EP2409353A1 - Cooling devices for a fuel cell system - Google Patents

Cooling devices for a fuel cell system

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Publication number
EP2409353A1
EP2409353A1 EP10708927A EP10708927A EP2409353A1 EP 2409353 A1 EP2409353 A1 EP 2409353A1 EP 10708927 A EP10708927 A EP 10708927A EP 10708927 A EP10708927 A EP 10708927A EP 2409353 A1 EP2409353 A1 EP 2409353A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cooling
component
cooling device
cooling circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10708927A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Harr
Cosimo Mazzotta
Armin MÜTSCHELE
Holger Richter
Hans-Jörg SCHABEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2409353A1 publication Critical patent/EP2409353A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for a fuel cell system, according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a cooling device in a fuel cell system for driving a means of transport.
  • Fuel cell systems for generating electrical energy from gaseous educts, such as hydrogen and oxygen or air, are known from the general state of the art.
  • gaseous educts such as hydrogen and oxygen or air
  • a so-called low-temperature fuel cell as the core element of the fuel cell system.
  • a common type of such a low-temperature fuel cell for example, the so-called PEM fuel cell, which is generally operated at a temperature level of 60-90 ° C.
  • the fuel cell system usually has a cooling circuit which dissipates excess waste heat from the area of the fuel cell and from the area of other components.
  • the other components may be components of the fuel cell system, for example an air conveyor or a hydrogen recirculation fan to return unused hydrogen from an area to the anode of the fuel cell in the area in front of the anode of the fuel cell. There, the recirculated, unused hydrogen with fresh hydrogen, for example, mixed from a pressurized gas tank and fed back to the anode of the fuel cell.
  • other components in particular electrical and / or electronic components, in particular for the drive of the means of transport, be present, which also require cooling.
  • the second cooling circuit typically has a lower temperature level than the cooling circuit for the fuel cell, and serves to cool these components.
  • DE 103 14 820 A1 provides that this "dangerous" moisture is expelled by a dry purge gas, so that the gases present in the system are so dry that the above-mentioned problem can not occur slightly different approach to solving this Problem operates JP 2008-041433 A, in which by the operation of the hydrogen recirculation fan heating and drying of the gases is achieved at least in the anode circuit.
  • Both solutions have the disadvantage that they require additional energy or appropriate connections and components to promote when switching off a dry gas through the corresponding line areas.
  • both structures have the disadvantage that they should be used only for energy reasons, only if it is actually a shutdown for a correspondingly longer period is pending. This makes the required control relatively expensive and causes unnecessary energy losses in a fast restart of the fuel cell system.
  • the inventive cooling of the component together with the fuel cell in a cooling circuit has the advantage that the component is cooled to a relatively high temperature level.
  • the electronic components in a gas delivery device are by far not as complex as in other power electronic components, such as a drive control for a traction drive, a DC / DC converter or the like. They can therefore be relatively easily and inexpensively designed so that they can withstand even this higher temperature level over a longer period without damage.
  • the component at the higher temperature level of the fuel cell itself, however, when the system is switched off, the component cools down more slowly with respect to the surrounding line elements, since during operation it had a correspondingly high temperature level and stores the heat longer due to its mass as for example a conduit element.
  • the fuel cell and at least the at least one component Cool more slowly than the surrounding areas in the form of other components, line elements or the like. Upon cooling, the moisture is then drawn off into these areas, which cool down correspondingly faster, and condenses there.
  • the risk of condensing droplets in the region of the component can thus be massively reduced without significant additional effort, so that the problem described above will no longer occur in a restart under freezing conditions. Compared to the prior art, this can be achieved without additional components for heating, flushing or the like.
  • the effect of the operation of the fuel cell system with such a cooling device automatically, so it is independent of the duration until the restart always and without additional control effort available.
  • a further cooling circuit is present at a lower temperature level, by which electronic components not in the area of the component and / or further auxiliary units can be cooled.
  • This construction provides for the combination of a fuel cell system with a low-temperature and a high-temperature cooling circuit, which is known per se from the prior art and described at the outset.
  • the low-temperature cooling circuit cools in particular the components of the drive electronics, electronic converters and the like.
  • the at least one component with the gas delivery device which would also be cooled as an electronic component in the conventional structure of this low-temperature cooling circuit, but now shifted into the high-temperature circuit for cooling the fuel cell itself. This ensures that the component is at a higher temperature during operation. As a result, it cools down accordingly when the system is turned off so that moisture does not condense in the gas delivery region of the component but in the regions surrounding the component, for example the line elements.
  • the at least one component has a thermal insulation.
  • the cooling device according to the invention for a fuel cell system is particularly suitable for fuel cell systems, which are frequently started, stopped and restarted, and which are also located in areas in which there is a risk of freezing of condensed water due to the low temperatures.
  • a particularly favorable and advantageous use of the cooling device according to the invention for fuel cell systems is therefore to be seen in fuel cell systems, which are used to drive means of transport.
  • means of transport may be understood to mean various means of transport on land, in the water or in the air, in particular Vehicles for the transport of persons or goods, Logistics vehicles, Ships or submarines.
  • Vehicles for the transport of persons or goods
  • Logistics vehicles Ships or submarines.
  • the use in aircraft is conceivable, wherein the electrical energy is typically not used for propulsion of the aircraft, but to drive ancillaries.
  • FIG. 1 shows an exemplary fuel cell system in an indicated vehicle.
  • Fig. 2 shows a cooling device according to the invention in a first embodiment; and
  • FIG. 3 shows a high-temperature cooling circuit according to the invention in a second embodiment.
  • a very highly schematic vehicle 1 is indicated as an exemplary means of transport.
  • the vehicle 1 is equipped with a fuel cell system 2, which is surrounded by the dotted line.
  • a fuel cell 3 as the heart of the fuel cell system 2 provides electrical power, which is provided via a DC / DC converter 4 or other comparable electronic component to a vehicle electrical system of the vehicle 1 available.
  • the electrical power is used primarily to drive the vehicle 1, which is indicated here by a power electronics 5 and an electric motor 6 accordingly.
  • About an axis 7 wheels 8 of the vehicle 1 are driven by the electric motor 6 in the schematic representation chosen here.
  • the electrical power generated by the fuel cell 3 can also be made available to other electrical or power electronic elements, which are indicated here by the box 9 by way of example.
  • a storage device 10 for electrical energy for example in the form of a battery and / or a high-power capacitor, may be provided.
  • the fuel cell 3 should be formed in the embodiment shown here as a stack of individual PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane), as a so-called stack.
  • the fuel cell 3 has a cathode space 11 and an anode space 12, which are separated from one another by a polymer membrane as the electrolyte.
  • About an air conveyor 13 is the cathode compartment 11 of the Fuel cell 3 supplied air as oxygen-containing gas.
  • the spent exhaust air then passes in this embodiment of the fuel cell system 2 from the cathode chamber 11 into a turbine 14, in which it is relaxed before it is discharged to the environment of the vehicle 1.
  • the air conveying device 13 comprises, in addition to a conveying region 15 and an electric machine 16, also this turbine 14 just described.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • Energy can be recovered from the exhaust air via the turbine 14, so that not all of the energy required to convey the air has to be applied by the electric machine 16. If, in special cases, there is an energy surplus at the turbine 14, so that more energy is available at the turbine 14 than is required for conveying the air in the air conveying region 15, which is typically designed as a flow compressor, then the electric machine 16 can be used Energy is recovered in generator operation and fed into the electrical system of the vehicle 1.
  • the supply of the anode compartment 12 of the fuel cell 3 takes place in the embodiment shown here with hydrogen, which is stored in a compressed gas tank 17 in the vehicle 1.
  • a corresponding metering valve 18, which will typically comprise a pressure reducer the hydrogen is supplied from the compressed gas tank 17 to the anode chamber 12 of the fuel cell 3.
  • usually more hydrogen is metered into the fuel cell 3 than can be consumed therein.
