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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel und einem Kühlkreislauf mit einer Kühlmedienpumpe nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen, welche typischerweise zwischen Endplatten verspannt sind, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Jede der Einzelzellen umfasst dabei eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sowie Bipolarplatten, deren eine Seite mit der einen Membranelektrodenanordnung der einen Einzelzelle und deren andere Seite mit der anderen Membranelektrodenanordnung der anderen Einzelzelle verbunden ist. Die Bipolarplatten bestehen meistens aus zwei Hälften, welche auf der einen Oberfläche die Anodenseite bzw. die Kathodenseite der benachbarten Einzelzellen tragen, und welche zwischen sich ein Strömungsfeld für das in dem Kühlkreislauf umgewälzte Kühlmedium einschließen.
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Im Endbereich eines solchen Brennstoffzellenstapels, also wenn die Einzelzelle benachbart zu der jeweiligen Endplatte angeordnet ist, kann dieser Aufbau so nicht unmittelbar weitergeführt werden. Einerseits fällt hier die benachbarte Zelle weg und andererseits sind die thermischen Bedingungen hier anders als im mittleren Bereich des Stapels, da über die Endplatten vergleichsweise viel Wärme abgeführt wird, sodass die Endzellen des Brennstoffzellenstapels typischerweise kühler sind als die Zellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels. Dies ist unerwünscht und kann zu einer Auskondensation von Produktwasser führen, was die Performance der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst. Außerdem sind in diesem Bereich Stromsammelplatten, die sogenannten „bus bars“, aus Kupfer angeordnet, welche sich lastabhängig gegebenenfalls aufheizen. Dies kann dann zu einer unerwünschten Überhitzung führen, welche schlimmstenfalls die Membranen der Endzellen schädigt.
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Die
WO 2004/006370 A2 beschreibt eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit den oben genannten Problemen. Um diese zu lösen, wird gemäß der internationalen Anmeldung eine Verteilstruktur in der ersten und letzten Einzelzelle des jeweiligen Brennstoffzellenstapels genutzt, welche größere Volumenströme an Luft bzw. Sauerstoff und Wasserstoff zu den jeweiligen Endzellen führt. Dadurch wird im Bereich dieser Endzellen eine höhere Abwärme erzeugt, um so der inhomogenen Wärmeverteilung in dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken.
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Die
DE 10 2006 015 247 A1 sieht dies als außerordentlich aufwändig an, weshalb dort eine alternative Lösung vorgeschlagen wird. Diese besteht im Wesentlichen aus einer thermischen Isolierung zwischen den Endzellen und den Endplatten.
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Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf aktiv beheizte Endplatten verwiesen werden. Die
US 2012/0100450 A1 beschreibt beispielsweise, dass ein Teilstrom des Kühlmedienstroms abgezweigt und durch Kühlkanäle der jeweiligen Endplatte gelenkt wird. Der Aufbau erfordert zum Temperieren beider Endplatten jedoch die zentrale Zufuhr des Kühlmediums in den Brennstoffzellenstapel, was vergleichsweise aufwändig ist.
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Die
US 2006/0263663 A1 beschreibt einen Aufbau, bei welchem die Endzellen über einen zweiten Kühlkreislauf unabhängig von der Kühlung der restlichen Zellen versorgt werden, um so eine homogene Wärmeverteilung zu erreichen.
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Noch einen anderen Weg geht die
EP 2 962 350 B1 . Diese nutzt im Bereich der Endplatten einen Latentwärmespeicher, um Temperaturdifferenzen möglichst selbsttätig auszugleichen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein gegenüber diesem Stand der Technik verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben, welches eine ideale Temperierung des gesamten Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird, ähnlich wie in der oben genannten
US 2012/0100450 A1 , die Durchströmung der Endplatten mit Kühlmedium des Kühlkreislaufs realisiert. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlkanäle in einem Teilkreislauf des Kühlkreislaufs angeordnet sind, welcher eine Druckseite nach der Kühlmedienpumpe aus dem Kühlkreislauf abzweigende Zuleitung für jede der Endplatten und eine von der jeweiligen Endplatte zur Saugseite der Kühlmedienpumpe verlaufende Ableitung aufweist. Die Zuleitung zweigt also aus dem eigentlichen Hauptteil des Kühlkreislaufs druckseitig der Kühlmedienpumpe ab. Insbesondere zweigt sie direkt druckseitig nach der Kühlmedienpumpe aus dem Hauptkreislauf ab, sodass hier also keine weiteren Komponenten wie Ventile oder dergleichen zwischengeschaltet sind. Die Zuleitung kann so einen Teilstrom des Kühlmediums nach der Kühlmedienpumpe direkt in den Bereich der Endplatten fördern, welche durch die beiden Zuleitungen mit der Kühlmedienpumpe verbunden sind. Nach dem Durchströmen der Endplatte strömt das Kühlmedium dann auf die Saugseite der Kühlmedienpumpe zurück, wobei dieses entweder direkt im oben beschriebenen Sinne oder über entsprechende Zwischenkomponenten, wie es später noch näher erläutert wird, erfolgen kann.
