DE102016208603A1 - Brennstoffzellensystem, Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem, Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) in dessen Kathodenabgaspfad (32) eine Wärmsenke (43) eines Kältemittelkreislaufs (40) angeordnet ist und mit dem Kathodenabgas in thermischen Kontakt steht. Die Wärmesenke kann erfindungsgemäß als Wasserabscheider (38, 50) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit zumindest einem die Gaszuleitung (51) und die Gasableitung (52) verbindenden Strömungskanal (53) ausgebildet sein, wobei an oder in dem Strömungskanal (53) ein Kältemittelkanal (55) der Wärmesenke angeordnet ist. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems (100), wobei die Wärmesenke (43) zum Entfrosten des Wasserabscheiders (38) betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.
  • 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 (stack) 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, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H2 → 2H+ + 2e–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein 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 im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2– + 2H+ → H2O).
  • Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff) und dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft), erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
  • 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°C und 90°C. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, einen Brennstoffzellenstapel zu temperieren, was ein Aufheizen des Stapels vor dessen Inbetriebnahme und das Kühlen des Stapels während dessen laufenden Betriebs umfasst. Ein Brennstoffzellenstapel weist daher in der Regel einen weiteren Hauptversorgungskanal für ein weiteres Betriebsmedium auf, nämlich ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs.
  • Insbesondere bei mobilen Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, stellt sich zudem die Frage, ob und wie ein Kältekreislauf des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Klimaanlage, in das Brennstoffzellensystem beziehungsweise dessen Kühlkreislauf eingebettet wird.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2004 045 587 A1 , der DE 10 2008 022 808 A1 und der JP 2002,367645 A , sind Anordnungen und Verfahren zum Zuführen der Abwärme eines Brennstoffzellenstapels zu einem Fahrgastraum und, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe oder anderen mechanischen Fahrzeugkomponenten bekannt. Die Wärmekapazität beziehungsweise das Vermögen des Fahrerraums beziehungsweise der Baugruppen zur Wärmeaufnahme ist jedoch begrenzt. Der verbleibende Wärmegehalt des Abgases wird in der Regel über den Fahrzeugkühler an die Umwelt abgeführt. Es ist ferner bekannt, beispielsweise aus der US 2008/0038610 A1 und der DE 100 07 244 A1 , das Abgas eines Brennstoffzellenstapels zu kühlen, um darin enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren und das Kondensat beispielsweise für die Befeuchtung der Brennstoffzellmembranen zu nutzen. Zur Kühlung des Abgases wird dabei in der Regel ebenfalls der Fahrzeugkühler genutzt.
  • Aufgrund der zunehmenden Größe von Brennstoffzellensystemen und Brennstoffzellenstapeln sowie der begrenzten Wärmeübertragungskapazität des Fahrzeugkühlers, der Tiefe angeschlossener Wärmesenken und/oder immer weniger verfügbarem Bauraum stellt die Abführung der Brennstoffzellenbetriebswärme zunehmend ein Problem dar, insbesondere auch in Hinblick auf die Hitzeempfindlichkeit der in modernen Fahrzeugen verbauten Elektronik.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine verbesserte Abfuhr von Wärme ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenabgaspfad zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel, wobei in dem Kathodenabgaspfad eine Wärmsenke eines Kältemittelkreislaufs angeordnet ist und mit dem Kathodenabgas in thermischen Kontakt steht. In der Wärmesenke wird Wärme von dem Kältekreislauf abgegeben und somit das Kathodenabgas des Brennstoffzellensystems erhitzt. Dies ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Kältekreislauf über das Kathodenabgas des Brennstoffzellensystems.
  • Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt in einem Fahrzeug angeordnet. Der Kältekreislauf dient bevorzugt der Kühlung eines Fahrgastraums. Mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können andere Wärmetauscher des Kältekreislaufs, beispielsweise ein Fahrzeugkühler eines Brennstoffzellenfahrzeugs, aufweisend den Kältekreislauf, vorteilhaft verkleinert werden.
