DE19931062A1 - Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem - Google Patents
Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle und BrennstoffzellensystemInfo
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Abstract
Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (11) und einer Anordnung (20) zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle (11) beschrieben. Über die Anordnung (20) wird es ermöglicht, daß insbesondere bei einem schnellen Start des Brennstoffzellensystems (10) die Brennstoffzelle (11) vorgeheizt und beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht wird. Dazu ist in einer Strömungsleitung (21) für ein Heiz-/Kühlmedium eine Heizeinrichtung (23) vorgesehen, die das Heiz-/Kühlmedium erwärmt. Da die Strömungsleitung (21) derart mit der Brennstoffzelle (11) verbunden ist, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung (21) stattfinden kann, kann die von der Heizeinrichtung (23) im Heiz-/Kühlmedium erzeugte Wärme an die Brennstoffzelle (11) abgegeben werden. Im eingeschwungenen Betrieb der Brennstoffzelle (11) kann durch das in der Strömungsleitung (21) bewegte Heiz-/Kühlmedium die Verlustwärme der Brennstoffzelle (11) an eine Wärmesenke (25; 28) übertragen werden. Neben der Funktion zum schnellen Hochheizen der Brennstoffzelle (11) kann die Heizeinrichtung (23), wenn die Brennstoffzelle (11) in einem Fahrzeug angeordnet ist, gleichzeitig auch als Zusatzheizung oder Standheizung für das Fahrzeug genutzt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer
Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich
der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf
chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die
Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen
das Funktionsprinzip zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome
miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als
Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und
Reduktionsprozesse räumlich voneinander getrennt, was beispielsweise über eine
Membran erfolgt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Protonen
auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen
Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten,
beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise
Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die
Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie
Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muß man die jeweiligen
Kohlenwasserstoffe zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.
Die Brennstoffzellen werden idealerweise in einem engen Temperaturbereich
betrieben. Bei Brennstoffzellen mit protonenleitender Polymermembran (PEM-
Brennstoffzellen), die bevorzugt in mobilen Anwendungen, beispielsweise in
Fahrzeugen, eingesetzt werden, liegt dieser Temperaturbereich etwa zwischen 60°C
und 90°C.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum
Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle zu schaffen, mit der die Brennstoffzelle
möglichst weitgehend im idealen Temperaturbereich betrieben werden kann.
Insbesondere soll eine Anordnung bereitgestellt werden, mit der die Brennstoffzelle,
etwa zum Start eines Brennstoffzellensystems, beschleunigt auf die ideale
Betriebstemperatur gebracht werden kann. Weiterhin soll ein entsprechend
verbessertes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine
Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle, mit einer Strömungsleitung für
ein Heiz-I Kühlmedium, die derart mit der Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar
ist, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Heiz-
/Kühlmedium in der Strömungsleitung stattfindet oder stattfinden kann, und mit einer
Heizeinrichtung, die mit der Brennstoffzelle thermisch verbunden oder verbindbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann eine Brennstoffzelle auf einfache Weise
sehr schnell auf den idealen Betriebstemperaturbereich erwärmt werden. Regelmäßig
entsteht in der Brennstoffzelle während des Betriebs Verlustwärme, wodurch sich die
Brennstoffzelle aufheizt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur muß daher die in der
Brennstoffzelle entstehende überschüssige Verlustwärme abgeführt werden. Die
Aufheizphase der Brennstoffzelle bis zum Erreichen der idealen Betriebstemperatur
benötigte bisher einen unerwünscht langen Zeitraum, was insbesondere für einen
schnellen Start der Brennstoffzelle von Nachteil war. Gemäß einem Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erwärmung der Brennstoffzelle nunmehr
zusätzlich über eine gesonderte Heizeinrichtung, die mit der Brennstoffzelle thermisch
verbunden oder verbindbar ist. Dabei kann die Heizeinrichtung entweder direkt oder
indirekt mit der Brennstoffzelle verbunden sein. Eine indirekte Verbindung kann
beispielsweise über die Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium der
Brennstoffzelle erfolgen. Diese Ausgestaltung wird weiter unten näher beschrieben.
