DE102020212937A1

DE102020212937A1 - Method for operating a fuel cell system, fuel cell system

Info

Publication number: DE102020212937A1
Application number: DE102020212937.1A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Holger Wuest; Matthias Rink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem einem Brennstoffzellenstapel (1) über mindestens eine Medienleitung (2, 3, 4) ein Medium, vorzugsweise Luft, Wasserstoff und/oder ein Kühlmedium, zugeführt wird, das vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (1) temperiert wird. Erfindungsgemäß wird das Medium mit Hilfe eines in die Medienleitung (2, 3, 4) integrierten elastokalorischen Systems (5) temperiert.Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, in which a medium, preferably air, hydrogen and/or a cooling medium, is supplied to a fuel cell stack (1) via at least one media line (2, 3, 4). which is tempered before entering the fuel cell stack (1). According to the invention, the temperature of the medium is controlled using an elastocaloric system (5) integrated into the media line (2, 3, 4). The invention also relates to a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM (Polymerelektrolyt)-Brennstoffzellensystems für mobile Anwendungen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM (polymer electrolyte) fuel cell system for mobile applications. In addition, the invention relates to a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system for mobile applications.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar.The proposed fuel cell system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated according to the method according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Mobile PEM-Brennstoffzellen stehen im Entwicklungsfokus alternativer Antriebe. Sie erlauben die Wandlung der gasförmig unter hohem Druck im Wasserstoff enthaltenen Energie in elektrischen Strom, Wasser und Wärme. Zum Abführen der Wärme werden die Brennstoffzellen gekühlt.Mobile PEM fuel cells are the focus of development for alternative drives. They allow the energy contained in the gaseous form and under high pressure in the hydrogen to be converted into electricity, water and heat. The fuel cells are cooled to dissipate the heat.

Zur Kühlung mobiler PEM-Brennstoffzellen haben sich insbesondere Flüssigkeitsumlaufkühlungen etabliert. Diese haben sich bereits bei der Kühlung von Verbrennungsmotoren bewährt. Bei PEM-Brennstoffzellen ist jedoch prinzipbedingt die Betriebstemperatur auf maximal 90°C begrenzt und liegt somit deutlich unterhalb der Maximaltemperatur verbrennungsmotorischer Kühlsysteme. Entsprechend niedrig ist daher die für die Wärmeabgabe an die Umgebung relevante treibende Temperaturdifferenz, so dass große Kühlerflächen benötigt werden. Aufgrund der im Vergleich zur Abgastemperatur von Verbrennungsmotoren niedrigen Ablufttemperatur von PEM-Brennstoffzellen wird zudem nur ein sehr geringer Teil der Abwärme über die Abluft abgeführt.Liquid circulation cooling systems in particular have become established for cooling mobile PEM fuel cells. These have already proven themselves in the cooling of internal combustion engines. In the case of PEM fuel cells, however, the operating temperature is limited to a maximum of 90°C, which is well below the maximum temperature of internal combustion engine cooling systems. The driving temperature difference that is relevant for heat dissipation to the environment is correspondingly low, so that large cooling surfaces are required. Due to the low exhaust air temperature of PEM fuel cells compared to the exhaust gas temperature of combustion engines, only a very small part of the waste heat is dissipated via the exhaust air.

Je nach Betriebsstrategie wird den Brennstoffzellen die für den Umsatz des Wasserstoffs benötigte Luft verdichtet zugeführt. Die bei der Verdichtung entstehende Wärme muss vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel über einen Ladeluftkühler abgeführt werden. Das Kühlsystem wird dadurch zusätzlich belastet.Depending on the operating strategy, the compressed air required to convert the hydrogen is fed to the fuel cells. The heat generated during compression must be dissipated via an intercooler before it enters the fuel cell stack. This puts an additional load on the cooling system.

Darüber hinaus kann eine Kühlung des ferner benötigten Wasserstoffs erforderlich sein. Bei Bevorratung des Wasserstoffs in einem Drucktank beträgt die Temperatur nach dem Betanken des Drucktanks maximal ca. 80°C. Bei der Tankentnahme und der anschließenden isenthalpen Drosselung in einem Druckminderer kann sich aufgrund eines negativen Joule-Thomson-Koeffizienten das Gas jedoch auf Temperaturen erwärmen, die deutlich oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegen. In diesem Fall muss der Wasserstoff gekühlt werden.In addition, it may be necessary to cool the hydrogen that is also required. If the hydrogen is stored in a pressure tank, the maximum temperature after filling the pressure tank is approx. 80°C. When the tank is removed and the subsequent isenthalpic throttling in a pressure reducer, however, the gas can heat up to temperatures that are significantly above the maximum operating temperature of the fuel cell stack due to a negative Joule-Thomson coefficient. In this case, the hydrogen has to be cooled.

Es kann jedoch auch der Fall eintreten, dass anstelle einer Kühlung eine Heizung benötigt wird, beispielsweise zum Starten des Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C. Die Aufgabe des „Kühlsystems“ besteht in diesem Fall darin, die Betriebstemperatur möglichst schnell anzuheben, um Eisbildung in den Brennstoffzellen sowie in den Peripheriesystemen zu vermeiden. Gemäß dem Stand der Technik werden hierfür in den Kühlkreis des Kühlsystems zusätzliche Widerstandsheizer verbaut, die beim Start entweder aus den Brennstoffzellen selber oder aus einer Batterie gespeist werden.However, it can also happen that heating is required instead of cooling, for example to start the fuel cell system at ambient temperatures below 0°C. In this case, the task of the "cooling system" is to raise the operating temperature as quickly as possible in order to avoid ice formation in the fuel cells and in the peripheral systems. According to the state of the art, additional resistance heaters are built into the cooling circuit of the cooling system for this purpose, which are fed either from the fuel cells themselves or from a battery when starting.

