EP2740173A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem

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Publication number
EP2740173A1
EP2740173A1 EP12738407.1A EP12738407A EP2740173A1 EP 2740173 A1 EP2740173 A1 EP 2740173A1 EP 12738407 A EP12738407 A EP 12738407A EP 2740173 A1 EP2740173 A1 EP 2740173A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
components
water
cell system
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Withdrawn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
EP12738407.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Baur
Cosimo Mazzotta
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 EP2740173A1 publication Critical patent/EP2740173A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • 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
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to the use of such a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. Frequently, fuel cell systems have fuel cells, which are designed in the form of so-called PEM fuel cells. Such fuel cell systems are preferably used in mobile applications, such as in motor vehicles, for at least partially generating the electrical propulsion energy. In such fuel cell systems, it is common for various system components, such as an air supply subsystem, a fuel supply subsystem, and the like, to be present. As a matter of principle, product water is produced in the area of the fuel cell and has to be removed
  • Fuel cell systems generally include at least one, but typically multiple, water separators for separating dropletized liquid water from gas streams from and / or to the fuel cell.
  • Water separators are generally equipped with water pipes for discharging the water, for example for further use within the fuel cell system or to the outside of the fuel cell system.
  • Coolant further single cells are connected and flows through the coolant. This serves for rapid heating of the coolant and can thus ensure rapid heating of the fuel cell stack.
  • a cooling circuit for the fuel cell system is formed so that in the cold start case, a bypass is provided around the cooling heat exchanger for dissipating the heat from the cooling circuit, so that the cooling circuit itself heats up faster.
  • an additional heating element for example an electric heater, can also be provided in the cooling circuit.
  • electrical heating elements are generally provided in the region of the water-conducting components and components, for example in the region of water separators.
  • the cooling device comprises two
  • Cooling circuits a low-temperature cooling circuit and a
  • High-temperature cooling circuit Part of the high-temperature cooling circuit is a heat exchanger in the fuel cell itself, which dissipates their waste heat.
  • a hydrogen circulation blower in which the electric drive motor must be cooled, may be part of the refrigeration cycle. In the cold start case is then by the heatingdemed ' rum in the fuel cell the
  • Hydrogen circulation fan with heated. If necessary, frozen water will be thawed in the area of the blower.
  • the object of the present invention is now to avoid this problem and to provide a fuel cell system, which is designed so that it ensures a quick and reliable start of the fuel cell system at temperatures below freezing and thereby has a comparatively low energy consumption.
  • the solution according to the invention provides that the water-conducting components and components are in thermal contact with the cooling medium, at least during individual operating phases of the fuel cell.
  • the electric heating of the optionally frozen liquid water leading components and Components is the heating in the fuel cell system according to the invention so that these components with the cooling medium of the cooling circuit of the
  • Fuel cell system are brought into thermal contact. Since the cooling circuit of the fuel cell itself is typically heated by appropriate measures - as explained above - very quickly to ensure a quick start of the fuel cell itself, is in the area of the cooling circuit comparatively quickly above a freezing temperature, which thawing the corresponding water-bearing components, such as water and water drains, can be used. This saves energy by electrically heating these components. The comparatively quickly available energy in the cooling water is sufficient to thaw the critical water-bearing components and components and so, after the
  • the water-carrying components and components have heat exchangers, which are flowed through by the cooling medium.
  • This heat exchanger which may be formed in the form of double-walled components or components according to an advantageous development of the idea, whose space is traversed between the inner and the outer wall of the cooling water, thus allowing the very direct contact with the cooling medium, thereby thawing the components can be done easily and efficiently.
  • High temperature cooling circuit are in thermal contact.
  • This structure makes use of the high-temperature cooling circuit, which typically comprises the fuel cell and which heats up comparatively quickly to a comparatively high temperature level, in addition to the rapid heating of the fuel cell and the thawing of the water-carrying components and components to realize.
