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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches von einem Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, durchströmbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, sind generell innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs betreibbar. Herrschen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, so ist eine Brennstoffzelle in gängiger Ausgestaltung zunächst aufzuheizen, um ihren bestimmungsgemäßen Betrieb, das heißt die Erzeugung elektrischer Energie, aufnehmen zu können. Prinzipiell bekannt ist die Möglichkeit, zum Aufheizen von Brennstoffzellen ein ohnehin vorhandenes Kühlsystem zu nutzen.
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Ein in der
DE 10 2017 213 828 A1 beschriebenes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sieht das Aufheizen eines Kühlmittels eines Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems während einer ersten Betriebsphase und das Kühlen des Kühlmittels während einer zweiten Betriebsphase vor. Sowohl das Aufheizen als auch das Kühlen soll durch ein Peltier-Element erfolgen. Optional umfasst das Verfahren nach der
DE 10 2017 213 828 A1 eine dritte Betriebsphase, in der mindestens 30 % des Kühlmittels durch eine Bypass-Leitung strömt, die stromauf vom Peltier-Element abzweigt und stromab vom Peltier-Element mündet. Während der dritten Betriebsphase wird das Kühlmittel durch das Peltier-Element weder noch erwärmt noch gekühlt. Das Peltier-Element ist am Einlass eines Brennstoffzellenstapels angeordnet und wärmeleitend mit dem Gehäuse des Brennstoffzellenstapels verbunden. Ebenso sei es möglich, das Peltier-Element integral mit dem Gehäuse des Brennstoffzellenstapels auszubilden.
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Ein in der
US 8 735 011 B2 offenbartes Brennstoffzellensystem umfasst ebenfalls einen Kreislauf für ein Heiz- oder Kühlmedium. Hierbei ist ein Wärmetauscher zum Herabkühlen des sogenannten Heizmediums vorgesehen. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem nach der
US 8 735 011 B2 einen Wärmetauscherbypass, durch welchen das Heizmedium fließen kann, um den Wärmetauscher zu umgehen. Im Wärmetauscherbypass wird der Durchfluss des Heizmediums messtechnisch erfasst.
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Ein in der
DE 10 2019 211 594 A1 offenbartes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, welcher strömungsmechanisch in eine Kühlmittelleitung eingebunden ist, welche einem Kühlmittelkreislauf zuzurechnen ist, der unter anderem ein Reservoir für Kühlmittel aufweist. Durch Variation des Füllstandes des Kühlmittelreservoirs ist die Menge an Kühlmittel im Brennstoffzellenstapel und damit die Wärmekapazität des Brennstoffzellenstapels beeinflussbar.
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Verschiedene Brennstoffzellensysteme, welche eine Temperierung über die den Brennstoffzellen zugeleitete Luft ermöglichen, sind zum Beispiel in den Dokumenten
DE 10 2019 212 858 A1 und
DE 10 2019 212 855 A1 beschrieben.
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Ein Brennstoffzellenstapel eines in der
DE 10 2020 216 223 A1 offenbarten Brennstoffzellensystems umfasst metallische Stützelemente, die unmittelbar elektrisch aufheizbar sind und damit als Heizelemente fungieren. Bei einem in der
DE 10 2019 217 989 A1 beschriebenen Brennstoffzellenstapel kann ein Heizelement als Heizhülse ausgebildet sein.
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Ein in der
DE 10 2019 217 992 A1 im Detail beschriebener Brennstoffzellenstapel weist ein als Heizspule ausgebildetes elektrisches Heizelement auf, welches in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Im Fall einer in der
DE 10 2016 220 371 A1 beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtung ist ein elektrisches Heizelement, welches allgemein als Funktionseinheit bezeichnet wird, versetzt zu einer Gasprozessoreinheit der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet.