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Hierdurch ist eine einfache und effiziente gezielte Temperierung der Endplatten möglich, sodass einerseits eine homogene Wärmeverteilung in dem Brennstoffzellenstapel sichergestellt werden kann, indem über die entsprechenden Wärmetauscher in den Endplatten die Endzellen quasi „warm“ eingepackt werden. Andererseits ist es möglich, überschüssige Abwärme aus dem Bereich der Stromsammelplatten, welche zwischen den Endzellen und den Endplatten angeordnet sind, bei Bedarf abzuführen, um so eine punktuelle Überhitzung oder ungewünscht hohe Erwärmung der Endzellen zu vermeiden.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Kühlmedienpumpe in dem Kühlkreislauf zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Kühlwärmetauscher angeordnet ist. Die Kühlmedienpumpe pumpt also das mit der gesamten Abwärme des Brennstoffzellenstapels beladene Kühlmedium von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Kühlwärmetauscher bzw. Radiator, in dessen Bereich es abgekühlt wird. Dies stellt sicher, dass druckseitig nach der Kühlmedienpumpe das Kühlmedium mit einem entsprechend hohen Temperaturniveau in dem Kühlkreislauf vorliegt und dadurch über die Zuleitung den Teilkreislauf mit den Endplatten mit entsprechend warmem Kühlmedium speisen kann, um so eine ausreichende Temperierung bzw. Beheizung der Endplatten einerseits bei gleichzeitiger Abkühlung bzw. Begrenzung der Maximaltemperatur der Stromsammelplatten auf die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren außerordentlich günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass in der jeweiligen Ableitung ein Thermostatventil angeordnet ist. Ein solches Thermostatventil in der jeweiligen Ableitung kann beispielsweise als aktiv angesteuertes Thermostatventil realisiert werden. Es kann insbesondere auf ein Temperaturniveau eingestellt werden, welches in etwa dem niedrigen Temperaturniveau in dem Kühlkreislauf entspricht. Bei einer PEM-Niedertemperaturbrennstoffzelle, welche den Brennstoffzellenstapel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ausbilden soll, wäre dies ein Temperaturniveau in der Größenordnung von 55 bis 60° C, während das hohe Temperaturniveau dementsprechend bei ca. 75 bis 80° C liegen würde. Über das Thermostatventil kann also bei einem Zulauf von Kühlmedium zu den Endplatten über die Zuleitung mit einer Temperatur von in etwa 75° C der Rücklauf so eingestellt werden, dass dieser beispielsweise bei einer Temperatur von 60° C erfolgt, sodass die Temperierung der Endplatten analog zur Kühlung der Einzelzellen in der Mitte des Stapels erfolgt.
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Das Thermostatventil kann dabei gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung als passives Thermostatventil ausgebildet sein. Es kann also beispielsweise über eine Memory-Legierung, eine Wachspatrone oder dergleichen passiv und selbstregelnd ausgestaltet sein, sodass dieses konstruktiv z.B. auf das oben beispielhaft genannte Temperaturniveau von 60° C eingestellt werden kann und keinerlei Überwachung und Ansteuerung mehr benötigt. Dies macht den Aufbau außerordentlich einfach und effizient.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass die Kühlmittelkanäle in den Endplatten im Gegenstrom zur Durchströmung der Einzelzellen durchströmt sind. Eine solche Durchströmung der Endplatten im Gegenstrom zur Durchströmung der Einzelzellen mit dem Kühlmedium erlaubt eine ideale Temperierung. Werden die Einzelzellen beispielsweise von rechts mit dem Kühlmedium beim niedrigen Temperaturniveau von 60° C angeströmt, dann verlässt das Kühlmedium dementsprechend die Einzelzellen mit dem hohen Temperaturniveau von 75° C auf der linken Seite. Dann können die Endplatten genau im Gegenstrom durchströmt werden, sodass sich hier dieselbe Temperaturverteilung einstellt und das zur Temperierung der Endplatten genutzte Medium auf der einen Seite mit 75° C einströmt und Wärme abgibt, um auf der anderen Seite mit 60° C wieder abzuströmen.