  • In einer Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel und mit einem Anodenabgaspfad zum Abführen eines Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel sowie eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel auf. Bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Wärmesenke als Kondensator oder Gaskühler des Kältekreislaufs ausgebildet. In dem Kondensator erfolgt ein (subkritischer) Übergang des Kältemittels vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand, wobei Kondensationswärme frei wird. In dem Gaskühler wird das Kältemittel, beispielsweise Kohlendioxid, (transkritisch) verflüssigt, wobei eine Abkühlung des Kältemittels selbst erfolgt. Ferner weist der Kältekreislauf eine Entspannungseinrichtung, beispielsweise ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Verdichter für ein Kältemittel des Kältekreislaufs auf. Diese und gegebenenfalls weitere Komponenten des Kältekreislaufs sind mittels Kältemittelleitungen verbunden, die mit einem Kältemittel gefüllt sind. Bevorzugt sind die Entspannungseinrichtung, der Verdampfer und der Verdichter in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung des Kältemittels stromabwärts der Wärmesenke angeordnet. Bevorzugt ist der Kältekreislauf so ausgelegt und das Kältemittel so gewählt, dass die Temperatur des Kältemittels in der Wärmesenke die Temperatur des Kathodenabgases des Brennstoffzellenstapels übersteigt, bevorzugt um zumindest 40°C, 55°C oder 70°C.
  • Bevorzugt wird ein Kältemittel eingesetzt, das in der Wärmesenke stromabwärts eines Verdichters eine Temperatur von bis zu 150°C aufweisen kann, bevorzugt ein fluorhaltiges Kältemittel, beispielsweise R134a oder R1234yf. Bevorzugt wird Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt, das in der Wärmesenke stromabwärts des Verdichters Temperaturen von bis zu 170°C aufweist. Das Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels weist stromaufwärts der Wärmsenke und in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels und der Wasserbeladung des Kathodenabgases Temperaturen im Bereich von etwa 100°C auf. Somit besteht an der Wärmesenke des Kältekreislaufs eine Temperaturdifferenz, welche die Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Kathodenabgas ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Wärmsenke des Kältekreislaufs als Wärmetauscher, besonders bevorzugt als Plattenwärmetauscher oder als Rohrbündelwärmetauscher, ausgebildet. Der Wärmetauscher ist bevorzugt so in der Kathodenabgasleitung angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas überströmt oder durchströmt wird. Ebenfalls bevorzugt weist der Kältekreislauf des Brennstoffzellensystems zumindest einen weiteren Wärmetauscher auf, wobei es sich ebenfalls bevorzugt um einen Kühler eines Fahrzeugs handelt, in dem der Kältekreislauf angeordnet ist. Ebenfalls bevorzugt ist der Kältekreislauf zum Kühlen eines mit dessen Verdampfer in thermischen Kontakt stehenden Bauraums oder einer mit dessen Verdampfer in thermischen Kontakt stehenden Baugruppe und zum Erhitzen des Kathodenabgasstroms eingerichtet.
  • Bevorzugt ist der Kältekreislauf als Wärmepumpe zwischen dieser Baugruppe/diesem Bauraum und dem Kathodenabgas(pfad) eingerichtet.
  • In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist stromaufwärts der Wärmesenke eine Expansionsvorrichtung in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Bei der Expansionsvorrichtung handelt es sich bevorzugt um ein Expansionsventil oder um eine Regelklappe, besonders bevorzugt um eine Turbine. Die Expansionsvorrichtung ist so eingerichtet, dass sich das Kathodenabgas in der Expansionsvorrichtung ausdehnt. Durch die dabei vom Kathodenabgas verrichtete Arbeit sinkt dessen innere Energie und das Kathodenabgas kühlt ab. Dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen Kältemittel und Kathodenabgas in der Wärmesenke erhöht, wodurch der mögliche Wärmeübertrag auf das Kathodenabgas und die Kühlung des Kältemittels steigt.