Wenn beispielsweise ein schneller Start - etwa ein Kaltstart - der Brennstoffzelle
erforderlich ist, kann die Brennstoffzelle durch die separate Heizeinrichtung vorgeheizt
und somit beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden. Damit ist
die Brennstoffzelle bereits nach kürzester Zeit voll einsatzbereit. Dies ist insbesondere
beim Betrieb von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wünschenswert, da das Fahrzeug
normalerweise möglichst direkt nach dem Einsteigen bewegt werden soll. In anderer
Ausgestaltung kann es erwünscht sein, die Brennstoffzelle zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt zu starten, was beispielsweise über eine geeignete Zeitsteuerung - etwa
einen Timer oder dergleichen - erfolgen kann. In diesem Fall kann der Start-Zeitpunkt
für die Brennstoffzelle zunächst über die Zeitsteuerung festgelegt werden. Zum
eingestellten Zeitpunkt wird dann unter anderem auch die Heizeinrichtung gestartet, so
daß diese die Brennstoffzelle vorheizen und auf die ideale Betriebstemperatur bringen
kann. Die beiden beschriebenen Beispiele sind rein exemplarischer Natur, so daß die
Erfindung nicht auf diese beiden Ausführungsformen beschränkt ist.
Erfindungsgemäß ist die Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium derart mit der
Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar, daß ein thermischer Austausch zwischen
der Brennstoffzelle und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung stattfindet
oder stattfinden kann. Dazu kann die Brennstoffzelle beispielsweise zumindest
bereichsweise von der Strömungsleitung durchsetzt sein. In demjenigen Bereich der
Strömungsleitung, der die Brennstoffzelle durchsetzt, kann die Strömungsleitung
beispielsweise als Rohrschlange oder dergleichen ausgebildet sein. Die
Strömungsleitung wird von dem Heiz-/Kühlmedium durchströmt, wodurch ein
Wärmeaustausch zwischen dem Heiz-/Kühlmedium und der Brennstoffzelle erfolgt.
Insbesondere, wenn das Heiz-/Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelle, das heißt
zur Abfuhr der Verlustwärme in der Brennstoffzelle, dient, kann das Heiz-/Kühlmedium,
das die Strömungsleitung durchströmt, zunächst noch gekühlt werden. Beim
Durchströmen desjenigen Bereichs der Strömungsleitung, der sich in der
Brennstoffzelle befindet, wird die von der Brennstoffzelte erzeugte Verlustwärme an
das in der Strömungsleitung befindliche Heiz-/Kühlmedium abgegeben.
Auf der anderen Seite kann das in der Strömungsleitung befindliche Heiz-/Kühlmedium
auch zum Beheizen der Brennstoffzelle herangezogen werden. In diesem Fall wird das
Heiz-/Kühlmedium, das die Strömungsleitung durchströmt, vor dem Eintritt in die
Brennstoffzelle erwärmt. Eine solche Ausgestaltungsform der Erfindung wird im
weiteren Verlauf der Beschreibung näher beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung als Brenner oder elektrisches Heizelement
ausgebildet.
Wenn die Heizeinrichtung als Brenner, insbesondere als katalytischer Brenner,
ausgebildet ist, kann sie beispielsweise aus einem Teilstrom des Brennstoffs der
eigentlich für die Brennstoffzelle bestimmt ist, betrieben werden. Wird der Brennstoff
der Brennstoffzelle in einer vorgeschalteten Baugruppe aus einem anderen
Energieträger erzeugt, wie zum Beispiel Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas,
Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff, so kann die Heizeinrichtung auch
direkt mit diesen Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Es ist auch denkbar, die
Heizeinrichtung über den Abgasstrom des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels
der Brennstoffzelle zu betreiben, da in diesen noch brennbare Bestandteile
(Kathodenabgas) bzw. Sauerstoff (Anodenabgas) enthalten sind.
Wenn die Heizeinrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet ist, kann die
benötigte elektrische Energie insbesondere in der ersten Zeit, das heißt in der Zeit des
Anfahrens der Brennstoffzelle, durch eine Batterie zur Verfügung gestellt werden.