  • This structure is particularly efficient because of the higher temperature level of the
  • the cooling circuit is switched in a first mode of operation so that the cooling circuit circulates only in at least part of the fuel cell and at least one of the water-bearing components and components.
  • the one or more water-conducting components and components can therefore be at a quick start of
  • the particularly preferred application of the fuel cell system according to the invention is that it can be started very simply and efficiently, with little energy being required to thaw the water-carrying components, which previously had to be stored in an energy store. This results in a very simple and energy-efficient system, which is particularly suitable for use under adverse environmental conditions, such as for starting at temperatures below freezing.
  • the fuel cell system according to the invention is therefore preferably to be provided in vehicles which are frequently exposed to such adverse environmental conditions, and in which the provision of the energy required to start the system can be realized only with considerable effort.
  • a fuel cell system 1 according to the invention is shown. It comprises a fuel cell 2, which has an anode region 3 and a cathode region 4.
  • the anode region 3 of the fuel cell 2 is supplied from a compressed gas storage 5 via a throttle valve 6 hydrogen.
  • the unused exhaust gas from the region of the anode chamber 3 passes via a recirculation line 7 and a recirculation conveyor 8 back into the region of the anode chamber 3, which this is supplied together with fresh hydrogen from the compressed gas storage 5 again.
  • This structure is also commonly known as anode loop. He is for the embodiment shown here purely by way of example. In principle, it would also be conceivable to use fuel cell 2 without an anode loop, for example as a dead-end fuel cell or with a discharge of the unused exhaust gas
  • the cathode compartment 4 of the fuel cell 2 is fed via an air conveyor 9 filtered fresh air as an oxygen supplier.
  • This fresh air supplied can flow in a manner not shown, but known per se, for example by a humidifier to be moistened and the
  • the fuel cell 2 itself then supplies electrical power and generates product water, which is removed in the region of the exhaust gas streams.
  • the structure of the anode space 3 and the cathode space 4 typically consists of a plurality of small gas-carrying channels, which feed the educts to the polymer electrolyte membranes, the entry of water should be prevented in this area, since this can clog the channels accordingly.
  • water separators are provided at various points, which remove this liquid water from the product and educt streams and lead this liquid out of the system. Purely by way of example are in the illustrated embodiment of the
  • the fuel cell system 1 Since waste heat is also generated in the fuel cell 2 in addition to the product water and the exhaust gases, the fuel cell system 1 also has a cooling circuit 16.
  • This cooling circuit 16 cools the fuel cell 2 through a heat exchanger 17 a liquid cooling medium and releases the heat collected by the cooling medium in the regular operation via a cooling heat exchanger 18 to the environment.
  • the liquid cooling medium is circulated in the cooling circuit 16 by means of a coolant delivery device 19.
  • the cooling circuit 16 for cooling the fuel cell 2 may comprise further peripheral parts and components to be cooled, as is known and customary from the general state of the art. To simplify the presentation, these have not been drawn here.
  • the cooling circuit 16 will also include a bypass 20 around the cooling heat exchanger 18, which can be switched via a valve device 21 so that in the cold start case of the fuel cell 2, the cooling medium does not flow through the cooling heat exchanger 18 and accordingly does not cool.
  • the fuel cell 2 and the entire fuel cell system 1 are thereby heated faster and come faster to the required operating temperature for starting the fuel cell system 1. This is also known from the general state of the art.
  • These heat exchangers 22, 23, 24 are arranged in liquid water leading components and components, which are not cooled in the embodiments of the prior art.
  • the heat exchanger 22 is arranged here in the region of the water separator 11, the heat exchanger 23 in the region of the water outlet 15 and the heat exchanger 24 in the region of the heat exchanger 10.
  • Other water-bearing or water-contacting components and components such as humidifiers, turbines, valves, throttle bodies, throttle valves, filter cartridges and Rezirkulationsgebläse could also with such
  • Heat exchangers are provided.
