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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf
für einen
Brennstoffzellenstapel, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
mit einem Gaserzeugungssystem und einem Brennstoffzellenstapel,
welcher mittels eines derartigen Kühlkreislaufs gekühlt wird, nach
der im Oberbegriff von Anspruch 10 näher definierten Art.
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Der
gattungsgemäße Stand
der Technik ist durch die
DE
199 55 815 C2 beschreiben. Darin wird unter anderem ausgeführt, dass
im Falle der Verwendung einer Reformierungsanlage zum Bereitstellen von
Wasserstoff für
das Brennstoffzellensystem während
des Aufheizvorgangs aus dem Bereich der Reformierungsanlage bzw.
einem katalytischen Brenner abgegebene heiße Abgase zur Aufheizung des Brennstoffzellenkühlmittelkreislaufs
genutzt werden können.
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Nachteilig
bei den in der Schrift gemachten Ausführungen ist, dass hier keinerlei
technische Lösung
für diese
Detailidee angegeben wird. Insbesondere sind die Abgase, die hier
aus dem Bereich eines katalytischen Brenners stammen, auf einem
sehr hohen Temperaturniveau gegenüber dem Kühlmedium in einem Kühlkreislauf
der Brennstoffzelle, so dass die einfache Kopp lung des eines hierfür sicherlich zwangsweise
notwendigen Wärmetauschers
nicht funktionieren dürfte.
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Zum
weiteren allgemeinen Stand der Technik wird auf die
DE 101 07 875 A1 verwiesen,
welche ebenfalls einen Kühlkreislauf
für eine
Brennstoffzellenanlage darstellt. In dieser Schrift wird u.a. angegeben,
dass im Falle eines Kaltstarts der eigentliche Kühler in einem Bypass umgangen
werden kann, so dass eine Abkühlung
des sich noch erwärmenden Kühlmediums
in dem Kühler
unterbleibt und die Temperierung des Kühlmediums auf die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle dadurch beschleunigt wird.
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Es
ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkreislauf
für einen
Brennstoffzellenstapel, welcher mit wasserstoffhaltigem Gas aus dem
Bereich eines Gaserzeugungssystems versorgt wird, so auszugestalten,
dass ein sehr schneller Kaltstart des Brennstoffzellenstapels ermöglicht wird, ohne
diesen durch eine zu hohe Zufuhr an thermischer Energie in seiner
Funktionsfähigkeit
zu gefährden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Eine
verfahrensgemäße Lösung wird
durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 10 angegeben.
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Durch
den erfindungsgemäßen wenigstens einen
Bypass unmittelbar um den weiteren Wärmetauscher wird mit vergleichsweise
kleinem Aufwand eine sehr gute Möglichkeit
zur Steuerung bzw. Regelung der Temperatur des Temperierungsmediums
geschaffen. So kann der Brennstoffzellenstack sehr schnell und effizient
und dennoch sehr schonend aufgeheizt werden, weil durch eine entsprechende
Regelung der Volumenströme
durch den Bypass ei ne kontinuierliche Erwärmung des Temperierungsmediums
erzielt werden kann. Die dabei genutzte Wärme aus dem Abgas des Gaserzeugungssystems
kommt diesem Effekt außerdem
entgegen, da auch das Gaserzeugungssystem selbst eine Kaltstartphase durchläuft und
sich seine Abgase analog zur Erwärmung
des Gaserzeugungssystems selbst vergleichsweise langsam und kontinuierlich
erwärmen.
Die in den Abgasen anfallende Abwärme wird dann schon in einem
sehr frühen
Zeitpunkt für
den weiteren Wärmetauscher
auf das Temperierungsmedium übertragen,
welches dann unter Umgehung -des ihn gegebenenfalls abkühlenden
Kühlwärmetauschers
des Kühlkreislaufs
für eine
Erwärmung
des Brennstoffzellenstacks sorgt.
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Durch
den Bypass um den weiteren Wärmestauscher
wird dabei die ideale Regelbarkeit des Temperaturgradienten in dem
Temperierungsmedium erreicht, da dieses in unterschiedlichen Volumenströmen entweder
durch oder um den weiteren Wärmetauscher
und gegebenenfalls durch den Kühlwärmetauscher
geleitet werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
und aus dem anhand der Zeichnung folgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die
einzige Figur zeigt einen Kühlkreislauf
eines Brennstoffzellensystems.
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In
der Figur ist ein Kühlkreislauf 1 für einen Brennstoffzellenstapel 2 dargestellt.
Der Brennstoffzellenstapel soll dabei insbesondere aus mehreren einzelnen
Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran (PEM) bestehen, ohne
dass die Erfindung darauf eingeschränkt werden soll.
