DE102021111225A1

DE102021111225A1 - Fuel cell system with a vent valve for degassing a cooling system

Info

Publication number: DE102021111225A1
Application number: DE102021111225.7A
Authority: DE
Inventors: Neil Blackadar; Brooks Friess
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (10), einem Kathodenabgaspfad (24) mit einer Kathodenabgasleitung (25) zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (10) und mit einem Kühlsystem (3) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (10) Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kühlmittelkreislauf (30), einen Ausgleichsbehälter (31) und ein Fördermittel (32) umfassend. Dabei sind der Brennstoffzellenstapel (10) und der Ausgleichsbehälter (31) durch eine fluidführende Kühlmittelleitung (33) verbunden. An einem stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (10) und stromaufwärts des Ausgleichsbehälters (31) angeordneten Abzweig (34) einer fluidführenden Kühlmittelleitung (33) ist ein Entlüftungsventil (41) angeordnet, das durch eine Entgasungsleitung (42) mit der Kathodenabgasleitung (25) verbunden ist.The invention relates to a fuel cell system (1) with a fuel cell stack (10), a cathode exhaust gas path (24) with a cathode exhaust gas line (25) for removing cathode exhaust gas from the fuel cell stack (10) and with a cooling system (3) for cooling the fuel cell stack (10). Furthermore, the fuel cell system comprises a coolant circuit (30), an expansion tank (31) and a conveyor (32). The fuel cell stack (10) and the expansion tank (31) are connected by a fluid-carrying coolant line (33). A vent valve (41), which is connected to the cathode exhaust gas line (25) by a vent line (42), is arranged on a branch (34) of a fluid-carrying coolant line (33) arranged downstream of the fuel cell stack (10) and upstream of the expansion tank (31).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Entlüftungsventil zur Entgasung eines Kühlsystems sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system with a vent valve for degassing a cooling system and a vehicle with such a fuel cell system.

Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie durch Nutzung der chemischen Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser. Hierfür umfassen 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. Die Elektroden enthalten zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Des Weiteren kann die Membran-Elektroden-Anordnung durch Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden ergänzt werden. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen 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.Fuel cells are used to provide electrical energy by using the chemical reaction of a fuel with oxygen to form water. For this purpose, fuel cells include as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a structure made of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. The electrodes usually contain supported noble metals, in particular platinum. Furthermore, the membrane-electrode arrangement can be supplemented by gas diffusion layers (GDL) on both sides of the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack (stack), whose electrical voltages add up. Between the individual membrane-electrode arrangements, bipolar plates (also called flow field or separator plates) are generally arranged, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure electrically conductive contact with the membrane electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ →H₂O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode via an open flow field on the anode side of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H ₂ to protons H ⁺ takes place with the release of electrons (H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ). The protons are transported (water-bound or water-free) from the anode compartment into the cathode compartment via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture (e.g. air) is supplied to the cathode as the cathode operating medium via an open flux field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction of O ₂ to O ^2- takes place with the absorption of electrons (½ O ₂ + 2 e ^- → O ^{2 -} ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O ^2- + 2 H ⁺ →H ₂ O).

Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.In order to supply a fuel cell stack with its operating media, ie the reactants, it has an anode supply on the one hand and a cathode supply on the other. The anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode compartments and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from the anode compartments. Likewise, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying a cathode operating gas into the cathode compartments and a cathode exhaust gas path for removing a cathode exhaust gas from the cathode compartments of the fuel cell stack.

Bei den eingangs beschriebenen chemischen Reaktionen handelt es sich um eine exotherme Reaktionen, bei der Wärmeenergie freigesetzt wird. Diese Wärme muss während des Betriebs der Brennstoffzelle zum Schutz derselben und einer effizienten Betriebsweise kontinuierlich abgeführt werden, wozu der Brennstoffzellenstapel ein Kühlsystem aufweist, welches ein Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel, insbesondere den Bipolarplatten leitet.The chemical reactions described at the beginning are exothermic reactions in which thermal energy is released. During operation of the fuel cell, this heat must be continuously dissipated to protect the same and ensure efficient operation, for which purpose the fuel cell stack has a cooling system which conducts a coolant through the fuel cell stack, in particular the bipolar plates.

Das Kühlsystem umfasst beispielsweise ein Fördermittel wie eine Pumpe, die das Kühlmedium durch die Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels pumpt. Die eigentliche Kühlung erfolgt jedoch durch die Umgebungsluft, die das Kühlmedium abkühlt, indem die Umgebungsluft dem Kühlmedium Wärme entzieht.The cooling system includes, for example, a conveyor such as a pump that pumps the cooling medium through the bipolar plates of the fuel cell stack. However, the actual cooling is carried out by the ambient air, which cools the cooling medium by the ambient air extracting heat from the cooling medium.

In einem technischen System kann keine absolute Dichtheit realisiert werden. Dies gilt demzufolge auch für ein Brennstoffzellensystem. Es ist nicht möglich, eine vollständige Dichtheit und Trennung der Betriebsgase von dem Kühlmedium umzusetzen. Weiterhin kann aufgrund des Betriebs oder alterungsbedingter Ermüdungserscheinung oder Verformung, beispielsweise durch die Kompression eines Brennstoffzellenstapels, die Dichtheit abnehmen. Demzufolge tritt auch Leckage von Betriebsgasen in den Kühlmittelkreislauf auf. Insbesondere beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff, können Leckagen auftreten, sodass das Wasserstoffgas durch die Brennstoffzellenstapel- und Bipolarplattenmaterialien in das Kühlmittel diffundiert.Absolute tightness cannot be achieved in a technical system. Consequently, this also applies to a fuel cell system. It is not possible to implement a complete tightness and separation of the operating gases from the cooling medium. Furthermore, the tightness can decrease due to operation or aging-related fatigue or deformation, for example due to the compression of a fuel cell stack. As a result, operating gases also leak into the coolant circuit. Leaks can occur, particularly when using hydrogen as a fuel, so that the hydrogen gas diffuses through the fuel cell stack and bipolar plate materials into the coolant.

