EP4487395A2 - Temperiergehäuse für ein temperieren von komponenten eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Temperiergehäuse für ein temperieren von komponenten eines brennstoffzellensystems

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EP4487395A2
EP4487395A2 EP23758216.8A EP23758216A EP4487395A2 EP 4487395 A2 EP4487395 A2 EP 4487395A2 EP 23758216 A EP23758216 A EP 23758216A EP 4487395 A2 EP4487395 A2 EP 4487395A2
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EP
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temperature control
housing
fuel cell
anode
section
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Application number
EP23758216.8A
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English (en)
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Alexander SCHNABEL
Günter Häusl
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Temperature control housing for temperature control of components of a fuel cell system
  • the present invention relates to a temperature control housing for temperature control of components of a fuel cell system, a fuel cell system with such a temperature control housing and a method for temperature control of a temperature control housing according to the present invention.
  • fuel cell systems have devices for controlling the temperature of individual components.
  • individual components in such fuel cell systems reach very high temperatures, so that they must be cooled.
  • the operation of fuel cell systems produces water, which occurs in the anode exhaust gas and should be separated. For separation, the water must be separated from the anode exhaust gas.
  • the disadvantage of the known solutions is that, particularly in special operating situations, such as a cold start or in particular the so-called frost start, i.e. a start of the fuel cell system at temperatures below 0° Celsius, uneven heat distribution and/or heating leads to undesirable cooling of the anode exhaust gas and/or or icing can occur within the separation device. This has the disadvantage that it can dry out and/or starting can only take place under difficult conditions or even not at all.
  • known solutions are aimed at providing separating devices with electrical heating elements in order to enable heating using electrical power in cold start situations or forest start situations and thus to avoid icing.
  • the known solutions are disadvantageous in that they either limit the operating range and in particular the possible starting conditions without the possibility of temperature control for the separation device.
  • the known solution is disadvantageous because when using electrical heating devices, they increase the complexity, the costs and the space required.
  • a temperature control housing is used for temperature control of components of a fuel cell system.
  • a temperature control housing has a housing wall which encloses an interior housing space.
  • a separation device for separating water from an anode exhaust gas for recirculation as recirculation gas is arranged within the housing interior.
  • a temperature control housing according to the invention is characterized in that part of a cooling circuit for cooling system components of the fuel cell system for temperature control of the housing interior is arranged in the housing interior.
  • the separation device is equipped with an anode exhaust gas inlet for receiving anode exhaust gas from an anode section of a fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the separation device has a recirculation gas outlet, for an outlet of the anode exhaust gas as recirculation gas into an anode supply section, for supply to the anode section of the fuel cell stack.
  • the core idea according to the invention is based on providing the separation device with an active temperature control option.
  • this active temperature control option is not formed by a separate temperature control device, as was ensured, for example, in the prior art by electrical heating means.
  • the temperature control housing is used to heat the waste heat generated during operation of the fuel cell system from other components, here the system components, to control the temperature of the separator. Use device.
  • the temperature control housing is equipped with part of the cooling circuit.
  • the fuel cell system according to the invention is designed in particular as a PEM fuel cell system.
  • a PEM fuel cell system it is necessary to dissipate the resulting waste heat in an appropriately designed cooling circuit.
  • the membrane of a PEM fuel cell begins to be damaged at temperatures above 95 °C, as sulfonic acid chains decompose at these temperatures. Therefore, the fuel cell system has cooling circuits to protect the fuel cells and all other system components from overheating. This cooling circuit then usually has higher temperatures than, for example, a cooling circuit for the battery or the power electronics.
  • the cooling water in the cooling circuit has a maximum temperature of around 90 °C to around 95 °C.
  • system components are advantageously understood to mean all components of the fuel cell system, such as the balance-of-plant components and/or the high-temperature circuit components.
  • a temperature control housing now uses this resulting waste heat from system components, in particular the waste heat from the fuel cell stack, and the fact that this waste heat is at least partially already in a coolant within the cooling circuit. Due to the structural design of a part of the cooling circuit within the housing interior of the temperature housing, it is now possible to use this waste heat at least partially to control the temperature of the housing interior. In a first step, it is irrelevant how the heat transfer takes place from the part of the cooling circuit to the housing interior. These can be simple heat transfer surfaces, but also more complex options, which take over the various heat transport phenomena, in particular heat conduction and / or heat convection, for the heat transfer from the heated coolant to the housing interior.
  • the design according to the invention therefore allows waste heat, which is generated very quickly on system components when starting a fuel cell system, to be absorbed by means of the already existing and required cooling function and into the temperature. to forward the perimeter housing.
  • This waste heat is available due to the system and can be made available very quickly for use in temperature control, in this case heating.
  • the temperature control i.e. in particular the heating of the temperature control housing and its housing interior, provides a temperature control option which can essentially completely dispense with the external heat supply.
  • the temperature control housing is understood in particular to mean an integral component which includes all components and their functions, such as in particular heat exchangers, separators, injectors, containers.
  • the housing interior is then also formed integrally with all the other parts and components.
  • Such a temperature control housing is preferably produced at least partially by 3D printing or by another manufacturing process.
  • a condensate tank is arranged in the interior of the housing, in fluid-communicating connection with the separation device for receiving liquid water separated from the anode exhaust gas.
  • this condensate tank is also arranged in the housing interior of the temperature control housing, so that the reduction in the risk of icing through the described temperature control option according to the invention can also be applied to the condensate tank.
