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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 65 304 A1 . Das bekannte Brennstoffzellensystem umfasst ein Brennstoffzellenmodul, welches mit einem Latent-Wärmespeicher thermisch verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist nunmehr eine verbesserte thermische Kopplung des Latent-Wärmespeichers an das Brennstoffzellenmodul auf.
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Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem wenigstens ein Brennstoffzellenmodul. Das Brennstoffzellenmodul ist mit einem Latent-Wärmespeicher thermisch verbunden. Der Latent-Wärmespeicher ist das Brennstoffzellenmodul umgebend angeordnet.
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Dadurch ist die thermische Kopplung zwischen Latent-Wärmespeicher und Brennstoffzellenmodul besonders effektiv gestaltet. Die Fähigkeiten eines Kühlkreises des Brennstoffzellensystems werden somit durch Nutzung der thermischen Eigenschaften des Latent-Wärmespeichers derart erweitert, dass das Brennstoffzellensystem dadurch eine verbesserte kurzfristige Spitzenbelastung des Brennstoffzellenmoduls verträgt und Beschädigungen an temperatursensitiven Bauteilen des Brennstoffzellenmoduls verhindert werden. Vorteilhafterweise weist das Brennstoffzellenmodul daher eine Polymer-Elektrolyt-Membran auf, welche in einem vergleichsweise engen Temperaturfenster zu betreiben ist. Bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem somit als PEM-Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug ausgeführt. So wird die Polymer-Elektrolyt-Membran der PEM-Brennstoffzelle bei Temperaturen um 90°C oder höher thermisch geschädigt, nämlich durch Verlust von mechanischer Festigkeit und infolgedessen durch Deformation, was auf jeden Fall durch eine ausreichende Dimensionierung der Kühlleistung verhindert werden muss.
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Der Latent-Wärmespeicher erweitert die thermische Regelung des Brennstoffzellensystems insofern, dass die Zeitdauer für Spitzenlasten, also für sehr starken Wärmeeintrag in das Brennstoffzellenmodul, deutlich erweitert werden kann. Wärmeenergie wird im Latent-Wärmespeicher zwischengespeichert, und die Kühlleistung kann zeitlich weitestgehend unabhängig vom Wärmeeintrag auf nahezu konstantem Niveau gehalten werden. Die maximale Leistung des Brennstoffzellensystems müsste demzufolge erst nach einer signifikant längeren Zeitdauer gedrosselt werden.
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Bevorzugt ist der Latent-Wärmespeicher dabei mittels einer Vielzahl von Stiften thermisch an das Brennstoffzellenmodul gekoppelt. Dadurch ist die thermische Kopplung besonders effektiv ausgeführt, der Latent-Wärmespeicher kann demzufolge energetisch betrachtet schneller gefüllt bzw. geleert werden.
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Vorteilhafterweise weist der Latent-Wärmespeicher zwei Latentwärmespeicher-Schichten von jeweils zwischen 10 mm und 40 mm Dicke auf. In Verbindung mit der das Brennstoffzellenmodul umgebenden Anordnung wird somit nur verhältnismäßig wenig Bauraum benötigt und dabei eine deutliche Verbesserung des Temperaturmanagements des Brennstoffzellensystems erzielt.
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In vorteilhaften Ausführungen weist der Kühlkreis des Brennstoffzellensystems einen Kühler auf. Der Kühler kann in vorliegenden Ausführungen des Brennstoffzellensystems bewusst vergleichsweise klein dimensioniert werden, da er aufgrund des Latent-Wärmespeichers die im Brennstoffzellenmodul entstehenden Wärmemengen unter Spitzenlasten zeitlich versetzt und in einem geglätteten Verlauf an die Umgebung abführen kann.
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Vorzugsweise weist der Kühlkreis eine Pumpe auf, wobei die Pumpe unmittelbar stromaufwärts des Latent-Wärmespeichers angeordnet ist.