Dementsprechend werden Betriebsgase, welche sich im Kühlmittelkreislauf ansammeln, aus dem Kühlmittelkreislauf entfernt. Dies gilt insbesondere für Wasserstoffgas, um zündfähige Ansammlungen zu vermeiden. Der konventionelle Ansatz zur Entgasung des Kühlmittelkreislaufs des Brennstoffzellensystems erfolgt über den Kühlmittelausgleichsbehälter als primäre Flüssigkeits-/Gastrennung für den Kühlmittelkreislauf. Bei Vorhandensein eines messbaren Lecks, aufgrund dessen ein Transfer von Betriebsgasen zum Kühlmedium im Brennstoffzellenstapel auftritt, kann dies jedoch zu einer Ansammlung von zündfähigen und brennbaren Gemischen im Kühlmittelausgleichsbehälter führen. Weiterhin wird versucht, Kunststoff in den Konstruktionsmaterialien des Kühlmittelausgleichsbehälters zu vermeiden, um Zündung durch elektrostatische Entladung zu verhindern. Kunststoffe weisen allgemein eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit auf. Dadurch kommt es durch Reibung oder Influenz zur Akkumulation von elektrischen Ladungen auf der Oberfläche. Weiterhin wird in konventionelle Maßnahmen versucht, sicherzustellen, dass die im Ausdehnungsgefäß installierten (Füllstands-)Sensoren funkenfrei sind, um Zündquellen zu vermeiden. Ferner wird das Ziel verfolgt, das freie Volumen im Ausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs auf Umgebungsdruck zu halten, um ein unter Druck stehendes entzündliches Gemisch zu vermeiden. Darüber hinaus ist bekannt, eine zusätzliche aktive Belüftung des freien Volumens des Ausgleichsbehälters vorzusehen, um auch den Fall stark erhöhter Leckageraten von Wasserstoff abzudecken.Accordingly, operating gases that accumulate in the coolant circuit are removed from the coolant circuit. This applies in particular to hydrogen gas in order to avoid flammable accumulations. The conventional approach to degassing the coolant circuit of the fuel cell system is via the coolant expansion tank as the primary liquid/gas separation for the coolant circuit. In the presence of a measurable leak, due to which a transfer of Operating gases to the cooling medium in the fuel cell stack occurs, but this can lead to an accumulation of ignitable and combustible mixtures in the coolant expansion tank. Attempts are also made to avoid plastic in the materials of construction of the coolant expansion tank to prevent ignition by electrostatic discharge. Plastics generally have very low electrical conductivity. This leads to the accumulation of electrical charges on the surface due to friction or induction. Furthermore, attempts are made in conventional measures to ensure that the (level) sensors installed in the expansion tank are spark-free in order to avoid sources of ignition. Furthermore, the aim is to keep the free volume in the expansion tank of the coolant circuit at ambient pressure in order to avoid a pressurized flammable mixture. In addition, it is known to provide additional active ventilation of the free volume of the expansion tank in order to also cover the case of greatly increased leakage rates of hydrogen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, das die genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere sollte das Kühlsystem Ansammlungen von zündfähigen und brennbaren Gemischen im Ausgleichsbehälter weitestgehend verhindern.The invention is now based on the object of providing a cooling system for a fuel cell stack which at least partially overcomes the stated disadvantages of the prior art. In particular, the cooling system should prevent accumulations of ignitable and combustible mixtures in the expansion tank as far as possible.

Die Aufgaben werden ganz oder zumindest teilweise durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.The objects are solved entirely or at least partially by a fuel cell system having the features of the independent claim. Further preferred configurations of the invention result from the remaining features mentioned in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der einen Kathodenabgaspfad mit einer Kathodenabgasleitung zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel aufweist. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlmittelkreislauf mit einer fluidführenden Kühlmittelleitung zur Abführung von Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel. Außerdem umfasst das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter für das Kühlmittel, der mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, sowie ein Fördermittel zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf. Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem eine Entgasungsleitung, die stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Ausgleichsbehälters an einem Abzweig von der fluidführenden Kühlmittelleitung abzweigt und mit der Kathodenabgasleitung verbunden ist, sowie ein Entlüftungsventil, das an dem Abzweig oder stromab von diesem in der Entgasungsleitung angeordnet ist. Es können diverse Ventil-Typen als Entlüftungsventil Verwendung finden. Dies können unter anderem manuelle und selbsttätige Modelle sein.The fuel cell system according to the invention comprises a fuel cell stack which has a cathode exhaust gas path with a cathode exhaust gas line for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack. Furthermore, the fuel cell system includes a cooling system for cooling the fuel cell stack. The cooling system includes a coolant circuit with a fluid-carrying coolant line for discharging coolant from the fuel cell stack. In addition, the cooling system includes an expansion tank for the coolant, which is connected to the coolant circuit, and a conveyor for conveying the coolant through the coolant circuit. In addition, the cooling system includes a degassing line that branches off at a branch from the fluid-carrying coolant line downstream of the fuel cell stack and upstream of the expansion tank and is connected to the cathode exhaust gas line, and a vent valve that is arranged at the branch or downstream of this in the degassing line. Various valve types can be used as a vent valve. These can be manual and automatic models, among others.