  • Integrated cooling circuit 16 which is already operated in the cold start case, even if the liquid cooling medium does not flow through the cooling heat exchanger 18. If it now comes to a start of the fuel cell system 1, then the fuel cell 2 is heated in a conventional manner by starting the fuel cell 2. Its cooling water also heats up comparatively quickly, in particular if the entire liquid cooling medium is conducted only via the bypass 20 and not through the cooling heat exchanger 18. In these situations, the heat exchangers 22, 23 and 24 are flowed through by the already heating cooling medium. If the fuel cell system 1 has been left at temperatures below freezing before starting, it may have come in the water separator 10, 1 1 and the water drains 15, 14 to freeze this water. The lines are clogged accordingly and can not be used at the start of the fuel cell system 1. This leads to malfunctions of the system. Due to the possibility of these otherwise not cooled components and components now with the warm cooling medium in the
  • Components must provide their full functionality.
  • the use of energy is significantly more energy efficient compared to thawing with electrical heating elements, which are known in the field of these components from the prior art, so that at the start of the fuel cell system 1 a significantly smaller amount of energy must be kept, which in turn minimizes energy storage devices in size and cost ,
  • Cooling circuit 16 by closing the optional valve devices 25, 26, 27, a shutdown of the heat exchangers 22, 23, 24 done so that they are no longer part of the cooling circuit and, accordingly, not from the liquid cooling medium must be flowed through. In this case, it must be weighed whether the expense with regard to control and installation space for the valve devices 25, 26, 27 justifies the reduction of the pressure losses in this area of the cooling circuit.
  • the heat exchanger 22, 23, 24 simply constantly flow through during normal operation, as a cooling or possibly also a heating of the separator 10, 11 and the water discharge 15 on the
  • Temperature level of the cooling circuit 16 for the regular operation of the fuel cell is not critical.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit wasserführenden Bauteilen und Komponenten (10, 11, 14, 15) im Bereich der Zufuhr und Abfuhr von Edukten und Produkten von und zu der Brennstoffzelle (2), mit wenigstens einem Kühlkreislauf (16) mit einem flüssigen Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelle (2). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11, 14, 15) zumindest während einzelner Betriebsphasen der Brennstoffzelle (2) in thermischem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig weisen Brennstoffzellensysteme Brennstoffzellen auf, welche in Form von sogenannten PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sind. Solche Brennstoffzellensysteme werden bevorzugt in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, zur zumindest teilweisen Erzeugung der elektrischen Vortriebsenergie eingesetzt. In derartigen Brennstoffzellensystemen ist es üblich, dass diverse Systemkomponenten, wie beispielsweise ein Luftversorgungsuntersystem, ein Brennstoffversorgungsuntersystem und dergleichen, vorhanden sind. Da prinzipbedingt im Bereich der Brennstoffzelle Produktwasser anfällt und abgeführt werden muss, weisen derartige
Brennstoffzellensysteme im Allgemeinen wenigstens einen, typischerweise jedoch mehrere Wasserabscheider zum Abscheiden von in Form von Tröpfchen vorliegendem Flüssigwasser aus Gasströmen von und/oder zu der Brennstoffzelle auf. Diese
Wasserabscheider sind im Allgemeinen mit Wasserleitungen zum Abführen des Wassers beispielsweise zur Weiterverwendung innerhalb des Brennstoffzellensystems oder nach außerhalb des Brennstoffzellensystems ausgestattet.
