Der Brennstofftank dient insbesondere zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff. Der Brennstofftank weist einen Speicherraum zum Speichern von Brennstoff, eine Hülle, welche den Speicherraum brennstoffdicht umschließt und eine Kühlmittelleitung auf. Die Kühlmittelleitung ist insbesondere in das Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems einbindbar. Der Brennstofftank ist dazu eingerichtet, mittels der Kühlmittelleitung Wärme in den Brennstofftank zu übertragen.
Insbesondere ist der Brennstofftank dazu eingerichtet, die Wärme zwischen der Kühlmittelleitung und der Hülle direkt zu übertragen, wodurch die Wärmekapazität der Hülle optimal genutzt werden kann.
Bevorzugt umfasst der Brennstofftank (insbesondere in seiner Hülle) ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Paraffin, wodurch die Wärmekapazität der Hülle erhöht wird.
Vorzugsweise ist die Kühlmittelleitung in der Hülle angeordnet. Insbesondere ist die Kühlmittelleitung im Innenbehälter (Liner), in der Ummantelung, zwischen dem Innenbehälter und der Ummantelung, und/oder im Phasenwechselmaterial angeordnet.
Die genannten Ausgestaltungen des Brennstofftanks sind mit jenen des Brennstoffzellensystems kombinierbar. Auch umgekehrt sind die im Zusammenhang des Brennstoffzellensystems genannten Merkmale des Brennstofftanks mit einem vom Brennstoffzellensystem unabhängigen Brennstofftank kombinierbar.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des

- Einleitens von Wärme in den wenigstens einen Brennstofftank und/oder
- Entnehmens von Wärme aus dem wenigstens einen Brennstofftank mittels des Kühlsystems. Somit kann die Wärmespeicherfähigkeit des Brennstofftanks mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zum Einleiten von Wärme und/oder zur Entnahme von Wärme genutzt werden.

Insbesondere ist das Einleiten ein direktes Einleiten von Wärme in die Hülle des Brennstofftanks mittels der Kühlmittelleitung und/oder das Entnehmen ein direktes Entnehmen von Wärme aus der Hülle des Brennstofftanks mittels der Kühlmittelleitung, wodurch die Wärmeüberragung zur und von der Hülle verbessert wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die in den Brennstofftank eingeleitete Wärme wenigstens teilweise von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Somit wird ermöglicht, dass eine Abwärme der Brennstoffzelle (beziehungsweise eine Verlustleistung) wenigstens teilweise in dem Brennstofftank gepuffert wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kühler des Kühlsystems, beispielsweise aufgrund zu hoher Umgebungstemperaturen (zum Beispiel bei einem Heißlandbetrieb) nicht mehr in der Lage ist, die Abwärme der Brennstoffzelle bei einem ausreichend niedrigen Temperaturniveau des Kühlmittels abzuführen, die abführbare Wärmeleistung bei einem gewünschten Temperaturniveau also nicht mehr ausreicht. Somit umfasst das Verfahren insbesondere einen Schritt des Pufferns von Wärme in dem Brennstofftank.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Einleiten der Wärme bei einer

- Brennstoffzellentemperatur oberhalb eines Brennstoffzellentemperatur-Grenzwertes,
- Kühlmitteltemperatur bei einem Austritt des Kühlmittels aus der Brennstoffzelle oberhalb eines Kühlmittelaustrittstemperatur-Grenzwertes, Kühlmitteltemperatur bei einem Eintritt des Kühlmittels in die Brennstoffzelle oberhalb eines Kühlmitteleintrittstemperatur-Grenzwertes,
- Kühlmitteltemperatur bei einem Austritt des Kühlmittels aus einem Kühler des Kühlsystems oberhalb eines Kühleraustrittstemperatur-Grenzwertes, und/oder
- Kühlmitteltemperatur bei einem Eintritt des Kühlmittels in den Kühler des Kühlsystems oberhalb eines Kühlereintrittstemperatur-Grenzwertes

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einleiten der Wärme bei einer

- Umgebungstemperatur oberhalb eines Umgebungstemperatur-Grenzwertes und/oder
- Last der Brennstoffzelle oberhalb eines Last-Grenzwertes

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Last-Grenzwert in Abhängigkeit des Umgebungstemperatur-Grenzwertes oder umgekehrt bestimmt wird. Bevorzugt verhalten sich die Grenzwerte umgekehrt proportional zu dem Parameter, von welchem sie abhängen. Mit steigender Last sinkt somit der Umgebungstemperatur-Grenzwert, sodass dieser bei relativ hohen Lasten bereits bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen erreicht wird. Alternativ kann auch steigender Umgebungstemperatur der Last-Grenzwert sinken, sodass dieser bei relativ hoher Umgebungstemperatur bereits bei relativ niedrigen Lasten erreicht wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die in den Brennstofftank eingeleitete Wärme wenigstens teilweise von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird und das Einleiten der Wärme in Abhängigkeit einer

- aktuellen, in das Kühlsystem eingebrachten, thermischen Verlustleistung der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems und/oder
- aktuell abführbaren Wärmeleistung eines Kühlers des Kühlsystems erfolgt. Insbesondere erfolgt das Einleiten dann, wenn die thermische Verlustleistung (eine Wärmeleistung) einen (vorbestimmten) Grenzwert überschreitet und/oder wenn die aktuell abführbare Wärmeleistung einen (vorbestimmten) Grenzwert unterschreitet. Somit wird anhand aktueller Wärmeleistungen über das Einleiten, also insbesondere das Puffern, von Wärme entschieden. Die Bezeichnung „Kühler“ bezeichnet insbesondere eine Gesamtzahl an Kühlern zur Abgabe von Wärme an die Umgebung des Kühlsystems.