  • the excess hydrogen is passed out of the region of the anode chamber 12 via a recirculation line 19 and a recirculation conveyor 20, which will usually be designed as a hydrogen recirculation fan with a gas delivery region 21 and an electric drive motor 22.
  • the recirculation conveyor 20 supports the recycling of the unused anode exhaust gas. This is then mixed with the fresh, coming from the pressurized gas tank 17 hydrogen and fed back to the anode compartment 12 of the fuel cell 3 as a common hydrogen flow.
  • the vehicle 1 In such a fuel cell system 2 as well as in the electrical and / or electronic components of the vehicle 1 usually falls during operation waste heat, which must be actively removed.
  • the vehicle 1 usually has two cooling circuits 23, 24, which are shown by way of example in FIG.
  • the cooling circuits 23, 24 are divided into a high-temperature cooling circuit 23 and a low-temperature cooling circuit 24.
  • the temperature of the high-temperature cooling circuit 23 will be in the range of the typical temperature level for operation of the fuel cell 3, ie at about 60-90 ° C.
  • the temperature of the low temperature refrigeration circuit 24 will be lower than this temperature level because the refrigeration cycle 24 serves to cool electrical and / or electronic components which can generally be made simpler, less expensive, and longer life if cooled to a temperature level which is below the temperature level of the high-temperature cooling circuit. Typical temperature levels for the low-temperature cooling circuit are therefore below 60 ° C.
  • heat exchangers are now drawn on different components and provided with the Roman numeral corresponding to the Arabic numbering of the component.
  • These heat exchangers IM, IV, V, VI, IX, XIII and XX represent, by way of example, the most important components to be cooled of the fuel cell system 2 and of the vehicle electrical system or drive of the vehicle 1.
  • each of the cooling circuits via a coolant conveyor 25, 26 and a cooling heat exchanger 27, 28 has.
  • the cooling heat exchangers 27, 28 are comparable to the vehicle radiator in conventional equipped with an internal combustion engine vehicles. They are usually streamed by the wind and cool the flowing in the cooling circuits 23 and 24 cooling medium. If required, they can also be supplied by way of ventilators 29, 30 indicated by way of example, in order to improve the cooling of the cooling medium in the respective cooling circuit 23, 24.
  • the high-temperature cooling circuit 23 cools the fuel cell 3, which is indicated here by the box denoted IM, which symbolizes the heat exchanger IM in the region of the fuel cell 3.
  • the cooling medium flows through the heat exchanger XX of the recirculation conveyor 20 in a series connection, before it flows through the heat exchanger IM of the fuel cell 3.
  • the further cooling circuit 24 at the lower temperature level
  • the heat exchangers IV, V 1 VI of the DC / DC converter 4, the power electronics 5 of the drive and the drive motor 6 are shown in a serial shading.
  • the cooling medium flows through the heat exchanger IX of the further electrical and / or electronic components 9 in a parallel branch indicated by way of example.
  • the illustration of the heat exchanger XIII of the air conveyor 13 was omitted in FIG. 2, which could in principle be used both in the high-temperature circuit 23 and in the low-temperature circuit 24 to be ordered.
  • the problem also occurs in the air conveyor 13, but here fresh air is sucked from the environment, which at this time still has not too high humidity. More problematic in the area of the air conveyor 13 is the area of the turbine 14, since here too exhaust gas laden with product water flows out of the cathode area, which likewise brings with it a great deal of moisture, which can condense correspondingly in this area.
  • the recirculation conveyor 20 Due to the fact that the cooling of the recirculation conveyor 20 takes place actively in the high-temperature cooling circuit 23 via the heat exchanger XX, it is achieved that the recirculation conveyor 20 is operated as a component of the fuel cell system 2 at a comparatively high temperature level. Since the recirculation conveying device 20 with the gas conveying region 21 and the electric drive motor 22 as a whole has a comparatively high mass, during operation of the fuel cell system 2, the entire mass will be heated to a temperature which corresponds approximately to the temperature level of the high-temperature cooling circuit 23. This ensures that when the fuel cell system 2 is switched off, the recirculation conveyor 20 is at a relatively high temperature level and cools correspondingly slowly.
  • a thermal insulation 31 may also be provided in the region of the recirculation conveyor 20, as indicated schematically in FIG.
  • the risk that the moisture now condenses itself in the region of the fuel cell 3 and freezes there is comparatively low, since the fuel cell 3 itself is also at the temperature level of the high-temperature cooling circuit 23, and since the fuel cell cools slowly with a comparatively large mass anyway.
  • the fuel cell 3 itself may also be provided with a thermal insulation, which is not shown here.
  • the heat exchangers XIII of the air conveyor 13, XX of the recirculation conveyor 20 and III of the fuel cell 3 are now flowed through in parallel by the cooling medium in the cooling circuit 23 here.
  • the distribution volume flows of the cooling medium in the cooling circuit 23 to the individual heat exchangers XIII, XX and Ml can be done by means of suitable orifices and / or valve means 32 in the individual strands of the cooling circuit 23.

Abstract

A cooling device for a fuel cell system (2) comprises at least one cooling circuit (24) by means of which a fuel cell (3) can be cooled. The fuel cell system further comprises at least one component (20) which has at least one electric drive area (22) and a gas delivery area (21). A gas can be delivered to the fuel cell (3) by the gas delivery area (21). The component (20) is actively cooled. According to the invention, cooling the component (20, XX) and cooling the fuel cell (3, III) is conducted jointly within one cooling circuit (24).

Description

Kühlvorrichtungen für ein Brennstoffzellensystem Cooling devices for a fuel cell system
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Kühlvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Transportmittels.The invention relates to a cooling device for a fuel cell system, according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a cooling device in a fuel cell system for driving a means of transport.
Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von elektrischer Energie aus gasförmigen Edukten, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere zur Anwendung in Transportmitteln, wie insbesondere in Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen, sind dabei sehr häufig mit einer sogenannten Niedertemperaturbrennstoffzelle als Kernelement des Brennstoffzellensystems ausgerüstet. Ein verbreiteter Typ einer derartigen Niedertemperaturbrennstoffzelle ist beispielsweise die sogenannte PEM- Brennstoffzelle, welche im Allgemeinen auf einem Temperaturniveau von 60 - 90° C betrieben wird. Um dieses Temperaturniveau der Brennstoffzelle während des Betriebs sicherzustellen, weist das Brennstoffzellensystem üblicherweise einen Kühlkreislauf auf, welcher überschüssige Abwärme aus dem Bereich der Brennstoffzelle und aus dem Bereich anderer Komponenten abführt. Die anderen Komponenten können dabei Komponenten des Brennstoffzellensystems sein, beispielsweise eine Luftfördereinrichtung oder ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, um unverbrauchten Wasserstoff aus einem Bereich nach der Anode der Brennstoffzelle in den Bereich vor der Anode der Brennstoffzelle zurückzuführen. Dort wird der zurückgeführte, unverbrauchte Wasserstoff mit frischem Wasserstoff, beispielsweise aus einem Druckgastank gemischt und wieder der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Neben derartigen Komponenten, welche unmittelbar dem Brennstoffzellensystem zuzurechnen sind, können auch weitere Komponenten, insbesondere elektrische und/oder elektronische Bauteile, insbesondere auch für den Antrieb des Transportmittels, vorhanden sein, welche ebenfalls der Kühlung bedürfen. In sehr vielen Systemen ist daher ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen, da insbesondere elektrische und elektronische Bauteile, wie beispielsweise Leistungselektronik-Komponenten oder Elektromotoren, im Allgemeinen eine bessere Leistungsfähigkeit und eine längere Lebensdauer aufweisen, wenn sie auf ein entsprechend niedriges Temperaturniveau gekühlt werden. Daher weist der zweite Kühlkreislauf typischerweise ein niedrigeres Temperaturniveau, als der Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle, auf und dient der Kühlung dieser Komponenten.Fuel cell systems for generating electrical energy from gaseous educts, such as hydrogen and oxygen or air, are known from the general state of the art. In particular, for use in means of transport, such as in particular in passenger cars and commercial vehicles, are very often equipped with a so-called low-temperature fuel cell as the core element of the fuel cell system. A common type of such a low-temperature fuel cell, for example, the so-called PEM fuel cell, which is generally operated at a temperature level of 60-90 ° C. In order to ensure this temperature level of the fuel cell during operation, the fuel cell system usually has a cooling circuit which dissipates excess waste heat from the area of the fuel cell and from the area of other components. The other components may be components of the fuel cell system, for example an air conveyor or a hydrogen recirculation fan to return unused hydrogen from an area to the anode of the fuel cell in the area in front of the anode of the fuel cell. There, the recirculated, unused hydrogen with fresh hydrogen, for example, mixed from a pressurized gas tank and fed back to the anode of the fuel cell. In addition to such components, which are directly attributable to the fuel cell system, other components, in particular electrical and / or electronic components, in particular for the drive of the means of transport, be present, which also require cooling. In many systems, therefore, a further cooling circuit is provided, since in particular electrical and electronic components, such as power electronics components or electric motors, generally have better performance and longer life when cooled to a correspondingly low temperature level. Therefore, the second cooling circuit typically has a lower temperature level than the cooling circuit for the fuel cell, and serves to cool these components.