Nun ist es ferner bekannt, dass der Einsatz von Brennstoffzellensystemen, insbesondere wenn dieser in Fahrzeugen erfolgen soll, häufig auch unter widrigen äußeren
Bedingungen stattfindet. So ist es beispielsweise bei Fahrzeugen notwendig, dass diese auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts schnell und zuverlässig starten können. Hierfür sind verschiedene Techniken bekannt, welche beispielsweise dazu dienen, dass die Brennstoffzelle selbst sich sehr schnell erwärmt. Beispielhaft soll hierzu auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 017 434 A1 verwiesen werden. Diese Schrift beschreibt eine Brennstoffzelle, einen sogenannten Brennstoffzellenstack, welcher so ausgestaltet ist, dass er ein Kühlsystem zur Abfuhr von überschüssiger Abwärme während des regulären Betriebs aufweist. Das Kühlsystem ist dabei so ausgeführt, dass es im Falle eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems aus widrigen
Temperaturbedingungen heraus lediglich eine vergleichsweise geringe Anzahl an einzelnen Brennstoffzellen den Brennstoffzellenstacks von dem Kühlmittel durchströmt werden, welches sich dementsprechend schnell erwärmt. Mit sich erwärmendem
Kühlmittel werden weitere Einzelzellen hinzugeschaltet und von dem Kühlmittel durchströmt. Dies dient der schnellen Erwärmung des Kühlmittels und kann damit eine schnelle Erwärmung des Brennstoffzellenstacks gewährleisten.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es außerdem bekannt, dass ein Kühlkreislauf für das Brennstoffzellensystem so ausgebildet wird, dass im Kaltstartfall ein Bypass um den Kühlwärmetauscher zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlkreislauf vorgesehen ist, sodass der Kühlkreislauf selbst sich schneller erwärmt. Unterstützend hierzu kann in dem Kühlkreislauf außerdem ein zusätzliches Heizelement, beispielsweise ein elektrischer Heizer, vorgesehen werden.
Nun ist es außerdem bekannt, dass das in der Brennstoffzelle anfallende Wasser während des elektrochemischen Prozesses in der Brennstoffzelle erzeugt wird und dementsprechend rein ist. Es gefriert daher bei Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts sehr schnell, dieses kann auch nicht durch Additive oder dergleichen verhindert werden, da das Wasser erst während des Betriebs der Brennstoffzelle aus den zugeführten Edukten anfällt. Da nicht sämtliche wasserführenden Bauteile und
Komponenten beim Abstellen des Brennstoffzellensystems vollständig von dem flüssigen Wasser freigespült werden können, ist beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts häufig ein Auftauen von wasserführenden Komponenten in dem Brennstoffzellensystem notwendig. Hierfür sind im Allgemeinen elektrische Heizelemente im Bereich der wasserführenden Bauteile und Komponenten, beispielsweise im Bereich von Wasserabscheidern, vorgesehen. Beim Start des
Brennstoffzellensystems benötigen diese jedoch eine vergleichsweise große Menge an elektrischer Energie. Handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem, welches
beispielsweise in einem Fahrzeug als mobiles Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, so steht Energie typischerweise nicht oder nur in sehr begrenztem Maße zur Verfügung, da das Fahrzeug, vergleichbar einem herkömmlichen Fahrzeug, oft lediglich über eine Startbatterie zum Starten des Systems verfügt. Die zum Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten benötigte Energie belastet das System während der
Startphase damit erheblich und erfordert elektrische Energiespeichereinrichtungen mit höherer Kapazität als unbedingt notwendig, was den Aufbau entsprechend schwer, groß und teuer macht.