Wenn die Brennstoffzelle in einem Fahrzeug verwendet wird, kann als Batterie die
Batterie für das Bordnetz des Fahrzeugs verwendet werden. Das elektrische
Heizelement kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als Heizdraht, Heizspule
oder dergleichen ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist die Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium als geschlossener Heiz-/
Kühlkreislauf ausgebildet. Auf diese Weise kann die Menge des in der
Strömungsleitung zirkulierenden Heiz-/Kühlmediums minimiert werden, da während
eines Umlaufzyklus kein Heiz-/Kühlmedium aus der Strömungsleitung entweichen
kann.
In weiterer Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung in der Strömungsleitung angeordnet.
Dadurch kann die Übertragung der Wärme, die insbesondere zum schnellen Start der
Brennstoffzelle erforderlich ist, über den Heiz-/Kühlkreislauf der Brennstoffzelle
erfolgen. Durch diese indirekte thermischen Verbindung der Heizeinrichtung mit der
Brennstoffzelle wird zum einen erreicht, daß die Brennstoffzelle vorgeheizt und
beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden kann. Zum anderen
kann die Heizeinrichtung bei einer derartigen Anordnung noch weitere Funktionen
übernehmen, die weiter unten näher beschrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Strömungsleitung eine Fördereinrichtung für das
Heiz-/Kühlmedium vorgesehen sein. Über eine solche Fördereinrichtung kann die
Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/Kühlmediums innerhalb der Strömungsleitung
eingestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/Kühlmediums beeinflußt
gleichzeitig auch die Wärmeaustauschrate zwischen dem Heiz-/Kühlmedium und der
Brennstoffzelle.
Je nach Art des verwendeten Heiz-/Kühlmediums kann die Fördereinrichtung
unterschiedlich ausgebildet sein. Wenn beispielsweise ein flüssiges Heiz-/Kühlmedium
wie Wasser, Öl oder dergleichen verwendet wird, ist die Fördereinrichtung
vorzugsweise als Pumpe ausgebildet. Wird als Heiz-/Kühlmedium beispielsweise ein
Gas wie Luft oder dergleichen verwendet, ist die Fördereinrichtung vorzugsweise als
Gebläse ausgebildet. Die Erfindung ist nicht auf die genannten Fördereinrichtungen
beschränkt.
Vorteilhaft kann in der Strömungsleitung eine Wärmesenke angeordnet sein. Im
eingeschwungenen Betrieb bei Nenntemperatur der Brennstoffzelle kann durch das die
Strömungsleitung durchströmende Heiz-/Kühlmedium die Verlustwärme der
Brennstoffzelle an die Wärmesenke übertragen werden. Die Wärmesenke kann
beispielsweise ein Kühler sein, der die Wärme an die Umgebungsluft abgibt.
In weiterer Ausgestaltung kann die Wärmesenke über ein Ventil, insbesondere ein
Drei-Wege-Ventil mit der Strömungsleitung verbunden sein. Insbesondere zum Start
der Brennstoffzelle wird dieses Ventil derart geschaltet, daß das Heiz-/Kühlmedium -
etwa über eine geeignete Bypass-Leitung - an der Wärmesenke vorbeigeführt werden
kann. Wenn die Heizeinrichtung innerhalb der Strömungsleitung angeordnet ist, kann
auf diese Weise zunächst die Brennstoffzelle auf die gewünschte Temperatur gebracht
werden. Wenn die Brennstoffzelle die ideale Betriebstemperatur erreicht hat und
nunmehr die Verlustwärme abgeführt werden muß, kann das Ventil so umgestellt
werden, daß die vom Heiz-/Kühlmedium aufgenommene Wärme an die Wärmesenke
abgegeben wird.
Vorteilhaft kann in der Strömungsleitung noch eine weitere Wärmesenke vorgesehen
sein. Diese fungiert beispielsweise als außerhalb der Brennstoffzelle wirkende Heizung
und kann etwa zur Klimatisierung der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs dienen. Dazu
kann die Wärmesenke beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Die in der
Brennstoffzelle entstehende Verlustwärme kann somit über das die Strömungsleitung
durchströmende Heiz-/Kühlmedium aus dieser abgeführt und zu dem weiteren
Wärmetauscher transportiert werden. Im Wärmetauscher wird dem Heiz-/Kühlmedium
die Wärme entzogen, so daß diese anschließend zur Klimatisierung der Fahrgastzelle
verwendet werden kann.