Nun ist es bei Brennstoffzellensystemen außerdem bekannt, dass die Edukte, welche zu der Brennstoffzelle strömen, eine gewisse Feuchtigkeit enthalten müssen, um ein Austrocknen der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die von der Brennstoffzelle abströmenden Produkte, also im Allgemeinen die Abluft aus dem Kathodenbereich und das aus dem Anodenbereich abströmende unverbrauchte Gas, welches über das Wasserstoffrezirkulationsgebläse zurückgeführt wird, weisen außerdem in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehendes Produktwasser auf. Die Tatsache, dass die Leitungselemente eines Brennstoffzellensystems von Gasen durchströmt werden, welche einen hohen Feuchtigkeitsgehalt und/oder Flüssigkeitströpfchen aufweisen, ist hinsichtlich des Absteilens und insbesondere hinsichtlich eines späteren Wiederanfahrens des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts außerordentlich kritisch. Die sich in den Leitungen bildenden Flüssigkeitströpfchen können unter diesen Umständen nämlich gefrieren und beim Wiederstart zu erheblichen Problemen führen. Insbesondere im Bereich der Luftfördereinrichtung sowie des Wasserstoffrezirkulationsgebläses kann es zu einem Gefrieren von Wassertröpfchen im Inneren des Gasförderbereichs kommen. Insbesondere bei Strömungsverdichtern und Gebläsen können die zur Förderung des Gases benötigten Schaufelelemente dadurch an den Wandungen des Gasförderbereichs festfrieren. Beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems ist die entsprechende Komponente dann nicht funktionsfähig, sondern muss erst zeit- und energieaufwändig aufgetaut werden, ehe sie die für sie vorgesehene Funktion übernehmen kann.It is also known in fuel cell systems that the reactants which flow to the fuel cell must contain some moisture in order to prevent the fuel cell from drying out. The effluent from the fuel cell products, ie generally the exhaust air from the cathode region and flowing out of the anode region unused gas, which is recycled via the hydrogen recirculation fan, also have in the fuel cell from hydrogen and oxygen resulting product water. The fact that the line elements of a fuel cell system are flowed through by gases which have a high moisture content and / or liquid droplets, is extremely critical in terms of the separation and in particular with respect to a later restart of the fuel cell system at temperatures below freezing. The liquid droplets forming in the conduits can freeze under these circumstances and lead to considerable problems when restarting. In particular in the area of the air conveying device and of the hydrogen recirculation fan, freezing of water droplets in the interior of the gas conveying region can occur. Particularly in the case of flow compressors and blowers, the blade elements required for conveying the gas can thereby freeze to the walls of the gas delivery region. When restarting the fuel cell system, the corresponding component is then not functional, but must be thawed time and energy consuming before they can take over the function intended for them.
Um dieses Problem zu verringern sieht es die DE 103 14 820 A1 vor, dass diese .gefährliche" Feuchtigkeit durch ein trockenes Spülgas ausgetrieben wird, sodass die in dem System vorliegenden Gase so weit trocken sind, dass die oben genannte Problematik nicht auftreten kann. Einen etwas anderen Ansatz zur Lösung dieser Problematik betreibt die JP 2008-041433 A, bei welcher durch den Betrieb des Wasserstoffrezirkulationsgebläses eine Beheizung und Trocknung der Gase zumindest im Anodenkreislauf erreicht wird. Beide Lösungen haben dabei den Nachteil, dass sie zusätzliche Energie benötigen oder entsprechende Anschlüsse und Komponenten, um beim Abschalten ein trockenes Gas durch die entsprechenden Leitungsbereiche zu fördern. Außerdem haben beide Aufbauten den Nachteil, dass sie, alleine schon aus energetischen Gründen, nur dann verwendet werden sollten, wenn tatsächlich ein Abschalten für einen entsprechend längeren Zeitraum ansteht. Dies macht die benötigte Steuerung vergleichsweise aufwendig und verursacht bei einem schnellen Wiederstart des Brennstoffzellensystems unnötige Energieverluste.In order to reduce this problem, DE 103 14 820 A1 provides that this "dangerous" moisture is expelled by a dry purge gas, so that the gases present in the system are so dry that the above-mentioned problem can not occur slightly different approach to solving this Problem operates JP 2008-041433 A, in which by the operation of the hydrogen recirculation fan heating and drying of the gases is achieved at least in the anode circuit. Both solutions have the disadvantage that they require additional energy or appropriate connections and components to promote when switching off a dry gas through the corresponding line areas. In addition, both structures have the disadvantage that they should be used only for energy reasons, only if it is actually a shutdown for a correspondingly longer period is pending. This makes the required control relatively expensive and causes unnecessary energy losses in a fast restart of the fuel cell system.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche diese Nachteile vermeidet und dennoch in der Lage ist, die oben genannte Problematik hinsichtlich eines eventuellen Einfrierens von während des Betriebs aktiv gekühlten Komponenten, welche Gase in dem Brennstoffzellensystem fördern, zu vermeiden.It is therefore the object of the present invention to provide a cooling device for a fuel cell system, which avoids these disadvantages and yet is capable of the above-mentioned problem with regard to a possible freezing of actively cooled during operation components, which gases in the fuel cell system promote, avoid.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung an.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. The dependent claims indicate advantageous embodiments and further developments of the solution according to the invention.