  • the temperature control option is also made available to the condensate tank itself during a cold start, in particular during a frost start, so that undesirable icing can also be avoided here with a high degree of probability.
  • a drain valve for draining liquid water separated from the anode exhaust gas.
  • a drain valve can be used in combination with a condensate tank according to the previous paragraph.
  • a drain valve is also conceivable without a condensate tank.
  • the drain valve can be arranged inside, but also outside of the housing interior in specific embodiment variants of the temperature control housing. The arrangement of the drain valve within the interior of the housing brings with it the same advantages of temperature control, so that undesirable icing in cold start or frost start situations can also be reduced for this component in the form of the drain valve.
  • a partial section of the anode supply section is arranged in the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention.
  • the anode supply section is also guided through the housing interior of the temperature control housing. This means that the temperature control functionality of the part of the cooling circuit is also available for this part of the anode supply section.
  • the anode supply section which is tempered here, can be a section that only contains externally supplied fuel.
  • the part of the anode supply section within the housing interior can also be arranged after a mixing device with the recirculation gas, so that a mixing chamber for mixing fuel and recirculation gas to form a common mixed gas as anode supply gas can also be placed within the housing space.
  • the temperature control option according to the invention is extended here to regular operation, so that preheating is provided externally.
  • tem fuel can also be ensured as part of the temperature control functionality within a temperature control housing according to the invention. In the best case, this means that there is no need for a separate heat exchanger for preheating fuel. In such a case, the advantages of reducing installation space, reducing complexity and minimizing costs are further increased.
  • the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention is free of a heat exchanger.
  • the heat exchanger is a device in which fluid flows actively and in a guided manner in heat exchange with other fluid.
  • These can be, for example, plate heat exchangers or similar types of heat exchangers, as will be briefly explained later.
  • the temperature control functionality according to the invention in the non-specific manner, namely in a way that the entire housing interior of the temperature control housing is heated, means that such specific heat exchangers can be dispensed with in this embodiment.
  • a heat exchanger for heating recirculation gas and/or anode supply gas is arranged in the interior of the housing in a temperature control housing according to the invention.
  • the temperature control functionality is sufficient to ensure the desired preheating of recirculation gas, fuel or mixed gas as anode supply gas. If this temperature control function is not sufficiently dimensioned, additional heat exchangers can be used to provide specific, stronger heating for the individual gas streams. Because these heat exchangers are now integrated into the interior of the housing, they no longer have to provide complete heating, but rather build on the basic temperature control using the temperature control housing.
  • a temperature control housing there is at least one ejector device for the anode supply section in the housing interior. is at least partially arranged.
  • Such an ejector device is preferably arranged completely or substantially completely within the housing interior.
  • An ejector device can, for example, have a mixing chamber which can ensure mixing of fuel and recirculation gas.
  • the mixed gas is then passed through the nozzle of the ejector device so that a pressure difference leads to a suction effect on the recirculation gas.
  • the delivery of the mixed gas as anode supply gas to the anode section of the fuel cell stack can preferably be designed to be free of rotating components, such as fans.
  • the housing wall has fluid lines which at least partially form the part of the cooling circuit in the housing interior. While in principle any form of heat transfer to the internal volume of the housing interior is sufficient to provide the temperature control functionality in the manner according to the invention, such cooling lines can allow a significantly more precise temperature control function.
  • the cooling lines can, for example, be integrated into the housing wall like a network and, in particular, provide heat transfer functions of different strengths in different areas of the housing wall. For example, it is conceivable that such a very high number of cooling lines is provided in the area of the separation device in order to actually be able to make a disproportionately large amount of the waste heat conveyed within the coolant in the cooling circuit available to the separation device. Integrating the fluid lines into the housing wall reduces the space requirement even further and can in this way further strengthen the advantage of the improved installation space.
  • the housing wall has at least one insulating section for thermal insulation of the housing interior from the surroundings of the temperature control housing.
  • thermal insulation can be used, for example, as a thermal insulating layer be trained.
  • an outer wall layer it serves to thermally insulate the housing wall from the outside, so that both a loss of heat in cold outside situations and also an ingress of heat in particularly hot environmental situations can be avoided. This means that temperature control is made even easier, as the independence from the ambient temperature increases.
  • the part of the cooling circuit has control means, in particular in the form of at least one control valve, for controlling the fluid flow through the part of the cooling circuit in the housing interior to control the temperature control performance.
  • control means in particular in the form of at least one control valve, for controlling the fluid flow through the part of the cooling circuit in the housing interior to control the temperature control performance.
  • control valves can be used, which either qualitatively completely shut off or completely unlock the fluid flow through this part of the cooling circuit.
  • Quantitative control for example by actually setting and regulating a volume flow of cooling fluid through this part of the cooling circuit, is also fundamentally conceivable.
  • a fuel cell system which has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section.
  • the anode section is equipped with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode exhaust gas.
  • the cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas.
  • the fuel cell system has a cooling circuit for cooling system components of the fuel cell system.
  • Such a fuel cell system is characterized in that a separating device for separating water from the anode exhaust gas is arranged in the anode discharge section within a temperature control housing according to the invention.
  • a fuel cell system according to the invention therefore also brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a temperature control housing according to the invention.