Durch das erfindungsgemäße Kühlsystem kann erreicht werden, dass eine Entgasung des Kühlmittelkreislaufs realisiert wird. Die Anordnung aus Abzweig und Entlüftungsventil wird von dem Kühlmittel, das den Brennstoffzellenstapel über die Kühlmittelleitung verlässt, durchströmt. Für den Fall, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels Leckagen von Betriebsgasen, insbesondere Anodenbetriebsgasen wie Wasserstoff, auftreten, können diese Betriebsgase beispielsweise in gelöster Form in dem Kühlmittel oder als separate gasförmige Phase beispielsweise in Form von Gasblasen vorliegen. Das Entlüftungsventil hat die Aufgabe, die im Kühlmittelkreislauf befindlichen Gase aus dem flüssigkeitsführenden Kühlmittelkreislauf zu entfernen. Grundsätzlich erfolgt dies, indem sich in dem Entlüftungsventil bzw. in unmittelbarer Umgebung des Ventilausgangs, der mit der Entgasungsleitung verbunden ist, Gas sammelt. Je nach Ausgestaltung des Entlüftungsventils wird in diesem Fall der Ventilausgang des Entlüftungsventils durch den eingesetzten Mechanismus freigegeben, sodass das Gas über die Entgasungsleitung ausströmen kann. Nach einem solchen Gasaustritt schließt der Ventilausgang des Entlüftungsventils durch den Mechanismus wieder. Das ausgetretene Gas strömt über die Entgasungsleitung in die Kathodenabgasleitung. Dort wird es dem Kathodenabgas beigemischt. Der Massenstrom an zugeführtem Betriebsgas zu dem Kathodenabgas ist dabei bedeutend geringer als der Massenstrom des Kathodenabgases, wodurch ein starke Verdünnung erfolgt, sodass keine zündfähigen und entflammbaren Gemische entstehen können. Dieser Vorgang ist ein kontinuierlicher Prozess. Sobald erneut bzw. noch immer Gas im Kühlmittelkreislauf vorhanden ist, sammelt sich dieses im Bereich des Ventilausgangs des Entlüftungsventils, sodass dessen Ausgang durch den eingesetzten Mechanismus erneut freigegeben bzw. offen gehalten wird.The cooling system according to the invention can be used to achieve degassing of the coolant circuit. The arrangement of branch and vent valve is flowed through by the coolant that leaves the fuel cell stack via the coolant line. In the event that leaks of operating gases, in particular anode operating gases such as hydrogen, occur within the fuel cell stack, these operating gases can be present, for example, in dissolved form in the coolant or as a separate gaseous phase, for example in the form of gas bubbles. The purpose of the vent valve is to remove the gases in the coolant circuit from the liquid-carrying coolant circuit. In principle, this occurs because gas collects in the vent valve or in the immediate vicinity of the valve outlet, which is connected to the degassing line. In this case, depending on the design of the vent valve, the valve outlet of the vent valve is released by the mechanism used, so that the gas can flow out via the degassing line. After such a gas escape, the valve outlet of the vent valve closes again through the mechanism. The gas that has escaped flows into the cathode exhaust gas line via the degassing line. There it is mixed with the cathode exhaust gas. The mass flow of supplied operating gas to the cathode exhaust gas is significantly lower than the mass flow of the cathode exhaust gas, which results in a strong dilution, so that no ignitable and flammable mixtures can form. This operation is a continuous process. As soon as gas is again or still present in the coolant circuit, it collects in the area of the valve outlet of the vent valve, so that its outlet is released again or kept open by the mechanism used.

Aus strömungstechnischer Sicht ist es für eine zuverlässige und kontinuierliche Gasströmung zweckmäßig, dass die Entgasungsleitung an einer Stelle in den Kathodenabgasstrom mündet, die gewährleistet, dass am Ventilausgang des Entlüftungsventils ein höherer Druck vorliegt, als an der Einmündungsstelle der Entgasungsleitung in die Kathodenabgasleitung. Dadurch ist gewährleistet, dass in Folge des vorhandenen Druckgefälles die Strömung des entlüfteten Gases von dem Entlüftungsventil aus in Richtung der Kathodenabgasleitung erfolgt.From a fluidic point of view, it is useful for a reliable and continuous gas flow that the degassing line opens into the cathode exhaust gas flow at a point that ensures that the pressure at the valve outlet of the vent valve is higher than at the point at which the degassing line opens into the cathode exhaust gas line. This ensures that, as a result of the existing pressure drop, the vented gas flows from the vent valve in the direction of the cathode exhaust gas line.

Der Kathodenabgasstrom innerhalb der Kathodenabgasleitung verdünnt die auf diese Art vom Kühlmittel abgetrennten Anoden- und Kathodenbetriebsgase. Infolgedessen können zündfähige und brennbare Gemische im Ausgleichsbehälter vermieden werden. Das Kühlmittel kann von Betriebsgasen befreit werden und es wird weniger Gas im Ausgleichsbehälter freigesetzt und dort angesammelt.The cathode exhaust gas flow within the cathode exhaust gas line dilutes the anode and cathode process gases separated from the coolant in this way. As a result, ignitable and combustible mixtures in the expansion tank can be avoided. The coolant can be freed from operating gases and less gas is released and accumulated in the expansion tank.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Entlüftungsventil ein selbsttätiges Ventil. Geeignete selbsttätige Ventile sind unter anderem solche mit Schwimmer, Membran und Dehnkörper. Bei selbsttätigen Entlüftungsventilen mit Schwimmer handelt es sich um Bauteile, die einen kugelförmigen Absperrkörper, den sogenannten Schwimmer, besitzen. Der Schwimmer ist an einem Hebel befestigt und steigt und sinkt mit dem Flüssigkeitsspiegel. Drückt das Kühlmittel nach oben, verschließt der Absperrkörper automatisch das Ventil und Kühlmittel kann nicht austreten. Sammelt sich hingegen Gas im Bereich des Schwimmers, sinkt die Absperrkugel mit dem Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittels nach unten und gibt den Ventilausgang des Entlüftungsventils frei, sodass Gas ausströmen kann. Sobald sämtliches Gas ausgeströmt ist, drückt das Kühlmittel nach und füllt das freigewordene Volumen aus, wodurch der Schwimmer erneut aufsteigt und infolgedessen den Ventilausgang des Entlüftungsventils wieder absperrt, sodass keine Flüssigkeit austreten kann. Selbsttätige Entlüftungsventile mit Membran und Dehnkörper setzen ebenfalls automatisch in Abhängigkeit des Flüssigkeitsspiegels bzw. der Ansammlung von Gasen diese Gase selbsttätig frei und verhindern einen Austritt von Flüssigkeiten. Dadurch ist es möglich, auf eine Energieversorgung des Entlüftungsventils zu verzichten.According to a preferred embodiment of the invention, the vent valve is an automatic valve. Suitable automatic valves include those with a float, diaphragm and expansion body. Automatic vent valves with a float are components that have a spherical shut-off body, the so-called float. The float is attached to a lever and rises and falls with the liquid level. If the coolant pushes upwards, the shut-off body automatically closes the valve and coolant cannot escape. If, on the other hand, gas collects in the area of the float, the shut-off ball sinks with the liquid level of the coolant and releases the valve outlet of the vent valve so that gas can flow out. As soon as all the gas has flown out, the coolant pushes up and fills the volume that has been released, causing the float to rise again and consequently blocking the valve outlet of the vent valve again so that no liquid can escape. Automatic venting valves with membrane and expansion body also automatically release these gases depending on the liquid level or the accumulation of gases and prevent liquids from escaping. This makes it possible to dispense with an energy supply for the vent valve.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entlüftungsventil an einem lokalen Hochpunkt des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist. Ein lokaler Hochpunkt des Entlüftungsventils bedeutet, dass die geographische Höhe des Entlüftungsventils größer ist als die geographischen Höhe von Komponenten und Leitungsabschnitten, die in lokaler Nähe zu dem Entlüftungsventil angeordnet sind. Bei in lokaler Nähe zu dem Entlüftungsventil angeordneten Leitungsabschnitten handelt es sich um diejenigen Leitungsabschnitte des Kühlmittelkreislaufs, die stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Fördermittels, insbesondere stromaufwärts des Ausgleichsbehälters angeordnet sind. Demzufolge handelt es sich bei in lokaler Nähe zu dem Entlüftungsventil angeordneten Komponenten um diejenigen Komponenten, die innerhalb der zuvor definierten in lokaler Nähe angeordneten Leitungsabschnitte angeordnet sind. Als Referenzfläche der geografischen Höhe dient die Erd- bzw. Geländeoberfläche. Gase besitzen eine geringere Dichte als Wasser, dementsprechend steigen sie im geschlossenen System immer an die höchst erreichbare Stelle. Dadurch erfolgt die Entgasung des Kühlmittelkreislaufs noch zuverlässiger und in größerem Ausmaß. Insbesondere für den Fall erhöhter Leckageraten von Betriebsgasen in den Kühlmittelkreislauf und erhöhtes Gasaufkommen in dem Kühlmittelkreislauf ist diese von Vorteil. Insbesondere ist das Entlüftungsventil an einer höheren Position als der Abzweig angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the ventilation valve is arranged at a local high point of the coolant circuit. A local high point of the bleed valve means that the altitude of the bleed valve is greater than the altitude of components and line sections that are located in local proximity to the bleed valve. Line sections arranged in local proximity to the ventilation valve are those line sections of the coolant circuit which are arranged downstream of the fuel cell stack and upstream of the conveying means, in particular upstream of the expansion tank. Accordingly, components located in local proximity to the vent valve are those components located within the previously defined local proximity line sections. The surface of the earth or terrain serves as a reference area for the geographic height. Gases have a lower density than water, so in a closed system they always rise to the highest point that can be reached. As a result, the degassing of the coolant circuit is even more reliable and to a greater extent. This is advantageous in particular in the event of increased leakage rates of operating gases into the coolant circuit and increased gas occurrence in the coolant circuit. In particular, the vent valve is located at a higher position than the branch.