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Die Kühlmedienkanäle in den jeweiligen Endplatten können dabei beliebig ausgestaltet sein. Dabei sind prinzipiell mehrere parallel verlaufende Kanäle denkbar. Genauso gut könnte ein einziger Kanal eingesetzt werden, welcher gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee mäanderförmig durch die Endplatten verläuft. Insbesondere kann dies kombiniert werden, sodass also mehrere mäanderförmig parallel zueinander durch die Endplatte laufende Kanäle vorgesehen werden können.
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Sowohl die Zuleitung, insbesondere jedoch die Ableitung, kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems als Schlauchleitung aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere einem Kunststoff, ausgebildet sein. Hierdurch wird eine entsprechende Isolationsstrecke zwischen dem mit dem elektrischen Potential des Brennstoffzellenstapels in Kontakt stehenden Kühlmedium und der Kühlmedienpumpe gewährleistet. Dies lässt sich insbesondere durch eine Anpassung der Länge der Ableitung entsprechend des gewünschten Isolationswiderstands anpassen.
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Die Endplatten selbst können dabei aus Kunststoff ausgebildet werden, wobei dies z.B. dies ein faserverstärkter Kunststoff sein kann, aber nicht muss. Die Endplatten können außerdem eine mechanische Verstärkung aufweisen, welche vorzugsweise durch Rippen realisiert sein kann. Die mäanderförmigen Kanäle können beispielsweise so in die Endplatte eingebracht sein, dass diese von den zwischen der jeweiligen Endplatte und der Endzelle des Brennstoffzellenstapels angeordneten Stromableiterplatte verschlossen und abgedichtet werden.
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Die durchströmbaren Querschnitte der Endplatte selbst sowohl hinsichtlich der Kühlung als auch hinsichtlich der Versorgung mit Edukten können dabei entsprechend angepasst sein, wie es in der eingangs genannten
WO 2004/006370 A2 beschrieben ist oder wie es auch aus den beiden nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldungen der Anmelderin mit den Aktenzeichen
10 2021 206 594.5 und
10 2021 206 582.1 prinzipiell bekannt ist.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung sieht es nun ferner vor, dass der Brennstoffzellenstapel im bestimmungsgemäßen Einsatz mit einer in Stapelrichtung parallel zur Richtung der Schwerkraft aufgebaut ist. Ein solcher Aufbau wird auch als Pancake Anordnung bezeichnet. Dabei kann in Richtung der Schwerkraft oben in der dort angeordneten Endplatte wenigstens eine Entgasungsleitung für das Kühlmedium abzweigen, welche entgegen der Schwerkraft nach oben aufsteigende Gasblasen aus dem Kühlmedium zusammen mit einem kleinen Teilstrom des Kühlmediums aufnimmt. Diese wenigstens eine Entgasungsleitung kann aus dem Kühlkreislauf abzweigen und zu einem Kühlmittelausgleichsbehälter führen, wobei nun gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Ableitung dieser Endplatte und die wenigstens eine Entgasungsleitung ganz oder teilweise als gemeinsame Leitung ausgeführt sind. Zusammen mit dem bei der Entgasung abgezweigten Volumenstrom an Kühlmedium, welcher im Vergleich zum Gesamtvolumenstrom des Kühlmediums sehr klein ist, kann nun also der über die Ableitung aus dieser Endplatte zurückgeführte Teil des die Endplatte temperierenden Kühlmediums abgeführt werden. Er landet dann zusammen mit dem Volumenstrom der Entgasungsleitung in dem Kühlmedienausgleichsbehälter und wird aus diesem saugseitig von der Kühlmedienpumpe wieder angesaugt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann der Ausgleichsbehälter dabei als Ausgleichsbehälter mit einem Druckpolster ausgebildet sein, sodass ein bestehendes Druckniveau trotz der Möglichkeit Gase abzuscheiden und den Kühlmittelausgleichsbehälter entsprechend zu nutzen, erhalten bleibt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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In der einzigen beigefügten 1 ist ein angedeuteter Brennstoffzellenstapel in einer teilweisen Explosionsdarstellung zusammen mit einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems dargestellt.