  • a further subject of the present invention is a method for temperature control of a temperature control housing according to the present invention during a cold start of a fuel cell system according to the invention, comprising the following steps:
  • a method according to the invention also brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a temperature control housing according to the invention.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 100, which is capable of producing electrical power from fuel and ambient air with the oxygen contained therein.
  • a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack 110, which can be schematically divided into an anode section 120 and a cathode section 130.
  • Ambient air is sucked in here by a fan device and made available to the cathode section 130 as cathode supply gas KZG via a cathode supply section 132.
  • a fuel not shown from the left, is supplied as anode feed gas AZG via the anode feed section 122 to the anode section 120.
  • the resulting cathode exhaust gas KAG can be absorbed via the cathode discharge section 134, discharged and, for example, released into the environment.
  • the anode exhaust gas AAG is absorbed here via the anode discharge section 124 and, in this embodiment, at least partially fed to recirculation.
  • the separation of liquid water W is desired here.
  • the anode exhaust gas AAG is fed to a separation device 30, which is able to separate liquid water W from the anode exhaust gas AAG and to drain it here via a drain valve 50.
  • the dried anode exhaust gas AAG is output as recirculation gas RZG from the separation device 30 via the recirculation gas outlet 34 and fed to a mixing section in the anode supply section 122.
  • the recirculation gas RZG is mixed with a fuel (not shown) to form a mixed gas, which in turn is supplied as anode supply gas AZG to the anode section 120 via the anode supply section 122.
  • At least the separation device 30 with the recirculation gas outlet 34 and the anode exhaust gas inlet 32 is arranged within a housing interior 22 of a temperature control housing 10 and is therefore essentially enclosed by the housing wall 20.
  • a defined temperature can be set within this temperature control housing 10, i.e. temperature control can take place.
  • a section of a cooling circuit 140 is shown here. Not shown in more detail is the known part of this cooling circuit 140, which leads to the individual operating components of the fuel cell system 100, also not shown, in order to cool them by absorbing waste heat from such system components.
  • the coolant of the cooling circuit 140 heated in this way is now guided into this section within the housing interior 22 of the temperature control housing 10 and can release at least part of this absorbed waste heat there. This leads to heating of the housing interior 10 and in this way all components within this housing interior 22. This leads to the advantages mentioned, in particular a targeted temperature control of the separating device 30 during a cold start or a frost start.
  • FIG. 2 shows a further development of the embodiment of FIG. 1.
  • the part of the cooling circuit 140 which is part of the housing interior 22, is now integrated into the housing wall 20 as a fluid line 24. This leads to greater compactness and at the same time even better heat distribution when controlling the temperature of the housing interior 22.
  • a condensate tank 40 is provided here, which can absorb and store separated water W from the separating device 30.
  • this condensate tank 40 of FIG. 2 is now combined with the drain valve 52 of FIG. Not shown in more detail, but in principle it is also possible to provide a so-called purge valve on the top of the separating device 30 in order to also be able to provide purge processes.
  • the mixing device for mixing a recirculation gas RZG with a fuel is now also integrated into the housing interior 22.
  • this temperature control and preheating option is so strong formed that a separate heat exchanger 60 can be completely dispensed with.
  • FIG. 4 shows a variant which requires greater preheating than can be provided by the temperature control function of the temperature control housing 10. Therefore, a heat exchanger 60 is provided here in the anode supply section 122, integrated into the housing interior 22, which can preheat the supplied fuel before it is mixed with the recirculation gas RZG.
  • Figure 5 shows a variant in which the isolation from the environment is increased.
  • the temperature control housing 10 and the housing wall 20 are designed with an insulating section 26, which ensures thermal insulation from the environment.
  • the introduction of heat in hot environmental situations and the loss of heat in cold environmental situations can be significantly reduced in this way.
  • This increases the control options for the temperature control process itself.
  • 5 also shows a variant in which the fluid flow through the cooling circuit 140 can be controlled.
  • a total of three control means 80 are shown here in the form of control valves, which allow the volume flow of the coolant and thus the amount of heat introduced for the temperature control function to be controlled in a qualitative or even quantitative manner. In one case, a complete bypass is even possible, so that the temperature control function can not only be varied but also completely switched off by these control means 80.
  • Figures 4 and 5 show the use of a so-called ejector device 70, which is partly arranged in the housing interior 22.
  • This ejector device 70 serves to mix supplied fuel and recirculation gas RZG and pass them through an ejector nozzle.
  • pressure differences arise, which lead to suction and thus active delivery of the recirculation gas RZG.
  • This form of conveyance is preferred because no mechanically moved, especially rotated, components are required to convey the recirculation gas RZG.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse (10) für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Gehäusewandung (20), welche einen Gehäuseinnraum (22) umschließt, wobei im Gehäuseinnenraum (22) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Abscheiden von Wasser (W) aus einem Anodenabgas (AAG) für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas (RZG) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter im Gehäuseinnenraum (22) ein Teil eines Kühlkreislaufs (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100) zum Temperieren des Gehäuseinnenraums (22) angeordnet ist, wobei die Abscheidevorrichtung (30) einen Anodenabgas-Einlass (32) aufweist für eine Aufnahme von Anodenabgas (AAG) von einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Rezirkulationsgas-Auslass (34) aufweist für einen Auslass des Anodenabgases (AAG) als Rezirkulationsgas (RZG) in einen Anodenzufuhrabschnitt (122) für eine Zufuhr zu dem Anodenabschitt (120) des Brennstoffzellenstapels (100).