Die erfindungsgemäße Kühlung der Komponente zusammen mit der Brennstoffzelle in einem Kühlkreislauf hat den Vorteil, dass die Komponente auf einem relativ hohen Temperaturniveau gekühlt wird. Die elektronischen Bauteile in einer Gasfördereinrichtung sind dabei bei weitem nicht so komplex ausgebildet, wie in anderen leistungselektronischen Bauteilen, beispielsweise einer Antriebssteuerung für einen Fahrantrieb, einem DC/DC-Wandler oder dergleichen. Sie können daher vergleichsweise einfach und kostengünstig so ausgebildet werden, dass sie auch dieses höhere Temperaturniveau über einen längeren Zeitraum ohne Schaden aushalten. Durch die Kühlung der Komponente, auf dem höheren Temperatumiveau der Brennstoffzelle selbst, wird beim Abschalten des Systems jedoch erreicht, dass die Komponente gegenüber den sie umgebenden Leitungselementen langsamer abkühlt, da sie im Betrieb ein entsprechend hohes Temperaturniveau hatte und die Wärme aufgrund ihrer Masse länger speichert als beispielsweise ein Leitungselement. So wird erreicht, dass im Allgemeinen die Brennstoffzelle und zumindest die wenigstens eine Komponente langsamer abkühlen, als die sie umgebenden Bereiche in Form von anderen Komponenten, Leitungselementen oder dergleichen. Beim Abkühlen wird die Feuchtigkeit dann in diese Bereiche, welche entsprechend schneller abkühlen, abgezogen und kondensiert dort aus. Die Gefahr, dass Tröpfchen im Bereich der Komponente auskondensieren, kann somit ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand massiv verringert werden, sodass bei einem Wiederstart unter Gefrierbedingungen die eingangs geschilderte Problematik nicht mehr auftreten wird. Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich dies ohne zusätzliche Komponenten zur Beheizung, Durchspülung oder dergleichen erreichen. Außerdem stellt sich der Effekt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einer derartigen Kühlvorrichtung selbsttätig ein, sodass dieser unabhängig von der Dauer bis zum Wiederstart immer und ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand zur Verfügung steht.The inventive cooling of the component together with the fuel cell in a cooling circuit has the advantage that the component is cooled to a relatively high temperature level. The electronic components in a gas delivery device are by far not as complex as in other power electronic components, such as a drive control for a traction drive, a DC / DC converter or the like. They can therefore be relatively easily and inexpensively designed so that they can withstand even this higher temperature level over a longer period without damage. By cooling the component, at the higher temperature level of the fuel cell itself, however, when the system is switched off, the component cools down more slowly with respect to the surrounding line elements, since during operation it had a correspondingly high temperature level and stores the heat longer due to its mass as for example a conduit element. It is thus achieved that, in general, the fuel cell and at least the at least one component Cool more slowly than the surrounding areas in the form of other components, line elements or the like. Upon cooling, the moisture is then drawn off into these areas, which cool down correspondingly faster, and condenses there. The risk of condensing droplets in the region of the component can thus be massively reduced without significant additional effort, so that the problem described above will no longer occur in a restart under freezing conditions. Compared to the prior art, this can be achieved without additional components for heating, flushing or the like. In addition, the effect of the operation of the fuel cell system with such a cooling device automatically, so it is independent of the duration until the restart always and without additional control effort available.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass ein weiterer Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Temperaturniveau vorhanden ist, durch welchen nicht im Bereich der Komponente befindliche Elektronikbauteile und/oder weitere Hilfsaggregate kühlbar sind.According to a further very favorable embodiment of the cooling device according to the invention, it is provided that a further cooling circuit is present at a lower temperature level, by which electronic components not in the area of the component and / or further auxiliary units can be cooled.
Dieser Aufbau sieht die eingangs beschriebene, an sich aus dem Stand der Technik bekannte Kombination eines Brennstoffzellensystems mit einem Niedertemperatur- und einem Hochtemperaturkühlkreislauf vor. Der Niedertemperaturkühlkreislauf kühlt dabei insbesondere die Komponenten der Antriebselektronik, elektronische Umrichter und dergleichen. Die wenigstens eine Komponente mit der Gasfördereinrichtung, welche als elektronische Komponente in den herkömmlichen Aufbau ebenfalls von diesem Niedertemperaturkühlkreislauf gekühlt werden würde, wird nun jedoch in den Hochtemperaturkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle selbst verschoben. Dadurch wird erreicht, dass die Komponente während des Betriebs auf einer höheren Temperatur ist. Sie kühlt damit beim Abstellen des Systems entsprechend langsamer ab, sodass Feuchtigkeit nicht im Gasförderbereich der Komponente, sondern in den die Komponente umgebenden Bereichen, beispielsweise der Leitungselemente, auskondensiert. Liegen nun Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vor, so können zwar Tröpfchen in den umgebenden Bereichen an den Wänden der Leitungselemente festfrieren, da im Gasförderbereich jedoch keine Flüssigkeit auskondensiert, kann es dort auch nicht zu einem Einfrieren und insbesondere nicht zu einem Festfrieren der Gasfördermittel in diesem Bereich kommen. Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Komponente eine thermische Isolierung aufweist.This construction provides for the combination of a fuel cell system with a low-temperature and a high-temperature cooling circuit, which is known per se from the prior art and described at the outset. The low-temperature cooling circuit cools in particular the components of the drive electronics, electronic converters and the like. However, the at least one component with the gas delivery device, which would also be cooled as an electronic component in the conventional structure of this low-temperature cooling circuit, but now shifted into the high-temperature circuit for cooling the fuel cell itself. This ensures that the component is at a higher temperature during operation. As a result, it cools down accordingly when the system is turned off so that moisture does not condense in the gas delivery region of the component but in the regions surrounding the component, for example the line elements. If temperatures below freezing are present, droplets may freeze in the surrounding areas on the walls of the line elements, but since no liquid condenses out in the gas conveying area, it can not freeze there and in particular not freeze the gas conveying in this area come. According to a very favorable and advantageous embodiment of the cooling device according to the invention, it can also be provided that the at least one component has a thermal insulation.
Der erfindungsgemäße Effekt, dass durch die Kühlung der wenigstens einen Komponente im Kühlkreislauf auf höherem Temperaturniveau diese beim Abastellen des Brennstoffzellensystems eine höhere Temperatur hat und dadurch langsamer abkühlt, kann durch eine thermische Isolierung der Komponente noch verstärkt werden. Mit diesem einfachen, kostengünstigen und passiven Mittel, lässt sich das Abkühlen der Komponente nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems noch weiter verlangsamen, sodass eine Auskondensation von Flüssigkeit im Gasförderbereich der Komponente noch unwahrscheinlicher wird, als in den oben bereits geschilderten Fällen.The effect according to the invention that, as a result of the cooling of the at least one component in the cooling circuit at a higher temperature level, this temperature has a higher temperature during assembly of the fuel cell system and thereby cools down more slowly, it can be further enhanced by thermal insulation of the component. With this simple, inexpensive and passive means, the cooling of the component after stopping the fuel cell system can be further slowed down, so that a condensation of liquid in the gas conveying region of the component is even less likely than in the cases already described above.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem ist besonders für Brennstoffzellensysteme geeignet, welche häufig gestartet, abgestellt und wieder gestartet werden, und welche sich dabei außerdem in Bereichen befinden, bei welchen aufgrund der niedrigen Temperaturen die Gefahr eines Einfrierens von auskondensiertem Wasser besteht. Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für Brennstoffzellensysteme ist deshalb bei Brennstoffzellensystemen zu sehen, welche zum Antrieb von Transportmitteln eingesetzt werden.The cooling device according to the invention for a fuel cell system is particularly suitable for fuel cell systems, which are frequently started, stopped and restarted, and which are also located in areas in which there is a risk of freezing of condensed water due to the low temperatures. A particularly favorable and advantageous use of the cooling device according to the invention for fuel cell systems is therefore to be seen in fuel cell systems, which are used to drive means of transport.
Derartige Antriebssysteme unterliegen einem häufigen Starten und Abstellen und können in unseren Breitengraden auch häufig Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt sein. Da außerdem die möglichst effiziente Nutzung von Energie für den Vortrieb von Transportmitteln eine immer größere Rolle spielt, können die oben genannten Vorteile bei dieser Verwendung besonders gut zur Geltung kommen. Außerdem ist es mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung einfach, robust und zuverlässig möglich, ein Brennstoffzellensystem mit idealen Bedingungen für einen Wiederstart unter Gefrierbedingungen abzustellen. Auch dies prädestiniert den Aufbau für den Einsatz in Transportmitteln.Such propulsion systems are subject to frequent starting and stopping and may often be exposed to sub-freezing temperatures in our latitudes. In addition, since the most efficient use of energy for the propulsion of means of transport plays an increasingly important role, the above-mentioned advantages in this use can be particularly good advantage. In addition, with the use of the cooling device according to the invention, it is simple, robust and reliable to turn off a fuel cell system with ideal conditions for a restart under freezing conditions. This predestines the structure for use in means of transport.