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Der
Brennstoffzellenstapel 2 wird in hier nicht dargestellter
Weise mit entsprechenden Betriebsmedien, beispielsweise Luft und
Wasserstoff, versorgt und gibt elektrische Energie ab. Der Wasserstoff
soll bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Bereich
eines Gaserzeugungssystem 3 stammen, in welchem in an sich
bekannter Weise aus flüssigen
kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffen, wie beispielsweise Benzin,
Diesel oder Methanol, ein wasserstoffhaltiges Gas zum Betreiben
des Brennstoffzellenstapels 2 erzeugt wird. Auch diese
wasserstoffseitige Verbindung des Gaserzeugungssystems 3 mit
dem Brennstoffzellenstapel 2 ist für den hier vorliegenden Kühlkreislauf 1 ohne
Bedeutung, so dass zur Vereinfachung auf seine Darstellung verzichtet
wurde.
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Der
wesentliche Teil des hier dargestellten Kühlkreislaufs umfasst einen
Wärmetauscher
hier im Bereich des Brennstoffzellenstapels 2, eine Kühlmittelfördereinrichtung 5 sowie
einen Kühlwärmetauscher 6 zur
Abgabe von thermischer Energie an die Umgebung. Der bevorzugte Einsatzweck
eines derartigen Kühlkreislaufs 1 liegt
im Bereich der Kühlung des
Brennstoffzellenstapels 2, wenn dieser, beispielsweise
in Fahrzeuganwendungen, als Hilfsenergieerzeuger (APU/Auxiliary
Power Unit) genutzt wird oder als zumindest Teil eines die Antriebsenergie
für das
Fahrzeug bereitstellenden Systems ist. Dementsprechend wird in dem
Kühlkreislauf 1 durch
die Kühlmittelfördereinrichtung 5 ein
hierfür
typischerweise eingesetztes Kühlmittel
verwendet, welches einerseits gute Kühleigenschaften und andererseits eine
hohe Frostsicherheit aufweist. Als Kühlmittel kann beispielsweise
ein Wasser-Glykol-Gemisch Verwendung finden.
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Der
Kühlwärmetauscher
bzw. Kühler 6 kann in
an sich bekannter Weise beispielsweise durch Fahrtwind oder unter
Zuhilfenahme einer Gebläseeinrichtung 7 von
ihn durchströmender
Luft ge kühlt werden.
Daneben sind jedoch auch andere Anwendungen denkbar, bei denen die
Wärmeabfuhr
aus dem Bereich des Kühlwärmetauschers 6 mittels
eines weiteren Kühlkreislaufs,
beispielsweise dem einer Klimatisierungseinrichtung oder dem der
Innenraumheizung eines Fahrzeugs, erfolgt.
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Zusätzlich zu
den bereits genannten Komponenten weist der Kühlkreislauf 1 einen
weiteren Wärmetauscher 8 auf,
welcher einerseits von den heißen Abgasen
des Gaserzeugungssystems 3 als Heizmedium und andererseits
von dem durch den Kühlkreislauf 1 zirkulierenden
Temperierungsmedium durchströmt
werden kann. Der weitere Wärmetauscher 8 weist
dabei einen Heizmedienbypass 9 auf, mittels welchem das
heiße
Abgas aus dem Gaserzeugungssystem 3, welches hier als Heizmedium
dient, um den weiteren Wärmetauscher 8 geleitet
werden kann. Die Steuerung bzw. Regelung der Volumenströme durch
den weiteren Wärmetauscher 8 einerseits
und durch den Heizmedienbypass 9 andererseits erfolgt mittels
einer Ventileinrichtung 10.
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Temperierungsmedienseitig
ist der weitere Wärmetauscher 8 parallel
zu dem Kühlwärmetauscher 6 geschaltet,
so dass der Kühlwärmetauscher 6 einen
Temperierungsmedienbypass 11 um den weiteren Wärmetauscher 8 darstellt,
während
der weitere Wärmetauscher 8 gleichzeitig
als ein Bypass um den Kühlwärmetauscher 6 gesehen
werden kann. Auch hier erfolgt die Regelung der durch den weiteren
Wärmetauscher 8 oder
durch dessen Bypass 11 und damit den Kühlwärmetauscher 6 strömenden Volumenströme über eine
Ventileinrichtung 12, welche beispielsweise als elektrisches
Proportionalventil oder als Drehschieberventil ausgebildet sein kann.
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Ein
derart aufgebauter Kühlkreislauf 1 eignet sich
nun in idealer Weise zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit
dem Gaserzeugungssystem 3. Beim Kaltstart eines derartigen Systems
wird üblicherweise
das Gaserzeugungssystem 3 zuerst gestartet und auf die
notwendige Betriebstemperatur gebracht. Während des Kaltstart des Gaserzeugungssystems 3,
welcher typischerweise mittels der sehr hohen Temperaturen von Verbrennungen
erfolgt, kommt es zu einer schnell zunehmenden Erwärmung der
Komponenten des Gaserzeugungssystems 3 sowie der aus dem
Bereich des Gaserzeugungssystems 3 in die Umgebung gelangenden
Abgase. Dadurch, dass diese Abgase durch den weiteren Wärmetauscher 8 geleitet
werden können,
kann mit diesen Abgasen zu einem sehr frühen Zeitpunkt das Temperierungsmedium,
welches dann ebenfalls durch den weiteren Wärmetauscher 8 geleitet
wird, aufgeheizt werden. Über
dieses Temperierungsmedium wird dann auch der Brennstoffzellenstack 2 durch den
Wärmetauscher 4 entsprechend
aufgeheizt, so dass dieser seine benötigte Betriebstemperatur in der
Größenordnung
von 80 °C
vergleichsweise schnell erreicht, insbesondere, da das Abgas aus dem
Gaserzeugungssystem 3 zumindest nach erfolgten Kaltstart
des Gaserzeugungssystems 3 sehr hohe Temperaturen in der
Größenordnung
von 300 – 400 °C und mehr
aufweist.