Description

Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Temperiergehäuse sowie ein Verfahren für ein Temperieren eines Temperiergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Vorrichtungen aufweisen, um einzelne Komponenten zu temperieren. Insbesondere ist es bekannt, dass in solchen Brennstoffzellensystemen einzelne Komponenten sehr hohe Temperaturen erreichen, sodass sie gekühlt werden müssen. Auch ist es bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen Wasser entsteht, welches im Anodenabgas auftritt und abgetrennt werden soll. Für das Abtrennen muss das Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden werden.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere in speziellen Betriebssituationen, wie einem Kaltstart oder insbesondere dem sogenannten Froststart, also einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0° Celsius, es durch ungleichmäßige Wärmeverteilung und/oder Erwärmung zu unerwünschter Abkühlung des Anodenabgases und/oder zu Vereisungen innerhalb der Abscheidevorrichtung kommen kann. Dies hat den Nachteil, dass es zu Austrocknung kommen kann und/oder ein Starten nur unter erschwerten Bedingungen oder sogar überhaupt nicht stattfinden kann. Um diesem Problem zu begegnen, sind bekannte Lösungen darauf gerichtet, Abscheidevorrichtungen mit elektrischen Heizelementen zu versehen, um in Kaltstartsituationen oder Forststartsituationen mithilfe elektrischer Leistung ein Erwärmen zu ermöglichen und damit eine Vereisung zu vermeiden.
Die bekannten Lösungen sind jedoch dahingehend nachteilhaft, da sie entweder ohne Temperiermöglichkeit für die Abscheidevorrichtung den Betriebsbereich und insbesondere die möglichen Startbedingungen einschränken. Zum anderen ist die bekannte Lösung nachteilhaft, da beim Verwenden elektrischer Heizvorrichtungen, diese die Komplexität, die Kosten und den Bauraumbedarf erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorlie- genden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen Kaltstart und zusätzliche Konditionierung des Anodenabgases zu ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Temperiergehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird. Ein solches Temperiergehäuse weist eine Gehäusewandung auf, welche einen Gehäuseinnenraum umschließt. Innerhalb des Gehäuseinnenraums ist eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus einem Anodenabgas für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse zeichnet sich dadurch aus, dass im Gehäuseinnenraum ein Teil eines Kühlkreislaufs zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems zum Temperieren des Gehäuseinnenraums angeordnet ist. Dabei ist die Abscheidevorrichtung mit einem Anodenabgas-Einlass ausgestattet, für eine Aufnahme von Anodenabgas von einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Weiter weist die Abscheidevorrichtung einen Rezirkulationsgas-Auslass auf, für einen Auslass des Anodenabgases als Rezirkulationsgas in einen Anodenzufuhrabschnitt, für eine Zufuhr zu dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Abscheidevorrichtung mit einer aktiven Temperiermöglichkeit zu versehen. Diese aktive Temperiermöglichkeit ist jedoch nicht durch eine separate Temperiervorrichtung ausgebildet, wie sie beispielsweise im Stand der Technik durch elektrische Heizmittel gewährleistet wurde. Vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Temperiergehäuse während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entstehende Abwärme von anderen Komponenten, hier den Systemkomponenten, zum Temperieren der Abscheide- Vorrichtung verwenden. Um diese Sekundärnutzung der aufgenommenen Abwärme von Systemkomponenten auszubilden, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Temperiergehäuse mit einem Teil des Kühlkreislaufs ausgestattet.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEM- Brennstoffzellensystem ausgebildet. Bei einem PEM-Brennstoffzellensystem ist es notwendig, entstehende Abwärme in einem entsprechend ausgebildeten Kühlkreislauf abzuführen. Die Membran einer PEM-Brennstoffzelle beginnt ab Temperaturen von über 95 °C Schaden zu nehmen, da sich Sulfonsäureketten ab diesen Temperaturen zersetzen. Daher weist das Brennstoffzellensystem Kühlkreisläufe auf, um die Brennstoffzellen und alle anderen Systemkomponenten vor einer Überhitzung zu schützen. Dieser Kühlkreislauf weist dann in der Regel höhere Temperaturen auf als zum Beispiel ein Kühlkreislauf für die Batterie oder die Leistungselektronik. Das Kühlwasser im Kühlkreislauf weist eine Maximaltemperatur von etwa 90 °C bis etwa 95 °C auf.
Unter Systemkomponenten sind im Rahmen der Erfindung vorteilhaft alle Komponenten des Brennstoffzellensystems wie die Balance-of-Plant-Komponenten und/oder die Hochtemperaturkreis-Komponenten zu verstehen.
Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse nutzt nun diese entstehende Abwärme von Systemkomponenten, insbesondere die Abwärme des Brennstoffzellenstapels, und die Tatsache, dass diese Abwärme sich zumindest teilweise bereits in einem Kühlmittel innerhalb des Kühlkreislaufs befindet. Durch die konstruktive Ausgestaltung eines Teils des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums des Temperaturgehäuses wird es nun möglich, diese Abwärme zumindest teilweise für ein Temperieren des Gehäuseinnenraums zu verwenden. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, wie die Wärmeübertragung von dem Teil des Kühlkreislaufs an dem Gehäuseinnenraum stattfindet. Dabei kann es sich um einfache Wärmeübertragungsflächen, aber auch komplexere Möglichkeiten handeln, welche die verschiedenen Wärmetransportphänomene, insbesondere Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion, zum Wärmeübergang von dem aufgeheizten Kühlmittel an den Gehäuseinnenraum übernehmen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt es also, Abwärme, welche beim Start eines Brennstoffzellensystems an Systemkomponenten sehr schnell entsteht, mittels der bereits vorhandenen und benötigten Kühlfunktion aufzunehmen und in das Tem- periergehäuse weiterzuleiten. Diese Abwärme steht systembedingt zur Verfügung, und kann für die Verwendung des Temperierens, hier des Aufheizens, sehr schnell zur Verfügung gestellt werden. Dies führt dazu, dass die Gefahr einer Vereisung innerhalb des Temperiergehäuses und damit aller Komponenten, welche innerhalb dieses Temperiergehäuses angeordnet sind, deutlich reduziert werden kann. Durch das Temperieren, also insbesondere das Aufheizen des Temperiergehäuses und dessen Gehäuseinnenraum, wird eine Temperiermöglichkeit zur Verfügung gestellt, welche auf externe Wärmezufuhr im Wesentlichen vollständig verzichten kann. Die für separate elektrische Heizmittel aus dem Stand der Technik notwendige Komplexitätserhöhung, der zusätzliche Bauraum und die dadurch auch entstehenden Kosten können auf diese Weise wirkungsvoll vermieden werden. Mit anderen Worten wird es möglich, die Vereisungswahrscheinlichkeit bei einem Einsatz eines erfindungsgemäßen Temperiergehäuses bei Kaltstartsituationen und insbesondere bei Froststartsituationen deutlich zu reduzieren. Dies gelingt ohne Steigerung der Komplexität und insbesondere ohne Steigerung von Bauraum und Kosten. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass auf diese Weise nicht nur die Funktionalität des Startvorgangs verbessert werden kann, sondern auch die Rahmenbedingungen, zum Beispiel die Mindesttemperatur, die für den Start des Brennstoffzellensystems notwendig ist, weiter gesenkt werden kann. Das Betriebsfenster für einen Froststart erweitert sich dadurch, wodurch die Einsatzflexibilität eines Brennstoffzellensystems durch ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse weiter gesteigert werden kann.
Unter dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse wird insbesondere auch ein integrales Bauteil verstanden, welches alle Komponenten und deren Funktionen umfasst, wie insbesondere Wärmetauscher, Abscheider, Injektor, Behälter. Bei dieser Ausführungsform ist dann auch der Gehäuseinnenraum integral mit den ganzen anderen Bauteilen und Komponenten ausgebildet. Ein derartiges Temperiergehäuse wird bevorzugt zumindest teilweise durch 3-D-Druck oder durch ein anderes Fertigungsverfahren hergestellt.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Kondensattank angeordnet ist, in fluidkommunizierender Verbindung mit der Abscheidevorrichtung zur Aufnahme von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenem Wasser. Darunter ist zu verstehen, dass beim Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Gasstrom des Anodenabgases, dieses zwar grundsätzlich auch an andere Komponenten weitergeleitet oder auch direkt aus dem System herausgeführt werden kann, jedoch auch ein Auffangen mit einer solchen Tankvorrichtung denkbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist auch dieser Kondensattank im Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses angeordnet, sodass die Reduktion der Vereisungsgefahr durch die beschriebene erfindungsgemäße Temperiermöglichkeit auch auf den Kondensattank angewendet werden kann. Dies führt also dazu, dass auch dem Kondensattank selbst während eines Kaltstarts, insbesondere während eines Froststarts, die Temperiermöglichkeit zur Verfügung gestellt wird, sodass auch hier ein unerwünschtes Vereisen mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden kann.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse ein Ablassventil für ein Ablassen von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenen, Wasser vorgesehen ist. Ein solches Ablassventil kann in Kombination mit einem Kondensattank gemäß dem voranstehenden Absatz eingesetzt werden. Jedoch ist grundsätzlich auch ein solches Ablassventil ohne einen Kondensattank denkbar. Das Ablassventil kann innerhalb, aber auch bei spezifischen Ausführungsvarianten des Temperiergehäuses außerhalb, des Gehäuseinnenraums angeordnet sein. Die Anordnung des Ablassventils innerhalb des Gehäuseinnenraums bringt die gleichen Vorteile der Temperierung mit sich, sodass auch hier ein unerwünschtes Vereisen bei Kaltstart- oder Froststartsituationen auch für diese Komponente in Form des Ablassventils reduziert werden kann.