Es ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Abzweig ein T-Stück ist. Ein T-Stück ist ein Verbindungsglied, das eine Abzweigung an eine bestehende Leitung ermöglicht. Es ist eine preiswerte und einfache Möglichkeit, zusätzliche Elemente anzuschließen. Demzufolge lässt sich das Entlüftungsventil auf einfache Art und Weise mit der fluidführenden Kühlmittelleitung fluidführend verbinden. Weiterhin gestaltet sich die Montage bzw. Demontage eines Entlüftungsventils unkompliziert. Die Entlüftungsventile können unter anderem durch Verschleiß in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, was eine Wartung oder gegebenenfalls einen Austausch notwendig macht. Durch die einfach gestaltete Montage mit Hilfe eines T-Stücks kann diese schnell und ohne größeren Aufwand erfolgen.It is advantageously provided that the branch is a T-piece. A tee is a connector that allows a branch to be made to an existing line. It's an inexpensive and easy way to connect additional items. As a result, the vent valve can be connected to the fluid-carrying coolant line in a fluid-carrying manner in a simple manner. Furthermore, the assembly and disassembly of a vent valve is uncomplicated. The function of the vent valves can be impaired, among other things, by wear and tear, which makes maintenance or, if necessary, replacement necessary. Thanks to the simple assembly using a T-piece, this can be done quickly and without much effort.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Abzweig ein erster Beruhigungstopf und/oder ein erster Dralltopf. Diese Komponenten stellen eine kontinuierliche Kühlmittelzufuhr zum Brennstoffzellenstapel auch während einer Entgasung bzw. im Kühlmittelkreislauf befindlichem Gas sicher. Bei einem Beruhigungstopf handelt es sich im Allgemeinen um einen becherförmigen Behälter, der die Versorgung einer nachgeordneten Komponente mit einem flüssigen Medium sicherstellt. Dies ist beispielsweise bei der Kraftstoffversorgung von Fahrzeugen aufgrund unebener Fahrbahn und Kurven nötig. Auch im Kühlmittelkreislauf befindliche Gasblasen können die Versorgung beinträchtigen und einem Fördermittel schaden. Der Beruhigungstopf umfasst einen becherförmigen Behälter, aus dessen Mitte das Kühlmittel abgesaugt wird. Die Zufuhr des Kühlmittels in den Behälter erfolgt über eine Öffnung am Behälterboden. Oberhalb der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels sammelt sich das im Kühlmittelkreislauf vorhandene Gas und strömt über eine Verbindung zu dem Entlüftungsventil. Ein Dralltopf verfügt zusätzlich über eine Drall induzierende Geometrie zusammen mit einem internen Ablenkblech, um einen sauberen, vollständig entlüfteten Kühlmittelstrom zu gewährleisten. Durch die Verwendung eines ersten Beruhigungstopfs und/oder eines ersten Dralltopfs kann somit die Entgasung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf weiter verbessert werden. Somit wird vermehrt verhindert, dass Gasblasen in der Kühlmittelleitung verbleiben und die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Kühlmittel gefährden oder dem Fördermittel schaden.In a further advantageous embodiment of the invention, the branch is a first swirl pot and/or a first swirl pot. These components ensure a continuous supply of coolant to the fuel cell stack, even during degassing or during gas in the coolant circuit. A swirl pot is generally a cup-shaped container that ensures the supply of a downstream component with a liquid medium. This is necessary, for example, when supplying fuel to vehicles due to uneven roads and curves. Gas bubbles in the coolant circuit can also impair the supply and damage a conveyor. The swirl pot comprises a cup-shaped container from the center of which the coolant is drawn off. The coolant is fed into the tank through an opening on the bottom of the tank. The gas present in the coolant circuit collects above the surface of the liquid coolant and flows via a connection to the vent valve. A swirl pot additionally features a swirl inducing geometry along with an internal baffle to ensure clean, fully vented coolant flow. The use of a first swirl pot and/or a first swirl pot can thus further improve the degassing of the coolant in the coolant circuit. This increasingly prevents gas bubbles from forming in the coolant line remain and endanger the supply of the fuel cell stack with coolant or damage the conveyor.