  • In einer Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem zumindest einen Wasserabscheider auf, der im Anodenabgaspfad und/oder im Kathodenabgaspfad angeordnet ist. Der Wasserabscheider ist dazu eingerichtet, im Anoden- oder Kathodenabgas enthaltenes flüssiges Wasser aus dem Gasstrom abzutrennen und die Kondensation von Wasserdampf aus dem Gasstrom zu fördern. Hierzu weist der Wasserabscheider vorzugsweise Abscheideelemente, Umlenkmittel und/oder Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung auf, welche dazu ausgebildet sind, das Abscheiden und die Kondensation von Wasser auf ihrer Oberfläche zu fördern und/oder den Gasstrom umzulenken, um Fliehkräfte zum Abscheiden von Wasser zu nutzen. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Auffangbehälter gesammelt und über einen Wasserauslass abgelassen. In dem erfindungsgemäßen Wasserabscheider ist der Wasserauslass des Wasserabscheiders stromaufwärts der Wärmesenke, und bevorzugt stromabwärts der Expansionsvorrichtung, mit dem Kathodenabgaspfad verbunden. Durch in das Kathodenabgas eingebrachtes Wasser wird dessen Wärmekapazität erhöht. Somit und aufgrund der latenten Wärme beim Verdampfen des Wassers wird das Kältemittel in der Wärmesenke des Brennstoffzellensystems stark abgekühlt.
  • In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die im Kathodenabgaspfad angeordnete Expansionsvorrichtung als Turbine ausgebildet und stromabwärts der Wärmesenke in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Vorteilhaft kann so ein Teil der in das Kathodenabgas eingebrachten Abwärme in der Turbine zurück gewonnen werden. Zusätzlich wird durch Erwärmen des Kathodenabgases das darin enthaltene flüssige Wasser stromaufwärts der Turbine verdampft und somit die Gefahr eines Wasserabschlags in der Turbine verringert.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist stromaufwärts der Turbine ein Wasserabscheider in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Somit wird eine Schädigung der Turbine durch im Abgas enthaltenes flüssiges Wasser beziehungsweise Kondensation vermieden. Besonders bevorzugt ist die Wärmesenke des Kältekreislaufs in den Wasserabscheider integriert. Beispielsweise ist ein Wärmetauscher der Wärmesenke, aufweisend zumindest einen Kanal für ein Kältemittel, in dem Wasserabscheider so angeordnet, dass er von dem Kathodenabgasstrom vor, während und/oder nach dem Abscheiden von Wasser über- oder durchströmt wird. Mit dieser Ausführungsform nimmt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem vorteilhaft weniger Bauraum in Anspruch, der somit im Brennstoffzellenfahrzeug eingespart wird. Zudem wird durch den Wärmeeintrag der Wärmsenke flüssiges Wasser im Kathodenabgasstrom verdampft und somit die Gefahr von Wasserabschlag in der stromabwärts angeordneten Turbine reduziert.
  • In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist der Kältekreislauf zudem zumindest eine Bypassleitung mit einem Bypassventil auf, welche eine Kältemittelleitung unmittelbar stromabwärts der Wärmesenke mit einer Kältemittelleitung unmittelbar stromabwärts des Verdampfers oder einer weiteren Wärmesenke oder unmittelbar stromaufwärts des Verdichters verbindet. Diese zuschaltbare Bypassleitung ermöglicht vorteilhaft eine variable Einstellung der Temperatur des Kältemittels. Somit kann bei einem Start des Brennstoffzellensystems unter Frostbedingungen die Wärmsenke zum Aufheizen des Kathodenabgases genutzt werden, obwohl die Wärmequelle des Kältekreislaufs ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat beziehungsweise noch keine Wärme an das Kältemittel abgeben kann. Beispielsweise wird dabei mittels der Bypassleitung ein Fahrzeugkühler als weitere Wärmesenke und/oder ein Verdampfer mit einer Temperatur unterhalb der des Kältemittels umgangen. Somit wird die durch den Verdichter des Kältekreislaufs in das Kältemittel eingebrachte innere Energie vollständig als Wärme an das Kathodenabgas abgegeben.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Kathodenabgasleitung zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel, aufweisend jeweils eine mit der Kathodenabgasleitung verbindbare Gaszuleitung und Gasableitung und zumindest einen die Gaszuleitung und die Gasableitung verbindenden Strömungskanal, wobei an oder in dem zumindest einen Strömungskanal ein Kältemittelkanal einer Wärmsenke eines Kältemittelkreislaufs angeordnet ist. Durch Verwendung des Wasserabscheiders in einem Brennstoffzellensystem kann dessen Kathodenabgasstrom zur Wärmeableitung genutzt werden, ohne den Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Der Kältemittelkanal weist bevorzugt Anschlüsse zum Verbinden mit den Kältemittelleitungen des Kältekreislaufs auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wasserabscheider zumindest ein in dem Strömungskanal angeordnetes Abscheideelement, Umlenkmittel oder Mittel zum Erzeugen einer Wirbelströmung auf, welche dazu eingerichtet sind, das Abscheiden von flüssigem Wasser und/oder die Kondensation von Wasserdampf zu fördern. Bevorzugt ist zumindest ein Kältemittelkanal der Wärmesenke an oder in dem zumindest einen Abscheideelement, Umlenkmittel und/oder Mittel zum Erzeugen einer Wirbelströmung und/oder oder einer Wandung des Wasserabscheiders angeordnet. Die Kältemittelkanäle können dabei in Bauteile der Wärmesenke integriert und besonders bevorzugt monolithisch mit der Wärmesenke ausgebildet sein. Ebenfalls bevorzugt sind die Kältemittelkanäle als separate durch den Wasserabscheider hindurch verlegte Kältemittelleitungen ausgebildet.