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Typischerweise
wird nun der weitere Wärmetauscher 8 dabei
nur während
des Starts des Brennstoffzellenstapels 2 von dem Temperierungsmedium durchströmt, so dass
die Anordnung des weiteren Wärmetauschers 8 parallel
zu dem Kühlwärmetauscher 6 besonders
sinnvoll ist, da dieser in der Startphase des Brennstoffzellenstapels 2 in
idealer Weise nicht durchströmt
wird, weil er für
eine Abkühlung
des Temperierungsmediums sorgen würde, welche in dieser Betriebsphase
kontraproduktiv wäre.
Ein Aufbau, welcher die beiden Systeme parallel beinhaltet, spart
sich zur Regelung der Temperatur gegebenenfalls erforderliche Bypassleitungen
um das jeweilige System, da der Kühlwärmetauscher 6 praktischen den
Temperierungsmedienbypass 11 um den weiteren Wärmetauscher 8 bildet
und umgekehrt. Neben der Einsparung an konstruktivem Aufwand und
Bauraum hin sichtlich der Leitungen lässt sich so außerdem mit
einer einzigen Ventileinrichtung 12 eine sehr umfassende
Regelung der Temperatur des Temperierungsmediums in praktisch allen
Betriebszuständen
des Brennstoffzellensystems erreichen.
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Außerdem weist
der weitere Wärmetauscher 8 den
Heizmedienbypass 9 auf, mittels welchem bei Bedarf das
heiße
Abgas aus dem Bereich der Gaserzeugungseinrichtung 3 um
den weiteren Wärmetauscher
geleitet werden kann. Bei einer entsprechenden Regelung der Volumenströme zueinander
entsteht auch hier eine Möglichkeit,
die in das Temperierungsmedium eingetragene Wärmemenge entsprechend zu beeinflussen.
Außerdem
bietet der Heizmedienbypass 9 die Möglichkeit, im regulären Betrieb den
weiteren Wärmetauscher 8 komplett
zu umgehen. Dies spart wiederum Energie, da die Druckverluste im
Bereich des Heizmedienbypass 9 typischerweise niedriger
sind als sie dies im Bereich des weiteren Wärmetauschers 8 wären.
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Bei
geöffnetem
Heizmedienbypass 9, welcher beispielsweise von einer elektromotorisch
oder elektromagnetisch angesteuerten Klappe geöffnet und geschlossen werden
kann, da eine derartige Konstruktion auch bei den im Abgas vorliegenden
hohen Temperaturen problemlos funktionsfähig ist, wird der weitere Wärmetauscher 8 dann
nicht oder nur minimal von den Abgasen des Gaserzeugungssystems 3 durchströmt. Dieser
kann so für
das Temperierungsmedium als ein den Wärmeeintrag nicht oder nur minimal
beeinflussender Bypass um den Kühlwärmetauscher 6 genutzt
werden, was die Möglichkeit
gibt, über
die Ventileinrichtung 12 im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems
die Temperatur des Temperierungsmediums entsprechend zu regeln,
selbstverständlich
vorausgesetzt, dass eine ausreichend große Kühlleistung im Bereich des Kühlwärmetauschers 6 zur
Verfügung
steht. Der so ausgebildete Kühlkreislauf 1 erlaubt
also bei minimalem Einsatz an Bauteilen und damit geringst mögli chem Raumbedarf
eine sehr hohe Flexibilität
des Brennstoffzellensystems sowohl während des Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels
als auch während
dem regulären
Betrieb desselben.
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Durch
die Möglichkeit,
mittels des weiteren Wärmetauschers 8 aus
dem Gaserzeugungssystem 3 stammende, und damit für den Kühlkreislauf 1 eine externe
Wärmezufuhr,
darstellende Abwärme
zu nutzen, entsteht der besonders Vorteil einer schnellen und exakten
Regelbarkeit der Temperatur des Temperierungsmediums sowohl hinsichtlich
einer Absenkung als auch hinsichtlich einer Anhebung der Temperatur
desselben, während
bei herkömmlichen
Systemen lediglich die Absenkung der Temperatur des Temperierungsmediums
durch eine entsprechend geeignete Kühlleistung beeinflusst werden
kann.
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Dadurch,
dass zur Erwärmung
aus dem Gaserzeugungssystem 3 ohnehin abfallende Abwärme genutzt
wird, kann außerdem
der Energieeinsatz zum Starten des Brennstoffzellensystems durch
den vorliegenden Kühlkreislauf
minimiert und damit letztendlich dessen Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.