Das Einleiten erfolgt insbesondere dann, wenn die aktuell in das Kühlsystem eingebrachte, thermische Verlustleistung größer als die abführbare Wärmeleistung (insbesondere bei einem vorbestimmten Temperaturniveau oder dem aktuellen Temperaturniveau) ist. Somit wird bei einer Überlastung des Kühlsystems, also wenn der Kühler des Kühlsystems bei dem vorbestimmten Temperaturniveau oder dem aktuellen Temperaturniveau nicht mehr in der Lage ist, die thermische Verlustleistung abzuführen, die Wärme in den Brennstofftank eingeleitet. Die aktuell abführbare Wärmeleistung des Kühlers ist insbesondere eine aktuell mittels des Kühlers abgeführte Wärmeleistung.
Die thermische Verlustleistung ist insbesondere eine Funktion aus der Last (Lastpunkt) und einem Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist unter anderem eine Funktion einer Betriebsweise, eines gegenwärtigen Zustands, einer Höhe über Normalnull (NN) und einer Alterung der Brennstoffzelle. Die abführbare Wärmeleistung des Kühlers ist unter anderem eine Funktion einer Anströmgeschwindigkeit des Kühlers mit Umgebungsluft, einer Umgebungstemperatur und einer Dichte der Umgebungsluft.
Ferner bevorzugt wird eine Notwendigkeit eines Einleitens von Wärme mittels eines Rechenmodells und/oder Kennlinien vorhergesagt und bereits präventiv Wärme in den Brennstofftank eingeleitet. Somit kann eine Lebensdauerminderung aufgrund Temperaturüberschreitungen noch sicherer vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entnehmen der Wärme aus dem Brennstofftank bei dem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einer Brennstoffzellentemperatur unterhalb von 0°C, erfolgt. Somit kann Wärme aus dem Brennstofftank zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystems genutzt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Entnehmen der Wärme aus dem Brennstofftank bei einem Betanken des Brennstofftanks erfolgt. Somit erfolgen eine Nutzung der Wärmekapazität und das Entnehmen der Wärme aus dem Brennstofftank für eine verbesserte Tankprozedur. Beim Betanken des Brennstofftanks mit Wasserstoff strömt dieser in den Brennstofftank und expandiert. Wasserstoff erwärmt sich dabei aufgrund seines negativen Joules-Thomson-Koeffizienten, sodass, um kurze Betankungszeiten zu realisieren, der Wasserstoff bisher vorgekühlt wurde. Somit benötigt durch die Erfindung in der vorliegenden Ausgestaltung der Wasserstoff bei gleicher Tankdauer weniger Vorkühlung oder es ist bei gleicher Vorkühlung eine geringere Tankdauer realisierbar. Findet die Betankung während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelle statt, so kann die aus dem Brennstofftank abgeführte Wärme der Brennstoffzelle zugeführt werden, um diese zu erwärmen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Wärme zumindest teilweise über den Kühler, also beispielsweise einen Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher, des Kühlsystems abgegeben wird. Somit kann der Kühler des Kühlsystems verwendet werden, um den Brennstofftank zu kühlen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Teilschnittdarstellung eines Brennstofftanks gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
3 eine weitere Teilschnittdarstellung eines Brennstofftanks gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
4 eine Schnittdarstellung eines Brennstofftanks gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
5 ein Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; und
6 eine Wärmespeicherfähigkeit eines Brennstofftanks, dargestellt über der Temperatur des Brennstofftanks, bei einer gegebenen Kühlmitteltemperatur an der Kühlmitteleinlassöffnung des Brennstofftanks.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein insgesamt mit 150 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 150 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 150 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 150 umfasst eine Brennstoffzelle 10, welche typischerweise eine Vielzahl gestapelter Einzelzellen 11 umfasst. Kernkomponente einer jeden Einzelzelle ist insbesondere eine Membran-Elektroden-Anordnung 12, welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (nicht dargestellt) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12 sind in der Regel Bipolarplatten 14 angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen 11 mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten 14 für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen 12.
Um im Betrieb des Brennstoffzellensystems 150 die Brennstoffzelle 10 mit Kathodengas (typischerweise in Luft mit darin enthaltenem Sauerstoff) zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 150 ein Kathodensystem 20 mit einer Kathodenversorgungsleitung 22 auf, welche in einem Kathodeneinlass 24 der Brennstoffzelle 10 mündet. Eine Kathodenabgasleitung 26 führt im Betrieb Kathodenabgas aus einem Kathodenauslass 28 der Brennstoffzelle 10 ab. Um eine Strömung des Kathodengases im Kathodensystem 20 herzustellen, kann das Kathodensystem 20 in der Kathodenversorgungsleitung 22 einen nicht dargestellten Verdichter aufweisen. Über Flussfelder in den Bipolarplatten 14 gelangt im Betrieb das Kathodengas zu den Membran-Elektroden-Anordnungen 12.
