DE102022112560A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Jan Mehring
Stefan Kaimer
Julio Orozco Santos Coy
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), wenigstens einer Kühlvorrichtung (8) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) und wenigstens einer Zuführvorrichtung (14) zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle (2). Um die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems (1) zu verbessern, weist das Brennstoffzellensystem (1) wenigstens eine Begrenzungseinrichtung (19) zum Begrenzen eines Druckunterschieds zwischen dem Druck, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung (14) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist, und einem Druck, mit dem ein Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung (8) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist, auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, wenigstens einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und wenigstens einer Zuführvorrichtung zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, das wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist.
  • Um eine Haltbarkeit einer Brennstoffzelle zu gewährleisten, sollte ein Druckunterschied zwischen einer Gasseite, über die der Brennstoffzelle ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt wird, und einer Kühlmittelseite, über die der Brennstoffzelle ein Kühlmittel zugeführt wird, auf einen maximalen Grenzwert begrenzt werden. Bei einem heutigen Kühlsystem zum Kühlen einer Brennstoffzelle wird das maximale Druckniveau des Kühlsystems üblicherweise durch ein Druckbegrenzungsventil im Einfülldeckel eines Ausgleichsbehälters begrenzt. Das Mindestdruckniveau ist hingegen meist nicht begrenzt. Bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen kann das Druckniveau in dem Ausgleichsbehälter unter 1 bar liegen. Ein Druckniveau des Kühlmittels am Einlass der Brennstoffzelle kann unter Berücksichtigung des oben genannten Druckniveaus des Ausgleichsbehälters und einer hydraulischen Druckerhöhung durch eine Kühlmittelpumpe des Kühlsystems bestimmt sein. Das Kühlmitteldruckniveau am Einlass der Brennstoffzelle hängt also vom Systemdruck in dem Ausgleichsbehälter und dem durch die Kühlmittelpumpe verursachten Druckanstieg ab. Dies führt zwangsläufig zu unterschiedlichen Druckniveaus am Einlass der Brennstoffzelle.
  • Die DE 10 2019 217 567 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack, einer Sauerstoffversorgung, einem Abgaspfad, einer Brennstoffversorgung und einem Kühlkreislauf, wobei der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher, eine Kühlmittelpumpe und einen Ausgleichsbehälter aufweist. Eine Verbindungsleitung ist zwischen dem Ausgleichsbehälter und einer Zweigstelle des Abgaspfades angeordnet, wobei die Verbindungsleitung ein Mittel zur Durchflusskontrolle aufweist.
  • Die US 6 905 792 B2 offenbart ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, das Blasen in einem Kühlmittel einfängt und einen Stapel und die Membran eines Befeuchters schützt, indem der Kühlmitteldruck der Brennstoffzelle reguliert wird. Zudem verhindert das Kühlsystem, dass sich Fremdstoffe im Kühlmittel lösen.
  • Die US 7 494 730 B2 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle, wobei eine Kühlflüssigkeit zwischen der Brennstoffzelle und einem Wärmetauscher zirkuliert. Die Kühlvorrichtung trennt das in die Kühlflüssigkeit eingeführte Gas, mischt das getrennte Gas mit der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt oder aus dieser abgeführt wird, und führt dann das Gas ab.
  • Die US 2007 / 026 267 A1 offenbart ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenraum, dem ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und einen Kathodenraum aufweist, dem über ein Luftansaugsystem ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird. Wenigstens in der Brennstoffzelle ist eine Kühleinrichtung angeordnet, die Teil eines Kühlkreislaufs ist, in dem ein flüssiges Kühlmittel bewegt wird. In dem Kühlkreislauf werden außerhalb der Brennstoffzelle im flüssigen Kühlmittel enthaltene gasförmige Bestandteile abgeschieden und über einen Ausleitungskanal, der keine Zündquellen für ein zündfähiges Gasgemisch enthält, dem Luftansaugsystem zugeführt.
  • Die US 2009 / 269 639 A1 offenbart ein Produkt mit einem Kühlmitteltankreservoir für Brennstoffzellen, das eine Öffnung und ein Druckentlastungsventil aufweist, das derart konstruiert und angeordnet ist, dass es sich in einer geschlossenen Position befindet, wenn der Druck in dem Tank kleiner als ein erster Druck ist, und sich in einer offenen Position befindet, wenn der Druck in dem Tank größer als der erste Druck ist. Eine Kühlfluidleitung ist um einen Abschnitt des Druckentlastungsventils gewickelt, um dieses zu erwärmen.