Zusammenfassend wird deutlich, dass im Betrieb eines Brennstoffzellensystems - in Abhängigkeit von den jeweiligen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen - entweder gekühlt oder geheizt werden muss. Dies bringt einen hohen apparativen Aufwand mit sich, da klassische Wärmeübertrager in Medienkreisen entweder Kühlen oder Heizen können.In summary, it becomes clear that during the operation of a fuel cell system - depending on the respective ambient and/or operating conditions - it must either be cooled or heated. This entails a high outlay in terms of equipment, since classic heat exchangers in media circuits can either cool or heat.

Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, Konzepte anzugeben, die den apparativen Aufwand zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und/oder Erwärmen eines Mediums in einem Brennstoffzellensystem verringern.The present invention is therefore concerned with the task of specifying concepts that reduce the outlay in terms of equipment for tempering, ie for cooling and/or heating a medium in a fuel cell system.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the method for operating a fuel cell system with the features of claim 1 is proposed. Furthermore, the fuel cell system with the features of claim 6 is specified. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird einem Brennstoffzellenstapel über mindestens eine Medienleitung ein Medium zugeführt, das vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel temperiert wird. Bei dem Medium kann es sich insbesondere um Luft, Wasserstoff und/oder ein Kühlmedium handeln. Erfindungsgemäß wird das Medium mit Hilfe eines in die Medienleitung integrierten elastokalorischen Systems temperiert. Das heißt, dass das Medium gekühlt und/oder erwärmt wird. Denn mit Hilfe des integrierten elastokalorischen Systems können, ggf. sogar simultan, beide Funktionen realisiert werden.In the proposed method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, a medium is fed to a fuel cell stack via at least one medium line and is temperature-controlled before it enters the fuel cell stack. The medium can in particular be air, hydrogen and/or a cooling medium. According to the invention, the medium is tempered with the aid of an elastocaloric system integrated into the media line. This means that the medium is cooled and/or heated. With the help of the integrated elastocaloric system, both functions can be implemented, if necessary even simultaneously.

Die Kühl- und/oder Heizwirkung eines elastokalorischen Systems beruht auf dem elastokalorischen bzw. thermoelastischen Effekt, der bei mechanischer Spannungsbeaufschlagung in einem elastokalorischen Material auftritt. Denn die mechanische Spannungsbeaufschlagung führt in dem elastokalorischen Material zu einer Phasenumwandlung, die mit einer Entropieänderung einhergeht. Dieser Effekt ist reversibel, so dass bei einer Entlastung des Materials eine Rückumwandlung in den ursprünglichen Phasenzustand einschließlich der damit verbundenen Entropieänderung stattfindet. Der Prozess der Phasenumwandlung kann somit zyklisch wiederholt werden. Ferner kann das elastokalorische System sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden.The cooling and/or heating effect of an elastocaloric system is based on the elastocaloric or thermoelastic effect that occurs when mechanical stress is applied to an elastocaloric material. Because the mechanical stress leads to the elastokalori cal material undergoes a phase transformation that is accompanied by a change in entropy. This effect is reversible, so that when the material is relieved, it is converted back to its original phase state, including the associated change in entropy. The phase transformation process can thus be repeated cyclically. Furthermore, the elastocaloric system can be used both for cooling and for heating.

Darüber hinaus kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems eine Effizienzsteigerung bewirkt werden, da dieses einen günstigen Effizienzkoeffizienten (COP = „Coefficient of Performance“) aufweist. Der Effizienzkoeffizient COP entspricht dem Quotienten aus thermisch nutzbarer zu aufzuwendender Energie. Bei einer elektrischen Widerstandsheizung beträgt beispielsweise der COP < 1, das elastokalorische System weist demgegenüber einen COP > 4 auf.In addition, an increase in efficiency can be achieved with the help of the elastocaloric system, since it has a favorable efficiency coefficient (COP = "Coefficient of Performance"). The efficiency coefficient COP corresponds to the quotient of thermally usable energy to be expended. In the case of electrical resistance heating, for example, the COP is <1, while the elastocaloric system has a COP>4.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das in die Medienleitung integrierte elastokalorische System ohne schädliche Kühlmittel auskommt. Dies gilt insbesondere, wenn das elastokalorische System in eine Luft oder Wasserstoff führende Medienleitung des Brennstoffzellensystems integriert wird.Another advantage is that the elastocaloric system integrated into the media line does not require any harmful coolants. This applies in particular if the elastocaloric system is integrated into a media line of the fuel cell system carrying air or hydrogen.

Das elastokalorische System kann - abhängig von dem zu temperierenden Medium - an unterschiedlichen Stellen in das Brennstoffzellensystem integriert werden.Depending on the medium to be tempered, the elastocaloric system can be integrated at different points in the fuel cell system.

Beispielsweise kann das elastokalorische System in den Bereich der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels integriert werden, um die beim Verdichten erwärmte Luft zu kühlen. Das elastokalorische System ist in diesem Fall stromabwärts eines Luftverdichters in einen Kathodenzuluftpfad des Brennstoffzellensystems integriert.For example, the elastocaloric system can be integrated into the air supply area of a fuel cell stack in order to cool the air that is heated during compression. In this case, the elastocaloric system is integrated into a cathode supply air path of the fuel cell system downstream of an air compressor.

Ferner kann das elastokalorische System in einen Anodengaspfad integriert werden, um den hierüber dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Wasserstoff zu temperieren. Das elastokalorische System ist dabei bevorzugt stromabwärts eines Druckminderers im Anodenpfad angeordnet. Der Druckminderer führt zu einer isenthalpen Drosselung des Wasserstoffs, so dass sich dieser auf Temperaturen oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems erwärmen kann. In diesem Fall kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems der Wasserstoff vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel gekühlt werden. Im Fall eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems kann der Wasserstoff mit Hilfe des elastokalorischen Systems erwärmt werden.Furthermore, the elastocaloric system can be integrated into an anode gas path in order to temper the hydrogen fed to the fuel cell stack via this path. The elastocaloric system is preferably arranged downstream of a pressure reducer in the anode path. The pressure reducer leads to isenthalpic throttling of the hydrogen so that it can heat up to temperatures above the maximum operating temperature of the fuel cell system. In this case, the hydrogen can be cooled before it enters the fuel cell stack with the help of the elastocaloric system. In the case of a cold start of the fuel cell system, the hydrogen can be heated using the elastocaloric system.