Zudem kann im Rahmen der Erfindung ein T-Stück mit einem Beruhigungstopf oder Dralltopf kombiniert werden, sodass der Abzweig durch beide genannten Elemente gebildet wird.In addition, within the scope of the invention, a T-piece can be combined with a swirl pot or swirl pot, so that the branch is formed by both of the elements mentioned.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der fluidführenden Kühlmittelleitung stromabwärts des Abzweigs und stromaufwärts des Ausgleichsbehälters ein zweiter Beruhigungstopf und/oder ein zweiter Dralltopf angeordnet ist. Auch hier sorgen beide Komponenten für eine unterbrechungsfreie Versorgung des Kühlmittelkreislaufs mit Kühlmittel in dem Fall, dass nicht sämtliches Gas mit Hilfe des Entlüftungsventils aus dem Kühlmittelkreislauf entfernt werden konnte. Das bis dahin möglicherweise im Kühlmittelkreislauf verbliebene Gas wird in dem zweiten Beruhigungstopf und/oder zweiten Dralltopf von der flüssigen Phase separiert, sammelt sich oberhalb der flüssigen Phase und kann anschließend dem Ausgleichsbehälter zugeführt werden. Dabei ist hervorzuheben, dass die Menge an Gas, die somit dem Ausgleichsbehälter zugeführt werden muss, deutlich geringer als im Falle der konventionellen Ansätze gemäß dem Stand der Technik sind.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a second swirl pot and/or a second swirl pot is arranged in the fluid-carrying coolant line downstream of the branch and upstream of the expansion tank. Here, too, both components ensure an uninterrupted supply of coolant to the coolant circuit in the event that not all of the gas could be removed from the coolant circuit with the help of the vent valve. The gas that may have remained in the coolant circuit up to that point is separated from the liquid phase in the second swirl pot and/or second swirl pot, collects above the liquid phase and can then be fed to the expansion tank. It should be emphasized that the amount of gas that must therefore be supplied to the expansion tank is significantly lower than in the case of the conventional approaches according to the prior art.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der fluidführenden Kühlmittelleitung stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Entlüftungsventils ein regelbares Drosselventil angeordnet ist. Durch den einstellbaren Druckverlust infolge der Durchströmung des Drosselventils mit Kühlmittel kann eine Lösung des Gases in dem Kühlmittel reduziert werden. Durch den Druckabfall sinkt die druckabhängige Löslichkeit des Gases in der flüssigen Phase und es entstehen Gasblasen, die im nachfolgenden Entlüftungsventil aus dem Kühlmittelkreislauf abgeführt werden können.Provision is preferably made for a controllable throttle valve to be arranged in the fluid-carrying coolant line downstream of the fuel cell stack and upstream of the ventilation valve. A solution of the gas in the coolant can be reduced by the adjustable pressure loss as a result of the flow of coolant through the throttle valve. Due to the drop in pressure, the pressure-dependent solubility of the gas in the liquid phase decreases and gas bubbles form which can be discharged from the coolant circuit in the downstream vent valve.

Ferner wird ein Fahrzeug umfassend ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenfahrzeug. Dieses weist typischerweise eine Brennstoffzelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie für einen (elektrischen) Antriebsmotor des Fahrzeugs auf. Das Brennstoffzellensystem ist somit zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels eingerichtet. Der Wasserstoff dient als Treibstoff für das Brennstoffzellenfahrzeug. Durch die Erfindung wird somit ein besonders geeignetes Brennstoffzellenfahrzeug geschaffen, welches sich durch eine verbesserte Kühlung, auch bei Gasleckagen und auftretenden Beschleunigungen und Kurvenfahrten, auszeichnet. Das Brennstoffzellenfahrzeug umfassend das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wirkt einer Ansammlung zündfähiger und entflammbarer Gemische im Ausgleichsbehälter entgegen. Durch die Verdünnung des aus dem Kühlmittelkreislauf entfernten Gases durch den Kathodenabgasstrom wird die Bildung eines derartigen Gemischs verhindert.Furthermore, a vehicle comprising a fuel cell system according to the invention is made available. The vehicle is a fuel cell vehicle. This typically has a fuel cell for providing electrical energy for an (electric) drive motor of the vehicle. The fuel cell system is thus set up to cool a fuel cell stack. The hydrogen serves as fuel for the fuel cell vehicle. The invention thus creates a particularly suitable fuel cell vehicle which is characterized by improved cooling, even in the event of gas leaks and accelerations and cornering that occur. The fuel cell vehicle comprising the fuel cell system according to the invention counteracts an accumulation of ignitable and flammable mixtures in the expansion tank. The formation of such a mixture is prevented by the dilution of the gas removed from the coolant circuit by the cathode exhaust gas stream.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit Kühlsystem in einer ersten Ausführung der Erfindung; und
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit Kühlsystem in einer zweiten Ausführung der Erfindung.

The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:

1 a block diagram of a fuel cell stack according to the invention with a cooling system in a first embodiment of the invention; and
2 a block diagram of a fuel cell stack according to the invention with a cooling system in a second embodiment of the invention.

1 zeigt ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 12 shows a fuel cell system, denoted overall by 1, according to a first preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 is part of a vehicle that is not shown in any more detail, in particular an electric vehicle that has an electric traction motor that is supplied with electrical energy by the fuel cell system 1 .