  • Die US 2009 / 087 708 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Druckbeaufschlagungsventil, das an einem Kühlwasserzirkulationsweg vorgesehen ist, einem Vorratsbehälter, in den das Kühlwasser durch ein Rohr strömt, wenn das Druckventil geöffnet ist, einem Luftzufuhrrohr, das mit dem Vorratstank verbunden ist, um Luft zum Verdünnen eines Brenngases zuzuführen, wenn sich das Brenngas in dem Vorratstank ansammelt, und einem Abgasrohr für verdünntes Gas zum Abführen des verdünnten Brenngases aus dem Vorratstank.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Haltbarkeit eines Brennstoffzellensystems zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, das wenigstens eine Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines Druckunterschieds zwischen dem Druck, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, und einem Druck, mit dem ein Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert aufweist.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
  • Erfindungsgemäß wird der Druckunterschied zwischen dem Druck, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, und dem Druck, mit dem ein Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, mit der Begrenzungseinrichtung automatisch auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert begrenzt. Hierdurch wird die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und somit des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert, da über dem vorgegebenen Grenzwert liegende Druckunterschiede zwischen Gas und Kühlmittel die Brennstoffzelle bzw. deren Haltbarkeit deutlich beeinträchtigen würden. Der obere Grenzwert kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bar bis 2 bar liegen, insbesondere kleiner als 2 bar, beispielsweise kleiner als 1 bar, sein.
  • Die Begrenzungseinrichtung kann eine aktive, beispielsweise elektronische, oder passive Begrenzungseinrichtung sein. Eine aktive Begrenzungseinrichtung kann wenigstens einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, wenigstens einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks, mit dem das Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, wenigstens eine Auswertungselektronik zum Vergleichen der erfassten Druckwerte bzw. zum Ermitteln des Druckunterschieds zwischen den erfassten Druckwerten und wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Einheit zum Beeinflussen des jeweiligen Drucks oder beider Drücke gemeinsam aufweisen. Der Druckunterschied kann beispielsweise aus einer Differenz dGas-dKühlmittel ermittelt werden, wobei dGas der Druck ist, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist, und dKühimittel der Druck ist, mit dem das Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zuführbar ist. Die Auswertungselektronik kann zudem eingerichtet sein, den ermittelten Druckunterschied mit einem abgespeicherten vorgegebenen oberen Grenzwert zu vergleichen und die elektrisch ansteuerbare Einheit zur Begrenzung des Druckunterschieds anzusteuern, wenn der Druckunterschied ansonsten den vorgegebenen oberen Grenzwert überschreiten würde.
  • Die Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle kann einen Kühlmittelkreislauf aufweisen, der wenigstens einen von einem mittels einer Kühlmittelpumpe des Kühlmittelkreislaufs in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher, insbesondere Kühler, aufweist. Zudem kann der Kühlmittelkreislauf einen Ausgleichsbehälter zum Ausgleichen eines Kühlmitteldrucks innerhalb des Kühlmittelkreislauf aufweisen.
  • Die Zuführvorrichtung zum Zuführen des Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle kann wenigstens einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter zum Zuführen eines unter Druck stehenden Gases zu der Brennstoffzelle aufweisen. Der Verdichter kann über wenigstens eine Zuführleitung der Zuführvorrichtung mit der Brennstoffzelle verbunden sein.