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Teilabschnitt des Anodenzufuhrabschnitts angeordnet ist. Der Anodenzufuhrabschnitt wird bei dieser Ausführungsform, also in diesem Teilabschnitt, ebenfalls durch den Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses geleitet. Damit steht die Temperierfunktionalität des Teils des Kühlkreislaufs auch für diesen Teil des Anodenzufuhrabschnitts zur Verfügung. Der Anodenzufuhrabschnitt, der hier temperiert wird, kann sowohl ein Teilabschnitt sein, welcher ausschließlich, von extern zugeführten, Brennstoff enthält. Jedoch kann der Teil des Anodenzufuhrabschnitts innerhalb des Gehäuseinnenraums auch bereits nach einer Mischvorrichtung mit dem Rezirkulationsgas angeordnet sein, sodass eine Mischkammer zum Vermischen von Brennstoff und Rezirkulationsgas zu einem gemeinsamen Mischgas als Anodenzuführgas ebenfalls innerhalb des Gehäuseraums platziert sein kann. Die erfindungsgemäße Temperiermöglichkeit wird hier auf den regulären Betrieb erweitert, sodass eine Vorwärmung von extern zur Verfügung gestell- tem Brennstoff ebenfalls als Teil der Temperierfunktionalität innerhalb eines erfindungsgemäßen Temperiergehäuses gewährleistet werden kann. Im besten Fall führt dies dazu, dass auf einen separaten Wärmetauscher zum Vorheizen von Brennstoff verzichtet werden kann. In einem solchen Fall werden die Vorteile der Bauraumreduktion, der Komplexitätsreduzierung sowie einer Minimierung der Kosten noch weiter verstärkt.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse der Gehäuseinnenraum frei von einem Wärmetauscher ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie im voranstehenden Absatz erläutert worden ist, ein Teil des Anodenzufuhrabschnitts in den Gehäuseinnenraum integriert ist. Der Wärmetauscher ist dabei nach dieser Definition eine Vorrichtung, bei welchem aktiv und in geführter Weise Fluid im Wärmeaustausch mit anderem Fluid strömt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Plattenwärmetauscher oder ähnliche Wärmetauscherarten handeln, wie sie später noch kurz erläutert werden. Die erfindungsgemäße Temperierfunktionalität in der unspezifischen Weise, nämlich in einer Art und Weise, dass der gesamte Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses aufgeheizt wird, führt dazu, dass auf solche spezifischen Wärmetauscher bei dieser Ausführungsform verzichtet werden kann.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Wärmetauscher für ein Erwärmen von Rezirkula- tionsgas und/oder von Anodenzuführgas angeordnet ist. Je nach tatsächlich anfallender Menge an Abwärme von den Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems kann vorausberechnet werden, ob die Temperierfunktionalität ausreicht, um die gewünschte Vorwärmung von Rezirkulationsgas, Brennstoff oder Mischgas als Anodenzuführgas zu gewährleisten. Ist diese Temperierfunktion nicht ausreichend dimensioniert, so kann mithilfe von zusätzlichen Wärmetauschern ein spezifisches, stärkeres Erwärmen für die einzelnen Gasströme zur Verfügung gestellt werden. Dadurch, dass diese Wärmetauscher nun auch in den Gehäuseinnenraum integriert sind, müssen sie nicht mehr die vollständige Erwärmung zur Verfügung stellen, sondern bauen sozusagen auf der Basistemperierung mithilfe des Temperiergehäuses auf.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum eine Ejektorvorrichtung des Anodenzufuhrabschnitts wenigs- tens teilweise angeordnet ist. Bevorzugt ist eine solche Ejektorvorrichtung vollständig oder im Wesentlichen vollständig innerhalb des Gehäuseinnenraums angeordnet. Eine Ejektorvorrichtung kann zum Beispiel eine Mischkammer aufweisen, welche ein Vermischen von Brennstoff und Rezirkulationsgas gewährleisten kann. Das Mischgas wird anschließend über die Düse der Ejektorvorrichtung geleitet, sodass ein Druckunterschied zu einer Saugwirkung auf das Rezirkulationsgas führt. Dies führt dazu, dass die Förderung des Mischgases als Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vorzugsweise frei von rotierenden Bauteilen, wie Ventilatoren, ausgebildet werden kann. Die Integration der Ejektorvorrichtung ebenfalls innerhalb dieses Gehäuseinnenraums führt zu den genannten Vorteilen, nämlich einer sehr schnellen Vorabtemperierung bei Kaltstartsituationen oder Froststartsituationen. Vereisungsgefahr, wie sie bei bekannten Brennstoffzellensystemen auch in der Ejektorvorrichtung bestehen, kann auf diese Weise mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung Fluidleitungen aufweist, welche den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zumindest teilweise ausbilden. Während grundsätzlich jede Form von Wärmeübergang an das Innenvolumen des Gehäuseinnenraums ausreicht, um die Temperierfunktionalität in erfindungsgemäßer Weise zur Verfügung zu stellen, können solche Kühlleitungen eine deutlich genauere Temperierfunktion erlauben. Die Kühlleitungen können dabei zum Beispiel netzartig in die Gehäusewandung integriert sein, und insbesondere in unterschiedlichen Bereichen der Gehäusewandung unterschiedlich starke Wärmeübertragungsfunktionen zur Verfügung stellen. So ist es beispielsweise denkbar, dass im Bereich der Abscheidevorrichtung eine so sehr hohe Anzahl an Kühlleitungen vorgesehen ist, um eine überproportional große Menge der geförderten Abwärme innerhalb des Kühlmittels im Kühlkreislauf auch tatsächlich der Abscheidevorrichtung zur Verfügung stellen zu können. Das Integrieren der Fluidleitungen in die Gehäusewandung reduziert den Platzbedarf noch weiter und kann auf diese Weise den Vorteil des verbesserten Bauraums weiter stärken.