Des Weiteren soll auf die DE 10 2009 013 776 A1 verwiesen werden. Diese beschreibt eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein
Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Die Kühlvorrichtung umfasst zwei
Kühlkreisläufe, einen Niedertemperaturkühlkreislauf und einen
Hochtemperaturkühlkreislauf. Teil des Hochtemperaturkühlkreislaufs ist dabei ein Wärmetauscher im Bereich der Brennstoffzelle selbst, welcher deren Abwärme abführt. Außerdem kann ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, bei welchem der elektrische Antriebsmotor gekühlt werden muss, Teil des Kühlkreislaufs sein. Im Kaltstartfall wird dann durch das sich erwärmende Kühlmed'rum in der Brennstoffzelle das
Wasserstoffrezirkulationsgebläse mit erwärmt. So wird gegebenenfalls im Bereich des Gebläses festgefrorenes Wasser aufgetaut.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Problematik zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches so ausgebildet ist, dass es einen schnellen und zuverlässigen Start des Brennstoffzellensystem bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gewährleistet und dabei einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Verwendungsanspruchs deutlich.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die wasserführenden Bauteile und Komponenten zumindest während einzelner Betriebsphasen der Brennstoffzelle in thermischem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen. Anstelle der elektrischen Beheizung der gegebenenfalls eingefrorenen flüssiges Wasser führenden Bauteile und Komponenten erfolgt die Beheizung bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem so, dass diese Komponenten mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufs des
Brennstoffzellensystems in thermischen Kontakt gebracht werden. Da der Kühlkreislauf der Brennstoffzelle selbst typischerweise über entsprechende Maßnahmen - wie beispielsweise eingangs erläutert wurde - sehr schnell erwärmt wird, um einen schnellen Start der Brennstoffzelle selbst zu gewährleisten, liegt im Bereich des Kühlkreislaufs vergleichsweise schnell eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts vor, welche zum Auftauen der entsprechenden wasserführenden Komponenten, wie beispielsweise Wasserabscheider und Wasserableitungen, genutzt werden kann. Dies spart Energie durch eine elektrische Beheizung dieser Komponenten ein. Die im Kühlwasser vergleichsweise schnell vorhandene Energie reicht vollkommen aus, um die kritischen wasserführenden Bauteile und Komponenten aufzutauen und so, nachdem die
Brennstoffzelle selbst soweit erwärmt ist, dass diese betriebsbereit ist, dieser auch ein betriebsbereites Brennstoffzellensystem zur Seite stellen zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass die wasserführenden Bauteile und Komponenten Wärmetauscher aufweisen, welche von dem Kühlmedium durchströmt sind. Diese Wärmetauscher, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee in Form von doppelwandigen Komponenten oder Bauteilen ausgebildet sein können, deren Raum zwischen der Innen- und der Außenwand vom Kühlwasser durchströmt wird, ermöglichen so den sehr direkten Kontakt mit dem Kühlmedium, wodurch ein Auftauen der Komponenten einfach und effizient erfolgen kann.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass dieses einen
Hochtemperaturkühlkreislauf und einen Niedrigtemperaturkühlkreislauf aufweist, wobei die wasserführenden Bauteile und Komponenten mit dem Kühlmedium des
Hochtemperaturkühlkreislaufs in thermischem Kontakt stehen. Dieser Aufbau nützt den Hochtemperaturkühlkreislauf, welcher typischerweise die Brennstoffzelle umfasst und welcher sich vergleichsweise schnell auf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau erwärmt, dazu, neben dem schnellen Erwärmen der Brennstoffzelle auch das Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten zu realisieren. Dieser Aufbau ist besonders effizient, da aufgrund des höheren Temperaturniveaus des
Hochtemperaturkühlkreislaufs gegenüber dem Niedertemperaturkühlkreislauf ein effizientes Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten realisiert werden kann.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Kühlkreislauf in einem ersten Betriebsmodus so schaltbar ist, dass der Kühlkreislauf lediglich in zumindest einem Teil der Brennstoffzelle und zumindest einem der wasserführenden Bauteile und Komponenten zirkuliert. Die eine oder die mehreren wasserführenden Bauteile und Komponenten können also bei einem Schnellstart des
Brennstoffzellensystems, bei dem das Kühlmedium lediglich in der Brennstoffzelle selbst sowie ggf. in einigen weiteren Peripherieteilen, welche beispielsweise Wärme erzeugen, zirkuliert, die wasserführenden Bauteile und Komponenten mit einbezogen werden. Sie werden also nach dem unmittelbaren Start des Systems von dem Kühlwasser
durchströmt, sodass ein schnelles und zuverlässiges Auftauen derselben gewährleistet werden kann.