  • Das Abscheideelement, Umlenkmittel und/oder Mittel zum Erzeugen einer Wirbelströmung sind bevorzugt so im Wasserabscheider angeordnet, dass ein Gasstrom durch zumindest eines davon hindurch oder um dieses herum strömen muss. Dadurch prallen in dem Gasstrom enthaltene Flüssigkeitstropfen aufgrund von Fliehkräften gegen dieses Bauteil, bleiben daran haften und rinnen in einen Auffangbehälter. Ein Wasserabscheider weist bevorzugt zumindest ein Umlenkmittel für den Gasstrom auf, um einen Pralleffekt zu erzielen. Die Umlenkmittel sind bevorzugt als Lochblech, Prallblech oder Leitblech ausgebildet. Ferner bevorzugt weisen sie eine hydrophile, poröse und/oder dochtartig wirkende Oberfläche auf und sind somit auch als Abscheideelemente des Wasserabscheiders ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt sind zusätzliche Abscheideelemente in Form von Gestrick, Gewebe, Netzen, Drahtgeflechten oder Drahtgittern, besonders bevorzugt mit Dochtwirkung, im Wasserabscheider angeordnet.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden mehrere Umlenkmittel in Strömungsrichtung des Kathodenabgasstroms hintereinander oder nebeneinander angeordnet, um mehrere Ablenkungen des Gasstroms zu bewirken. Auf diese Weise oder durch Verwenden einer Mehrzahl alternativer Umlenkmittel, beispielsweise von Schwallpatten, ist der Wasserabscheider in weiteren Ausführungsformen als Labyrinthabscheider oder Plattenabscheider ausgebildet. In einer Ausführungsform weist der Wasserabscheider zumindest eine in dem Kanal angeordnete und stromabwärts verschlossene Fangtasche auf. Eine solche Fangtasche ist bevorzugt in einem Bereich ausgebildet, in den im Gasstrom transportierte Flüssigkeitstropfen durch Fliehkräfte transportiert werden. Besonders bevorzugt ist zumindest ein Abscheideelement oder Umlenkmittel als ein doppelwandiges Leitblech ausgebildet und ein Kältemittelkanal zwischen den Wandungen des Leitblechs angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Wasserabscheider Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung, ähnlich einem Zyklon, auf. Durch Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung werden in einem Gasstrom, bevorzugt in dem ersten Gasstrom, starke Fliehkräfte erzeugt. Die Fliehkräfte bewirken ein Aufprallen von in dem Gasstrom enthaltenen Flüssigkeitstropfen an einer Wandung oder an einem Element des Wasserabscheiders. Das Anhaften der Flüssigkeitstropfen an der Wandung oder dem Element kann durch darin eingebrachte Nuten verbessert werden. Bevorzugt ist zumindest ein Kältemittelkanal der Wärmesenke an oder in dieser Wandung angeordnet.