Insbesondere, wenn die weiter oben beschriebene Heizeinrichtung, die mit der
Brennstoffzelle verbunden ist, in der Strömungsleitung angeordnet ist, kann diese
ebenfalls zur Beheizung der Fahrgastzelle - etwa als Zusatzheizung oder
Standheizung - benutzt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die
Brennstoffzelle im niedrigen Leistungsbereich betrieben wird, wo sie nur wenig
Abwärme erzeugt, und die Wärmeabnahme an der Wärmesenke oder den
Wärmesenken groß ist, zum Beispiel bei niedrigen Außentemperaturen. Die
Heizeinrichtung kann in der beschriebenen Betriebsart nicht nur zum Vorheizen der
Brennstoffzelle genutzt werden, sondern auch im stationären Betrieb der
Brennstoffzelle, wo sie eine Abkühlung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
unter den Minimalwert des idealen Temperaturbereichs der Brennstoffzelle
entgegenwirken kann. Dies kann sowohl bei Systemen mit und ohne Wärmesenke
notwendig sein, wenn die Brennstoffzelle bei niedriger Leistungsabgabe betrieben wird
und die Außentemperaturen extrem niedrig sind.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit
einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung zum
Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der
Funktionsweise des Brennstoffzellensystems wird auf die vorstehenden Ausführungen
zur erfindungsgemäßen Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle
vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Vorzugsweise kann die Heizeinrichtung mit einer Zuleitung für den Brennstoff für die
Brennstoffzelle verbunden sein. Dadurch kann die Heizeinrichtung, wenn diese als
Brenner ausgebildet ist, aus einem Teilstrom des Brennstoffs der Brennstoffzelle
betrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung mit einer Anordnung zum
Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs für die Brennstoffzelle verbunden sein. In dieser
Ausgestaltung kann eine als Brenner ausgebildete Heizeinrichtung direkt mit solchen
Stoffen betrieben werden, aus denen der Brennstoff für die Brennstoffzelle erzeugt
beziehungsweise aufbereitet wird.
In anderer Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung mit einer Ableitung für den
Brennstoff und/oder der Ableitung für das Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelle
verbunden sein. Üblicherweise sind die aus der Brennstoffzelle austretenden
Abgasströme heiß, so daß diese Wärme zur Erwärmung des Heiz-/Kühlmediums
innerhalb der Strömungsleitung verwendet werden kann.
In weiterer Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem zwei oder mehr
Brennstoffzellen aufweisen. Üblicherweise werden in einem Brennstoffzellensystem
mehr als zwei Brennstoffzellen verwendet, die dann einen sogenannten
Brennstoffzellenstack bilden. Die Anzahl der in einem solchen Brennstoffzellenstack
zusammengefaßten Brennstoffzellen ergibt sich aus den Leistungsanforderungen an
das Brennstoffzellensystem.
Vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung zum
Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle in einem oder für ein Fahrzeug verwendet
werden.
Weiterhin kann auch ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes
Brennstoffzellensystem vorzugsweise in einem oder für ein Fahrzeug verwendet
werden.
Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im
Fahrzeugsektor bieten sich für die Erfindung auf diesem Gebiet besonders gute
Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu
nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder
dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik
besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder
dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit
Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen
haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen,
weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von
mechanischem Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige
Figur in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug dargestellt, das eine
Reihe von Brennstoffzellen 11 aufweist, die zu einem Brennstoffzellenstack
zusammengefaßt sind. Der besseren Übersicht halber ist in der Figur nur eine einzige
Brennstoffzelle 11 dargestellt.
Weiterhin ist eine Anordnung 20 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 11
vorgesehen. Die Anordnung 20 weist eine als geschlossener Heiz-/Kühlkreislauf 22
ausgebildete Strömungsleitung 21 auf, die von einem flüssigen Heiz-/Kühlmedium,
beispielsweise Wasser, Öl oder dergleichen, durchströmt wird. Zum Beheizen/Kühlen
der Brennstoffzelle 11 ist ein Teil der Strömungsleitung 21 derart mit der
Brennstoffzelle 11 verbunden, daß ein thermischer Austausch zwischen der
Brennstoffzelle 11 und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung 21 stattfindet
oder stattfinden kann. Dazu ist die Brennstoffzelle 11 von einem Teilbereich der
Strömungsleitung 21 durchsetzt. In diesem Teilbereich ist die Strömungsleitung 21
vorzugsweise als Rohrschlange ausgebildet.