Um die Brennstoffzelle 10 mit Brennstoff, typischerweise ein Anodengas (insbesondere Wasserstoff) zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 150 ein Anodensystem 40 mit einer Anodenversorgungsleitung 42 auf, welche wenigstens einen Brennstofftank 44 des Anodensystems 40 mit einem Anodeneinlass 46 der Brennstoffzelle 10 verbindet. Um im Betrieb eine bedarfsgerechte Zuführung von Brennstoff zu ermöglichen, weist das Anodensystem ein verstellbares Versorgungsventil 48 auf. Über Flussfelder in den Bipolarplatten 14 gelangt im Betrieb das Anodengas zu den Membran-Elektroden-Anordnungen 12. Eine Anodenabgasleitung 50 schließt an einen Anodenauslass 52 der Brennstoffzelle 10 an und kann im Betrieb Anodenabgas, also Gas mit zu niedriger Brennstoffkonzentration aus dem Anodensystem 40 abführen, wozu ein verstellbares Abgasventil 54 vorgesehen sein kann. Um den Brennstoffverbrauch zu reduzieren, kann das Anodensystem 40 eine Rezirkulationsleitung 56 aufweisen, welche die Anodenversorgungsleitung 42 und die Anodenabgasleitung 50 miteinander verbinden. Zur Unterstützung oder Ermöglichung der Rezirkulation kann das Anodensystem 40 ein Gebläse 58 aufweisen.
Zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 weist das Brennstoffzellensystem 150 ferner ein Kühlsystem 60 auf. Um im Betrieb des Brennstoffzellensystems 150 die Brennstoffzelle 10 mit einem Kühlmittel (typischerweise ein Gemisch umfassend Wasser mit einem Frostschutzmittel) zu versorgen, weist das Kühlsystem 60 ein Kühlmittelversorgungsleitung 62 auf, welche in einem Kühlmitteleinlass 64 der Brennstoffzelle 10 mündet. Eine Kühlmittelabfuhrleitung 66 führt im Betrieb das Kühlmittel aus einem Kühlmittelauslass 68 der Brennstoffzelle 10 ab. Um eine Strömung des Kühlmittels im Kühlsystem 60 herzustellen, kann das Kühlsystem 60 eine Kühlmittelpumpe 70 aufweisen. Durch Kühlmittelhohlräume innerhalb der Bipolarplatten 14 durchströmt im Betrieb das Kühlmittel die Einzelzellen 11 und temperiert, also kühlt oder erwärmt diese. Um Abwärme des Brennstoffzellensystems 150 und insbesondere der Brennstoffzelle 10 an die Umgebung abführen zu können, kann das Kühlsystem 60 einen Kühler 72, zum Beispiel einen Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher aufweisen. Um vor Erreichen einer vorgesehenen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 10 das Kühlmittel nicht durch den Kühler 72 zu leiten, kann das Kühlsystem eine Bypassleitung 74 mit einem verstellbaren Kühlmittelventil 76 aufweisen. Das Kühlmittelventil 76 ist beispielsweise als Thermostatventil ausgebildet. Der Kühler 72 wird innerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs auch oft als Frontkühler bezeichnet.
Der Brennstofftank 44 weist nun einen Speicherraum 80 zum Speichern von Brennstoff, eine Hülle 82, welche den Speicherraum brennstoffdicht umschließt, und eine Kühlmittelleitung 84 auf. Die Kühlmittelleitung kann in der Hülle 82 des Brennstofftanks 44 eingebettet sein (siehe 2 bis 4). Dadurch, dass die Kühlmittelleitung 84 in die Hülle 82 eingebettet ist, wird es ermöglicht, Wärme zwischen der Kühlmittelleitung 84 und der Hülle 82 direkt zu übertragen. Somit kann der Brennstofftank 44 als Wärmepuffer zum Puffern von Abwärme des Brennstoffzellensystems 100, und/oder als Wärmequelle zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems 100 dienen. Die Kühlmittelleitung 84 erstreckt sich innerhalb einer äußeren Umrandung 86 des Brennstofftanks 44 zwischen einer Kühlmitteleinlassöffnung 88 und einer Kühlmittelauslassöffnung 90.
Um Wärme zwischen der Kühlmittelleitung 84 und Teilen des restlichen Brennstoffzellensystems 150, im Speziellen der Brennstoffzelle 10 und dem Kühler 72 übertragen zu können, ist die Kühlmittelleitung 84 des Brennstofftanks 44 in das Kühlsystem 60 eingebunden.
Wie in 1 dargestellt, kann die Kühlmittelleitung 84 des Brennstofftanks 44 stromab des Kühlers 72 und stromauf der Brennstoffzelle 10 in das Kühlsystem 60 eingebunden sein, wodurch eine Wärmeabfuhrleistung des Kühlers 72 erhöht wird.