Unter Transportmitteln im Sinne der Erfindung können dabei verschiedenartige Transportmittel zu Lande, im Wasser oder in der Luft verstanden werden, insbesondere Fahrzeuge zur Beförderung von Personen oder Gütern, Fahrzeuge im Logistikbereich, Schiffe oder Unterseeboote. Ebenso ist der Einsatz in Flugzeugen denkbar, wobei die elektrische Energie hier typischerweise nicht zum Vortrieb des Flugzeugs, sondern zum Antrieb von Nebenaggregaten eingesetzt werden wird.For the purposes of the invention, means of transport may be understood to mean various means of transport on land, in the water or in the air, in particular Vehicles for the transport of persons or goods, Logistics vehicles, Ships or submarines. Likewise, the use in aircraft is conceivable, wherein the electrical energy is typically not used for propulsion of the aircraft, but to drive ancillaries.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and from the exemplary embodiment, which is explained below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
Fig. 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug; Fig. 2 eine Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; und Fig. 3 einen Hochtemperaturkühlkreislauf gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.1 shows an exemplary fuel cell system in an indicated vehicle. Fig. 2 shows a cooling device according to the invention in a first embodiment; and FIG. 3 shows a high-temperature cooling circuit according to the invention in a second embodiment.
In Figur 1 ist ein sehr stark schematisiertes Fahrzeug 1 als beispielhaftes Transportmittel angedeutet. Das Fahrzeug 1 ist mit einem Brennstoffzellensystem 2 ausgerüstet, welches durch die strichpunktierte Linie umrandet ist. Eine Brennstoffzelle 3 als Herzstück des Brennstoffzellensystems 2 liefert elektrische Leistung, welche über einen DC/DC-Wandler 4 oder eine andere vergleichbare elektronische Komponente einem Bordnetz des Fahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird. Die elektrische Leistung dient dabei in erster Linie dem Antrieb des Fahrzeugs 1 , was hier über eine Leistungselektronik 5 und einen Elektromotor 6 entsprechend angedeutet ist. Über eine Achse 7 werden in der hier gewählten schematischen Darstellung Räder 8 des Fahrzeugs 1 vom Elektromotor 6 angetrieben. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Leistung kann außerdem weiteren elektrischen oder leistungselektronischen Elementen zur Verfügung gestellt werden, welche hier durch die Box 9 exemplarisch angedeutet sind. Ferner kann eine Speichereinrichtung 10 für elektrische Energie, beispielsweise in Form einer Batterie und/oder eines Hochleistungskondensators, vorgesehen sein.In Figure 1, a very highly schematic vehicle 1 is indicated as an exemplary means of transport. The vehicle 1 is equipped with a fuel cell system 2, which is surrounded by the dotted line. A fuel cell 3 as the heart of the fuel cell system 2 provides electrical power, which is provided via a DC / DC converter 4 or other comparable electronic component to a vehicle electrical system of the vehicle 1 available. The electrical power is used primarily to drive the vehicle 1, which is indicated here by a power electronics 5 and an electric motor 6 accordingly. About an axis 7 wheels 8 of the vehicle 1 are driven by the electric motor 6 in the schematic representation chosen here. The electrical power generated by the fuel cell 3 can also be made available to other electrical or power electronic elements, which are indicated here by the box 9 by way of example. Furthermore, a storage device 10 for electrical energy, for example in the form of a battery and / or a high-power capacitor, may be provided.
Die Brennstoffzelle 3 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen (Polymer Elektrolyt Membran), als sogenannter Stack, ausgebildet sein. Die Brennstoffzelle 3 weist einen Kathodenraum 11 und einen Anodenraum 12 auf, welche durch eine Polymermembran als Elektrolyt voneinander getrennt sind. Über eine Luftfördereinrichtung 13 wird dem Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 Luft als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die verbrauchte Abluft gelangt in diesem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2 dann von dem Kathodenraum 11 in eine Turbine 14, in welcher sie entspannt wird, bevor sie an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben wird. Die Luftfördereinrichtung 13 umfasst neben einem Förderbereich 15 und einer elektrischen Maschine 16 auch diese eben beschriebene Turbine 14. Der gesamte hier beispielhaft dargestellte Aufbau der Luftfördereinrichtung 13 wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 14 kann dabei Energie aus der Abluft zurückgewonnen werden, sodass durch die elektrische Maschine 16 nicht die gesamte zur Förderung der Luft benötigte Energie aufgebracht werden muss. Kommt es in Sonderfällen zu einem Energieüberschuss an der Turbine 14, sodass mehr Energie an der Turbine 14 zur Verfügung steht, als für die Förderung der Luft im Luftförderbereich 15, welcher typischerweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, benötigt wird, so kann über die elektrische Maschine 16 im generatorischen Betrieb auch Energie zurückgewonnen und in das Bordnetz des Fahrzeugs 1 eingespeist werden.The fuel cell 3 should be formed in the embodiment shown here as a stack of individual PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane), as a so-called stack. The fuel cell 3 has a cathode space 11 and an anode space 12, which are separated from one another by a polymer membrane as the electrolyte. About an air conveyor 13 is the cathode compartment 11 of the Fuel cell 3 supplied air as oxygen-containing gas. The spent exhaust air then passes in this embodiment of the fuel cell system 2 from the cathode chamber 11 into a turbine 14, in which it is relaxed before it is discharged to the environment of the vehicle 1. The air conveying device 13 comprises, in addition to a conveying region 15 and an electric machine 16, also this turbine 14 just described. The entire structure of the air conveying device 13 exemplified here is also referred to as an electric turbocharger (ETC = Electric Turbo Charger). Energy can be recovered from the exhaust air via the turbine 14, so that not all of the energy required to convey the air has to be applied by the electric machine 16. If, in special cases, there is an energy surplus at the turbine 14, so that more energy is available at the turbine 14 than is required for conveying the air in the air conveying region 15, which is typically designed as a flow compressor, then the electric machine 16 can be used Energy is recovered in generator operation and fed into the electrical system of the vehicle 1.
Die Versorgung des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff, welcher in einem Druckgastank 17 in dem Fahrzeug 1 gespeichert ist. Über ein entsprechendes Dosierventil 18, welches typischerweise einen Druckminderer umfassen wird, wird der Wasserstoff aus dem Druckgastank 17 dem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Um alle Bereiche des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 gleichmäßig mit Wasserstoff zu versorgen und dadurch eine gute Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 3 sicherzustellen, wird üblicherweise mehr Wasserstoff in die Brennstoffzelle 3 dosiert, als in dieser verbraucht werden kann. Der überschüssige Wasserstoff wird aus dem Bereich des Anodenraums 12 über eine Rezirkulationsleitung 19 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 20 geführt, welche üblicherweise als Wasserstoffrezirkulationsgebläse mit einem Gasförderbereich 21 und einem elektrischen Antriebsmotor 22 ausgebildet sein wird. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 unterstützt dabei die Rückführung des unverbrauchten Anodenabgases. Dieses wird dann mit dem frischen, aus dem Druckgastank 17 stammenden Wasserstoff vermischt und als gemeinsamer Wasserstoffstrom wieder dem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 zugeführt.The supply of the anode compartment 12 of the fuel cell 3 takes place in the embodiment shown here with hydrogen, which is stored in a compressed gas tank 17 in the vehicle 1. Via a corresponding metering valve 18, which will typically comprise a pressure reducer, the hydrogen is supplied from the compressed gas tank 17 to the anode chamber 12 of the fuel cell 3. In order to uniformly supply all regions of the anode chamber 12 of the fuel cell 3 with hydrogen and thereby ensure good performance of the fuel cell 3, usually more hydrogen is metered into the fuel cell 3 than can be consumed therein. The excess hydrogen is passed out of the region of the anode chamber 12 via a recirculation line 19 and a recirculation conveyor 20, which will usually be designed as a hydrogen recirculation fan with a gas delivery region 21 and an electric drive motor 22. The recirculation conveyor 20 supports the recycling of the unused anode exhaust gas. This is then mixed with the fresh, coming from the pressurized gas tank 17 hydrogen and fed back to the anode compartment 12 of the fuel cell 3 as a common hydrogen flow.