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In vorteilhaften Ausführungen ist ein Kühlmantel den Latent-Wärmespeicher umgebend angeordnet ist. Idealerweise ist also der Latent-Wärmespeicher dadurch in einen Kühlkreis des Brennstoffzellensystems integriert, insbesondere indem der Kühlmantel innerhalb eines Gehäuses des Brennstoffzellenmoduls in geringem Abstand zum Brennstoffzellenmodul eingebaut ist. Bevorzugt kann hier über die Stifte und eine metallische Folie oder Platte ein guter thermischer Kontakt zum Brennstoffzellenmodul erreicht werden.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist der Kühlmantel in einem Kühlkreis des Brennstoffzellensystems angeordnet. Dadurch kann eine Abfuhr der in den Kühlmantel eingetragenen Wärmeenergie, wodurch die Temperatur des Brennstoffzellenmoduls unter einer Grenztemperatur gehalten wird, an die Umgebung sichergestellt werden. Der Kühlmantel ist dabei bevorzugt derart in den Kühlkreis integriert, dass er über den gesamten Umfang des Brennstoffzellenmoduls im Wärmeaustausch mit dem Latent-Wärmespeicher steht, also der Wärmeaustausch von stromaufwärts des Brennstoffzellenmoduls bis stromabwärts des Brennstoffzellenmoduls erfolgt.
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In vorteilhaften Ausführungen weist das Brennstoffzellensystem einen Aktor zum Einleiten eines Kristallisationsprozesses des Latent-Wärmespeichers auf. Der Aktor ist bevorzugt ein elektromagnetischer Aktor. Durch die elektromagnetische Ansteuerung und dann beginnende mechanische Aktuierung des Latent-Wärmespeichers mittels eines verlängerten Ankers des Aktors wird der Kristallisierungsprozess des Latent-Wärmespeichers ausgelöst.
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Bevorzugt bietet dabei der umgebende Kühlmantel das notwendige Ausgleichsvolumen von ca. 10% des Volumens des Latent-Wärmespeichers zur Kompensation der Volumenänderung während der Phasenänderung ohne Druckaufbau im Brennstoffzellenmodul.
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Die vorangehend beschriebenen Brennstoffzellensysteme können vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein aus der DE 100 65 304 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem.
- 2 schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein aus der
DE 100 65 304 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem
1 mit einem Brennstoffzellenmodul
10, wobei das bekannte Brennstoffzellensystem
1 einen nicht dargestellten Reformer aufweist und mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, welcher mittels des Reformers in gasförmigen Wasserstoff gewandelt wird.
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Zum Ausgleich der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenmoduls 10 ist diesem ein Latent-Wärmespeicher 50 zugeordnet. Der Latent-Wärmespeicher 50 führt im dynamischen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 dem Brennstoffzellenmodul 10 Energie zu oder ab. Dafür werden durch den Latent-Wärmespeicher 50 eines oder mehrere Prozessmedien, also beispielsweise Wasserstoff oder Umgebungsluft, geleitet. Ebenfalls kann auch ein Kühlmedium des Brennstoffzellensystems 1 durch den Latent-Wärmespeicher 50 geleitet werden.
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Das Brennstoffzellenmodul 10 ist in eine großvolumige Wärmedämmschicht 20 eingebettet, so dass eine thermische Isolierung gewährleistet ist. Gleichermaßen umschließt die Wärmedämmschicht 20 einen dem Brennstoffzellenmodul 10 vorgeschalteten Luftfilter 40, so dass sich mit dem Brennstoffzellenmodul 10 eine kompakte Einheit ergibt. Der Latent-Wärmespeicher 50 ist mit dem thermisch isolierten Brennstoffzellenmodul 10 über einen Wärmetauscher 30 thermisch gekoppelt.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Längsschnitt liegt im Bereich einer Bipolarplatte, in welcher die Verteilung der Betriebsmedien für eine Brennstoffzelle erfolgt. Das Brennstoffzellenmodul 10 weist mehrere Brennstoffzellen auf. Die Versorgung des Brennstoffzellenmoduls 10 mit den Betriebsmedien erfolgt über die Medienanschlüsse 11. Üblicherweise werden dem Brennstoffzellenmodul 10 drei Betriebsmedien zu- und wieder abgeführt - nämlich ein Brennstoff, ein Oxidationsmittel und ein Kühlmittel -, so dass insgesamt sechs Medienanschlüsse 11 vorhanden sind.