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten, nicht weiter dargestellten Einzelzellen aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten ausgebildet werden. Jede Einzelzelle umfasst somit jeweils eine MEA, die eine hier ebenfalls nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran oder einen anderen Festelektrolyten 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 Kathodenelektroden weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer nicht dargestellten Bipolarplatte und der Anode wird somit ein Anodenraum ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte der Kathodenraum. Die Bipolarplatten dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten angeordnet sein. Darüber hinaus dienen in diesem Fall die Bipolarplatten der Kühlung des Brennstoffzellenstapels 10. Zu diesem Zweck weisen die Bipolarplatten Kanäle auf, die vom Kühlmittel durchströmt werden und räumlich getrennt von den Räumen und der Leitung der Betriebsgase vorliegen.The fuel cell system 1 comprises a fuel cell stack 10 as a core component, which has a multiplicity of individual cells arranged in stack form, not shown in more detail, which are formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) and bipolar plates. Each individual cell thus comprises an MEA, which has an ion-conductive polymer electrolyte membrane (also not shown here) or another solid electrolyte, as well as catalytic electrodes arranged on both sides, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell conversion and in particular as coatings on the membrane can be trained. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive, high surface area support material, such as a carbon-based material. An anode space is thus formed between a bipolar plate (not shown) and the anode, and the cathode space is formed between the cathode and the next bipolar plate. The bipolar plates serve to feed the operating media into the anode and cathode chambers and also establish the electrical connection between the individual fuel cells. Gas diffusion layers can optionally be arranged between the membrane electrode assemblies and bipolar plates. In this case, the bipolar plates also serve to cool the fuel cell stack 10. For this purpose, the bipolar plates have channels through which the coolant flows and which are spatially separated from the rooms and the line of the operating gases.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf.In order to supply the fuel cell stack 10 with the operating media, the fuel cell system 1 has an anode supply on the one hand and a cathode supply on the other.

Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Die Anodenversorgung umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt.The anode supply includes an anode supply path 21 which is used to supply an anode operating medium, for example hydrogen, into the anode chambers of the fuel cell stack 10 . The anode supply also includes an anode exhaust gas path 22 which discharges the anode exhaust gas from the anode compartments via an anode outlet of the fuel cell stack 10 .

Die Kathodenversorgung umfasst einen Kathodenversorgungspfad 23, welcher den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 24, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Ferner umfasst der Kathodenabgaspfad 24 eine Kathodenabgasleitung 25, in der das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 10 strömt. The cathode supply includes a cathode supply path 23, which supplies the cathode chambers of the fuel cell stack 10 with an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air that is sucked in from the environment. The cathode supply also includes a cathode exhaust gas path 24, which discharges the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode chambers of the fuel cell stack 10 and optionally feeds this to an exhaust gas system (not shown). Furthermore, the cathode exhaust gas path 24 includes a cathode exhaust gas line 25 in which the cathode exhaust gas flows out of the fuel cell stack 10 .

Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem 1 ein Kühlsystem 3 auf. Das Kühlsystem 3 verfügt über einen Kühlmittelkreislauf 30, durch den mit Hilfe des Fördermittels 32, das in dem dargestellten Fall eine Kühlmittelpumpe ist, das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 30 gefördert wird. Die Kühlmittelpumpe 32 ist eingangsseitig mit einem Ausgleichsbehälter 31 und ausgangsseitig mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 10 und der Ausgleichsbehälter 31 sind durch eine fluidführende Kühlmittelleitung 33 verbunden. An einem stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 und stromaufwärts des Ausgleichsbehälters 31 angeordneten Abzweig 34 der fluidführenden Kühlmittelleitung 33 ist ein Entlüftungsventil 41 angeordnet. Das Entlüftungsventil 41 ist durch eine Entgasungsleitung 42 mit der Kathodenabgasleitung 25 verbunden. Der Abzweig 34 kann durch ein Reihe technischer Komponenten dargestellt werden, wobei gemäß der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung ein T-Stück 34' eingesetzt wird, das die Verbindung mit dem Entlüftungsventil 41 einfach und unkompliziert gestaltet.According to the invention, the fuel cell system 1 has a cooling system 3 . The cooling system 3 has a coolant circuit 30, through which the coolant is conveyed through the coolant circuit 30 with the aid of the conveying means 32, which in the illustrated case is a coolant pump. The coolant pump 32 is connected to an expansion tank 31 on the inlet side and to the fuel cell stack 10 on the outlet side. The fuel cell stack 10 and the expansion tank 31 are connected by a fluid-carrying coolant line 33 . A vent valve 41 is arranged on a branch 34 of the fluid-carrying coolant line 33 arranged downstream of the fuel cell stack 10 and upstream of the expansion tank 31 . The vent valve 41 is connected to the cathode off-gas line 25 through a vent line 42 . The branch 34 can be represented by a number of technical components, according to the 1 shown device according to the invention a T-piece 34 'is used, which makes the connection to the vent valve 41 simple and uncomplicated.

Stromabwärts der Kühlmittelpumpe 32 ist ein zweiter Dralltopf 35 in die fluidführende Leitung integriert. Der zweite Dralltopf 35 ist darüber hinaus fluidführend mit dem Ausgleichsbehälter 31 verbunden, wobei diese fluidführende Verbindung in Abhängigkeit des Zustands dazu dient, dem Ausgleichsbehälter Gas zuzuführen und Kühlmittel zu- oder abzuführen. Dies hängt zum einen davon ab, ob Restgas stromabwärts des Entlüftungsventils 41 verblieben ist und im zweiten Dralltopf 35 freigesetzt wird, und zum anderen von dem Füllvolumen und der Ausdehnung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 30. Eingangsseitig ist der zweite Dralltopf 35 ferner mit der Kühlmittelleitung 33 verbunden.A second swirl pot 35 is integrated into the fluid-carrying line downstream of the coolant pump 32 . The second swirl pot 35 is also connected in a fluid-carrying manner to the expansion tank 31, with this fluid-carrying connection serving, depending on the state, to supply gas to the expansion tank and to supply or discharge coolant. On the one hand, this depends on whether residual gas remains downstream of the vent valve 41 and is released in the second swirl pot 35, and on the other hand on the filling volume and the expansion of the coolant in the coolant circuit 30. On the input side, the second swirl pot 35 is also connected to the coolant line 33 .

Im Betrieb des Kühlsystems 3 tritt somit ein Kühlmittel über den entsprechenden Kühlmittelanschluss in die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 befindlichen zuführenden Kühlmittelkanäle, die durch die Bipolarplatten bereitgestellt werden. Von den entsprechenden Austrittsöffnungen der Bipolarplatten der Einzelzellen tritt das Kühlmittel in das interne Kühlmittelströmungsfeld der Bipolarplatten und überströmt somit die Flächen der Membran-Elektroden-Anordnungen, um diese zu kühlen. Von dort tritt das erwärmte Kühlmittel wiederum über entsprechende Öffnungen der Bipolarplatten in die abführenden Kühlmittelkanäle und wird über den entsprechenden Kühlmittelanschluss aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt. Dies erfolgt über die Kühlmittelleitung 33, die die Verbindung des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Ausgleichsbehälter 31 darstellt.During operation of the cooling system 3, a coolant thus enters the supplying coolant channels located within the fuel cell stack 10 and provided by the bipolar plates via the corresponding coolant connection. The coolant enters the internal coolant flow field of the bipolar plates from the corresponding outlet openings of the bipolar plates of the individual cells and thus flows over the surfaces of the membrane-electrode assemblies in order to cool them. From there, the heated coolant in turn enters the discharging coolant channels via corresponding openings in the bipolar plates and is discharged from the fuel cell stack 10 via the corresponding coolant connection. This takes place via the coolant line 33 which represents the connection between the fuel cell stack 10 and the expansion tank 31 .