  • Das der Brennstoffzelle zuführbare Gas kann beispielsweise Luft sein. Der Brennstoffzelle ist zudem ein Brennstoff zuführbar, der beispielsweise Wasserstoff sein oder enthalten kann. Das Brennstoffzellensystem kann auch zwei oder mehr, insbesondere zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefasste, Brennstoffzellen aufweisen, die gemeinsam mittels der Kühlvorrichtung kühlbar sind. Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise zum Erzeugen von elektrischer Energie in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug verbaut werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung wenigstens einen Ausgleichsbehälter und die Begrenzungseinrichtung wenigstens ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil, mittels dem ein Druck innerhalb des Ausgleichsbehälters einstellbar ist, auf. Mittels des Magnetventils kann also das Druckniveau in dem Ausgleichsbehälter aktiv geregelt werden. Hierbei ist die Begrenzungseinrichtung als aktive Begrenzungseinrichtung ausgebildet, wie es oben beschrieben ist. Das Magnetventil kann zwei Schaltstellungen aufweisen, wobei das Magnetventil in der einen Schaltstellung geschlossen ist und in der anderen Schaltstellung zum Ablassen von in dem Ausgleichsbehälter enthaltener Luft geöffnet ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung wenigstens einen Ausgleichsbehälter und die Begrenzungseinrichtung wenigstens eine Verbindungsleitung, über die eine in der Brennstoffzelle mündende Zuführleitung der Zuführvorrichtung mit dem Ausgleichsbehälter verbunden ist, auf. Diese Ausgestaltung stellt eine passive Ausgestaltung der Begrenzungseinrichtung dar. Über die Verbindungsleitung wird der Druck in dem Ausgleichsbehälter auf dem Druckniveau in der Zuführleitung gehalten, was zuverlässig verhindert, dass ein die Haltbarkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigender Druckunterschied zwischen diesen Drücken gegeben ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Begrenzungseinrichtung wenigstens ein an der Verbindungsleitung angeordnetes Rückschlagventil auf, das sich öffnet, wenn ein Druck in der Zuführleitung um einen vorgegebenen Mindestgrenzwert größer als ein Druck in dem Ausgleichsbehälter ist. Hierdurch kann ein Druckausgleich lediglich in Richtung des Ausgleichsbehälters erfolgen, hingegen nicht in Richtung der Zuführleitung. Auch diese Ausgestaltung stellt eine passive Ausgestaltung der Begrenzungseinrichtung dar. Das Rückschlagventil kann verhindern, dass Kühlmittel aus der Kühlvorrichtung über die Verbindungsleitung in die Zuführleitung gelangt, was die Brennstoffzelle beschädigen würde. Über eine Federsteifigkeit eines Federelements des Rückschlagventils kann zudem eine Mindestdruckdifferenz für den Druckausgleich festgelegt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Begrenzungseinrichtung wenigstens einen an der Verbindungsleitung angeordneten Druckübersetzer auf, mit dem der Druck in dem Ausgleichsbehälter höher als der Druck in der Zuführleitung haltbar ist. Hierdurch kann der Druck in dem Ausgleichsbehälter auf einem höheren Niveau als der Druck in der Zuführleitung gehalten werden, was von Vorteil sein kann, wenn es gewünscht ist, dass der Kühlmitteldruck an dem Brennstoffzelleneingang höher als der Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Gases ist. Diese Ausgestaltung stellt eine ebenfalls passive Ausgestaltung der Begrenzungseinrichtung dar.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Begrenzungseinrichtung wenigstens ein an der Verbindungsleitung angeordnetes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil auf. Diese Ausgestaltung stellt eine Ausgestaltung einer aktiven Begrenzungseinrichtung dar, wie sie oben beschrieben ist. Über das Magnetventil kann die Verbindungsleitung in einer Schließstellung des Magnetventils geschlossen und in einer Durchlassstellung des Magnetventils freigegeben werden.
  • Die obige Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, gemäß dem ein Druckunterschied zwischen einem Druck, mit dem ein Sauerstoff enthaltendes Gas der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einem Druck, mit dem ein Kühlmittel der Brennstoffzelle zugeführt wird, automatisch auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert begrenzt wird.
  • Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das Brennstoffzellensystem genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Begrenzung des Druckunterschieds über ein Einstellen eines Drucks innerhalb eines Ausgleichsbehälter einer Kühlvorrichtung des Brennstoffzellensystems. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann das Einstellen des Drucks innerhalb des Ausgleichsbehälters über ein mit dem Ausgleichsbehälter verbundenes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Begrenzung des Druckunterschieds über ein Verbinden eines Ausgleichsbehälters einer Kühlvorrichtung des Brennstoffzellensystems über wenigstens eine Verbindungsleitung mit einer in die Brennstoffzelle mündenden Zuführleitung einer dem Brennstoffzellensystem eigenen Zuführvorrichtung zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Begrenzung des Druckunterschieds über wenigstens ein an der Verbindungsleitung angeordnetes Rückschlagventil, das sich öffnet, wenn ein Druck in der Zuführleitung um einen vorgegebenen Mindestgrenzwert größer als ein Druck in einem Ausgleichsbehälter einer dem Brennstoffzellensystem eigenen Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Begrenzung des Druckunterschieds unter Verwendung von wenigstens einem an der Verbindungsleitung angeordneten Druckübersetzer, mit dem der Druck in dem Ausgleichsbehälter höher als der Druck in der Zuführleitung haltbar ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Begrenzung des Druckunterschieds über wenigstens ein an der Verbindungsleitung angeordnetes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem;
    • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem;
    • 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem; und
    • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 2 mit einer Anode 3, einer Kathode 4 und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten 5 auf. Der Brennstoffzelle wird ein Brennstoff, hier Wasserstoff, über eine Brennstoffzuleitung 6 zugeführt. Über eine Abgasleitung 7 werden überschüssiger Brennstoff sowie Wasser aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist zudem eine Kühlvorrichtung 8 zum Kühlen der Brennstoffzelle 2 auf. Die Kühlvorrichtung 8 weist hierzu einen Kühlmittelkreislauf 9 auf, an den die Brennstoffzelle 2 angeschlossen ist und in dem ein nicht gezeigtes Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 10 des Kühlmittelkreislaufs 9 umwälzbar ist. Die Kühlvorrichtung 8 weist einen an den Kühlmittelkreislauf 9 angeschlossenen Kühler 11 und einen an den Kühlmittelkreislauf 9 angeschlossenen Ausgleichsbehälter 12 auf. Der Kühlmittelkreislauf 9 weist zudem ein schaltbares Ventil 13 auf, über das ein Kühlmittelstrom wahlweise durch den Kühler 11 oder durch eine Bypass-Leitung führbar ist. Letzteres kann erfolgen, wenn die Temperatur des Kühlmittels unter einer gewünschten Arbeitstemperatur liegt. Das Ventil 13 kann als Thermostat ausgebildet sein.