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Die
DE 10 2015 011 282 A1 befasst sich ebenfalls mit Wärmeströmen in einem Brennstoffzellensystem. Insbesondere wird hierbei auf das Zusammenspiel einer Batterie mit einem Brennstoffzellenstapel eingegangen. Zunächst ist vorgesehen, ein elektrisches Heizelement, mit welchem der Brennstoffzellenstapel erwärmt wird, mit elektrischer Energie aus der Batterie zu beaufschlagen. In einer späteren Phase des in der
DE 10 2015 011 282 A1 beschriebenen Verfahrens wird die Batterie mit Hilfe des Brennstoffzellenstapels wieder geladen. Weitere Brennstoffzellensysteme, die einen Bypass mit einem Heizelement aufweisen, gehen aus
JP 2013-191 374 A , KR 10 2019 0064739 A oder
JP 2003-249 251 A hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Methoden der Temperierung von Brennstoffzellen anzugeben, wobei ein robuster und kompakter apparativer Aufbau mit einer hohen Betriebssicherheit verknüpft sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Brennstoffzellensystem, und umgekehrt.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen in einem Brennstoffzellenmodul angeordneten Brennstoffzellenstapel und einen zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Kühlmittelkreislauf, welcher einen Bypass aufweist, der innerhalb des Brennstoffzellenmoduls angeordnet ist, wobei sich im Bypass und damit im Brennstoffzellenmodul ein Heizelement befindet. Der Begriff „Kühlmittelkreislauf“ ist hierbei in einem weiten Sinne zu verstehen und schließt auch die Möglichkeit einer Beheizung mit sogenanntem Kühlmittel, das heißt einem Wärmeträger, ein.
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Der Brennstoffzellenstapel wird allgemein auch als Stack oder - im Fall eines modularen Aufbaus - als Stackmodul bezeichnet. Das anmeldungsgemäße Brennstoffzellensystem weist somit eine stackmodulinterne Aufheizvorrichtung auf. Durch die Anordnung des Heizelementes im Stack wird eine unnötige, parasitäre Erwärmung von Komponenten des Brennstoffzellensystem während der Aufheizphase praktisch vollständig vermieden. Hierbei ist auch die im vorliegenden Fall gegebene Möglichkeit einer Minimierung der Kühlmittelmenge von Vorteil.
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Als Heizelement des Brennstoffzellensystems kommt insbesondere ein elektrisches Heizelement in Betracht. Theoretisch könnten auch andere Methoden der Beheizung gewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, geringe Mengen des Mediums, welches zur Reaktion innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen vorgesehen ist, in der Regel Wasserstoff, direkt zum Beheizen des Kühlmittels zu verwenden. In jedem Fall ermöglicht die durch das Heizelement realisierte Aufheizvorrichtung ein rasches Vorheizen des Stackvolumens. Eine kurze Aufheizzeit wird durch die geringe Länge des mit Hilfe des Bypasses gebildeten verkürzten Kühlmittelkreislaufs begünstigt.
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Im Bypass befindet sich zusätzlich zum Heizelement eine typischerweise ebenfalls elektrisch betätigte Kühlmittelpumpe. Alternativ ist, eine geeignete Anordnung und Dimensionierung der verschiedenen Komponenten des verkürzten Kühlmittelkreislaufs vorausgesetzt, eine Ingangsetzung der Strömung im Kühlmittelkanal durch Konvektion möglich. Die Umschaltung zwischen dem verkürzten, mit Hilfe des Bypasses gebildeten Kühlmittelkreislauf und dem regulären, beim Dauerbetrieb des Brennstoffzellensystems in Betrieb befindlichen Kühlmittelkreislauf, welcher einen außerhalb des Stackmoduls befindlichen Kühler umfasst, kann durch Absperrventile erfolgen, welche insbesondere elektromagnetisch betätigbar sind und - mindestens im Fall eines von mehreren Ventilen - ebenfalls innerhalb des Brennstoffzellenmoduls angeordnet sein können.
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Allgemein umfasst das Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems folgende Schritte:
- - Bereitstellung eines einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellenmoduls, in welchem mindestens zwei unterschiedliche Kühlmittelpfade, hierunter ein Bypass ausgebildet sind,
- - Leitung eines auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des Brennstoffzellenstapels temperierten Kühlmittels durch den innerhalb des Brennstoffzellenmoduls befindlichen Bypass, wobei die Temperierung durch ein innerhalb des Bypasses angeordnetes Heizelement erfolgt und das Kühlmittel während der Leitung durch den Bypass (5) durch eine im Bypass (5) befindliche, in anderen Betriebsphasen ohne Funktion bleibende Pumpe (14) umgewälzt wird,
- - Abschaltung des im Bypass befindlichen Heizelementes,
- - Umschaltung des Kühlmittelstroms vom Bypass auf einen längeren, den Brennstoffzellenstapel durchziehenden Kühlmittelpfad, wobei das Kühlmittel hierbei durch einen außerhalb des Brennstoffzellenmoduls angeordneten Kühler geleitet wird,
- - Aufnahme der Stromerzeugung durch zumindest einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels,
- - weiterer Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Nutzung des durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Kühlmittels zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels.