Darüber hinaus kann das elastokalorische System in einen Kühlkreis des Brennstoffzellensystems integriert werden, um das hierin zirkulierende Kühlmedium zu temperieren. Das Kühlmedium kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems wahlweise gekühlt oder erwärmt werden.In addition, the elastocaloric system can be integrated into a cooling circuit of the fuel cell system in order to temper the cooling medium circulating therein. The cooling medium can be either cooled or heated with the help of the elastocaloric system.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Medium mit Hilfe des elastokalorischen Systems in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen temperiert. Die Temperatur des Mediums kann auf diese Weise optimal den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen angepasst werden. Das heißt, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen gekühlt oder erwärmt wird.According to a preferred embodiment of the invention, the temperature of the medium is controlled using the elastocaloric system depending on the current environmental and/or operating conditions. In this way, the temperature of the medium can be optimally adapted to the current environmental and/or operating conditions. This means that the medium is cooled or heated depending on the current ambient and/or operating conditions.

Darüber hinaus kann der Fall eintreten, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen weder gekühlt noch erwärmt werden muss, beispielsweise bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems. In diesem Fall muss die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft nach dem Verdichten nicht gekühlt werden. Denn mit Hilfe der durch das Verdichten erwärmten Luft kann das Brennstoffzellensystem schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden.In addition, it may be the case that the medium does not have to be cooled or heated, depending on the current environmental and/or operating conditions, for example when the fuel cell system is started from cold. In this case, the air supplied to the fuel cell stack does not have to be cooled after compression. This is because the fuel cell system can be brought up to operating temperature more quickly with the help of the air heated up by the compression.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen über einen Bypasspfad mit integriertem Bypassventil zur Umgehung des elastokalorischen Systems geführt wird. Dadurch ist sichergestellt, dass im Bedarfsfall das Medium weder gekühlt, noch erwärmt wird.In a further development of the invention, it is therefore proposed that the medium, depending on the current environmental and/or operating conditions, is routed via a bypass path with an integrated bypass valve to bypass the elastocaloric system. This ensures that the medium is neither cooled nor heated if necessary.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zum Temperieren des Mediums die Entropieänderung mindestens eines elastokalorischen Materials des elastokalorischen Systems genutzt wird. Die Wahl des elastokalorischen Materials bestimmt den Arbeitsbereich des elastokalorischen Systems. Dieser hängt insbesondere von der Materialkenngröße A_f („Austenite-Finish-Temperatur“) ab. Der elastokalorische Effekt ist nur oberhalb dieser Temperatur nutzbar, wobei der effizienteste Arbeitsbereich möglichst nahe oberhalb dieser Temperatur liegt. Daher ist es von Vorteil, wenn ein elastokalorisches Material gewählt wird, dessen A_f etwas unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur, vorzugsweise Einlasstemperatur, des zu temperierenden Mediums liegt. Als besonders geeignet haben sich beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen erwiesen. Diese können zudem Kupfer-, Eisen- und/oder Kobaltanteile enthalten.Furthermore, it is proposed that the entropy change of at least one elastocaloric material of the elastocaloric system is used to temper the medium. The choice of elastocaloric material determines the working range of the elastocaloric system. This depends in particular on the material parameter A _f (“Austenite finish temperature”). The elastocaloric effect can only be used above this temperature, with the most efficient working range being as close as possible to this temperature. It is therefore advantageous if an elastocaloric material is selected whose A _f is slightly below the desired operating temperature, preferably the inlet temperature, of the medium to be tempered. Nickel-titanium alloys, for example, have proven particularly suitable. These can also contain copper, iron and/or cobalt.

Elastokalorische Materialien mit Arbeitsbereichen deutlich oberhalb Raumtemperatur besitzen tendenziell eine größere latente Wärme ΔH des Phasenübergangs als solche, deren Arbeitsbereich bei Raumtemperatur oder unterhalb von 0°C liegt. Die latente Wärme ΔH des Phasenübergangs beschreibt die maximal mögliche thermische Leistung eines Phasenübergangs des elastokalorischen Materials. Der Einsatz eines elastokalorischen Materials bei erhöhten Temperaturen kann daher zu höheren thermischen Leistungen und damit zu einer erhöhten Effizienz führen.Possess elastocaloric materials with working ranges well above room temperature tend to have a larger latent heat ΔH of the phase transition than those whose working range is at room temperature or below 0°C. The latent heat ΔH of the phase transition describes the maximum possible thermal power of a phase transition of the elastocaloric material. The use of an elastocaloric material at elevated temperatures can therefore lead to higher thermal performance and thus increased efficiency.

Bevorzugt werden mindestens zwei elastokalorische Materialien mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen zur Temperierung verwendet. In Abhängigkeit von seinem Arbeitsbereich kann das jeweilige elastokalorische Material zum Kühlen oder Erwärmen des Mediums genutzt werden. Mit Hilfe der unterschiedlichen elastokalorischen Materialien können somit zum Einen eine Wärmesenke und zum Anderen eine Wärmequelle ausgebildet werden. Diese werden vorzugsweise derart verschaltet, dass wahlweise das zu temperierende Medium die Wärmesenke oder die Wärmequelle durchströmt. Auf diese Weise kann ein elastokalorisches System geschaffen werden, das sehr weit voneinander entfernt liegende Betriebspunkte aufweist, beispielsweise einen ersten Arbeitsbereich, der zwischen -50°C und -30°C liegt, sowie einen zweiten Arbeitsbereich, der zwischen 70°C und 110°C liegt. Je nach Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems wird dann das eine oder das andere elastokalorische Material angekoppelt und zykliert.At least two elastocaloric materials with different working ranges are preferably used for temperature control. Depending on its working range, the respective elastocaloric material can be used to cool or heat the medium. With the help of the different elastocaloric materials, a heat sink and a heat source can be formed. These are preferably connected in such a way that the medium to be tempered flows through the heat sink or the heat source as desired. In this way, an elastocaloric system can be created that has operating points that are very far apart from one another, for example a first operating range that is between -50° C. and -30° C. and a second operating range that is between 70° C. and 110° C lies. Depending on the operating mode of the fuel cell system, one or the other elastocaloric material is coupled and cycled.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass verschiedene elastokalorische Materialen des elastokalorischen Systems zur stufenweisen Temperierung des jeweiligen Mediums genutzt werden. Die Arbeitsbereiche dieser Materialien unterschieden sich zwar, liegen aber dicht beieinander, so dass große Temperaturhübe erzielbar sind.Alternatively or additionally, it is proposed that different elastocaloric materials of the elastocaloric system are used for the gradual temperature control of the respective medium. Although the working ranges of these materials differ, they are close together, so that large temperature swings can be achieved.