In einem solchen Brennstoffzellensystem 2 sowie in den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs 1 fällt im Betrieb üblicherweise Abwärme an, welche aktiv abgeführt werden muss. Für diese aktive Kühlung weist das Fahrzeug 1 üblicherweise zwei Kühlkreisläufe 23, 24 auf, welche in Figur 2 beispielhaft dargestellt sind. Die Kühlkreisläufe 23, 24 sind dabei in einen Hochtemperaturkühlkreislauf 23 und einen Niedertemperaturkühlkreislauf 24 aufgeteilt. Die Temperatur des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 wird im Bereich des typischen Temperaturniveaus zum Betrieb der Brennstoffzelle 3, also bei ca. 60 - 90° C, liegen. Die Temperatur des Niedertemperaturkühlkreislaufs 24 wird niedriger als dieses Temperaturniveau liegen, da der Kühlkreislauf 24 zur Kühlung von elektrischen und/oder elektronischen bzw. leistungselektronischen Komponenten dient, welche im Allgemeinen einfacher, kostengünstiger und mit höherer Lebensdauer realisiert werden können, wenn sie auf ein Temperaturniveau gekühlt werden, welches unterhalb des Temperaturniveaus des Hochtemperaturkühlkreislaufs liegt. Typische Temperaturniveaus für den Niedertemperaturkühlkreislauf liegen demnach unter 60° C.In such a fuel cell system 2 as well as in the electrical and / or electronic components of the vehicle 1 usually falls during operation waste heat, which must be actively removed. For this active cooling, the vehicle 1 usually has two cooling circuits 23, 24, which are shown by way of example in FIG. The cooling circuits 23, 24 are divided into a high-temperature cooling circuit 23 and a low-temperature cooling circuit 24. The temperature of the high-temperature cooling circuit 23 will be in the range of the typical temperature level for operation of the fuel cell 3, ie at about 60-90 ° C. The temperature of the low temperature refrigeration circuit 24 will be lower than this temperature level because the refrigeration cycle 24 serves to cool electrical and / or electronic components which can generally be made simpler, less expensive, and longer life if cooled to a temperature level which is below the temperature level of the high-temperature cooling circuit. Typical temperature levels for the low-temperature cooling circuit are therefore below 60 ° C.
In der Darstellung des Fahrzeugs 1 in Figur 1 sind nun an verschiedenen Komponenten Wärmetauscher eingezeichnet und mit der der arabischen Nummerierung der Komponente entsprechenden römischen Ziffer versehen. Diese Wärmetauscher IM, IV, V, VI, IX, XIII und XX stellen beispielhaft die wichtigsten zu kühlenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 sowie des Bordnetzes bzw. Antriebes des Fahrzeugs 1 dar.In the illustration of the vehicle 1 in Figure 1, heat exchangers are now drawn on different components and provided with the Roman numeral corresponding to the Arabic numbering of the component. These heat exchangers IM, IV, V, VI, IX, XIII and XX represent, by way of example, the most important components to be cooled of the fuel cell system 2 and of the vehicle electrical system or drive of the vehicle 1.
In der Darstellung der Kühlkreisläufe 23, 24 der Figur 2 ist nun zu erkennen, dass jeder der Kühlkreisläufe über eine Kühlmittelfördereinrichtung 25, 26 sowie einen Kühlwärmetauscher 27, 28 verfügt. Die Kühlwärmetauscher 27, 28 sind dabei dem Fahrzeugkühler bei herkömmlichen mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Fahrzeugen vergleichbar. Sie werden üblicherweise vom Fahrtwind angeströmt und kühlen das in den Kühlkreisläufen 23 und 24 strömende Kühlmedium ab. Sie können bei Bedarf außerdem über beispielhaft angedeutete Lüfter 29, 30 angeströmt werden, um die Abkühlung des Kühlmediums in dem jeweiligen Kühlkreislauf 23, 24 zu verbessern.In the representation of the cooling circuits 23, 24 of Figure 2 it can be seen that each of the cooling circuits via a coolant conveyor 25, 26 and a cooling heat exchanger 27, 28 has. The cooling heat exchangers 27, 28 are comparable to the vehicle radiator in conventional equipped with an internal combustion engine vehicles. They are usually streamed by the wind and cool the flowing in the cooling circuits 23 and 24 cooling medium. If required, they can also be supplied by way of ventilators 29, 30 indicated by way of example, in order to improve the cooling of the cooling medium in the respective cooling circuit 23, 24.
Wie in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, kühlt der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 die Brennstoffzelle 3, was hier durch die mit IM bezeichnete Box angedeutet ist, welche den Wärmetauscher IM im Bereich der Brennstoffzelle 3 symbolisiert. Außerdem durchströmt das Kühlmedium in einer Reihenschaltung den Wärmetauscher XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20, bevor es den Wärmetauscher IM der Brennstoffzelle 3 durchströmt. In dem weiteren Kühlkreislauf 24 auf dem niedrigeren Temperaturniveau sind beispielhaft die Wärmetauscher IV, V1 VI des DC/DC-Wandlers 4, der Leistungselektronik 5 des Antriebs sowie des Antriebsmotors 6 in einer seriellen Verschattung dargestellt. Daneben durchströmt das Kühlmedium in einem beispielhaft angedeuteten parallelen Zweig den Wärmetauscher IX der weiteren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 9. Auf die Darstellung des Wärmetauschers XIII der Luftfördereinrichtung 13 wurde in Figur 2 verzichtet, dieser könnte prinzipiell sowohl im Hochtemperaturkreislauf 23 als auch im Niedertemperaturkreislauf 24 angeordnet werden.As can be seen in the representation of FIG. 2, the high-temperature cooling circuit 23 cools the fuel cell 3, which is indicated here by the box denoted IM, which symbolizes the heat exchanger IM in the region of the fuel cell 3. In addition, the cooling medium flows through the heat exchanger XX of the recirculation conveyor 20 in a series connection, before it flows through the heat exchanger IM of the fuel cell 3. In the further cooling circuit 24 at the lower temperature level For example, the heat exchangers IV, V 1 VI of the DC / DC converter 4, the power electronics 5 of the drive and the drive motor 6 are shown in a serial shading. In addition, the cooling medium flows through the heat exchanger IX of the further electrical and / or electronic components 9 in a parallel branch indicated by way of example. The illustration of the heat exchanger XIII of the air conveyor 13 was omitted in FIG. 2, which could in principle be used both in the high-temperature circuit 23 and in the low-temperature circuit 24 to be ordered.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts besonders problematisch, dass im Bereich der Leitungselemente des Brennstoffzellensystems 2 feuchtes Gas bzw. Gas mit Flüssigkeitströpfchen vorhanden ist. Beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems 2 nach dem Abstellen kann es nämlich zu einem Auskondensieren bzw. ansammeln dieser Feuchtigkeit kommen. Sammelt sich Feuchtigkeit insbesondere im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 oder im Luftförderbereich 15 oder der Turbine 14 der Luftfördereinrichtung 13, so kann es hierdurch zu einem Festfrieren der Fördermittel der typischerweise als Strömungsverdichter oder Gebläse ausgebildeten Bereiche 14, 15, 21 kommen. Besonders problematisch ist dies bei der Rezirkulationsfördereinrichtung 20, da hier im rezirkulierten Anodenabgas eine relativ hohe Feuchtigkeit vorliegt. Bis zu einem gewissen Grad tritt die Problematik auch bei der Luftfördereinrichtung 13 auf, hier wird jedoch frische Luft aus der Umgebung angesaugt, welche zu diesem Zeitpunkt noch keine allzu hohe Feuchtigkeit aufweist. Problematischer ist im Bereich der Luftfördereinrichtung 13 der Bereich der Turbine 14, da auch hier mit Produktwasser beladenes Abgas aus dem Kathodenbereich strömt, welches ebenfalls sehr viel Feuchtigkeit mit sich bringt, welche in diesem Bereich entsprechend auskondensieren kann.As already mentioned, it is particularly problematic at temperatures below the freezing point that in the region of the line elements of the fuel cell system 2 humid gas or gas is present with liquid droplets. During cooling of the fuel cell system 2 after shutdown, it may namely come to a condensation or accumulation of this moisture. If moisture accumulates, in particular in the gas conveying region 21 of the recirculation conveyor 20 or in the air conveying region 15 or the turbine 14 of the air conveying device 13, then the conveying means of the regions 14, 15, 21, which are typically designed as flow compressors or blowers, can freeze. This is particularly problematic in the recirculation conveyor 20, since here in the recirculated anode exhaust gas, a relatively high humidity is present. To some extent, the problem also occurs in the air conveyor 13, but here fresh air is sucked from the environment, which at this time still has not too high humidity. More problematic in the area of the air conveyor 13 is the area of the turbine 14, since here too exhaust gas laden with product water flows out of the cathode area, which likewise brings with it a great deal of moisture, which can condense correspondingly in this area.