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Das Kühlsystem umfasst somit in einfachster Ausgestaltung genau zwei verschiedene Kühlmittelpfade, nämlich zum einen den durch den Bypass führenden Pfad und zum anderen den voll ausgedehnten Kühlmittelpfad, welche den gesamten Brennstoffzellenstapel und zusätzlich mindestens einen externen Kühler durchzieht. Eine etwas komplexere Ausgestaltung sieht darüber hinaus mindestens einen Kühlmittelpfad mittlerer Länge vor, welcher zur Temperierung lediglich eines Teiles des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem, insbesondere im Fall sehr niedriger Umgebungstemperaturen, stufenweise gestartet werden. Hierbei wird das vorgeheizte Kühlmittel zunächst genutzt, um nur ein Teilvolumen des Stacks zu beheizen. In diesem Teilvolumen wird die Stromerzeugung der Brennstoffzellen gestartet. Die hierbei entstehende Wärme wird schließlich genutzt, um auch das restliche Volumen des Stacks zunächst zu beheizen und bei ausreichender Temperatur ebenfalls in Betrieb zu nehmen.
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Gemäß einer möglichen, hinsichtlich der Raumausnutzung besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Heizelement in ein zur Medienversorgung des Brennstoffzellenstapels vorgesehenes Anschlusselement integriert. Ebenso können mindestens eine im Bypass befindliche Absperrvorrichtung sowie die Kühlmittelpumpe, welche die Bypass-Strömung bewirkt, in dieses Anschlusselement integriert sein. Die Querschnittsfläche des Anschlusselementes kann mit der Querschnittsfläche des übrigen Brennstoffzellenstapels übereinstimmen. Das Anschlusselement hat dabei eine im Wesentlichen flächige Form, das heißt die Form einer Anschlussplatte.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass dank der Integration des Heizelementes in das Brennstoffzellenmodul im Vergleich zu nicht beanspruchten Varianten von Brennstoffzellensystemen bei gegebener Heizleistung die Aufheizzeit deutlich reduziert ist. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, bei vorgegebener Aufheizzeit ein Heizelement mit geringerer Leistung zu verwenden.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenmoduls in einer schematisierten Schnittdarstellung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenmoduls in einer Darstellung analog 1.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 6, welcher sich in einem Gehäuse 3 befindet. Der Brennstoffzellenstapel 6 wird auch als Stack bezeichnet. Hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus des Brennstoffzellensystems 1 und dessen Funktion wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Brennstoffzellensystem 1 ist insbesondere für mobile Anwendungen vorgesehen. Es ist zum Betrieb bei Frosttemperaturen geeignet und weist einen insgesamt mit 4 bezeichneten Kühlmittelkreislauf auf, welcher auch Heizfunktionen übernehmen kann. Die Kühlmittelströmung ist allgemein mit KS bezeichnet. Der Brennstoffzellenstapel 6 nimmt den größten Teil des Raumes innerhalb eines Brennstoffzellenmoduls 2 ein.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1, nach der Anfahrphase, wird mittels des Kühlmittelkreislaufs 4 im Brennstoffzellenstapel 6 entstehende Wärme abgeführt, wobei zu diesem Zweck ein nicht dargestellter Kühler an sich bekannter Bauart außerhalb des im vorliegenden Fall quaderförmigen Brennstoffzellenmoduls 2, in welchem sich der Brennstoffzellenstapel 6 befindet, angeordnet ist. Das Kühlmittel durchströmt in diesem Fall einen langen Kühlmittelpfad LS, welcher in den Figuren durch eine den Brennstoffzellenstapel 6 durchziehende Linie mit ovaler Grundform angedeutet ist.
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Abweichend vor der symbolisierten Darstellung in den 1 und 2 strömt das Kühlmittel tatsächlich zwischen sämtlichen Brennstoffzellenplatten, die den Brennstoffzellenstapel 6 bilden. Ein Kühlmitteleinlass am Gehäuse 3 des Brennstoffzellenmoduls 2 ist mit 8, ein Kühlmittelauslass mit 9 bezeichnet. Optional ist eine Mehrzahl an Kühlmitteleinlässen 8 und Kühlmittelauslässen 9 vorhanden. In jedem Fall befindet sich der mindestens eine Kühlmitteleinlass 8 und mindestens eine Kühlmittelauslass 9 an einem Anschlusselement 10, welches einen Grundriss hat, der mit dem Grundriss des übrigen Gehäuses 3 übereinstimmt und sich in den dargestellten Anordnungen am unteren Rand des Gehäuses 3 befindet. Mit den dargestellten Anordnungen ist keine Aussage über die tatsächliche Lage des Brennstoffzellenstapels 6 im Raum verbunden.