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In der Darstellung der 1 ist aus einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystem 1 ein mit 2 bezeichneter Kühlkreislauf sowie ein in einer teilweisen Explosionsdarstellung gezeigter Brennstoffzellenstapel 3 zu erkennen. Der Brennstoffzellenstapel 3 umfasst eine kathodenseitige Endplatte 4 und eine mit 5 bezeichnete anodenseitige Endplatte. Zwischen diesen befinden sich zahlreiche Einzelzellen aus Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen, welche hier rein beispielhaft durch eine einzige Bipolarplatte 6 schematisch angedeutet sind. Sowohl die Endplatten 4, 5 als auch die Bipolarplatte 6 hat dabei mehrere Durchgangsöffnungen, über welche in an sich bekannter Art und Weise Medien zu- und abgeführt werden. Über die mit 7 bezeichnete Öffnung soll dabei Brennstoff zugeführt werden, über die mit 8 bezeichnete Öffnung Sauerstoff. Die mit 9 bezeichnete Öffnung dient der Zufuhr eines Kühlmedienstroms aus dem Kühlkreislauf 2. Auf der gegenüberliegenden Seite jeder der Platten 4, 5, 6 befinden sich dementsprechend eine Öffnung 10 zur Abfuhr des Kühlmediums, eine Öffnung 11 zur Abfuhr des Restsauerstoffs sowie eine Öffnung 12 zur Abfuhr des nicht verbrauchten Wasserstoffs. Dies ist dem Fachmann soweit bekannt.
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Der Brennstoffzellenstapel 3 selbst ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Stapelrichtung s parallel zur Schwerkraft g im bestimmungsgemäßen Einsatz des Brennstoffzellenstapels 3 ausgeführt. Diese Bauweise wird auch als Pancake Anordnung bezeichnet. Benachbart zu den jeweiligen Endplatten 4, 5 befinden sich dabei Stromsammelplatten 13, welche auch als „bus Bar“ bezeichnet werden. Benachbart zu diesen Stromsammelplatten 13 befindet sich dann eine Endzelle bzw. Interfacezelle des Brennstoffzellenstapels 3, an welche sich dann eine Vielzahl von regulären Einzelzellen anschließt.
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Die Kühlung des Brennstoffzellenstapels 3 erfolgt über den Kühlkreislauf 2. Eine Kühlmedienpumpe 14 fördert das Kühlmedium, welches über die mit 15 bezeichnete Leitung aus dem Brennstoffzellenstapel 3 zurückströmt entweder über einen mit 16 bezeichneten Kühlwärmetauscher bzw. Radiator oder über eine Bypassleitung 17 ganz oder teilweise um diesen Radiator 16 zu dem Brennstoffzellenstapel 3. Die Bypassleitung 17 dient dabei zur Beeinflussung der Temperatur und erlaubt, typischerweise zusammen mit einer Einstellung der Drehzahl der Kühlmedienpumpe 14 die Temperatur des zu dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführten Kühlmediums entsprechend zu beeinflussen. Typischerweise tritt das Kühlmedium dann mit in etwa 60° C in die durch die fluchtenden Öffnungen 9 ausgebildeten Kühlmedienzuleitung des Brennstoffzellenstapels 3 ein und strömt dann durch die einzelnen Bipolarplatten 6, bevor es über die mit 10 bezeichneten fluchtenden Öffnungen und die Leitung 15 wieder abströmt. In diesem Bericht des Kühlkreislaufs 2 hat das Kühlmedium dann typischerweise eine Temperatur von ca. 75° C, welche auch druckseitig nach der Kühlmedienpumpe 14 anliegt.