Bei Verwendung mehrerer elastokalorischer Materialen mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen können diese daher parallel oder in Reihe geschaltet sein.When using several elastocaloric materials with different working ranges, these can therefore be connected in parallel or in series.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Medium zusätzlich nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel temperiert wird. Das elastokalorische System ist hierzu bevorzugt sowohl in eine Zulauflaufleitung als auch in eine Ablaufleitung für das Medium integriert. Beispielsweise kann das zu temperierende Medium in der Weise durch das elastokalorische System geführt werden, dass es in Zulaufrichtung eine Wärmesenke und in Ablaufrichtung eine Wärmequelle des elastokalorischen Systems durchströmt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Medium um Luft handelt, die dem Brennstoffzellenstapel als Sauerstofflieferant zugeführt wird. Denn in diesem Fall kann die zuvor durch Verdichten erwärmte Luft stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels gekühlt werden, um die maximale Betriebstemperatur von 90°C nicht zu überschreiten. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels kann dann die Abluft zusätzlich erwärmt werden, um beispielsweise die Energierekuperation mittels einer in einem Abluftpfad angeordneten Gasturbine zu unterstützen.As a further development measure, it is proposed that the medium is additionally tempered after exiting the fuel cell stack. For this purpose, the elastocaloric system is preferably integrated both in an inflow line and in an outflow line for the medium. For example, the medium to be tempered can be guided through the elastocaloric system in such a way that it flows through a heat sink in the inflow direction and through a heat source of the elastocaloric system in the outflow direction. This is particularly advantageous when the medium is air, which is supplied to the fuel cell stack as an oxygen supplier. Because in this case, the air previously heated by compression can be cooled upstream of the fuel cell stack in order not to exceed the maximum operating temperature of 90°C. The exhaust air can then be additionally heated downstream of the fuel cell stack in order, for example, to support energy recuperation by means of a gas turbine arranged in an exhaust air path.

Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der zur Versorgung mit mindestens einem Medium, vorzugsweise mit Luft, Wasserstoff und/oder einem Kühlmedium, an mindestens eine Medienleitung für das Medium angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist zum Temperieren des Mediums ein elastokalorisches System in die Medienleitung integriert.The fuel cell system, in particular PEM fuel cell system, also proposed to solve the task mentioned at the outset comprises a fuel cell stack which is connected to at least one media line for the medium in order to be supplied with at least one medium, preferably air, hydrogen and/or a cooling medium. According to the invention, an elastocaloric system is integrated into the media line for tempering the medium.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems lassen sich demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erreichen. Insbesondere kann mit geringem apparativen Aufwand gekühlt und/oder erwärmt werden, ggf. simultan. Der reduzierte apparative Aufwand reduziert zugleich den Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems. Ferner kann mit Hilfe des vorgeschlagenen elastokalorischen Systems - insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Kühl- und/oder Heizeinrichtungen, wie beispielsweise elektrischen Widerstandsheizungen - eine Effizienzsteigerung in Bezug auf die gewünschte Temperierung des Mediums bewirkt werden.The proposed fuel cell system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to the method according to the invention described above. Accordingly, the same advantages can be achieved with the aid of the fuel cell system as with the aid of the method according to the invention described above. In particular, cooling and/or heating can take place with little outlay on equipment, possibly simultaneously. The reduced outlay on equipment also reduces the space required by the fuel cell system. Furthermore, with the help of the proposed elastocaloric system--in particular in comparison to conventional cooling and/or heating devices, such as electrical resistance heaters--an increase in efficiency with regard to the desired temperature control of the medium can be brought about.