In der Strömungsleitung 21 ist weiterhin eine als Pumpe ausgebildete
Fördereinrichtung 24 vorgesehen, über die die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/
Kühlmediums eingestellt und reguliert wird.
Weiterhin ist eine als luftgekühlter Kühler ausgebildete Wärmesenke 25 vorgesehen,
die über ein Drei-Wege-Ventil 26 mit der Strömungsleitung 21 verbunden ist. Zur
Umgehung der Wärmesenke 25 ist weiterhin eine Bypass-Leitung 27 vorgesehen, die
mit dem Ventil 26 und der Strömungsleitung 21 verbunden ist.
Schließlich ist in der Strömungsleitung 21 noch eine weitere Wärmesenke 28
vorgesehen, die wie die Wärmesenke 25 als indirekter Wärmetauscher ausgebildet ist
und beispielsweise zur Klimatisierung der Fahrgastzelle des Fahrzeugs (nicht
dargestellt) verwendet wird, in dem die Brennstoffzelle 11 eingebaut ist.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10
beschrieben.
Wenn das Brennstoffzellensystem 10 zum Betreiben eines Fahrzeugs verwendet wird,
ist es wünschenswert, daß das Brennstoffzellensystem 10 direkt nach dem Start des
Fahrzeugs eine ausreichende Leistung bereitstellt, damit das Fahrzeug betrieben
werden kann. Dazu ist es erforderlich, daß die Brennstoffzelle 11 möglichst schnell auf
die ideale Betriebstemperatur, die bei einer PEM-Brennstoffzelle zwischen 60°C und
90°C liegt, gebracht wird. Um dies zu erreichen, wird eine in der Strömungsleitung 21
angeordnete Heizeinrichtung 23, die beispielsweise als katalytischer Brenner
ausgebildet ist, betätigt. Über den Heiz-/Kühlkreislauf 22 wird die von der
Heizeinrichtung 23 auf das Heiz-/Kühlmedium übertragene Wärme durch die
Strömungsleitung 21 zur Brennstoffzelle 11 transportiert und dort an diese abgegeben.
Somit wird die Brennstoffzelle 11 über die Heizeinrichtung 23 vorgeheizt und
beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht.
Um die von der Heizeinrichtung 23 erzeugte Wärme nicht an die Wärmesenke 25
abzugeben, ist das Ventil 26 in der Startphase der Brennstoffzelle 11 so geschaltet,
daß das Heiz-/Kühlmedium über die Bypass-Leitung 27 an der Wärmesenke 25
vorbeigeleitet wird. Entsprechendes kann auch für die Wärmesenke 28 vorgesehen
sein.
Im eingeschwungenen Betrieb der Brennstoffzelle 11 bei Nenntemperatur muß die in
der Brennstoffzelle 11 erzeugte Verlustwärme abgeführt werden. Dies geschieht über
das die Strömungsleitung 21 durchströmende Heiz-/Kühlmedium. Dazu wird die in der
Brennstoffzelle 11 erzeugte Verlustwärme auf das sich im Heiz-/Kühlkreislauf 22
zirkulierende Heiz-/Kühlmedium übertragen. Diese vom Heiz-/Kühlmedium mitgeführte
Wärme kann nunmehr auf die Wärmesenke 25, die im vorliegenden Fall als
luftgekühlter Kühler ausgebildet ist, übertragen werden. Dazu wird zunächst das Ventil
26 derart umgeschaltet, daß die Bypass-Leitung 27 gesperrt ist und das Heiz-
/Kühlmedium nunmehr durch die Wärmesenke 25 hindurchströmt. Die Wärmesenke
25 nimmt die im Heiz-/Kühlmedium gespeicherte Wärme auf und gibt diese an die
Umgebungsluft ab. Wenn sich die Brennstoffzelle 11 im eingeschwungenen Zustand
befindet und die Verlustwärme über das Heiz-/Kühlmedium aus der Brennstoffzelle 11
abgeführt wird, wird die Heizeinrichtung 23 in der Regel abgeschaltet, um eine
zusätzliche Erwärmung des Heiz-/Kühlmediums und unnötigen Energieverbrauch zu
verhindern.