Wie bereits erwähnt, liegt die besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems darin, dass dieses sehr einfach und effizient gestartet werden kann, wobei zum Auftauen der wasserführenden Komponenten wenig Energie benötigt wird, welche zuvor in einem Energiespeicher gespeichert werden musste. Damit entsteht ein sehr einfaches und energieeffizientes System, welches sich insbesondere zum Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise zum Starten bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, eignet. Die Verwendung des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist daher vorzugsweise in Fahrzeugen vorzusehen, welche derartigen widrigen Umgebungsbedingungen häufig ausgesetzt sind, und in welchen die Bereitstellung zum Start des Systems erforderlicher Energie nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung. In der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Es umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 aufweist. Dem Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einem Druckgasspeicher 5 über ein Drosselventil 6 Wasserstoff zugeführt. Das unverbrauchte Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 3 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 zurück in den Bereich des Anodenraums 3, welchem dieses zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 5 erneut zugeführt wird. Dieser Aufbau ist allgemein auch als Anodenloop bekannt. Er ist für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel rein beispielhaft zu verstehen. Prinzipiell wäre es auch denkbar, die Brennstoffzelle 2 ohne Anodenloop beispielsweise als Dead- End-Brennstoffzelle oder mit einer Abführung des unverbrauchten Abgases
beispielsweise an einen katalytischen Brenner oder dergleichen vorzusehen.
Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 9 gefilterte Frischluft als Sauerstofflieferant zugeführt. Diese zugeführte Frischluft kann in nicht dargestellter, aber an sich bekannter Art und Weise beispielsweise durch einen Befeuchter strömen, um entsprechend befeuchtet zu werden und die
Polymerelektrolytmembranen, welche den Kathodenraum 4 von dem Anodenraum 3 trennen, nicht unnötig auszutrocknen.
Die Brennstoffzelle 2 selbst liefert dann elektrische Leistung und erzeugt Produktwasser, welches im Bereich der Abgasströme abgeführt wird. Da der Aufbau des Anodenraums 3 und des Kathodenraums 4 typischerweise aus einer Vielzahl von kleinen gasführenden Kanälen besteht, welche die Edukte den Polymerelektrolytmembranen zuleiten, sollte der Eintrag von Wasser in diesen Bereich unbedingt verhindert werden, da dieses die Kanäle entsprechend verstopfen kann. In einem derartigen Brennstoffzellensystem 1 sind daher an verschiedenen Stellen Wasserabscheider vorgesehen, welche dieses Flüssigwasser aus den Produkt- und Eduktströmen heraustrennen und dieses flüssig aus dem System führen. Rein beispielhaft sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des
Brennstoffzellensystems 1 dabei zwei Wasserabscheider 10, 11 angedeutet, welche jeweils durch ein Ventil 12, 13 mit einer Wasserleitung 14, 15 verbunden sind.
Da in der Brennstoffzelle 2 neben dem Produktwasser und den Abgasen außerdem Abwärme anfällt, weist das Brennstoffzellensystem 1 ferner einen Kühlkreislauf 16 auf. Dieser Kühlkreislauf 16 kühlt über einen Wärmetauscher 17 die Brennstoffzelle 2 durch ein flüssiges Kühlmedium und gibt die von dem Kühlmedium gesammelte Wärme im regulären Betrieb über einen Kühlwärmetauscher 18 an die Umgebung ab. Das flüssige Kühlmedium wird dafür mittels einer Kühlmittelfördereinrichtung 19 in dem Kühlkreislauf 16 umgewälzt. Der Kühlkreislauf 16 zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 kann weitere zu kühlende Peripherieteile und Komponenten umfassen, wie dies aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden diese hier nicht eingezeichnet. Typischerweise wird der Kühlkreislauf 16 außerdem einen Bypass 20 um den Kühlwärmetauscher 18 umfassen, welcher über eine Ventileinrichtung 21 so geschaltet werden kann, dass im Kaltstartfall der Brennstoffzelle 2 das Kühlmedium nicht durch den Kühlwärmetauscher 18 strömt und sich dementsprechend nicht abkühlt. Die Brennstoffzelle 2 und das gesamte Brennstoffzellensystem 1 werden dadurch schneller erwärmt und kommen schneller auf die erforderliche Betriebstemperatur zum Start des Brennstoffzellensystems 1. Auch dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik so bekannt.