Das in die Medienleitung integrierte elastokalorische System umfasst hierzu bevorzugt mindestens ein elastokalorisches Material, das bei einer mechanischen Spannungsbeaufschlagung eine Phasenumwandlung sowie eine Entropieänderung erfährt. Der Arbeitsbereich des mindestens einen elastokalorischen Materials wird dabei durch die A_f-Kenngröße vorgegeben. Diese liegt vorzugsweise etwas unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur, insbesondere Einlasstemperatur des zu temperierenden Mediums. Vorteilhafterweise ist daher das mindestens eine elastokalorische Material eine Nickel-Titan-Legierung.For this purpose, the elastocaloric system integrated into the media line preferably comprises at least one elastocaloric material, which undergoes a phase transformation and a change in entropy when mechanical stress is applied. The working range of the at least one elastocaloric material is specified by the A _f parameter. This is preferably slightly below the desired operating temperature, in particular the inlet temperature of the medium to be tempered. The at least one elastocaloric material is therefore advantageously a nickel-titanium alloy.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das integrierte elastokalorische System eine Wärmesenke zum Kühlen des Mediums sowie eine Wärmequelle zum Erwärmen des Mediums aus. Somit kann das Medium wahlweise gekühlt oder erwärmt werden. Vorzugsweise sind hierzu die Wärmesenke und die Wärmequelle parallel geschaltet, so dass das die Medienleitung durchströmende Medium entweder die Wärmesenke oder die Wärmequelle durchströmt. Zum Schalten der Strömungswege kann in der Medienleitung stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Wegeventil angeordnet sein.According to a preferred embodiment of the invention, the integrated elastocaloric system forms a heat sink for cooling the medium and a heat source for heating the medium. The medium can thus be optionally cooled or heated. Preferably are For this purpose, the heat sink and the heat source are connected in parallel, so that the medium flowing through the media line flows through either the heat sink or the heat source. A directional control valve can be arranged in the media line upstream of the elastocaloric system to switch the flow paths.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elastokalorische System in mindestens zwei Medienleitungen für das zu temperierende Medium integriert, wobei vorzugsweise die erste Medienleitung dem Zulauf und die zweite Medienleitung dem Ablauf des Mediums dient. Beispielsweise kann die Wärmesenke des elastokalorischen Systems in die Zulaufleitung, insbesondere Zuluftleitung, und die Wärmequelle in die Ablaufleitung, insbesondere Abluftleitung, des Brennstoffzellensystems integriert werden. Das Medium, wobei es sich insbesondere um Luft handeln kann, kann somit vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel gekühlt werden und nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel weiter erwärmt werden. Dies ist von Vorteil, wenn in die Ablauf- bzw. Abluftleitung eine Gasturbine zur Energierekuperation angeordnet ist.According to a further preferred embodiment of the invention, the elastocaloric system is integrated into at least two media lines for the medium to be tempered, with the first media line preferably serving for the inlet and the second media line for the outlet of the medium. For example, the heat sink of the elastocaloric system can be integrated into the inlet line, in particular the inlet air line, and the heat source can be integrated in the outlet line, in particular the exhaust air line, of the fuel cell system. The medium, which can be air in particular, can thus be cooled before it enters the fuel cell stack and can be further heated after it exits the fuel cell stack. This is advantageous if a gas turbine for energy recuperation is arranged in the discharge or exhaust air line.

Zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle des in zwei Medienleitungen integrierten elastokalorischen Systems kann zudem ein Wärmeübertrager angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Wenn es sich bei dem zu temperierenden Medium um Luft handelt, ist vorzugsweise der Wärmeübertrager als Gas-Gas-Wärmeübertrager ausgeführt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft kann somit über die Wärme der Zuluft vorgewärmt werden.A heat exchanger can also be arranged between the heat sink and the heat source of the elastocaloric system integrated in two media lines. In this way, the efficiency of the system can be further increased. If the medium to be tempered is air, the heat exchanger is preferably designed as a gas-gas heat exchanger. The exhaust air emerging from the fuel cell stack can thus be preheated by the heat of the incoming air.

Um eine Umgehung des elastokalorischen Systems zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Bypasspfad mit integriertem Bypassventil vorgesehen ist. Bei geöffnetem Bypassventil wird der Bypasspfad freigegeben und das Medium wird nicht über das elastokalorische System geführt. Das heißt, das Medium wird nicht gekühlt oder erwärmt. Das Bypassventil wird vorzugsweise in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen geschaltet, so dass die Temperatur des Mediums optimal an diese Bedingungen angepasst werden kann. Im Fall eines Kaltstarts kann beispielsweise das Bypassventil geöffnet werden, um die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte verdichtete Luft nicht zu kühlen. Denn auf diese Weise wird schneller die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems erreicht.In order to enable the elastocaloric system to be bypassed, it is proposed that at least one bypass path with an integrated bypass valve be provided. When the bypass valve is open, the bypass path is released and the medium is not routed through the elastocaloric system. This means the medium is not cooled or heated. The bypass valve is preferably switched as a function of the current environmental and/or operating conditions, so that the temperature of the medium can be optimally adjusted to these conditions. In the case of a cold start, for example, the bypass valve can be opened in order not to cool the compressed air supplied to the fuel cell stack. This is because the operating temperature of the fuel cell system is reached more quickly in this way.

Sofern es sich bei dem zu temperierenden Medium um Luft handelt, ist vorzugsweise stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Verdichter in der Medienleitung angeordnet. Dem Brennstoffzellenstapel kann somit verdichtete Luft zugeführt werden. Da sich beim Verdichten die Luft stark erwärmt, kann mit Hilfe des ferner in der Medienleitung aufgenommenen elastokalorischen Systems die Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels heruntergekühlt werden.If the medium to be tempered is air, a compressor is preferably arranged in the media line upstream of the elastocaloric system. Compressed air can thus be supplied to the fuel cell stack. Since the air heats up considerably during compression, the air can be cooled down to the operating temperature of the fuel cell stack before it enters the fuel cell stack with the help of the elastocaloric system also included in the media line.

Sofern es sich bei dem zu temperierenden Medium um Wasserstoff handelt, ist vorzugsweise stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Druckminderer in der Medienleitung angeordnet. Mit Hilfe des Druckminderers kann der Wasserstoffdruck eingestellt werden, wobei sich jedoch der Wasserstoff stark erwärmt. Wird anschließend der Wasserstoff durch eine Wärmesenke des elastokalorischen Systems geführt, kann der Wasserstoff vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels heruntergekühlt werden. Um bei einem Kaltstart des Systems schneller die Betriebstemperatur zu erreichen, kann der Wasserstoff nach dem Druckminderer durch eine Wärmequelle des elastokalorischen Systems geführt werden, so dass dieser zusätzlich erwärmt wird. Umso schneller wird die Betriebstemperatur erreicht.If the medium to be tempered is hydrogen, a pressure reducer is preferably arranged in the media line upstream of the elastocaloric system. The hydrogen pressure can be adjusted with the help of the pressure reducer, although the hydrogen heats up considerably. If the hydrogen is then conducted through a heat sink of the elastocaloric system, the hydrogen can be cooled down to the operating temperature of the fuel cell stack before it enters the fuel cell stack. In order to reach the operating temperature more quickly during a cold start of the system, the hydrogen can be routed through a heat source of the elastocaloric system after the pressure reducer, so that it is additionally heated. The faster the operating temperature is reached.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kathodenbereichs eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Kathodenbereichs eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
3 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
4 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
5 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturverläufe im elastokalorischen System der 1 und
6 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturverläufe im elastokalorischen System der 2.

Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the attached drawing. These show:

1 a schematic representation of a cathode area of a first fuel cell system according to the invention,
2 a schematic representation of a cathode area of a second fuel cell system according to the invention,
3 a schematic representation of an anode area of a fuel cell system according to the invention,
4 a schematic representation of a cooling system of a fuel cell system according to the invention,
5 a diagram to show the temperature curves in the elastocaloric system 1 and
6 a diagram to show the temperature curves in the elastocaloric system 2 .

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt beispielhaft einen Kathodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, über den ein Brennstoffzellenstapel 1 mit Luft versorgbar ist. Die Luft, die der Umgebung entnommen wird, wird über eine Medienleitung 2 bzw. eine dem Zulauf des Mediums dienende Medienleitung 2.1 einem Luftfilter 11 und dann einem Verdichter 8 zugeführt. Je nach Druckverhältnis erwärmt sich die Luft beim Verdichten auf bis zu 160°C. Vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 1 muss daher die Luft gekühlt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu ein Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 in der Medienleitung 2.1 stromabwärts des Verdichters 8 angeordnet. Dieser kühlt die Luft auf eine Temperatur von etwa 100°C ab. Anschließend durchströmt die Luft eine Wärmesenke 5.1 eines in die Medienleitung 2.1 integrierten elastokalorischen Systems 5. Dabei wird eine Abkühlung der Luft auf etwa 80°C erreicht. Mit dieser Temperatur strömt die Luft in den Brennstoffzellenstapel 1 ein. 1 shows an example of a cathode area of a fuel cell system according to the invention, via which a fuel cell stack 1 can be supplied with air. The air, which is taken from the environment, is fed via a media line 2 or a media line serving to feed in the medium 2.1 an air filter 11 and then a compressor 8 supplied. Depending on the pressure ratio, the air heats up to up to 160°C during compression. The air therefore has to be cooled before it enters the fuel cell stack 1 . In the exemplary embodiment shown, a gas-gas heat exchanger 10 is arranged in the media line 2.1 downstream of the compressor 8 for this purpose. This cools the air to a temperature of around 100°C. The air then flows through a heat sink 5.1 of an elastocaloric system 5 integrated into the media line 2.1. The air is cooled to around 80° C. in the process. The air flows into the fuel cell stack 1 at this temperature.

Das elastokalorische System 5 weist neben der Wärmsenke 5.1 eine Wärmequelle 5.2 auf, die in einer dem Ablauf des Mediums dienenden Medienleitung 2.2 integriert ist. Die Wärmequelle 5.2 ist stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeübertragers 10 angeordnet, so dass die aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretende feuchte, an Sauerstoff verarmte Luft zunächst im Gegenstrom zur heißen Luft der Medienleitung 2.1 durch den Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 geführt wird, wobei sie sich von ca. 80°C auf bis zu 140°C erwärmt. Die derart vorgewärmte Luft strömt anschließend durch die Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5, wobei die Luft weiter auf bis zu 160°C erwärmt wird. Mit dieser Temperatur strömt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Luft in einen Expander 12 ein, wobei ein Teil der zuvor für die Verdichtung aufgewendeten Energie rekuperiert wird. Eine mechanische Kopplung zwischen dem Verdichter 8 und dem Expander 12 muss dabei nicht bestehen. Die gewonnene Energie kann stattdessen durch einen Generator in elektrische Energie gewandelt und in eine Batterie eingespeist werden.In addition to the heat sink 5.1, the elastocaloric system 5 has a heat source 5.2, which is integrated in a media line 2.2 serving to drain the medium. The heat source 5.2 is arranged downstream of the gas-gas heat exchanger 10, so that the moist, oxygen-depleted air emerging from the fuel cell stack 1 is first conducted through the gas-gas heat exchanger 10 in countercurrent to the hot air of the media line 2.1, where it heats up from approx. 80°C to up to 140°C. The air preheated in this way then flows through the heat source 5.2 of the elastocaloric system 5, with the air being further heated up to 160°C. In the exemplary embodiment shown, the air flows at this temperature into an expander 12, with part of the energy previously expended for the compression being recuperated. A mechanical coupling between the compressor 8 and the expander 12 does not have to exist. Instead, the energy obtained can be converted into electrical energy by a generator and fed into a battery.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ersetzt das elastokalorische System einen Ladeluftkühler. Das elastokalorische System stellt eine höhere Kühlleistung zur Verfügung, weshalb die Kühlmittelpumpe kleiner dimensioniert werden kann. Des Weiteren ist kein Sekundärkreis mit zusätzlichen Komponenten für die Konditionierung der Luft erforderlich, so dass der apparative Aufwand und der Bauraumbedarf sinken. Die Funktionen des Gas-Gas-Wärmeübertragers 10 und des elastokalorischen Systems 5 können auch in einer Komponente kombiniert werden, so dass eine noch kompaktere Anordnung geschaffen werden kann.In the illustrated embodiment, the elastocaloric system replaces an intercooler. The elastocaloric system provides a higher cooling capacity, which is why the coolant pump can be made smaller. Furthermore, there is no need for a secondary circuit with additional components for conditioning the air, so that the outlay on equipment and the space required are reduced. The functions of the gas-gas heat exchanger 10 and the elastocaloric system 5 can also be combined in one component, so that an even more compact arrangement can be created.