  • Die Verwendung der vorgenannten Wasserabscheider ermöglicht ein aktives Abscheiden von flüssigen Bestandteilen des Kathodenabgasstroms, das weit über ein passives Abscheiden durch Kondensation hinausgeht. Der im Abgaspfad einer Brennstoffzelle stromabwärts des Abscheiders angeordneten Turbine wird somit ein besonders trockener Abgasstrom zugeführt. Zudem ermöglicht die Verwendung der hierin beschriebenen Wasserabscheider das Sammeln des abgeschiedenen flüssigen Wassers in einem Auffangbehälter und das Verdampfen des abgeschiedenen flüssigen Wassers an den Oberflächen des Wasserabscheiders. Damit wird der Wasserdampfanteil, das heißt der Anteil gasförmigen Wassers, im Kathodenabgas erhöht.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems, wie vorstehend beschrieben, wobei ein Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf gefördert und verdichtet wird und die innere Energie des Kältemittels zumindest von dem Verdichter erhöht und durch Wärmeabgabe an die Wärmsenke reduziert wird. Mit anderen Worten wird mittels des Verdichters gezielt Wärme in das Kältemittel eingebracht, um damit die Wärmsenke zu entfrosten. Bevorzugt handelt es sich bei der Wärmesenke um einen Wasserabscheider mit integriertem Kältemittelkanal, wie obenstehend beschrieben. Ebenfalls bevorzugt ist der Wasserabscheider zusätzlich erhitzbar, beispielsweise mittels elektrischer Heizelemente, um das Entfrosten des Wasserabscheiders bei einem Kaltstart zu unterstützen.
  • Bei einem Froststart sind die Temperaturen aller Komponenten des Brennstoffzellensystem oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs in der Regel sehr gering. Somit würde dem Kältemittel von den im Normalbetrieb als Wärmequellen des Kältekreislaufs ausgelegten Komponenten, beispielsweise dem Brennstoffzellenstapel, einem Verbrennungsmotor oder dem Fahrerraum, noch keine Wärme zugeführt. Gegebenenfalls würde das Kältemittel Wärme an diese Komponenten abgeben, die dann nicht zum Entfrosten der Wärmesenke in der Kathodenabgasleitung nutzbar ist. Daher weist das Kältesystem bevorzugt eine mittels Bypassventil zuschaltbare Bypassleitung auf, die eine Kältemittelleitung unmittelbar stromabwärts der Wärmesenke mit einer Kältemittelleitung unmittelbar stromaufwärts des Verdichters kurzschließt. Somit wird die dem Kältemittel vom Verdichter zugeführte Wärme exklusiv der im Kathodenabgasstrom angeordneten Wärmesenke zugeführt.
  • Ebenfalls bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit zum Durchführen des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, auf. Ferner bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Temperatur der Wärmesenke, bevorzugt des Wasserabscheiders, in der Kathodenabgasleitung zu erfassen und, wenn die Gefahr des Einfrierens der Wärmesenke besteht, die Kathodenabgasleitung mittels der Wärmesenke so lange zu erwärmen, bis deren Temperatur so weit gestiegen ist, dass die Gefahr des Einfrierens nicht mehr besteht.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und/oder einem Wasserabscheider, wie vorstehend beschrieben. Bei dem Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem von dem Brennstoffzellenstapel betriebenen Elektromotor. Ferner bevorzugt weist das Fahrzeug eine Steuereinheit auf, die zum Durchführen des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, eingerichtet ist.
  • 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,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Kathodenversorgung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Kathodenversorgung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 4 eine schematische Darstellung einer Kathodenversorgung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform,
  • 5 eine schematische Darstellung einer Kathodenversorgung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform,
  • 6 eine schematische Darstellung (A) und Schnittdarstellung (B) eines Wasserabscheiders und eine Schnittdarstellung (C) eines erfindungsgemäßen Wasserabscheiders gemäß einer ersten Ausführungsform,.
  • 7 eine schematische Darstellung (A) sowie zwei Schnittdarstellungen (B), (C) von erfindungsgemäßen Wasserabscheidern gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform, und
  • 8 Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältekreislaufs während eines normalen Betriebsmodus und während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Froststart eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik. Dieses und die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 100 der 2 bis 5 sind jeweils Teil eines nicht weiter dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, 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, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können.
  • Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional sind Gasdiffusionslagen zwischen den MEA 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien 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 Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 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 wie dargestellt 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 Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider 28 verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser abzuleiten.
  • In der Anodenabgasleitung 22 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 ist stromabwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein zweites Stellmittel 26 angeordnet. Mit dem zweiten Stellmittel 26 kann ein Rezirkulationskreislauf von der Umgebung isoliert werden. Das erste und zweite Stellmittel 24, 26 können gemeinsam dazu genutzt werden, ein Ausströmen des Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen 12 weitgehend zu unterbinden. Ferner ist stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 und stromaufwärts des zweiten Stellmittels 26 ein Wasserabscheider 28 im Rezirkulationskreislauf der Kathodenabgasleitung 22 angeordnet.
  • Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium 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 Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen 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 Befeuchtermodul 39 weist 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 somit befeuchtet wird.
  • Die Kathodenversorgung 30 weist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ferner ein in einer Bypass-Leitung angeordnetes Bypass-Ventil 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass das Befeuchtermodul 39 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Das Bypass-Ventil 37 dient der Steuerung der Menge des den Befeuchters 39 umgehenden Kathodenbetriebsmediums.
  • Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kathodenversorgung 30 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Kathodenversorgung 30 entspricht weitgehend der in 1 gezeigten Kathodenversorgung 30, weist jedoch als Expansionsvorrichtung lediglich eine Regelklappe 36 auf.
  • Stromabwärts der Regelklappe 36 ist in der Kathodenabgasleitung 32 eine Wärmesenke 43 eines Kältekreislaufs 40 angeordnet. Der Kältekreislauf 40 weist ferner einen Fahrzeugkühler 44, ein Expansionsventil 45, einen Verdampfer 46 und einen Verdichter 41 auf, die in Strömungsrichtung eines Kältemittels durch Kältemittelleitungen 42 verbunden sind. Der Verdampfer 46 kann dem Kühlen eines Fahrerraums dienen und einen entsprechend dort angeordneten Wärmetauscher aufweisen.
  • Wie in 8 dargestellt, nimmt das Kältemittel in dem Verdampfer 46 Wärme auf und verdampft, wodurch die Enthalpie des Kältemittels ansteigt. Anschließend wird im Verdichter 41 der Druck des verdampften Kältemittels erhöht. Anschließend kondensiert das Kältemittel in der Wärmesenke 43, beispielsweise einem Kondensator oder einem Gaskühler, und gibt dabei Wärme an die Umgebung, das heißt die Kathodenabgasleitung 32 und das Kathodenabgas, ab. Schließlich wird der Druck des Kältemittels in der Entspannungsvorrichtung 45 reduziert und der Kreislauf beginnt im Verdampfer 46 erneut. Der in den 2 bis 5 dargestellte Fahrzeugkühler 44 trägt weiter zur Abkühlung des Kältemittels bei und kann in 8 als Teil des Kondensators 43 begriffen werden.
  • Mit Bezug zu 2 gibt das Kältemittel in der Wärmesenke 43 Wärme an das Kathodenabgas ab, das kurz zuvor in der Regelklappe 36 entspannt wurde. Alternativ ist die Wärmesenke 43 stromaufwärts einer Regelklappe 36 als Expansionsvorrichtung angeordnet, wie beispielsweise in der in 4 dargestellten Kathodenversorgung 30 eines Brennstoffzellensystems 100.
  • In der Kathodenversorgung 30 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß 3 ist die Expansionsvorrichtung eine Turbine 36 und die Wärmesenke 43 ist stromabwärts der Turbine 36 angeordnet. Ferner ist in der Anodenabgasleitung 22 ein Wasserabscheider 28 mit einem Auffangbehälter für Flüssigwasser angeordnet. Ein Wasserauslass 29 des Wasserabscheiders 28 ist über ein Stellmittel 49 mit der Kathodenabgasleitung 32 so verbunden, dass Flüssigwasser stromaufwärts der Wärmesenke 43 dem Kathodenabgas zugeführt wird. Durch Verdampfen des Wassers wird das Kathodenabgas zusätzlich gekühlt beziehungsweise wird dessen Wärmekapazität erhöht.
  • Gemäß der in der 5 dargestellten Ausführungsform ist die Wärmesenke 43 in einen Wasserabscheider 38, 50 integriert und stromaufwärts einer Turbine 36 als Expansionsvorrichtung angeordnet. Ein Wasserauslass 57 des Wasserabscheiders 38, 50 ist stromabwärts der Turbine 6 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbunden, um Flüssigwasser an der Turbine 6 vorbeizuleiten. Ferner weist der Kältekreislauf eine Bypassleitung 47 mit einem Bypassventil 48 auf, mittels der das Kühlmittel den Kühler 44, die Entspannungsvorrichtung 45 und den Verdampfer 46 umgehen kann. Ist das Bypassventil 48 geöffnet, wird die dem Kältemittel vom Verdichter 41 zugeführte innere Energie exklusiv in dem Wasserabscheider 38, 50 als Wärme an das Kathodenabgas abgegeben. Eine anderweitige Kühlung des Kältemittels erfolgt, abgesehen von Leitungsverlusten, in dem Kältekreislauf 40 nicht.