Das Brennstoffzellensystem 1 in der hier dargestellten Ausführungsform weist nun außerdem zusätzliche Wärmetauscher 22, 23, 24 auf, von welchen hier drei beispielhaft angedeutet wurden. Diese Wärmetauscher 22, 23, 24 sind dabei in flüssiges Wasser führenden Bauteilen und Komponenten angeordnet, welche bei den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik nicht gekühlt sind. Beispielhaft ist der Wärmetauscher 22 hier im Bereich des Wasserabscheiders 11 , der Wärmetauscher 23 im Bereich der Wasserableitung 15 und der Wärmetauscher 24 im Bereich des Wärmetauschers 10 angeordnet. Weitere wasserführende oder wasserberührte Bauteile und Komponenten, wie beispielsweise Befeuchter, Turbinen, Ventile, Drosselstellen, Drosselklappen, Filterkartuschen und Rezirkulationsgebläse könnten ebenfalls mit derartigen
Wärmetauschern versehen werden.
Diese beim Stand der Technik nicht gekühlten Bauteile und Komponenten werden nun bei dem hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 über die
Wärmetauscher 22, 23, 24 und optionale Ventileinrichtungen 25, 26 und 27 so an den Kühlkreislauf 16 angebunden, dass diese dauerhaft oder bei Vorhandensein der Ventileinrichtungen 25, 26, 27 bei Bedarf von dem Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 16 durchströmt werden können. Eine Kühlung der beschriebenen wasserführenden Bauteile und Komponenten 10, 11 , 15 im regulären Betrieb ist prinzipiell nicht notwendig, könnte aber als zusätzlicher Nebeneffekt gegebenenfalls zumindest im Bereich der Wasserabscheider 10, 11 von Vorteil sein, da hierdurch die Rate der Auskondensation erhöht werden könnte.
Schwerpunktmäßig ist der Betrieb der Wärmetauscher 22, 23 und 24 jedoch für den Kaltstartfall des Systems vorgesehen. Dementsprechend sind sie in den Teil des
Kühlkreislaufs 16 eingebunden, welcher bereits im Kaltstartfall betrieben wird, auch wenn das flüssige Kühlmedium nicht über den Kühlwärmetauscher 18 strömt. Kommt es nun zu einem Start des Brennstoffzellensystems 1 , dann wird die Brennstoffzelle 2 in an sich bekannter Art und Weise durch Starten der Brennstoffzelle 2 aufgewärmt. Ihr Kühlwasser erwärmt sich ebenfalls vergleichsweise schnell, insbesondere wenn das gesamte flüssige Kühlmedium lediglich über den Bypass 20 und nicht durch den Kühlwärmetauscher 18 geleitet wird. In diesen Situationen sind die Wärmetauscher 22, 23 und 24 von dem sich bereits erwärmenden Kühlmedium durchströmt. Sollte das Brennstoffzellensystem 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vor dem Start ausgeharrt haben, so kann es im Bereich der Wasserabscheider 10, 1 1 und der Wasserableitungen 15, 14 zu einem Einfrieren dieses Wassers gekommen sein. Die Leitungen sind dementsprechend verstopft und können beim Start des Brennstoffzellensystems 1 nicht verwendet werden. Dies führt zu Fehlfunktionen des Systems. Durch die Möglichkeit, diese ansonsten nicht gekühlten Bauteile und Komponenten nun mit dem warmen Kühlmedium in dem
Kühlkreislauf 16 in Kontakt bringen zu können, können diese Komponenten jedoch einfach und effizient aufgetaut werden. Dies ist durch das sich vergleichsweise schnell erwärmende Kühlwasser in einem Zeitraum möglich, welcher ausreicht, bis diese
Komponenten ihre volle Funktionsfähigkeit bereitstellen müssen. Der Energieeinsatz ist gegenüber einem Auftauen mit elektrischen Heizelementen, welche im Bereich dieser Komponenten aus dem Stand der Technik bekannt sind, deutlich energieeffizienter, sodass zum Start des Brennstoffzellensystems 1 eine deutliche geringere Energiemenge vorgehalten werden muss, was wiederum Energiespeichereinrichtungen hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Kosten minimiert.