Am Beispiel des Wasserstoffrezirkulationsgebläses 20 soll nun beschrieben werden, wie dieser Effekt verhindert bzw. deutlich verringert werden kann. Dies lässt sich dann auf die Luftfördereinrichtung 13 mit dem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 entsprechend übertragen, wobei hier die Problematik nicht so groß ist, wie im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20.The example of the hydrogen circulation blower 20 will now be described as how this effect can be prevented or significantly reduced. This can then be correspondingly transmitted to the air conveying device 13 with the air conveying region 15 and the turbine 14, the problem here not being as great as in the gas conveying region 21 of the recirculation conveying device 20.
Dadurch, dass die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 über den Wärmetauscher XX aktiv im Hochtemperaturkühlkreislauf 23 erfolgt, wird erreicht, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 als eine Komponente des Brennstoffzellensystems 2 auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau betrieben wird. Da die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 mit dem Gasförderbereich 21 und dem elektrischen Antriebsmotor 22 insgesamt eine vergleichsweise hohe Masse aufweist, wird sich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 die gesamte Masse auf eine Temperatur erwärmen, welche in etwa dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 entspricht. Damit wird erreicht, dass beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf einem relativ hohen Temperaturniveau ist und entsprechend langsam abkühlt. Insbesondere wird sie aufgrund ihrer größeren Masse langsamer abkühlen als die ihr benachbarten Bereiche, insbesondere als die ihr benachbarten Leitungselemente. Dadurch wird ein Auskondensieren von Flüssigkeit in dem feuchten Gas der Anodenrezirkulationsleitung 19 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vermieden. Die Feuchtigkeit wird nämlich eher in den benachbarten Bereichen auskondensieren, in denen ein niedrigeres Temperaturniveau vorlag, und welche dementsprechend schneller abkühlen. Dadurch wird die Bildung von Kondensat im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 weitgehend vermieden, sodass die Gefahr eines Festfrierens der Fördermittel vermieden oder zumindest deutlich verringert wird. Um das langsame Abkühlen der Rezirkulationsfördereinrichtung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 noch weiter zu verlangsamen, kann außerdem eine thermische Isolierung 31 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vorgesehen sein, wie es in Figur 1 schematisch angedeutet ist. Die Gefahr, dass die Feuchtigkeit nun im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst auskondensiert und dort einfriert ist dabei vergleichsweise gering, da die Brennstoffzelle 3 selbst ebenfalls auf dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 liegt, und da die Brennstoffzelle mit einer vergleichsweise großen Masse ohnehin langsam abkühlt. Außerdem kann die Brennstoffzelle 3 selbst ebenfalls mit einer thermischen Isolierung versehen sein, welche hier jedoch nicht dargestellt ist.Due to the fact that the cooling of the recirculation conveyor 20 takes place actively in the high-temperature cooling circuit 23 via the heat exchanger XX, it is achieved that the recirculation conveyor 20 is operated as a component of the fuel cell system 2 at a comparatively high temperature level. Since the recirculation conveying device 20 with the gas conveying region 21 and the electric drive motor 22 as a whole has a comparatively high mass, during operation of the fuel cell system 2, the entire mass will be heated to a temperature which corresponds approximately to the temperature level of the high-temperature cooling circuit 23. This ensures that when the fuel cell system 2 is switched off, the recirculation conveyor 20 is at a relatively high temperature level and cools correspondingly slowly. In particular, due to its greater mass, it will cool down more slowly than the regions adjacent to it, in particular as the line elements adjacent to it. As a result, condensation of liquid in the moist gas of the anode recirculation line 19 in the region of the recirculation conveyor 20 is avoided. Namely, the moisture will condense out more in the adjacent areas where there is a lower temperature level and which accordingly cool faster. As a result, the formation of condensate in the gas conveying region 21 of the recirculation conveyor 20 is largely avoided, so that the risk of freezing of the conveying means is avoided or at least significantly reduced. In order to further slow down the slow cooling of the recirculation conveyor when stopping the fuel cell system 2, a thermal insulation 31 may also be provided in the region of the recirculation conveyor 20, as indicated schematically in FIG. The risk that the moisture now condenses itself in the region of the fuel cell 3 and freezes there is comparatively low, since the fuel cell 3 itself is also at the temperature level of the high-temperature cooling circuit 23, and since the fuel cell cools slowly with a comparatively large mass anyway. In addition, the fuel cell 3 itself may also be provided with a thermal insulation, which is not shown here.
Neben dem langsamen Abkühlen wird durch den Betrieb derIn addition to the slow cooling, the operation of the
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 bzw. ihrer Kühlung auf dem hohen Temperaturniveau des Hochtemperaturkreislaufs 23 ein weiterer zusätzlicher positiver Effekt erreicht. Die Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellensystem 2 bzw. in den Leitungen des Brennstoffzellensystems 2 wird unweigerlich immer zu einem gewissen Anteil dort auskondensieren, wo Komponenten aktiv gekühlt werden und während des Betriebs dementsprechend kühler sind als ihre Umgebung. Durch die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf einem höheren Temperaturniveau als bisher üblich, wird das Auskondensieren von Flüssigkeit auch während des Betriebs im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und damit im Bereich der Rezirkulationsleitung 19 und des Anodenraums 12 selbst entsprechend verringert. Dadurch fällt weniger Wasser in flüssiger Form an, welches über Abscheider oder dergleichen aus dem System abgelassen werden muss. Dies ist für den Betrieb des Systems von Vorteil, da es die Systemperformance bei gleichzeitiger ausreichender Befeuchtung der Membran in der Brennstoffzelle 3 verbessert, und da beim Ablassen von Wasser, insbesondere wenn dies zusammen mit dem Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 19 erfolgt, immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff verloren geht. Ein möglichst seltenes Ablassen hat damit Vorteile bezüglich Energie und Emission.Rezirkulationsfördereinrichtung 20 and its cooling at the high temperature level of the high-temperature circuit 23 reaches a further additional positive effect. The moisture in the fuel cell system 2 or in the lines of the fuel cell system 2 will inevitably always condense out to a certain extent where components are actively cooled and during operation Accordingly, they are cooler than their surroundings. By cooling the recirculation conveyor 20 at a higher temperature level than hitherto usual, the condense of liquid is also correspondingly reduced during operation in the region of the recirculation conveyor 20 and thus in the region of the recirculation line 19 and the anode compartment 12 itself. As a result, less water falls in liquid form, which must be discharged through separators or the like from the system. This is advantageous for the operation of the system, since it improves the system performance with sufficient humidification of the membrane in the fuel cell 3, and always with the discharge of water, especially if this takes place together with the gas from the area of the recirculation line 19 a certain amount of hydrogen is lost. As rare a discharge as possible has advantages in terms of energy and emission.