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Der Latent-Wärmespeicher 50 ist erfindungsgemäß das Brennstoffzellenmodul 10 umgebend angeordnet. Bevorzugt ist der Latent-Wärmespeicher 50 mittels einer Vielzahl von Stiften 51 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden, insbesondere thermisch verbunden, um eine gute Wärmeleitung zwischen Brennstoffmodul 10 und Latent-Wärmespeicher 50 zu erzielen. Dementsprechend werden für die Stifte 51 Materialien mit einer großen Wärmeleitfähigkeit verwendet.
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Vorteilhafterweise ist in dem Brennstoffzellensystem 1 ein Kühlmantel 70 den Latent-Wärmespeicher 50 und das Brennstoffzellenmodul 10 umgebend angeordnet. Bevorzugt ist der Kühlmantel 70 dabei in einen Kühlkreis des Brennstoffzellensystems 1 integriert, beispielsweise auf die in der 3 gezeigte Weise.
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Bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Aktor 52, insbesondere einen elektromagnetischen Aktor, auf, mittels welchem ein Kristallisationsprozess in dem Latent-Wärmespeicher eingeleitet werden kann. Beim Kristallisationsprozess wird Wärme frei, die der Kühlkreis dann aufnehmen kann. Über den Aktor 52 kann somit gezielt ein Zeitpunkt gewählt werden, an dem der Kühlkreis dann die im Latent-Wärmespeicher 50 zwischengespeicherte Wärmeenergie aufnehmen muss.
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3 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 10. Das Brennstoffzellenmodul 10 weist eine Anodenseite 10a und eine Kathodenseite 10b auf. Der Anodenseite 10a wird ein Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, aus einem Tank 5a über eine Brennstoffzuführungsleitung 5 zugeführt. Der Kathodenseite 10b wird ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Umgebungsluft, über eine Luftzuführungsleitung 3 zugeführt. Das reagierte bzw. nicht verbrauchte Oxidationsmittel und gegebenenfalls auch das Reaktionsprodukt werden über eine Abgasleitung 4 wieder aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt.
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In der Luftzuführungsleitung 3 ist ein Verdichter 32 angeordnet, welcher vorzugsweise von einer nicht gezeigten, beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben wird und dem Brennstoffzellenmodul 10 das Oxidationsmittel zuführt. Das Oxidationsmittel wird vorteilhafterweise stromabwärts des Verdichters 32 durch einen Befeuchter 7 befeuchtet, wobei der Befeuchter 7 vorzugsweise dem reagierten Oxidationsmittel in der Abgasleitung 4 Feuchte entzieht und diese dem Oxidationsmittel in der Luftzuführungsleitung 3 zuführt.
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Der Verdichter 32 ist in der Ausführung der 3 gemeinsam mit einer Abgasturbine 35 auf einer Welle 36 angeordnet, so dass der Verdichter 32 durch die Abgasturbine 35 angetrieben wird. Die Abgasturbine 35 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet, und setzt die Energie des reagierten bzw. nicht verbrauchten Oxidationsmittels in eine Rotation der Welle 36 um.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis 60 zur Kühlung des Brennstoffzellenmoduls 10 auf. Der Kühlkreis 60 weist in dem Brennstoffzellenmodul 10 angeordnete Kühlkanäle 61 auf, so dass die Kühlung des Brennstoffzellenmoduls 10 effizient ausgeführt ist. Dabei kann die Kühlung durch die Kühlkanäle 61 an beliebigen Positionen innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 10 erfolgen. Das Kühlmedium wird mittels einer Pumpe 62 durch den Kühlkreis 60 gefördert und mittels eines Kühlers 63 gekühlt. Der Kühler 63 ist dabei in bevorzugten Ausführungen ein Fahrzeugkühler, sofern das Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug verwendet wird. Der Kühlkreis 60 weist weiterhin parallel zu dem Kühler 63 eine Bypassleitung 66 auf, wobei der Massenstrom durch Kühler 63 und Bypassleitung 66 mittels eines Regelventils 65 eingestellt werden kann.