Die Kühlmittelleitung 84 kann in das Kühlsystem 60 eingebunden sein, indem zwei Abzweigungen 78, 79 im Kühlsystem 60 vorgesehen sind, welche einen Tankkreis 100 des Kühlsystems 60 mit dem übrigen Kühlsystem 60 (auch Hauptkreis genannt) verbinden. Zwischen der Abzweigung 78 und der Kühlmittelleitung 84 des Brennstofftanks kann sich eine Kühlmittelzulaufleitung 102 und zwischen der Kühlmittelleitung 84 und der Abzweigung 79 eine Kühlmittelrücklaufleitung 104 erstrecken. Im Tankkreis kann eine Tankkreispumpe 106 vorgesehen sein. Um dem Brennstofftank 44 Wärme zuzuführen oder von diesem abzuführen, fördert die Tankkreispumpe 106 einen Teilvolumenstrom des Kühlmittel des Kühlsystems 60 durch den Tankkreis 100. Wenn keine Wärme zu- oder abgeführt werden soll, so steht die Kühlkreispumpe 106 still. Somit ist eine hydraulische Weiche realisiert.
Alternativ könnte in einer der Abzweigungen 78 oder 79 auch ein Ventil (beispielsweise ein Thermostatventil), insbesondere in Dreiwegeventil (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Mittels des Dreiwegeventils kann eingestellt werden, ob Kühlmittel über den Tankkreis 100 oder über die Kühlmittelversorgungsleitung 62 direkt von der Abzweigung 78 zu der Abzweigung 79 gefördert wird. Diese Funktion könnte auch mittels eines Ventils (nicht dargestellt) in der Kühlmittelversorgungsleitung 62 zwischen den Abzweigungen 78 und 79 und/oder mittels eines Ventils (nicht dargestellt) im Tankkreis 100 gewährleistet werden. Die Tankkreispumpe 106 kann dazu entfallen, da das Kühlmittel mittels der Kühlmittelpumpe 70 und gesteuert durch die Ventile in den Tankkreis 100 geleitet werden kann.
Eine weitere Alternative könnte realisiert werden, indem der Tankkreis 100 nur wärmeübertragend aber nicht fluidleitend mit dem übrigen Kühlsystem 60, beispielsweise über einen Wärmetauscher (zum Beispiel ein Kühlmittel/Kühlmittel-Wärmetauscher), also einen Wärmeübertrager, verbunden ist.
Die 2 bis 4 zeigen spezielle Ausgestaltungen des Brennstofftanks 44 zur weiteren Verbesserung seiner Eignung als Wärmespeicher. In den 2 und 3 ist dabei nur die in den Figuren untere Hälfte des Brennstofftanks 44 geschnitten dargestellt, während in 4 der komplette Brennstofftank 44 geschnitten dargestellt ist.
Die Hülle 82 des Brennstofftanks 44 kann einen brennstoffdichten Innenbehälter 92 (beispielsweise ein Aluminium-Liner) und eine den Innenbehälter umschließende und diesen stabilisierende Ummantelung 94 (beispielsweise ein insbesondere mit Kohlenstofffasern faserverstärkter Kunststoff) aufweisen. Die Kühlmittelleitung 84 kann zum Beispiel aus fertigungstechnischen Gründen zwischen dem Innenbehälter 92 und der Ummantelung 94 eingebettet sein.
Gemäß 3 kann die Hülle ferner ein Phasenwechselmaterial 96 aufweisen. Die Kühlmittelleitung 84 kann wie dargestellt in das Phasenwechselmaterial 96 eingebettet sein. Mittels des Phasenwechselmaterials kann die Wärmekapazität der vor allem in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendeten Hochdruck-Gastanks als Brennstofftank gezielt erhöht werden.
Zur Wärmespeicherung wird das Phasenwechselmaterial 96 mittels Wärmezufuhr von einer Phase in eine andere Phase überführt (regeneriert), üblicherweise von einer festen in eine flüssige Phase oder von einer kristallinen Phase in eine gelöste Phase. Beim Abkühlen des Materials kann es je nach Material seine letztgenannte Phase beibehalten. Findet eine Phasenumwandlung (ein Phasenwechsel) statt, so geht das Phasenwechselmaterial 96 unter Abgabe von Wärme beispielsweise von seiner flüssigen in eine feste oder von seiner gelösten in eine kristalline Phase über, wobei die zuvor gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt wird. Als Phasenwechselmaterial 96 eignen sich insbesondere Paraffine. Das Phasenwechselmaterial 96 kann beispielsweise in einem porösen Metallschaum eingelagert sein.
In 4 ist noch eine Variante dargestellt, gemäß welcher der Brennstofftank 44 eine weitere Kühlmittelleitung 85 umfasst, welche im Speicherraum angeordnet ist und somit Wärme direkt zum und vom Brennstoff (Kraftstoff) übertragen kann. Die weitere Kühlmittelleitung 85 kann wie dargestellt über eigene Einlass- und Auslassöffnungen in und aus dem Brennstofftank verfügen. Sie kann alternativ aber auch einen Teil der ansonsten in die Hülle eingebetteten Kühlmittelleitung darstellen. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass ein alternativer Brennstofftank nur die weitere Kühlmittelleitung 85 ohne die Kühlmittelleitung 84 aufweist.
Der Durchtritt der Kühlmittelleitung 84 durch die Öffnungen 88 und 90 ist der Einfachheit halber nur in 4 dargestellt, kann aber in Brennstofftanks 44 gemäß den 2 und 3 genauso umgesetzt sein.
In 5 ist die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 150 mittels eines Verfahrens 200 zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 150 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beschrieben.
Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 202 des Einleitens von Wärme in den wenigstens einen Brennstofftank 44 und/oder einen Schritt 204 des Entnehmens von Wärme aus dem wenigstens einen Brennstofftank 44 mittels des Kühlsystems 60. Dies kann besonders durch direktes Einleiten der Wärme in die Hülle 82 des Brennstofftanks 44 und/oder durch direktes Entnehmen von Wärme aus der Hülle 82 des Brennstofftanks 44 jeweils mittels der Kühlmittelleitung 84 erfolgen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 erzeugt diese eine Abwärme, welche nach dem Erreichen einer vorgesehenen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 150 über den Kühler 72 an die Umgebung abgeführt wird.
Bei zu hohen Umgebungstemperaturen kann es jedoch vorkommen, dass die Abwärme nur teilweise über den Kühler 72 abführbar ist. Beispielsweise in einem solchen Fall erfolgt der Schritt 202 des Einleitens von Wärme in den wenigstens einen Brennstofftank 44.
Um ein Ansteigen einer Brennstoffzellentemperatur T_B (zum Beispiel eine mittlere Temperatur der Brennstoffzelle 10) auf zu hohe Temperaturen, welche die Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 beeinträchtigen können, zu verhindern, erfolgt ein (zeitweiliges) Einleiten der Wärme in den Brennstofftank 44. Die Wärme, welche in den Brennstofftank 44 eingeleitet wird, ist im Wesentlichen jener Teil der Abwärme des Brennstoffzellensystems 150, welcher nicht über den Kühler 72 abgeführt werden kann.
Zunächst kann in einem Schritt 206 wenigstens eine Temperatur, welche im folgenden näher beschrieben ist, zum Beispiel mittels eines Temperatursensors an der jeweiligen Position oder eines Modells, erfasst oder bestimmt werden. Im Schritt 206 kann auch eine Last, eine in das Kühlsystem 60 eingebrachte Verlustleistung LV der Brennstoffzelle 10 oder des Brennstoffzellensystems 150 und/oder eine abführbare Wärmeleistung LK des Kühlers 72 bestimmt oder erfasst werden.
Das Einleiten 202 der Wärme in den Brennstofftank 44 erfolgt nun bei einer Brennstoffzellentemperatur T_B oberhalb eines Brennstoffzellentemperatur-Grenzwertes T_B_GW von beispielsweise 82,5 °C. Das Einleiten kann auch erfolgen, wenn eine Kühlmitteltemperatur T _KMA bei einem Austritt des Kühlmittels aus der Brennstoffzelle 10 (also am Kühlmittelauslass 68) oberhalb eines Kühlmittelaustrittstemperatur-Grenzwertes T_KMA_GW, beispielsweise 90 °C, liegt. Ferner erfolgt das Einleiten auch dann, wenn eine Kühlmitteltemperatur T_KME bei einem Eintritt des Kühlmittels in die Brennstoffzelle 10 oberhalb eines Kühlmitteleintrittstemperatur-Grenzwertes T_KME_GW, beispielsweise 75°C, liegt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass alle drei Kriterien erfüllt sein müssen, damit die Wärme in den Brennstofftank 44 eingeleitet wird.
Alternativ oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Einleiten 202 der Wärme bei einer Kühlmitteltemperatur T_KMKA bei einem Austritt des Kühlmittels aus dem Kühler 72 oberhalb eines Kühleraustrittstemperatur-Grenzwertes T_KMKA_GW oder bei einer Kühlmitteltemperatur T_KMKE bei einem Eintritt des Kühlmittels in den Kühler 72 oberhalb eines Kühlereintrittstemperatur-Grenzwertes T_KMKE_GW (Werte analog zu oben angegebenen) erfolgt. So kann der Kühleraustrittstemperatur-Grenzwert T_KMKA_GW dem Kühlmitteleintrittstemperatur-Grenzwert T_KME_GW und/oder der Kühlereintrittstemperatur-Grenzwert T_KMKE_GW dem Kühlmittelaustrittstemperatur-Grenzwert T_KMA_GW entsprechen.
Alternativ oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Einleiten 202 der Wärme bei einer Umgebungstemperatur, also einer Lufttemperatur außerhalb des Brennstoffzellensystems 150 oder außerhalb des Fahrzeugs oberhalb eines Umgebungstemperatur-Grenzwertes, von beispielsweise 35 °C, erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann gefordert sein, dass eine Last der Brennstoffzelle 10 oberhalb eines Last-Grenzwertes liegen muss, damit das Einleiten erfolgt.
Alternativ oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Einleiten 202 der Wärme in Abhängigkeit einer aktuellen, in das Kühlsystem 60 eingebrachten, thermischen Verlustleistung LV der Brennstoffzelle 10 oder des Brennstoffzellensystems 150 und/oder einer aktuell abführbaren (oder abgeführten) Wärmeleistung LK des Kühlers 72 erfolgt. Das Einleiten 202 kann beispielsweise dann erfolgen, wenn die thermische Verlustleistung LV größer als die abführbare (oder tatsächlich abgeführte) Wärmeleistung LK ist. Ohne das Einleiten 202 der Wärme in den Brennstofftank 44 würde somit das Temperaturniveau im Kühlsystem 60 so lange ansteigen, bis der Kühler 60 gegebenenfalls wieder in der Lage wäre, die Verlustleistung abzuführen. Dies könnte jedoch zu Temperaturniveaus führen, welche die Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 verkürzen könnten. Um dies zu verhindern, wird ein Teil der Verlustleistung LV in den Brennstofftank 44 übertragen.