Nachdem die wasserführenden Bauteile 10, 11 , 15, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Wärmetauschern 22, 23, 24 in Verbindung stehen, entsprechend aufgetaut sind, kann, zur Verminderung der Druckverluste in dem
Kühlkreislauf 16, durch Schließen der optionalen Ventileinrichtungen 25, 26, 27 ein Abschalten der Wärmetauscher 22, 23, 24 erfolgen, sodass diese nicht mehr Teil des Kühlkreislaufs sind und dementsprechend nicht von dem flüssigen Kühlmedium durchströmt werden müssen. Hierbei ist abzuwägen, ob der Aufwand hinsichtlich Ansteuerung und Bauraum für die Ventileinrichtungen 25, 26, 27 die Verringerung der Druckverluste in diesem Bereich des Kühlkreislaufs rechtfertigt. Alternativ dazu wäre es nämlich auch denkbar, die Wärmetauscher 22, 23, 24 einfach ständig während des regulären Betriebs zu durchströmen, da eine Abkühlung oder gegebenenfalls auch eine Erwärmung der Abscheider 10, 11 und der Wasserableitung 15 auf das
Temperaturniveau des Kühlkreislaufs 16 für den regulären Betrieb der Brennstoffzelle unkritisch ist.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit
wasserführenden Bauteilen und Komponenten (10, 11 , 14, 15) im Bereich der Zufuhr und Abfuhr von Edukten und Produkten von und zu der Brennstoffzelle (2), mit wenigstens einem Kühlkreislauf (16) mit einem flüssigen Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelle (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11 , 14, 15) zumindest während einzelner Betriebsphasen der Brennstoffzelle (2) in thermischem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11 , 14, 15) zumindest teilweise Wärmetauscher (22, 23, 24) aufweisen, welche von dem Kühlmedium durchströmt sind.
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11 , 14, 15) zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt sind, wobei die doppelte Wandung als
Wärmetauscher (22, 23, 24) dient.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11 , 14, 15) über Ventileinrichtungen (25, 68, 27) in den und aus dem Kühlkreislauf (16) schaltbar sind.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten Wasserabscheider (10, 11) umfassen.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wasserführenden Bauteile und Komponenten wasserführende Leitungselemente (14, 15) umfassen.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Hochtemperaturkühlkreislauf (16) und ein Niedertemperaturkühlkreislauf vorhanden ist, wobei die wasserführenden Bauteile und Komponenten (10, 11 , 14, 15) mit dem Kühlmedium des Hochtemperaturkühlkreislaufs (16) in thermischem Kontakt stehen.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hochtemperaturkühlkreislauf (16) zumindest die Brennstoffzelle (2) kühlt.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkreislauf (16) in einem ersten Betriebsmodus so schaltbar ist, dass das Kühlmedium lediglich in zumindest einem Teil der Brennstoffzelle (2) und zumindest einem der Wärmetauscher (22, 23, 24) der wärmeführenden Bauteile und
Komponenten (10, 1 1 , 14, 15) zirkuliert.
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug zur Bereitstellung zumindest eines Teils der Antriebsenergie.
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