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Um nun einerseits die Endplatten 4, 5 entsprechend zu temperieren und andererseits die Stromsammelplatten 13, wenn nötig, entsprechend zu kühlen bzw. in ihrer Maximaltemperatur zu begrenzen, wird das druckseitig nach der Kühlmedienpumpe 14 heiße Medium mit den etwa 75° C über eine erste Zuleitung 18.1 und eine zweite Zuleitung 18.2 zu der jeweiligen Endplatte 4, 5 gefördert. Ein Teilstrom des Kühlmediums strömt also nicht über den Radiator 16, sondern direkt in den Bereich der jeweiligen Endplatte 4, 5. In jeder der Endplatten sind dabei hier mäanderförmig eingezeichnete Kühlmedienkanäle 19 angeordnet. Das über die Zuleitungen 18.1, 18.2 zuströmende Kühlmedium mit in etwa 75° C strömt dann in diese Kühlkanäle 19 der beiden Endplatten 4, 5 ein und durchströmt diese im Gegenstrom zu der Durchströmung der einzelnen Bipolarplatten 6 mit Kühlmedium. In dem Bereich, in dem das Kühlmedium aus den Bipolarplatten 6 im Inneren des Stapels 3 austritt, hat es in etwa 75° C, was in etwa der Temperatur des in den Bereich der Endplatten 4, 5 eintreten Kühlmediums entspricht. Das Kühlmedium in den Endplatten gibt dann Wärme an die den Endplatten 4, 5 benachbarten Endzellen des Brennstoffzellenstapels 3 ab und strömt über Ableitungen 20.1, 20.2 wieder aus den Endplatten 4, 5 ab und gelangt zurück zur Saugseite der Kühlmedienpumpe 14. Das aus den beiden Endplatten 4, 5 abströmende Kühlmedium hat dabei Wärme an die entsprechenden Endzellen abgegeben und hat dann eine Temperatur von in etwa 60° C beim Austritt aus den Kühlmedienkanälen 19 der jeweiligen Endplatte 4, 5. Durch die Führung dieses Teils des Kühlmediums durch die Endplatten 4, 5 im Gegenstrom zur Strömung des Kühlmediums in den Bipolarplatten 6 wird also annähernd dieselbe Temperaturverteilung im Bereich der Endplatten4, 5, wie in den einzelnen Bipolarplatten 6 und damit den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 3 erreicht. Damit lässt sich eine ideale Homogenisierung der Temperaturverteilung in dem gesamten Brennstoffzellenstapel 3 erzielen.
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Prinzipiell ließe sich nun der Volumenstrom durch die beiden Endplatten 4, 5 des Kühlmediums entsprechend steuern, um diese Bedingungen einzustellen. Hier wäre grundlegend eine aktive Steuerung denkbar. Alternativ dazu, und so ist hier dargestellt, können auch Thermostatventile 21.1, 21.2 in den beiden Ableitungen 20.1, 20.2 angeordnet sein, welche beispielsweise durch aktive Steuerung oder insbesondere durch eine passive konstruktive Auslegung der Thermostatventile 21.1, 21.2 auf in etwa 60° C eingestellt sind. Damit entsteht ein selbstregelndes System, welches die gewünschte Temperaturverteilung in den beiden Endplatten 4, 5 gewährleistet.
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Bei einem derartig angeordneten Brennstoffzellenstapel 3 ist es nun typischerweise so, dass dieser an der in Richtung der Schwerkraft oberen Endplatte 5, hier also der anodenseitigen Endplatte 5, Entgasungsöffnungen aufweist, an welche Entgasungsleitungen 22 angeschlossen sind. Diese Entgasungsleitungen 22 führen nun zu einem Kühlmedienausgleichsbehälter 23, aus welchem die Kühlmedienpumpe 14 saugseitig Medium ansaugen kann, sodass immer ein kleiner Teil des Volumenstroms, beispielsweise 1 % bis 5 % desselben, über die Entgasungsleitungen 20 in den Kühlmedienausgleichsbehälter 23 gelangen und von dort wieder in den Kühlkreislauf zurückgesaugt werden, ohne die abgeschiedenen Gasblasen mitzuführen. Der Kühlmedienausgleichsbehälter 23 kann beispielsweise über eine Ventileinrichtung 24 und eine Verbindung zur Abluftleitung 25 unter Druck gesetzt werden, um so Druckverluste über den Kühlmedienausgleichsbehälter 23 effektiv zu verhindern. Über das Ventil 24 können auch angesammelte Gase in die Abluftleitung 25 abgelassen werden.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass die beiden Entgasungsleitungen 22 der anodenseitigen Endplatte 5 und die Ableitung 20.2 für den zur Temperierung der Endplatte 5 genutzten Kühlmedienstrom zusammengeführt sind und zusammen zurücklaufen. Sie können insbesondere mit dem gesamten enthaltenen Volumenstrom in den Kühlmedienausgleichsbehälter strömen, sodass der zwischen der Abzweigung 26 und der Kühlmedienpumpe 14 liegende Teil der Ableitung 20.2 nicht weiter benötigt wird. An die Stelle des Thermostatventils 21.2 könnte dann ein Thermostatventil 21.3 rücken, welches vor dem Kühlmedienbehälter 23 entsprechend angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004006370 A2 [0004, 0020]
- DE 102006015247 A1 [0005]
- US 20120100450 A1 [0006, 0011]
- US 20060263663 A1 [0007]
- EP 2962350 B1 [0008]
- DE 102021206594 [0020]
- DE 102021206582 [0020]