Die thermische Verlustleistung bestimmt sich aus einem Lastpunkt und einem Wirkungsgrad, wobei der Wirkungsgrad unter anderem eine Funktion von Betriebsweise, gegenwärtigem Zustand, Höhe über Normalnull und einer Alterung der Brennstoffzelle 10 ist. Die abführbare Wärmeleistung des Kühlers ist unter anderem eine Funktion von einer Anströmgeschwindigkeit des Kühlers 72 mit Umgebungsluft, der Umgebungstemperatur und einer Dichte der Umgebungsluft.
Die genannten Temperatur-Grenzwerte können insbesondere auch 5 °C bis 10 °C höher oder niedriger gewählt werden. Die genannten Grenzwerte sind typischerweise vorbestimmt und in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems 150 hinterlegt. Der Umgebungstemperaturgrenzwert kann jedoch auch in Abhängigkeit der Last bestimmt werden, sodass der Umgebungstemperaturgrenzwert mit steigender Last sinkt. Bei höheren Lasten wird also bereits bei niedrigeren Umgebungstemperaturen Wärme in den Brennstofftank 44 gepuffert. Ferner kann (alternativ) der Lastgrenzwert auch in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmt werden, sodass der Lastgrenzwert bei steigender Umgebungstemperatur sinkt. Bei höheren Umgebungstemperaturen wird also bereits bei niedrigeren Lasten Wärme in den Brennstofftank 44 eingespeichert.
Sollte keiner der jeweiligen Grenzwerte überschritten sein, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch keine Wärme eingespeichert.
Wenn ein Phasenwechselmaterial 96 vorgesehen ist, kann eine Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials 96 kleiner als eine der Temperaturen oder kleiner als alle Temperaturen der Grenzwerte T_B_GW, T_KME_GW oder T_KMA_GW sein. Somit wird ermöglicht, dass sobald Wärme in den Brennstofftank eingeleitet wird, der Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials 96 zur Wärmespeicherung genutzt wird. Die Phasenwechseltemperatur kann auch zwischen den Kühlmitteleintrittstemperaturen der Brennstoffzelle 10 bei Normal- und Heißlandbetrieb liegen, wobei der Heißlandbetrieb einen Betrieb der Brennstoffzelle 10 mit erhöhter Betriebstemperatur bezeichnet.
Das Einspeichern der Wärme in den Brennstofftank 44 erfolgt dabei über die Kühlmittelleitung 84 direkt in die Hülle des Brennstofftanks 44 und indirekt auch auf den Brennstoff im Speicherraum 80. Um die Übertragung in den Speicherraum 44 zu verbessern, kann ein Anteil der Wärme mittels der weiteren Kühlmittelleitung 85 auch direkt an den Brennstoff übertragen werden.
Um die in den Brennstofftank 44 gepufferte Wärme aus dem Brennstofftank 44 wieder abzuführen, kann zunächst ein Schritt 208 des Erfassens oder Bestimmens eines Betriebszustands erfolgen. Wärme wird folgend aus dem Brennstofftank 44 mittels des Kühlers 72 abgeführt, wenn der Betriebszustand Z einen Wert A annimmt. Der Betriebszustand A ist gegeben, sobald geeignete Betriebs- und Umgebungsbedingungen zum Abführen der Wärme über den Kühler 72 vorliegen. Beispielsweise kann dies gegeben sein, wenn alle oben genannten Abfragen verneint werden. Also beispielsweise, wenn die Brennstoffzellentemperatur T_B, die Kühlmittelausgangstemperatur T_KMA, die Kühlmitteleingangstemperatur T_KME, die Umgebungstemperatur und die Last kleiner als ihre jeweiligen Grenzwerte sind und/oder die aktuelle Verlustleistung LV kleiner als die aktuell abführbare Wärmeleistung LK ist.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das Einleiten von Wärme in den wenigstens einen Brennstofftank 44 typischerweise nur kurzzeitig auftretende Lastspitzen (zum Beispiel bei Bergfahrten) effektiv abgepuffert werden können. Die gepufferte Wärme kann dann wieder abgeführt werden, wenn vom Brennstoffzellensystem 150 weniger Leistung abgefordert wird und/oder bessere Bedingungen zum Abführen der Wärme vorliegen. Damit steht eine Möglichkeit zur Verfügung, Kühlungsprobleme von Brennstoffzellenfahrzeugen in den Griff zu bekommen. Der Brennstofftank 44 und der darin enthaltene Brennstoff (Wasserstoff) verfügen über eine relativ hohe Wärmekapazität, welche mittels eines Phasenwechselmaterials 96 noch weiter erhöht, und mittels der Erfindung optimal genutzt werden kann. Somit können temporäre Kühlungsengpässe abgefedert werden. Dazu wird der wenigstens eine Brennstofftank 44 selektiv mit einem Kühlmittel (Kühlmedium) durchströmt, wodurch das Kühlmittel auf die aktuelle Bauteiltemperatur des Brennstofftanks 44 heruntergekühlt wird.