Das elastokalorische System 5 der 1 ist insbesondere für Hochlastbetriebspunkte gedacht. Zur Umgehung des Systems 5 im Teillastbereich ist jeweils ein die Wärmesenke 5.1 bzw. die Wärmequelle 5.2 umgehender Bypasspfad 6 vorgesehen, der durch Öffnen eines in den Bypasspfad 6 integrierten Bypassventils 7 freigebbar ist.The elastocaloric system 5 of 1 is intended in particular for high-load operating points. To bypass the system 5 in the partial load range, a bypass path 6 bypassing the heat sink 5.1 or the heat source 5.2 is provided, which can be released by opening a bypass valve 7 integrated into the bypass path 6.

Die Temperaturverläufe im Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 und im elastokalorischen System 5 sind beispielhaft in der 5 dargestellt. Nach dem Verdichten und vor dem Eintritt in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 10, weist die Luft (Zuluft) eine Temperatur von etwa 160°C auf. Der Wärmeübertrager 10 kühlt die Luft auf etwa 100°C ab. Beim Durchströmen der Wärmesenke 5.2 des elastokalorischen Systems 5 kühlt sich die Luft weiter auf etwa 80°C ab. Mit dieser Temperatur strömt die Luft in den Brennstoffzellenstapel 1 ein. Nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 1 weist die Luft (Abluft) immer noch eine Temperatur von etwa 80°C auf. Mit Hilfe des Wärmeübertragers 10 wird sie zunächst auf etwa 140°C und anschließend mit Hilfe der Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 auf etwa 160°C erwärmt.The temperature curves in the gas-gas heat exchanger 10 and in the elastocaloric system 5 are exemplary in FIG 5 shown. After compression and before entry into the gas-gas heat exchanger 10, the air (supply air) has a temperature of about 160°C. The heat exchanger 10 cools the air down to around 100°C. When flowing through the heat sink 5.2 of the elastocaloric system 5, the air cools down further to about 80°C. The air flows into the fuel cell stack 1 at this temperature. After leaving the fuel cell stack 1, the air (exhaust air) still has a temperature of about 80°C. It is first heated to about 140° C. with the aid of the heat exchanger 10 and then to about 160° C. using the heat source 5.2 of the elastocaloric system 5.

In Abwandlung des in der 1 dargestellten Systems kann die Verdichtung mehrstufig sein. Ferner können neben dem dargestellten Wärmeübertrager 10 weitere Apparate zur Konditionierung der Zuluft und/oder der Abluft verbaut sein. In a modification of the 1 system shown, compression can be multi-stage. In addition to the heat exchanger 10 shown, further apparatus for conditioning the supply air and/or the exhaust air can also be installed.

Auf den in der 1 dargestellten Wärmeübertrager 10 kann zudem verzichtet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der 2 dargestellt. Die gesamte Heiz-/Kühlleistung wird hier über das elastokalorische System 5 erbracht. Die Möglichkeit, mit Hilfe des elastokalorischen Systems 5 gleichzeitig Heizen und Kühlen zu können, kommt hier besonders deutlich zum Tragen. Der zugehörige Temperaturverlauf ist in der 6 dargestellt.On the in the 1 illustrated heat exchanger 10 can also be omitted. A corresponding embodiment is in 2 shown. The entire heating/cooling capacity is provided here via the elastocaloric system 5. The possibility of being able to heat and cool at the same time with the help of the elastocaloric system 5 is particularly important here. The associated temperature curve is in the 6 shown.

Um gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 den gesamten Temperaturhub über das elastokalorische System 5 darzustellen, werden vorzugsweise unterschiedliche elastokalorische Materialen eingesetzt, die weiterhin vorzugsweise seriell verschaltet werden, so dass eine stufenweise Temperierung erreichbar ist. In jeder Stufe können die elastokalorischen Eigenschaften des Materials optimal auf den jeweiligen Ziel-Temperaturbereich angepasst werden.To according to the embodiment of 2 To represent the entire temperature rise over the elastocaloric system 5, different elastocaloric materials are preferably used, which are also preferably connected in series, so that a gradual temperature control can be achieved. In each step, the elastocaloric properties of the material can be optimally adjusted to the respective target temperature range.

Da das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel darüber hinaus dem Ausführungsbeispiel der 1 entspricht, wird im Übrigen auf die Beschreibung der 1 verwiesen.Since that in the 2 illustrated embodiment beyond the embodiment of 1 corresponds, is otherwise on the description of 1 referred.

Der 3 ist ein Anodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zu entnehmen, über den ein Brennstoffzellenstapel 1 mit Wasserstoff versorgbar ist. Zum Bevorraten von Wasserstoff ist ein Drucktank 13 vorgesehen, der über eine Medienleitung 3 mit einem Wasserstoffventil 15 verbunden ist. In die Medienleitung 3 ist ein elastokalorisches System 5 mit einer Wärmesenke 5.1 und einer Wärmequelle 5.2 integriert. Stromaufwärts des elastokalorischen Systems 5 ist ein Wegeventil 14 in der Medienleitung 3 angeordnet, so dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Wegeventils 14 der dem Drucktank 13 entnommene Wasserstoff durch die Wärmesenke 5.1 oder die Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 geführt wird.Of the 3 an anode area of a fuel cell system according to the invention can be seen, via which a fuel cell stack 1 can be supplied with hydrogen. A pressure tank 13 is provided for storing hydrogen, which is connected to a hydrogen valve 15 via a media line 3 . An elastocaloric system 5 with a heat sink 5.1 and a heat source 5.2 is integrated into the media line 3. upstream of the elas Tocaloric system 5, a directional valve 14 is arranged in the media line 3, so that depending on the switching position of the directional valve 14, the hydrogen taken from the pressure tank 13 is passed through the heat sink 5.1 or the heat source 5.2 of the elastocaloric system 5.