  • 6(A) zeigt eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders 38, 50 gemäß dem Stand der Technik. Dieser weist eine Gaszuleitung 51 und eine Gasableitung 52 auf, die so ausgebildet sind, dass sie mit der Kathodenabgasleitung 32 eines Brennstoffzellensystems 100 verbunden werden können. Wie in der Schnittdarstellung der 6(B) entlang der Schnittlinie A-A der 6(A) dargestellt, durchströmt das Kathodenabgas einen Strömungskanal 53 des Wasserabscheiders 38, 50 von der Gaszuleitung 51 zu der Gaszuleitung 52, wobei sich in dem Abgas enthaltenes Flüssigwasser an Abscheideelementen 54 in Form metallener Leitbleche 56 abscheidet. Um das Abscheiden von Flüssigwasser zu unterstützen, weisen die Leitbleche 56 Fangtaschen zur Aufnahme von Wassertropfen auf. Abgeschiedenes Flüssigwasser rinnt entlang der Leitbleche 56 in einen Auffangbehälter beziehungsweise zum Wasserauslass 57.
  • In der Schnittdarstellung der 6(C) entlang der Schnittlinie A-A der 6(A) ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserabscheiders 38, 50 dargestellt, wobei die Abscheideelemente 54 als Doppelbleche 56 ausgebildet sind. Jeweils zwei Leitbleche 56 schließen dabei ein Kältemittelkanal 55 ein, wobei jeder Kältemittelkanal 55 durch ein Leitblech 56 von einem Strömungskanal 53 getrennt ist und parallel zu diesem verläuft. Durch das Verdampfen von an den Leitblechen 56 abgeschiedenem Flüssigwasser kann der Wasserabscheider 38, 50 als Wärmesenke 43 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 effektiv Abwärme aus dem Kältekreislauf 40 ableiten.
  • In der schematischen Darstellung der 7(A) und den Schnittdarstellungen der 7(B), (C) entlang der Schnittlinie A-A der 7(A) sind weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wasserabscheiders dargestellt, wobei die Kältemittelkanäle 55 den Wasserabscheider 38, 50 in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung des Kathodenabgases in den Strömungskanälen 53 durchlaufen. Die Kältemittelkanäle 55 sind durch an den metallenen Leitblechen 56 angeordnete Kältemittelkanäle ausgebildet, die beispielsweise einen rechteckigen (B) oder kreisrunden Querschnitt (C) aufweisen.
  • In 8 ist ein Kreisprozess des Kältekreislaufs 40 in einem Druck-Enthalpie-Diagramm mit den einzelnen Prozessschritten dargestellt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems 100 wird bevorzugt ein sogenannter Dreiecksprozess 62 im Druck-Enthalpie-Diagramm gefahren. Bei diesem Prozess wird keine Kälteleistung durch den Verdampfer 46 zur Verfügung gestellt sondern die gesamte Energie des Verdichters 41 als Abwärme über den Kondensator 43 abgegeben. Diese Abwärme wird über die Leitbleche 56 des Wasserabscheiders 38, 50 an das Kathodenabgas in der Kathodenabgasleitung 32 abgegeben und zum Tauen von Eis im Wasserabscheider 38, 50 verwendet.