Der Brennstofftank 44 kann auch als Wärmequelle dienen, also um aus ihm Nutzwärme zu entnehmen. Im Schritt 208 kann zum Beispiel erfasst werden, ob ein Betriebszustand Z ein Startvorgang S, im Besonderen ein Kaltstartvorgang, ist. Bei einem Brennstoffzellensystem 150 kann der Startvorgang S nicht nur den Moment des Starts der Brennstoffzelle 10 umfassen, sondern auch eine Zeitphase davor und/oder danach. Wird nun ein Startvorgang festgestellt, so kann abgefragt werden, ob die Brennstoffzellentemperatur T_B kleiner als 0 °C ist. Wenn auch diese Abfrage bejaht wird, liegt ein Kaltstart vor, bei welchem die Gefahr von eingefrorenen Kanälen innerhalb des Brennstoffzellensystems 150 besteht. Alternativ kann die Abfrage auch bejaht werden, wenn die Brennstoffzellentemperatur T_B und/oder die Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. In diesem Fall erfolgt der Schritt 204, in dem Wärme aus dem Brennstofftank 44 entnommen wird. Die entnommene Wärme wird dem Kühlsystem 60 und in der Folge dem Brennstoff 10 und weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt. Der Kühler 72 wird in diesem Fall mittels der Bypassleitung 74 umgangen, um die Wärme nicht an die Umgebung abzuführen.
Eine weitere Bedingung zum Entnehmen von Wärme aus dem Brennstofftank 44 kann dann bejaht sein, wenn der Betriebszustand Z einem Tankvorgang TA entspricht. Beim Betanken des Brennstofftanks 44 mit Wasserstoff erwärmt sich der Wasserstoff und in der Folge der Brennstofftank 44, was bei Fehl-Betankungen zu einer Schädigung des faserverstärkten Kunststoffes und somit zu einer strukturellen Schwächung führen kann. Mittels der Entnahme von Wärme aus dem Brennstofftank 44 muss der Wasserstoff somit weniger vorgekühlt werden und/oder kann schneller in den Brennstofftank 44 gefüllt werden, ohne die Betriebsgrenzen des Brennstofftanks zu verletzen. Zum Kühlen des Brennstoffs ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Brennstofftank 44 eine weitere Kühlmittelleitung 85 im Speicherraum 80 aufweist, um den Brennstoff direkt zu kühlen. Die entnommene Wärme kann dabei über den Kühler 72 an die Umgebung abgeführt oder auch der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden (falls diese noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht hat).
In 6 ist die einspeicherbare Wärmemenge Q in kJ (Kilojoule) bei einer gegebenen Kühlmitteltemperatur an der Kühlmitteleinlassöffnung 88 (am Tankeintritt) über einer Tanktemperatur T_T in °C (Grad Celsius) dargestellt. Einerseits ist eine Linie Q_max eingezeichnet, welche eine maximale einspeicherbare Wärmemenge (das heißt bei maximaler Wärmekapazität des Brennstofftanks 44 und voll gefülltem Brennstofftank 44) darstellt. Ferner ist eine Linie Q_min eingezeichnet, welche eine minimale einspeicherbare Wärmemenge (das heißt bei minimaler Wärmekapazität des Brennstofftanks 44 und voll gefülltem Brennstofftank 44) darstellt. Wie erkannt werden kann, nimmt die (verbleibende) Speicherfähigkeit des Brennstofftanks 44 mit steigender Tanktemperatur T_T (das heißt mit sinkender Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Brennstofftank 44) ab.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
11: Einzelzelle
12: Membran-Elektroden-Anordnung
14: Bipolarplatte
20: Kathodensystem
22: Kathodenversorgungsleitung
24: Kathodeneinlass
26: Kathodenabgasleitung
28: Kathodenauslass
40: Anodensystem
42: Anodenversorgungsleitung
44: Brennstofftank
46: Anodeneinlass
48: Versorgungsventil
50: Anodenabgasleitung
52: Anodenauslass
54: Abgasventil
56: Rezirkulationsleitung
58: Gebläse
60: Kühlsystem
62: Kühlmittelversorgungsleitung
64: Kühlmitteleinlass
66: Kühlmittelabfuhrleitung
68: Kühlmittelauslass
70: Kühlmittelpumpe
72: Kühler
74: Bypassleitung
76: Kühlmittelventil
78,79: Abzweigungen
80: Speicherraum
82: Hülle
84: Kühlmittelleitung
85: weitere Kühlmittelleitung
86: äußere Umrandung
88: Kühlmitteleinlassöffnung
90: Kühlmittelauslassöffnung
92: Innenbehälter
94: Ummantelung
96: Phasenwechselmaterial
100: Tankkreis
102: Kühlmittelzulaufleitung
104: Kühlmittelrücklaufleitung
106: Tankkreispumpe
150: Brennstoffzellensystem
200: Verfahren
202: Einleiten von Wärme in den Brennstofftank
204: Entnehmen von Wärme aus dem Brennstofftank
206: Erfassen oder Bestimmen von wenigstens einer Temperatur, Last oder Leistung
208: Erfassen oder Bestimmen eines Betriebszustands
T_B: Brennstoffzellentemperatur
T_B_GW: Brennstoffzellentemperaturgrenzwert
T_KMA: Kühlmittelausgangstemperatur
T_KMA_GW: Kühlmittelausgangstemperaturgrenzwert