Die eigentliche Kühlung erfolgt durch die Umgebungsluft, die das Kühlmittel abkühlt, indem die Umgebungsluft dem Kühlmittel Wärme entzieht. Umgesetzt wird das beispielsweise durch in 1 nicht dargestellte Lüfter bzw. Gebläse, die die Umgebungsluft durch einen ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher, der auch von dem Kühlmedium durchströmt wird, blasen.The actual cooling is done by the ambient air, which cools the coolant by the ambient air extracting heat from the coolant. This is implemented, for example, by in 1 fans or blowers, not shown, which blow the ambient air through a heat exchanger, also not shown, through which the cooling medium also flows.

Während des Betriebs kann, wie eingangs beschrieben, Leckage von Betriebsgasen wie Wasserstoffgas in den Kühlmittelkreislauf 30 auftreten. Dementsprechend ist Anodenbetriebsgas wie Wasserstoffgas, welches sich im Kühlmittelkreislauf 30 ansammelt, auch wieder aus dem Kühlmittelkreislauf 30 zu entfernen.As initially described, operating gases such as hydrogen gas may leak into the coolant circuit 30 during operation. Accordingly, anode operating gas such as hydrogen gas that accumulates in the coolant circuit 30 must also be removed from the coolant circuit 30 again.

Die Anordnung aus Abzweig 34 und daran angeschlossenem Entlüftungsventil 41 wird von dem Kühlmittel, das den Brennstoffzellenstapel 10 über die Kühlmittelleitung 33 verlässt, durchströmt. Für den Fall, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 Leckagen von Betriebsgasen, insbesondere Anodenbetriebsgasen wie Wasserstoff, auftreten, liegen diese Betriebsgase beispielsweise in gelöster Form in dem Kühlmittel oder als separate gasförmige Phase beispielsweise in Form von Gasblasen vor. Das Entlüftungsventil 41 hat dann die Aufgabe, die im Kühlmittelkreislauf 30 befindlichen Gase aus dem flüssigkeitsführenden Kühlmittelkreislauf 30 zu entfernen. Grundsätzlich erfolgt dies, indem sich in dem Entlüftungsventil 41 bzw. dessen Ventilausgang, der mit der Entgasungsleitung 42 verbunden ist, Gas sammelt. Je nach Ausgestaltung des Entlüftungsventils 41 wird in diesem Fall der Ventilausgang des Entlüftungsventils 41 durch den eingesetzten Mechanismus freigegeben, sodass das Gas über die Entgasungsleitung 42 ausströmen kann. Sobald sämtliches Gas durch das Entlüftungsventil 41 ausgetreten ist, wird der Ventilausgang des Entlüftungsventils 41 durch den Mechanismus wieder verschlossen. Das ausgetretene Gas strömt über die Entgasungsleitung 42 über die Verbindung von Entgasungsleitung 42 und Kathodenabgasleitung 25 in die Kathodenabgasleitung 25. Dort wird es dem Kathodenabgas beigemischt, verdünnt und aus dem System geführt.The coolant that leaves the fuel cell stack 10 via the coolant line 33 flows through the arrangement of branch 34 and vent valve 41 connected to it. In the event that leaks of operating gases, in particular anode operating gases such as hydrogen, occur within the fuel cell stack 10, these operating gases are present, for example, in dissolved form in the coolant or as a separate gaseous phase, for example in the form of gas bubbles. The vent valve 41 then has the task to remove located in the coolant circuit 30 gases from the liquid-carrying coolant circuit 30. In principle, this takes place in that gas collects in the ventilation valve 41 or its valve outlet, which is connected to the degassing line 42 . Depending on the design of the vent valve 41 , the valve outlet of the vent valve 41 is released in this case by the mechanism used, so that the gas can flow out via the degassing line 42 . As soon as all the gas has escaped through the vent valve 41, the valve outlet of the vent valve 41 is closed again by the mechanism. The gas that has escaped flows via the degassing line 42 via the connection between the degassing line 42 and the cathode off-gas line 25 into the cathode off-gas line 25. There it is mixed with the cathode off-gas, diluted and removed from the system.

Gemäß der in 1 lediglich schematischen Blockdarstellung der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Entlüftungsventil 41 ein selbsttätiges Ventil. Dabei kann es sich unter anderem um ein selbsttätiges Entlüftungsventil mit Schwimmer, Membran oder Dehnkörper handeln. Sammelt sich Gas im Bereich des Ventilausgangs des Entlüftungsventils 41 bzw. sinkt der Flüssigkeitspegel des Kühlmittels, wird der Ventilausgang des Entlüftungsventils 41 automatisch freigegeben, sodass Gas ausströmen kann. Sobald sämtliches Gas ausgeströmt ist, wird der Ventilausgang des Entlüftungsventils 41 wieder absperrt. Erfolgt erneut eine Ansammlung von Gas in der Umgebung des Ventilausgangs des Entlüftungsventils 41, wird der Ventilausgang wieder freigegeben. Es ist somit keine Energieversorgung für das Entlüftungsventil 41 vorzusehen.According to the 1 In a merely schematic block diagram of the preferred embodiment of the invention, the vent valve 41 is an automatic valve. Among other things, this can be an automatic vent valve with a float, membrane or expansion body. If gas collects in the area of the valve outlet of the vent valve 41 or if the liquid level of the coolant drops, the valve outlet of the vent valve 41 is automatically released so that gas can flow out. As soon as all the gas has flown out, the valve outlet of the vent valve 41 is shut off again. If gas accumulates again in the vicinity of the valve outlet of the vent valve 41, the valve outlet is released again. It is therefore not necessary to provide an energy supply for the vent valve 41 .