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Der lange Kühlmittelpfad LS, welcher unter anderem eine außerhalb des Brennstoffzellenmoduls 2 angeordnete Pumpe umfasst, führt vom Kühlmitteleinlass 8 aus in einen innerhalb des Gehäuses 3 liegenden Verteilerkanal 7. Von dort aus durchströmt das Kühlmittel die Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels 6, um in einen weiteren Verteilerkanal 7 zu gelangen, von wo aus es zum Kühlmittelauslass 9 strömt. Vom Kühlmittelauslass 9 aus strömt das Kühlmittel zu den nicht dargestellten sogenannten externen, außerhalb des Brennstoffzellenmoduls 2 befindlichen Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 4, das heißt insbesondere zu dem bereits erwähnten Kühler an sich bekannter Bauart.
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Wird das Brennstoffzellensystem 1 bei Temperaturen um den Gefrierpunkt angefahren, so wird das Kühlmittel zunächst als Wärmeträger zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 6 genutzt. Eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels wird mit Hilfe eines Bypasses 5 ermöglicht, welcher eine Bypass-Strömung BS des Kühlmittels bewirkt und innerhalb des eine flächige Grundform aufweisenden Anschlusselementes 10 liegt. Die Bypass-Strömung BS zweigt kurz vor dem Kühlmittelauslass 9 vom Kühlmittelpfad LS ab und trifft auf ein elektrisches Heizelement 15, welches in den Figuren als Heizwendel dargestellt und komplett innerhalb des Anschlusselementes 10 angeordnet ist. Das Anschlusselement 10 ist in den Ausführungsbeispielen durch eine Trennplatte 16, welche ein Bestandteil des Gehäuses 3 ist, vom Brennstoffzellenstapel 6 getrennt. Elektrische Leitungen, an die das Heizelement 15 angeschlossen ist, sind mit 11 bezeichnet. Im Bypass 5 befindet sich weiter eine Absperrvorrichtung 13, mit welcher die Bypass-Strömung BS abgeschaltet werden kann. Eine in den vorliegenden Fällen direkt vor dem Kühlmitteleinlass 8 angeordnete Absperrvorrichtung ist mit 12 bezeichnet. Weitere Absperrvorrichtungen des Brennstoffzellensystems 1 sind ebenso wie Strömungen gasförmiger Medien nicht dargestellt.
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Der vollständig innerhalb des Gehäuses 3 - genauer: innerhalb des plattenförmigen Anschlusselementes 10 - liegende Bypass 5, in welchen das elektrische Heizelement 15 integriert ist, ermöglicht nicht nur eine schnelle Kühlmittelaufheizung, sondern begünstigt auch einen besonders kompakten, mechanisch robusten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1. Nach ausreichender Aufheizung des Kühlmittels wird das Heizelement 15 abgeschaltet. Mit einiger Verzögerung, nach Abkühlung des Heizelementes 15, wird die Absperrvorrichtung 13 geschlossen, sodass das Kühlmittel zwangsläufig auf dem langen Kühlmittelpfad LS strömt und hierbei den Brennstoffzellenstapel 6 erwärmt. Sobald der Brennstoffzellenstapel 6 eine definierte Betriebstemperatur erreicht hat, wechselt der Kühlmittelkreislauf 4 in den Kühlmodus, in welchem die Temperatur des Kühlmittels außerhalb des Gehäuses 3 durch den nicht dargestellten Kühler gesenkt wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 durch die Existenz einer Kühlmittelpumpe 14, welche im Bypass 5 und damit innerhalb des Anschlusselementes 10 angeordnet ist. Die Kühlmittelpumpe 14 ist im vorliegenden Fall als Micropumpe ausgebildet. Elektrische Anschlüsse der Micropumpe 14 sind nicht dargestellt. Im Fall von 1, in welchem sich keine Pumpe im Bypass 5 befindet, wird die Bypass-Strömung BS mittels des Heizelementes 15 durch Konvektion bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenmodul
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kühlmittelkreislauf
- 5
- Bypass
- 6
- Brennstoffzellenstapel
- 7
- Verteilerkanal
- 8
- Kühlmitteleinlass
- 9
- Kühlmittelauslass
- 10
- Anschlusselement
- 11
- elektrische Leitung
- 12
- Absperrvorrichtung am Kühlmitteleinlass
- 13
- Absperrvorrichtung im Bypass
- 14
- Kühlmittelpumpe
- 15
- Heizelement
- 16
- Trennplatte
- BS
- Bypass-Strömung
- KS
- Kühlmittelströmung
- LS
- langer Kühlmittelpfad