T_KME: Kühlmitteleingangstemperatur
T_KME_GW: Kühlmitteleingangstemperaturgrenzwert
T _KMKA: Kühlerausgangstemperatur
T_KMKA_GW: Kühlerausgangstemperaturgrenzwert
T_KMKE: Kühlereingangstemperatur
T_KMKE_GW: Kühlereingangstemperaturgrenzwert
LV: thermische Verlustleistung
LK: abführbare Wärmeleistung
Z: Betriebszustand
A: Abführen von Wärme
S: Startvorgang
TA: Tankvorgang
J: Abfrage bejaht
N: Abfrage verneint
Q: Wärmemenge
T_T: Tanktemperatur
Q_max: maximale einspeicherbare Wärmemenge
Q_min: minimale einspeicherbare Wärmemenge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013217594 A1 [0007]
WO 2011/042215 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellensystem (150), umfassend eine Brennstoffzelle (10), ein Kühlsystem (60) und wenigstens einen Brennstofftank (44), welcher zur Versorgung der Brennstoffzelle (10) mit Brennstoff eingerichtet ist und - einen Speicherraum (80) zum Speichern von Brennstoff, - eine Hülle (82), welche den Speicherraum (80) brennstoffdicht umschließt, und - eine Kühlmittelleitung (84) aufweist, wobei die Kühlmittelleitung (84) in das Kühlsystem (60) eingebunden und das Kühlsystem (60) und der Brennstofftank (44) dazu eingerichtet sind, Wärme zwischen der Kühlmittelleitung (84) und der Hülle (82) direkt zu übertragen.
Brennstoffzellensystem (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (60) einen Kühler (72) umfasst und die Kühlmittelleitung (84) des Brennstofftanks (44) stromab des Kühlers (72) und stromauf der Brennstoffzelle (10) in das Kühlsystem (60) eingebunden ist.
Brennstoffzellensystem (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (82) des Brennstofftanks (44) einen - brennstoffdichten Innenbehälter (92) und - eine den Innenbehälter (92) umschließende und diesen stabilisierende Ummantelung (94) aufweist, wobei die Kühlmittelleitung (84) insbesondere zwischen dem Innenbehälter (92) und der Ummantelung (94) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (82) ein Phasenwechselmaterial (96), insbesondere Paraffin, aufweist.
Brennstoffzellensystem (150) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung (84) zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial (96) eingebettet ist.
Verfahren (200) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des - Einleitens (202) von Wärme in den wenigstens einen Brennstofftank (44) und/oder - Entnehmens (204) von Wärme aus dem wenigstens einen Brennstofftank (44) mittels des Kühlsystems (60).
Verfahren (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brennstofftank (44) eingeleitete Wärme wenigstens teilweise von der Brennstoffzelle (10) zur Verfügung gestellt wird und das Einleiten (202) der Wärme bei einer - Brennstoffzellentemperatur (T_B) oberhalb eines Brennstoffzellentemperatur-Grenzwertes (T_B_GW), - Kühlmitteltemperatur (T_KMA) bei einem Austritt des Kühlmittels aus der Brennstoffzelle (10) oberhalb eines Kühlmittelaustrittstemperatur-Grenzwertes (T_KMA_GW), - Kühlmitteltemperatur (T_KME) bei einem Eintritt des Kühlmittels in die Brennstoffzelle (10) oberhalb eines Kühlmitteleintrittstemperatur-Grenzwertes (T _KME_GW), - Kühlmitteltemperatur (T_KMKA) bei einem Austritt des Kühlmittels aus einem Kühler (72) des Kühlsystems (60) oberhalb eines Kühleraustrittstemperatur-Grenzwertes (T _KMKA_GW), und/oder - Kühlmitteltemperatur (T_KMKE) bei einem Eintritt des Kühlmittels in den Kühler (72) des Kühlsystems (60) oberhalb eines Kühlereintrittstemperatur-Grenzwertes (T_KMKE_GW) erfolgt.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brennstofftank (44) eingeleitete Wärme wenigstens teilweise von der Brennstoffzelle (10) zur Verfügung gestellt wird und das Einleiten (202) der Wärme in Abhängigkeit einer - aktuellen, in das Kühlsystem (60) eingebrachten, thermischen Verlustleistung (LV) der Brennstoffzelle (10) oder des Brennstoffzellensystems (150) und/oder - aktuell abführbaren Wärmeleistung (LK) eines Kühlers (72) des Kühlsystems (60) erfolgt, wobei das Einleiten (202) insbesondere dann erfolgt, wenn die aktuell in das Kühlsystem eingebrachte, thermische Verlustleistung (LV) größer als die abführbare Wärmeleistung (LK) ist.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnehmen (204) der Wärme aus dem Brennstofftank (44) bei dem Kaltstart (S) des Brennstoffzellensystems (150), insbesondere bei einer Brennstoffzellentemperatur (T_B) unterhalb von 0°C, erfolgt.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnehmen (204) der Wärme aus dem Brennstofftank (44) bei einem Betanken (TA) des Brennstofftanks (44) erfolgt.