Beim Betanken des Drucktanks 13 erwärmt sich der Wasserstoff von -40°C auf bis zu 80°C. Wird das Fahrzeug nach einem Tankvorgang bei hoher Last betrieben, kommt es in einem dem Drucktank 13 nachgeschalteten Druckminderer 9 aufgrund des negativen Joule-Thomson-Koeffizienten von Wasserstoff zu einem weiteren Temperaturanstieg. Dies hat zur Folge, dass der Wasserstoff gekühlt werden muss bevor er dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird. Die erforderliche Kühlung wird in dem Beispiel der 3 mit Hilfe der Wärmesenke 5.1 des elastokalorischen Systems 5 dargestellt. Eine Anbindung des Anodenbereichs an ein Kühlsystem des Fahrzeugs ist somit entbehrlich. Bei einem Kaltstart unterhalb von 0°C Umgebungstemperatur kann mit Hilfe der Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 der dem Drucktank 13 entnommene Wasserstoff zudem vorgewärmt werden.When filling up the pressure tank 13, the hydrogen heats up from -40°C to up to 80°C. If the vehicle is operated at high load after refueling, the temperature in a pressure reducer 9 downstream of the pressure tank 13 increases further due to the negative Joule-Thomson coefficient of hydrogen. The consequence of this is that the hydrogen has to be cooled before it is fed to the fuel cell stack 1 . The required cooling is shown in the example 3 shown with the help of the heat sink 5.1 of the elastocaloric system 5. A connection of the anode area to a cooling system of the vehicle is therefore not necessary. In the case of a cold start below an ambient temperature of 0° C., the hydrogen taken from the pressure tank 13 can also be preheated with the aid of the heat source 5.2 of the elastocaloric system 5.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in der 4 dargestellt ist, kann das elastokalorische System 5 auch in eine Medienleitung 4 für ein Kühlmedium eines Kühlkreises integriert werden. Der Kühlkreis der 4 dient der Kühlung eines Brennstoffzellenstapels 1. Er ist hierzu als Flüssigkeitsumlaufkühlung ausgeführt. Er umfasst eine Pumpe 18, ein als Wegeventil 16 ausgeführtes Kühler-Bypassventil zur Temperatursteuerung sowie einen Radiator 17, der die Wärme aus dem Kreislauf abführt und an die Umgebung abgibt. Bei tiefen Temperaturen ist das Ziel, den Kühlkreis und den Brennstoffzellenstapel 1 möglichst schnell zu erwärmen. Diese Aufgabe übernimmt vorliegend das elastokalorische System 5 mit vorgeschaltetem Wegeventil 14. Beim Kaltstart wird das Wegeventil 14 so gestellt, dass das Kühlmedium das elastokalorische System 5 im Bereich der Wärmequelle 5.2 durchströmt. Bei hohen Temperaturen im Kühlkreis wird das Wegeventil 14 so gestellt, dass das Kühlmedium den Bereich der Wärmesenke 5.1 durchströmt. Dadurch wird ein zusätzlicher Kühleffekt erzielt, der den Radiator 17 unterstützt. Das elastokalorische System 5 kann dabei derart ausgelegt werden, dass die Heiz-/Kühlleistung im Bereich elektrisch betriebener Widerstandsheizer liegt (5-10 kW).According to a further embodiment in the 4 is shown, the elastocaloric system 5 can also be integrated into a media line 4 for a cooling medium of a cooling circuit. The cooling circuit 4 is used to cool a fuel cell stack 1. For this purpose, it is designed as liquid circulation cooling. It comprises a pump 18, a cooler bypass valve designed as a directional control valve 16 for controlling the temperature, and a radiator 17, which dissipates the heat from the circuit and releases it to the environment. At low temperatures, the aim is to heat up the cooling circuit and the fuel cell stack 1 as quickly as possible. In the present case, this task is performed by the elastocaloric system 5 with an upstream directional control valve 14. During a cold start, the directional control valve 14 is set in such a way that the cooling medium flows through the elastocaloric system 5 in the area of the heat source 5.2. At high temperatures in the cooling circuit, the directional control valve 14 is set in such a way that the cooling medium flows through the area of the heat sink 5.1. This achieves an additional cooling effect that supports the radiator 17 . The elastocaloric system 5 can be designed in such a way that the heating/cooling capacity is in the range of electrically operated resistance heaters (5-10 kW).

Claims

A method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, in which a medium, preferably air, hydrogen and/or a cooling medium, is supplied to a fuel cell stack (1) via at least one media line (2, 3, 4) and is the fuel cell stack (1) is tempered, characterized in that the medium is tempered with the aid of an elastocaloric system (5) integrated into the media line (2, 3, 4).

procedure after claim 1 , characterized in that the medium is temperature-controlled as a function of the current environmental and/or operating conditions using the elastocaloric system (5).

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the medium is guided depending on the current environmental and / or operating conditions via a bypass path (6) with an integrated bypass valve (7) to bypass the elastocaloric system (5).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the entropy change of at least one elastocaloric material, in particular a nickel-titanium alloy, of the elastocaloric system (5) is used to temper the medium, with preferably at least two elastocaloric materials with different working areas for tempering be used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the medium is additionally temperature-controlled after exiting the fuel cell stack (1).

Fuel cell system, in particular PEM fuel cell system, comprising a fuel cell stack (1) which is connected to at least one media line (2, 3, 4) for the medium in order to be supplied with at least one medium, preferably air, hydrogen and/or a cooling medium, characterized in that an elastocaloric system (5) is integrated into the media line (2, 3, 4) to control the temperature of the medium.

fuel cell system claim 6 , characterized in that the integrated elastocaloric system (5) forms a heat sink (5.1) for cooling the medium and a heat source (5.2) for heating the medium, the heat sink (5.1) and the heat source (5.2) preferably being connected in parallel.

fuel cell system claim 6 or 7 , characterized in that the elastocaloric system (5) is integrated into at least two media lines (2.1, 2.2) for the medium to be tempered, with the first media line (2.1) preferably serving for the inlet and the second media line (2.2) for the outlet of the medium .

Fuel cell system according to one of Claims 6 until 8th , characterized in that at least one bypass path (6) with an integrated bypass valve (7) is provided for bypassing the elastocaloric system (5).

Fuel cell system according to one of Claims 6 until 9 , characterized in that upstream of the elastocaloric system (5) a compressor (8) or a pressure reducer (9) is arranged in the media line (2, 3).