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Der Latent-Wärmespeicher 50 und der Kühlmantel 70 sind in der Ausführung der 3 innerhalb des Kühlkreises 60 sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Brennstoffzellenmoduls 10 angeordnet, in bevorzugten Ausführungen genau genommen sogar in dem Brennstoffzellenmodul 10 bzw. das gesamte Brennstoffzellenmodul 10 umgebend. Dadurch entsteht ein relativ träges Verhalten des Kühlkreises 60. Aufgrund des Phasenübergangs des Latent-Wärmespeichers 50 wird das Kühlmittel innerhalb eines relativ schmalen Temperaturbandes gehalten, Leistungsspitzen des Brennstoffzellenmoduls 10 können somit von dem Kühlkreis 60 sehr effizient aufgenommen werden. Die Fähigkeiten des Kühlkreises 60 sind durch die Nutzung der thermischen Eigenschaften des Latent-Wärmespeichers 50 so erweitert worden, dass der Kühlkreis 60 eine verbesserte kurzfristige Spitzenbelastung verträgt und Beschädigungen von temperaturkritischen Bauteilen des Brennstoffzellenmoduls 10, beispielsweise einer Membrane, insbesondere einer Polymer-Elektrolyt-Membran, vermieden werden. Hierfür ist es besonders wirksam den Latent-Wärmespeicher 50 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 thermisch möglichst verlustarm zu koppeln, wie dies durch die umgebende Anordnung erreicht wurde.
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Bevorzugt weist der Latent-Wärmespeicher 50 zwei Latentwärmespeicher-Schichten von je ca. 10 mm Dicke auf. Vorteilhafterweise liegt dabei das Gesamtvolumen des Latent-Wärmespeichers im Bereich von etwa 1,9 Liter.
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Bevorzugt weist der Latent-Wärmespeicher 50 zwei Latentwärmespeicher-Schichten von je ca. 10 mm (für 400 kJ Speicherkapazität) bis 40 mm Dicke (für 1600 kJ Speicherkapazität) auf. Vorteilhafterweise liegt dabei das Gesamtvolumen des Latent-Wärmespeichers im Bereich von etwa 2 Liter pro 10 mm Schichtdicke.
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Bei einer Temperatur des Brennstoffzellenmoduls 10 unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur - beispielsweise 90°C - wird der Latent-Wärmespeicher 50 als passive thermische Zusatzkapazität mitgeführt. Der Latent-Wärmespeicher 50 wird genutzt, um die thermische Spitzenbelastung des Brennstoffzellenmoduls 10 für einen kurzen Zeitraum aufzufangen und die aufgenommene Wärme zu einem späteren Zeitpunkt, bei Vorliegen geeigneter Betriebsrandbedingungen an den Kühlkreis 60 wieder abzugeben. Dies erfolgt durch eine mechanische Aktuierung des Aktors 52, die den Kristallisationsprozess einleitet. Ein solcher Aktor 52 ist vorzugsweise der Anker eines Magnetventils, der elektrisch über eine Motorsteuerung aktuiert wird, wenn die geeigneten Betriebsbedingungen vorliegen. Dies ist meistens der Fall, wenn die Last für das Brennstoffzellensystem 1 wieder in den niedrigen oder mittleren Bereich zurückgefahren wird, so dass die Kühlmitteltemperatur unter beispielsweise 60°C abgesenkt wird, so dass die durch den Latent-Wärmespeicher 50 abgegebene zusätzliche Wärme problemlos über das Kühlmittel vom Kühler 63 an die Umgebung abgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10065304 A1 [0001, 0016, 0017]