Auch vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung wenigstens einen Isolierabschnitt aufweist, für eine thermische Isolation des Gehäuseinnenraums gegen die Umgebung des Temperiergehäuses. Eine solche thermische Isolation kann zum Beispiel als thermische Isolierschicht ausgebildet sein. Sie dient beispielsweise dazu, als äußere Wandungsschicht die Gehäusewandung nach außen thermisch zu isolieren, sodass sowohl ein Verlust von Wärme bei kalten Außensituationen, aber auch ein Eindringen von Wärme bei besonders heißen Umgebungssituationen, vermieden werden kann. Dies führt dazu, dass die Kontrolle des Temperierens noch weiter erleichtert wird, da die Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur sich vergrößert.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse der Teil des Kühlkreislaufs Kontroll mittel, insbesondere in Form von wenigstens einem Kontrollventil, aufweist, für eine Kontrolle der Fluidströmung durch den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zur Kontrolle der Temperierleistung. Darunter ist zu verstehen, dass der Volumenstrom und die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs die Temperierleistung vorgeben. Je höher die Temperatur ist, umso geringer kann der Volumenstrom gewählt werden, um die Vereisungswahrscheinlichkeit zu reduzieren. Um nun eine Kontrollmöglichkeit zu geben, sind Kontrollventile einsetzbar, welche entweder in qualitativer Weise den Fluidstrom durch diesen Teil des Kühlkreislaufs vollständig absperren oder vollständig freischalten. Auch eine quantitative Kontrolle, zum Beispiel durch ein tatsächliches Einstellen und Regeln eines Volumenstroms an Kühlfluid durch diesen Teil des Kühlkreislaufs, ist grundsätzlich denkbar.
Darüber hinaus ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Anodenzuführgas und einem Anodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Kathodenabgas ausgestattet. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreislauf zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabfuhrabschnitt eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus dem Anodenabgas innerhalb eines erfindungsgemäßen Temperiergehäuses angeordnet ist. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert worden sind. Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Temperieren eines Temperiergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Kaltstart eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schritte:
Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems,
Betreiben eines Kühlkreislaufs zur Aufnahme von Abwärme von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems,
Führen wenigstens eines Teils der aufgenommenen Abwärme in den Teil des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums zum Abgeben an die Abscheidevorrichtung.
Auch ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. In der Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches in der Lage ist, aus Brennstoff und Umgebungsluft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff, elektrischen Strom herzustellen. Um dies zu gewährleisten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel 110 angeordnet, welcher schematisch in einen Anodenabschnitt 120 und in einen Kathodenabschnitt 130 unterteilt werden kann. Umgebungsluft wird hier durch eine Ventilatorvorrichtung angesaugt und als Kathodenzuführgas KZG über einen Kathodenzufuhrabschnitt 132 dem Kathodenabschnitt 130 zur Verfügung gestellt. Als Anodenzuführgas AZG wird hier ein Brennstoff, nicht näher darstellt von links, als Anodenzuführgas AZG über den Anodenzufuhrabschnitt 122 dem Anodenabschnitt 120 zugeführt. Nach Umsetzung des Anodenzuführgases AZG und des Kathodenzuführgases KZG an den entsprechenden Membranen der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 110 kann das entstehende Kathodenabgas KAG über den Kathodenabfuhrabschnitt 134 aufgenommen, abgeführt und zum Beispiel an die Umgebung abgegeben werden. Das Anodenabgas AAG wird hier über den Anodenabfuhrabschnitt 124 aufgenommen und bei dieser Ausführung zumindest teilweise der Rezirkulation zugeführt.
Um nun eine Rezirkulation des Anodenabgases AAG als Rezirkulationsgas RZG zur Verfügung zu stellen, ist hier das Abscheiden von flüssigem Wasser W gewünscht. Um dies zu gewährleisten, wird das Anodenabgas AAG einer Abscheidevorrichtung 30 zugeführt, welche in der Lage ist, flüssiges Wasser W aus dem Anodenabgas AAG abzutrennen und hier über ein Ablassventil 50 abzulassen. Das getrocknete Anodenabgas AAG wird als Rezirkulationsgas RZG aus der Abscheidevorrichtung 30 über den Rezirkulationsgas-Auslass 34 ausgegeben und einem Mischabschnitt im Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt. In diesem Mischabschnitt erfolgt das Vermischen des Rezirkulationsgases RZG mit einem nicht näher dargestellten Brennstoff zu einem Mischgas, welches dann wiederum als Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt wird.
Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist zumindest die Abscheidevorrichtung 30 mit dem Rezirkulationsgas-Auslass 34 und dem Anodenabgas-Einlass 32 innerhalb eines Gehäuseinnenraums 22 eines Temperiergehäuses 10 angeordnet und wird damit von der Gehäusewandung 20 im Wesentlichen eingeschlossen. Dies führt dazu, dass innerhalb dieses Temperiergehäuses 10 eine definierte Temperatur eingestellt werden kann, also ein Temperieren erfolgen kann. Um dieses Temperieren aktiv beeinflussen zu können, ist hier ein Teilabschnitt eines Kühlkreislaufs 140 dargestellt. Nicht näher dargestellt, ist der bekannte Teil dieses Kühlkreislaufs 140, welcher zu den einzelnen, ebenfalls nicht dargestellten, Betriebskomponenten des Brennstoffzellensystems 100 führt, um diese zu kühlen, indem Abwärme von solchen Systemkomponenten aufgenommen wird. Das auf diese Weise erhitzte Kühlmittel des Kühlkreislaufs 140 wird nun in diesen Teilabschnitt innerhalb des Gehäuseinnenraums 22 des Temperiergehäuses 10 geführt und kann dort zumindest einen Teil dieser aufgenommenen Abwärme wieder abgeben. Dies führt zu einem Aufheizen des Gehäuseinnenraums 10 und auf diese Weise sämtlicher Komponenten innerhalb dieses Gehäuseinnenraums 22. Dies führt zu den genannten Vorteilen, insbesondere einem gezielten Temperieren der Abscheidevorrichtung 30 während eines Kaltstarts oder eines Froststarts.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil des Kühlkreislaufs 140, welcher Teil des Gehäuseinnenraums 22 ist, nun als Fluidleitung 24 in die Gehäusewandung 20 integriert. Dies führt zu einer höheren Kompaktheit und gleichzeitig einer noch besseren Wärmeverteilung beim Temperieren des Gehäuseinnenraums 22. Als Alternative zu der Variante der Figur 1 ist hier anstelle eines Ablassventils 50 ein Kondensattank 40 vorgesehen, welcher abgeschiedenes Wasser W von der Abscheidevorrichtung 30 aufnehmen und speichern kann.