Die anhand der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 ausführlich beschriebene Idee kann nun ebenso auf die Luftfördereinrichtung 13 mit ihrem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 übertragen werden. Auch hier kann durch eine Kühlung auf dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 sowie gegebenenfalls eine thermische Isolierung der beschriebene Effekt erreicht werden. In der Darstellung der Figur 3 ist daher ein Aufbau beschrieben, bei dem der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 nochmals in einer anderen Ausführungsform dargestellt ist. Auch hier ist der Niedertemperaturkühlkreislauf 24 parallel vorhanden, zur Vereinfachung der Darstellung jedoch nicht nochmals dargestellt. In dem Kühlkreislauf 23 ist nun wiederum der Kühlwärmetauscher 27, die Kühlmittelfördereinrichtung 25 sowie der Lüfter 29 zu erkennen. Anstelle der oben dargestellten seriellen Durchströmung der Wärmetauscher XX und III durch das Kühlmedium werden hier nun die Wärmetauscher XIII der Luftfördereinrichtung 13, XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und III der Brennstoffzelle 3 in dem Kühlkreislauf 23 parallel von dem Kühlmedium durchströmt. Die Aufteilung Volumenströme des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 23 auf die einzelnen Wärmetauscher XIII, XX und Ml kann durch geeignete Blenden und/oder Ventileinrichtungen 32 in den einzelnen Strängen des Kühlkreislaufs 23 erfolgen. Neben der hier dargestellten Variante mit drei Blenden bzw. Ventileinrichtungen 32 wäre es natürlich auch denkbar, lediglich zwei der Stränge mit den Blenden zu versehen, da auch diese eine gezielte Regelung der Durchströmung der einzelnen Stränge und damit der Abkühlung der einzelnen Kühlwärmetauscher XIII, XX und III ermöglichen würde. The idea described in detail with reference to the recirculation conveyor 20 can now also be transferred to the air conveyor 13 with its air conveying area 15 and the turbine 14. Here, too, the effect described can be achieved by cooling at the temperature level of the high-temperature cooling circuit 23 and, if appropriate, thermal insulation. In the illustration of Figure 3, therefore, a structure is described in which the high-temperature cooling circuit 23 is shown again in another embodiment. Again, the low-temperature cooling circuit 24 is present in parallel, but not shown again for simplicity of illustration. In the cooling circuit 23, in turn, the cooling heat exchanger 27, the coolant conveyor 25 and the fan 29 can be seen. Instead of the above-described serial flow of the heat exchangers XX and III through the cooling medium, the heat exchangers XIII of the air conveyor 13, XX of the recirculation conveyor 20 and III of the fuel cell 3 are now flowed through in parallel by the cooling medium in the cooling circuit 23 here. The distribution volume flows of the cooling medium in the cooling circuit 23 to the individual heat exchangers XIII, XX and Ml can be done by means of suitable orifices and / or valve means 32 in the individual strands of the cooling circuit 23. In addition to the variant shown here with three diaphragms or valve means 32, it would of course also be conceivable to provide only two of the strands with the diaphragms, as well as a targeted regulation of the flow through the individual strands and thus the cooling of the individual cooling heat exchangers XIII, XX and III.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einem Kühlkreislauf, durch welchen eine Brennstoffzelle kühlbar ist, und mit wenigstens einer Komponente, welche zumindest einen elektrischen Antriebsbereich und einen Gasförderbereich aufweist, wobei durch den Gasförderbereich ein Gas zu der Brennstoffzelle förderbar ist, und wobei die Komponente aktiv gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Komponente (13, 20) in demselben Kühlkreislauf (23) erfolgt, wie die Kühlung der Brennstoffzelle (3).A cooling device for a fuel cell system, comprising at least one cooling circuit through which a fuel cell is cooled, and at least one component having at least one electric drive region and a gas delivery region, wherein through the gas delivery region, a gas is conveyed to the fuel cell, and wherein the Component is actively cooled, characterized in that the cooling of the component (13, 20) in the same cooling circuit (23), as the cooling of the fuel cell (3).
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (23) ein Temperaturniveau von 60 - 90° C aufweist.2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the cooling circuit (23) has a temperature level of 60 - 90 ° C.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (23) eine Kühlmittelfördereinrichtung (25) und seriell dazu einen Kühlwärmetauscher (27) aufweist.3. Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling circuit (23) has a coolant conveying device (25) and serially to a cooling heat exchanger (27).
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Kühlkreislauf (24) auf einem niedrigeren Temperaturniveau vorhanden ist, durch welchen nicht im Bereich der Komponente (20, 13) befindliche elektrische und/oder elektronische Bauteile 4, 5, 9, 6 und/oder weitere Hilfsaggregate kühlbar sind. 4. Cooling device according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that a further cooling circuit (24) is present at a lower temperature level, by which not in the region of the component (20, 13) located electrical and / or electronic components , 5, 9, 6 and / or other auxiliary units are coolable.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kühlkreislauf (24) eine Kühlmittelfördereinrichtung (26) und seriell dazu einen Kühlwärmetauscher (28) aufweist.5. Cooling device according to claim 4, characterized in that the further cooling circuit (24) has a coolant delivery device (26) and in series a cooling heat exchanger (28).
6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (13, 20) und die Brennstoffzelle (3) seriell hintereinander in dem Kühlkreislauf (23) angeordnet sind.6. Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one component (13, 20) and the fuel cell (3) are arranged serially one behind the other in the cooling circuit (23).
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (13, 20) und die Brennstoffzelle (3) parallel zueinander in dem Kühlkreislauf (23) angeordnet sind.7. Cooling device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one component (13, 20) and the fuel cell (3) are arranged parallel to each other in the cooling circuit (23).
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente als Rezirkulationsfördereinrichtung (20) oder Luftfördereinrichtung (13) ausgebildet ist.8. Cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one component as Rezirkulationsfördereinrichtung (20) or air conveying device (13) is formed.
9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Komponenten vorhanden sind, wobei die eine Komponente als Rezirkulationsfördereiπrichtung (20) und die andere Komponente als Luftfördereinrichtung (13) ausgebildet sind.9. Cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that two of the components are present, wherein the one component as Rezirkulationsfördereiπrichtung (20) and the other component as an air conveying device (13) are formed.
10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung mit einem Strömungsverdichter, insbesondere als elektrischer Turbolader, ausgebildet ist.10. Cooling device according to claim 8 or 9, characterized in that the air conveying device is formed with a flow compressor, in particular as an electric turbocharger.
11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Komponenten parallel zueinander in dem Kühlkreislauf (23) angeordnet sind. 11. Cooling device according to claim 9 or 10, characterized in that the two components are arranged parallel to each other in the cooling circuit (23).
12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (13, 20) eine thermische Isolierung (31) aufweist.12. Cooling device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the at least one component (13, 20) has a thermal insulation (31).
13. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) eine thermische Isolierung aufweist.13. Cooling device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the fuel cell (3) has a thermal insulation.
14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass nicht thermisch isolierte Bereiche in dem Brennstoffzellensystem (2) in Fluidverbindung benachbart zu der wenigstens einen Komponente (13, 20) und/oder der Brennstoffzelle (3) angeordnet sind.14. Cooling device according to claim 12 or 13, characterized in that not thermally isolated areas in the fuel cell system (2) in fluid communication adjacent to the at least one component (13, 20) and / or the fuel cell (3) are arranged.
15. Verwendung einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Brennstoffzellensystem (2) zum Antrieb eines Transportmittels (1).15. Use of a cooling device according to one of claims 1 to 14 in a fuel cell system (2) for driving a means of transport (1).
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des weiteren Kühlkreislaufs (24) auf niedrigerem Temperaturniveau elektrische und/oder elektronische Bauteile (4, 5, 9) und Komponenten (6), insbesondere des Antriebs, kühlbar sind. 16. Use according to claim 15, characterized in that by means of the further cooling circuit (24) at a lower temperature level electrical and / or electronic components (4, 5, 9) and components (6), in particular the drive, are coolable.
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