Weiterhin ist gemäß der Ausführung aus 1 vorgesehen, dass das Entlüftungsventil 41 an einem lokalen Hochpunkt des Kühlmittelkreislaufs 30 angeordnet ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Ansammlung des Gases an dem besagten lokalen Hochpunkt, wodurch die Entgasung des Kühlmittelkreislaufs 30 zuverlässiger und in größerem Ausmaß erfolgt.Furthermore, according to the embodiment 1 provided that the vent valve 41 is arranged at a local high point of the coolant circuit 30. This enables an improved accumulation of the gas at said local high point, as a result of which the degassing of the coolant circuit 30 takes place more reliably and to a greater extent.

Stromabwärts des T-Stücks 34' strömt das nahezu gasfreie Kühlmittel bzw. hinsichtlich seines Gasanteils zumindest reduzierte Kühlmittel in den zweiten Dralltopf 35. Dieser verringert die Möglichkeit einer unterbrochenen Versorgung des Kühlmittelkreislaufs 30 mit Kühlmittel für den Fall, dass nicht sämtliches Gas mit Hilfe des Entlüftungsventils 41 aus dem Kühlmittelkreislauf 30 entfernt werden konnte. Falls Restgehalte von Gas in dem Kühlmittel verblieben sind, werden sie beim Eintritt des Kühlmittels in den zweiten Dralltopf 35 und Durchströmung von diesem von der flüssigen Phase separiert, sammeln sich oberhalb der flüssigen Phase und werden anschließend dem Ausgleichsbehälter 31 zugeführt. Unabhängig von in dem Kühlmittelkreislauf 30 befindlichen Gas dient der Ausgleichsbehälter 31 als Kühlmittel-Reservoir und ferner dient er unabhängig davon als Volumen zur Kompensation temperaturabhängiger Volumenänderungen des gesamtem Kühlmittels.Downstream of the T-piece 34', the almost gas-free coolant or coolant with at least a reduced proportion of gas flows into the second swirl pot 35. This reduces the possibility of an interrupted supply of the coolant circuit 30 with coolant in the event that not all of the gas is evacuated with the aid of the vent valve 41 could be removed from the coolant circuit 30. If gas residues remain in the coolant, they are separated from the liquid phase when the coolant enters the second swirl pot 35 and flows through it, collect above the liquid phase and are then fed to the expansion tank 31 . Independent of the gas in the coolant circuit 30, the expansion tank 31 serves as a coolant reservoir and, independently of this, it also serves as a volume for compensating for temperature-dependent volume changes of the entire coolant.

2 zeigt ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Abzweig 34 des Kühlsystems 3 ist gemäß der zweiten Ausführung ein erster Dralltopf 34". Ansonsten gleicht der Aufbau dem in Anlehnung an 2 beschriebenen. 2 12 shows a fuel cell system, denoted overall by 1, according to a second preferred embodiment of the present invention. According to the second embodiment, the branch 34 of the cooling system 3 is a first swirl pot 34". Otherwise the structure is similar to that in the following 2 described.

Der erste Dralltopf 34" verfügt zusätzlich über eine Drall induzierende Geometrie zusammen mit einem internen Ablenkblech, um einen sauberen, vollständig entlüfteten Kühlmittelstrom zu gewährleisten. Die Trennung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase des Kühlmittelstroms, der aus dem Brennstoffzellenstapel 10 austritt und über die Kühlmittelleitung 33 in den ersten Dralltopf 34" eintritt, wird dadurch begünstigt. Die Entgasung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 30 kann demzufolge weiter gesteigert und infolgedessen verbessert werden. The first swirl pot 34" additionally features a swirl-inducing geometry along with an internal baffle to ensure a clean, fully vented coolant flow. Separating the liquid phase and gaseous phase of the coolant flow exiting the fuel cell stack 10 and via the coolant line 33 entering the first swirl pot 34" is favored by this. The degassing of the coolant in the coolant circuit 30 can consequently be further increased and consequently improved.

11: Brennstoffzellensystem fuel cell system
1010: Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
2121: Anodenversorgungspfadanode supply path
2222: Anodenabgaspfadanode exhaust path
2323: Kathodenversorgungspfadcathode supply path
2424: Kathodenabgaspfadcathode exhaust path
2525: Kathodenabgasleitung cathode exhaust line
33: Kühlsystemcooling system
3030: Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
3131: Ausgleichsbehältersurge tank
3232: Fördermittelfunding
3333: Kühlmittelleitungcoolant line
3434: Abzweigbranch
34`34`: T-Stücktee
34"34": erster Beruhigungstopf/erster Dralltopffirst calming pot/first swirl pot
3535: zweiter Beruhigungstopf/zweiter Dralltopf second calming pot/second swirl pot
4141: Entlüftungsventilvent valve
4242: Entgasungsleitungdegassing line

Claims

Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (10), a cathode exhaust gas path (24) with a cathode exhaust gas line (25) for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack (10) and with a cooling system (3) for cooling the fuel cell stack (10), the cooling system (3) includes: a coolant circuit (30) with a fluid-carrying coolant line (33) for discharging coolant from the fuel cell stack (10); a surge tank (31) for the coolant, which is connected to the coolant circuit (30); a conveying means (32) for conveying the coolant through the coolant circuit (30); a degassing line (42) which branches off from the fluid-carrying coolant line (33) at a junction (34) downstream of the fuel cell stack (10) and upstream of the expansion tank (31) and is connected to the cathode exhaust gas line (25); and a vent valve (41) which is arranged on the branch (34) or downstream of this in the degassing line (42).

Fuel cell system (1) after claim 1 , wherein the vent valve (41) is an automatic valve.

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein the vent valve (41) is arranged at a local high point of the coolant circuit (30).

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein the vent valve (41) is arranged at a higher position than the branch (34).

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein the branch (34) is a T-piece (34').

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein the branch (34) is a first swirl pot (34") and/or a first swirl pot (34").

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein a second swirl pot (35) and/or a second swirl pot (35) is arranged in the fluid-carrying coolant line (33) downstream of the branch (34) and upstream of the expansion tank (31).

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein a throttle valve is arranged in the fluid-carrying coolant line (33) downstream of the fuel cell stack (10) and upstream of the ventilation valve (41).

Vehicle comprising a fuel cell system (1) according to one of the preceding claims.