  • Die Realisierbarkeit eines Dreiecksprozesses wird durch Anordnen einer Bypassleitung 47 mit Bypassventil 48, wie in 5 dargestellt, verbessert. Durch die Abgabe von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 40 in die Kathodenabgasleitung 32 wird insbesondere beim Froststart das Abgas erwärmt. Durch diese Erhöhung der Abgastemperatur lässt sich außerdem die Gefahr des Einfrierens von nachfolgenden Komponenten, beispielsweise einer Regelklappe 36, reduzieren. Die Erwärmung des Abgases durch den Kältekreislauf 40 erfolgt dabei solange unabhängig von anderen Anforderungen an den Kältekreislauf 40, beispielsweise den Fahrerraum betreffende Komforteinstellungen, bis das Brennstoffzellensystem 100 so weit aufgeheizt wurde, dass die Gefahr des Einfrierens nicht mehr besteht.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    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
    29
    Wasserauslass
    30
    Kathodenversorgung
    31
    Kathodenversorgungsleitung
    32
    Kathodenabgasleitung
    33
    Verdichter
    34
    Elektromotor
    35
    Leistungselektronik
    36
    Expansionsvorrichtung/Turbine/Regelklappe
    37
    Bypassventil
    38
    Wasserabscheider
    39
    Befeuchtermodul
    40
    Kältemittelkreislauf
    41
    Kältemittelfördervorrichtung/Verdichter
    42
    Kältemittelleitung
    43
    Wärmesenke
    44
    (Fahrzeug)Kühler
    45
    Entspannungsvorrichtung
    46
    Verdampfer
    47
    Bypassleitung
    48
    Bypassventil
    49
    Stellmittel
    50
    Wasserabscheider
    51
    Gaszuleitung
    52
    Gasableitung
    53
    Strömungskanal
    54
    Abscheideelement
    55
    Kältemittelkanal
    56
    Leitblech
    57
    Wasserauslass
    58
    Fangtasche
    61
    Nassdampfgebiet
    62
    Dreiecksprozess
  • 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 102004045587 A1 [0009]
    • DE 102008022808 A1 [0009]
    • JP 2002367645 A [0009]
    • US 2008/0038610 A1 [0009]
    • DE 10007244 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einem Kathodenabgaspfad (32) zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kathodenabgaspfad (32) eine Wärmsenke (43) eines Kältemittelkreislaufs (40) angeordnet ist und mit dem Kathodenabgas in thermischen Kontakt steht.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (43) als Kondensator oder Gaskühler des Kältekreislaufs (40) ausgebildet ist und der Kältekreislauf (40) ferner eine Entspannungseinrichtung (44), einen Verdampfer (45), einen Verdichter (41) und die Komponenten des Kältekreislaufs (40) verbindende und mit einem Kältemittel gefüllte Kältemittelleitungen (42) aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Anodenversorgung (20) und einen in der Anodenversorgung (30) oder der Kathodenversorgung (32) angeordneten Wasserabscheider (28), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserauslass (29) des Wasserabscheiders (28) stromaufwärts der Wärmesenke (43) mit dem Kathodenabgaspfad (32) verbunden ist.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts und stromabwärts der Wärmesenke (43) eine Expansionsvorrichtung (36) in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnet ist.
  5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung als Turbine (36) ausgebildet und stromabwärts der Wärmesenke (43) in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmsenke (43) in einen stromaufwärts der Turbine (36) in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordneten Wasserabscheider (38) integriert ist.
  7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (40) ferner eine Bypassleitung (47) mit einem Bypassventil (48) aufweist, die eine Kältemittelleitung (42) stromabwärts der Wärmesenke (43) mit einer Kältemittelleitung (42) stromabwärts des Verdampfers (45) oder einer weiteren Wärmesenke (44) oder stromaufwärts des Verdichters (41) verbindet.
  8. Wasserabscheider (38, 50) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (10) und einer Kathodenabgasleitung (32) zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine mit der Kathodenabgasleitung (32) verbindbare Gaszuleitung (51) und Gasableitung (52) und zumindest einen die Gaszuleitung (51) und die Gasableitung (52) verbindenden Strömungskanal (53) mit darin angeordneten Mitteln (54, 56, 58) zum Fördern des Abscheidens und/oder der Kondensation von Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem zumindest einen Strömungskanal (53) zumindest ein Kältemittelkanal (55) einer Wärmesenke (43) eines Kältemittelkreislaufs (40) angeordnet ist.
  9. Wasserabscheider (38, 50) nach Anspruch 8, ferner aufweisend zumindest ein als doppelwandiges Leitblech (56) ausgebildetes Abscheideelement (54) und zumindest einen zwischen den Leitblechen (56) angeordneten Kältemittelkanal (55).
  10. Verfahren zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, aufweisend Fördern und Verdichten des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (40), dadurch gekennzeichnet, dass die innere Energie des Kältemittels zumindest von dem Verdichter (41) erhöht und durch Wärmeabgabe an die Wärmsenke (43) reduziert wird.
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