  • Zudem weist das Brennstoffzellensystem 1 einer Zuführvorrichtung 14 zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases, hier Luft, zu der Brennstoffzelle 2 auf. Die Zuführvorrichtung 14 weist einen mit einem Elektromotor 15 antreibbaren Verdichter 16 und eine Zuführleitung 17 zum Zuführen des Gases zu der Brennstoffzelle 2 auf. Ungenutztes Gas kann über eine Auslassleitung 18 aus der Brennstoffzelle abgeführt werden.
  • Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Begrenzungseinrichtung 19 zum Begrenzen eines Druckunterschieds zwischen dem Druck, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung 14 der Brennstoffzelle 2 zuführbar ist, und einem Druck, mit dem das Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung 8 der Brennstoffzelle 2 zuführbar ist, auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert auf. Die Begrenzungseinrichtung 19 weist ein über eine Ablassleitung 20 mit dem Ausgleichsbehälter 12 verbundenes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil 21 auf, mittels dem ein Druck innerhalb des Ausgleichsbehälters 12 einstellbar ist.
  • Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Entlüftungsleitung 28 auf, die einerseits mit der Brennstoffzelle 2 und andererseits mit dem Ausgleichsbehälter 12 verbunden ist. Dabei führt die Entlüftungsleitung 28 von einem nicht gezeigten lokalen Höhenmaximum des Kühlmittelkreislaufs 9, das beispielsweise durch einen nicht gezeigten Schlauch oder eine nicht gezeigte Kühlkomponente des Kühlmittelkreislaufs 9 gebildet sein kann, zu einem Gasbereich 29 des höher als das lokale Höhenmaximum angeordneten Ausgleichsbehälters 12, also einem Bereich 29 des Ausgleichsbehälters 12, der oberhalb eines Kühlmittelspiegels 30 innerhalb des Ausgleichsbehälters 12 angeordnet ist. Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Rückführleitung 31 mit einem Eingang der Kühlmittelpumpe 10 verbunden, so dass der Druck im Ausgleichsbehälter 12 dem geringsten Druckniveau in der Kühlvorrichtung 8 entspricht.
  • An einem nicht gezeigten Kühlmitteleingang der Brennstoffzelle 2 liegt ein Druck pZelle=pAB+pPumpe an, wobei pAB der Druck innerhalb des Ausgleichsbehälters 12 und pPumpe der mit der Kühlmittelpumpe 10 jeweilig erzeugte Druck ist, wobei letzterer zwischen 0 bar und 1,5 bar liegen kann. Mit dem Verdichter 16 kann ein Druck pGas erzeugt werden, der beispielsweise zwischen 1,2 bar und 2 bar liegen kann.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich dadurch von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass die Begrenzungseinrichtung 19 statt des Magnetventils eine Verbindungsleitung 22, über die die in der Brennstoffzelle 2 mündende Zuführleitung 17 der Zuführvorrichtung 14 mit dem Ausgleichsbehälter 12 verbunden ist, und ein an der Verbindungsleitung 22 angeordnetes Rückschlagventil 23 aufweist, das sich öffnet, wenn ein Druck in der Zuführleitung 17 um einen vorgegebenen Mindestgrenzwert größer als ein Druck in dem Ausgleichsbehälter 12 ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich dadurch von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass die Begrenzungseinrichtung 19 zusätzlich einen an der Verbindungsleitung 22 angeordneten Druckübersetzer 24 aufweist, mit dem der Druck in dem Ausgleichsbehälter 12 höher als der Druck in der Zuführleitung 17 haltbar ist. Dabei beträgt der Druck in dem Ausgleichsbehälter pAB=pZ·A1/A2, wobei pz der Druck in der Zuführleitung 17, A1 eine Kolbenfläche eines Kolbens 25 des Druckübersetzers 24 und A2 eine Kolbenfläche eines Kolbens 26 des Druckübersetzers 24 ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich dadurch von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass die Begrenzungseinrichtung 19 statt des Rückschlagventils ein an der Verbindungsleitung 22 angeordnetes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil 27 aufweist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
  • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Anode
    4
    Kathode
    5
    Elektrolyt
    6
    Brennstoffzuleitung
    7
    Abgasleitung
    8
    Kühlvorrichtung
    9
    Kühlmittelkreislauf
    10
    Kühlmittelpumpe
    11
    Kühler
    12
    Ausgleichsbehälter
    13
    schaltbares Ventil