Wenn die Brennstoffzelle 11 beispielsweise nur im niedrigen Leistungsbereich
betrieben wird, wo sie nur wenig Abwärme erzeugt, und wenn die Wärmeabnahme an
der weiteren Wärmesenke 28, die als reguläre Heizung für die Fahrgastzelle dient,
etwa auf Grund von niedrigen Außentemperaturen besonders hoch ist, kann die
Heizeinrichtung 23 als Zusatzheizung oder aber auch als Standheizung für die
Fahrgastzelle genutzt werden. Über die Heizeinrichtung 23 wird das Heiz-/
Kühlmedium in der Strömungsleitung 21, das bereits die geringe Abwärme aus der
Brennstoffzelle 11 aufgenommen hat, weiter erwärmt, so daß ein ausreichendes
Wärmepotential im Heiz-/Kühlmedium erzeugt wird, das an die Wärmesenke 28
abgegeben werden kann. Zweckmäßigerweise wird über eine entsprechende
Betätigung des Ventils 26 der Strom des Heiz-/Kühlmediums zur Vermeidung
unerwünschter Wärmeverluste dann über die Bypass-Leitung 27 an der Wärmesenke
25 vorbeigeleitet. In Betriebsphasen, in denn die Brennstoffzelle 11 zwar für den
Bedarf der Wärmesenke 28 ausreichend, aber für die normale Kühlleistung der
Wärmesenke 25 zu wenig Wärme liefert, kann das Ventil 26 so geschaltet werden,
daß zur Vermeidung einer zu starken Temperaturabsenkung das Heiz-/Kühlmedium
zeitweilig oder nur mit einem Teilstrom über die Bypass-Leitung 27 geführt wird.
Die Heizeinrichtung 23 kann nicht nur zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems 10
genutzt werden, sondern ist auch im stationären Betrieb des Brennstoffzellensystems
10 nützlich, weil sie bei geringer elektrischer Leistung einer Absenkung der
Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 11 unter den Minimalwert des idealen
Temperaturbereichs entgegenwirken kann.
10
Brennstoffzellensystem
11
Brennstoffzelle
20
Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle
21
Strömungsleitung
22
Heiz-/Kühlkreislauf
23
Heizeinrichtung
24
Fördereinrichtung
25
Wärmesenke
26
Ventil
27
Bypass-Leitung
28
Wärmesenke
Claims (15)
1. Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle, mit einer
Strömungsleitung (21) für ein Heiz-/Kühlmedium, die derart mit der
Brennstoffzelle (11) verbunden oder verbindbar ist, daß ein thermischer
Austausch zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem Heiz-/Kühlmedium in der
Strömungsleitung (21) stattfindet oder stattfinden kann und mit einer
Heizeinrichtung (23), die mit der Brennstoffzelle (11) thermisch verbunden oder
verbindbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung (23) als Brenner oder elektrisches Heizelement
ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsleitung (21) als geschlossener Heiz-/Kühlkreislauf (22)
ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung (23) in der Strömungsleitung (21) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Strömungsleitung (21) eine Fördereinrichtung (24) für das Heiz-
/Kühlmedium angeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Strömungsleitung (21) eine Wärmesenke (25) angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmesenke (25) über ein Ventil (26), insbesondere ein Drei-Wege-
Ventil, mit der Strömungsleitung (21) verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Strömungsleitung (21) eine weitere Wärmesenke (28) vorgesehen
ist.
9. Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (11) und mit einer
Anordnung (20) zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle nach einem der
Ansprüche 1 bis 8.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung (23) mit einer Zuleitung für den Brennstoff für die
Brennstoffzelle verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung (23) mit einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten
des Brennstoffs für die Brennstoffzelle verbunden ist.
12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelle (11) eine Ableitung für den Brennstoff und eine
Ableitung für das Oxidationsmittel aufweist und daß die Heizeinrichtung (23) mit
der Ableitung für den Brennstoff und/oder der Ableitung für das Oxidationsmittel
verbunden ist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehr Brennstoffzellen (11) vorgesehen sind.
14. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum
Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelte in einem oder für ein Fahrzeug.
15. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 9 bis 13
in einem oder für ein Fahrzeug.
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