    14
    Zuführvorrichtung
    15
    Elektromotor
    16
    Verdichter
    17
    Zuführleitung
    18
    Auslassleitung
    19
    Begrenzungseinrichtung
    20
    Ablassleitung
    21
    Magnetventil
    22
    Verbindungsleitung
    23
    Rückschlagventil
    24
    Druckübersetzer
    25
    Kolben
    26
    Kolben
    27
    Magnetventil
    28
    Entlüftungsleitung
    29
    Gasbereich von 12
    30
    Kühlmittelspiegel
    31
    Rückführleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019217567 A1 [0003]
    • US 6905792 B2 [0004]
    • US 7494730 B2 [0005]
    • US 2007/026267 A1 [0006]
    • US 2009/269639 A1 [0007]
    • US 2009/087708 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), wenigstens einer Kühlvorrichtung (8) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) und wenigstens einer Zuführvorrichtung (14) zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle (2), gekennzeichnet durch wenigstens eine Begrenzungseinrichtung (19) zum Begrenzen eines Druckunterschieds zwischen dem Druck, mit dem das Gas mittels der Zuführvorrichtung (14) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist, und einem Druck, mit dem ein Kühlmittel mittels der Kühlvorrichtung (8) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist, auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (8) wenigstens einen Ausgleichsbehälter (12) aufweist und die Begrenzungseinrichtung (19) wenigstens ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil (21), mittels dem ein Druck innerhalb des Ausgleichsbehälters (12) einstellbar ist, aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (8) wenigstens einen Ausgleichsbehälter (12) aufweist und die Begrenzungseinrichtung (19) wenigstens eine Verbindungsleitung (22), über die eine in der Brennstoffzelle (22) mündende Zuführleitung (17) der Zuführvorrichtung (14) mit dem Ausgleichsbehälter (12) verbunden ist, aufweist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (19) wenigstens ein an der Verbindungsleitung (22) angeordnetes Rückschlagventil (23) aufweist, das sich öffnet, wenn ein Druck in der Zuführleitung (17) um einen vorgegebenen Mindestgrenzwert größer als ein Druck in dem Ausgleichsbehälter (12) ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (19) wenigstens einen an der Verbindungsleitung (22) angeordneten Druckübersetzer (24) aufweist, mit dem der Druck in dem Ausgleichsbehälter (12) höher als der Druck in der Zuführleitung (17) haltbar ist.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (19) wenigstens ein an der Verbindungsleitung (22) angeordnetes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil (27) aufweist.
  7. Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (1), das wenigstens eine Brennstoffzelle (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckunterschied zwischen einem Druck, mit dem ein Sauerstoff enthaltendes Gas der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, und einem Druck, mit dem ein Kühlmittel der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, automatisch auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert begrenzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Druckunterschieds über ein Einstellen eines Drucks innerhalb eines Ausgleichsbehälter (12) einer Kühlvorrichtung (8) des Brennstoffzellensystems (1) erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Druckunterschieds über ein Verbinden eines Ausgleichsbehälters (12) einer Kühlvorrichtung (8) des Brennstoffzellensystems (1) über wenigstens eine Verbindungsleitung (22) mit einer in die Brennstoffzelle (2) mündenden Zuführleitung (17) einer dem Brennstoffzellensystem (1) eigenen Zuführvorrichtung (14) zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle (2) erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Druckunterschieds über wenigstens ein an der Verbindungsleitung (22) angeordnetes Rückschlagventil (23) erfolgt, das sich öffnet, wenn ein Druck in der Zuführleitung (17) um einen vorgegebenen Mindestgrenzwert größer als ein Druck in einem Ausgleichsbehälter (12) einer dem Brennstoffzellensystem (1) eigenen Kühlvorrichtung (8) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) ist.
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