In der Figur 3 ist dieser Kondensattank 40 der Figur 2 nun mit dem Ablassventil 52 der Figur 1 kombiniert, sodass der Kondensattank 40 sozusagen ein Zwischenspeichern gewährleisten kann und zu bestimmten Zeitpunkten ein Ablassen des flüssigen Wassers W möglich ist. Nicht näher dargestellt aber grundsätzlich auch möglich ist das Vorsehen eines sogenannten Purge Ventils an der Oberseite der Abscheidevorrichtung 30, um Purge Vorgänge ebenfalls zur Verfügung stellen zu können.
Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist darüber hinaus nun die Mischvorrichtung für das Vermischen eines Rezirkulationsgases RZG mit einem Brennstoff ebenfalls in den Gehäuseinnenraum 22 integriert. Dies führt dazu, dass nicht nur das Rezirkulati- onsgas RZG, sondern auch der zugeführte Brennstoff und anschließend das erzeugte Mischgas als Anodenzuführgas AZG durch die Temperierfunktionalität des Temperiergehäuses 10 beeinflusst und damit vorgewärmt werden können. Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist diese Temperier- und Vorwärmmöglichkeit so stark aus- gebildet, dass auf einen separaten Wärmetauscher 60 vollständig verzichtet werden kann.
Die Figur 4 zeigt eine Variante, welche ein stärkeres Vorwärmen benötigt, als dies durch die Temperierfunktion des Temperiergehäuses 10 zur Verfügung gestellt werden kann. Daher ist hier im Anodenzufuhrabschnitt 122 in den Gehäuseinnenraum 22 integriert ein Wärmetauscher 60 vorgesehen, welcher hier den zugeführten Brennstoff noch vor dem Vermischen mit dem Rezirkulationsgas RZG vorwärmen kann.
Die Figur 5 zeigt eine Variante, bei welcher die Abschottung von der Umgebung verstärkt ist. Um dies zu erzielen, ist das Temperiergehäuse 10 und die Gehäusewandung 20 mit einem Isolierabschnitt 26 ausgestaltet, welcher eine thermische Isolierung zur Umgebung gewährleistet. Das Einbringen von Wärme bei heißen Umgebungssituationen sowie der Verlust von Wärme bei kalten Umgebungssituationen kann auf diese Weise deutlich reduziert werden. Die Kontrollmöglichkeiten für den Temperiervorgang selbst steigen auf diese Weise. Darüber hinaus ist bei der Figur 5 eine Variante dargestellt, bei welcher eine Kontrollierbarkeit des Fluidstroms durch den Kühlkreislauf 140 gegeben ist. Hier sind insgesamt drei Kontrollmittel 80 in Form von Kontrollventilen dargestellt, welche es erlauben, in qualitativer oder sogar quantitativer Weise den Volumenstrom am Kühlmittel und damit die eingebrachte Wärmemenge für die Temperierfunktion zu kontrollieren. In einem Fall ist dabei sogar ein vollständiger Bypass möglich, sodass die Temperierfunktion durch diese Kontrollmittel 80 nicht nur variiert sondern auch vollständig ausgeschaltet werden kann.
Darüber hinaus zeigen die Figuren 4 und 5 die Verwendung einer sogenannten Ejektorvorrichtung 70, welche zum Teil im Gehäuseinnenraum 22 angeordnet ist. Diese Ejektorvorrichtung 70 dient dazu, zugeführten Brennstoff und Rezirkulationsgas RZG zu vermischen und durch eine Ejektordüse hindurchzuführen. Bei dieser Ejektorfunktionalität entstehen Druckunterschiede, welche zu einem Ansaugen und damit einem aktiven Fördern des Rezirkulationsgases RZG führen. Diese Form der Förderung ist bevorzugt, da keine mechanisch bewegten, insbesondere rotierten, Bauteile für die Förderung des Rezirkulationsgases RZG benötigt werden.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Bezugszeichenliste
10 Temperiergehäuse
20 Gehäusewandung
22 Gehäuseinnraum
24 Fluidleitung
26 Isolierabschnitt
30 Abscheidevorrichtung
32 Anodenabgas-Einlass
34 Rezirkulationsgas-Auslass
40 Kondensattank
50 Ablassventil
60 Wärmetauscher
70 Ejektorvorrichtung
80 Kontroll mittel
100 Brennstoffzellensystem
110 Brennstoffzellenstapel
120 Anodenabschnitt
122 Anodenzufuhrabschnitt
124 Anodenabfuhrabschnitt
130 Kathodenabschnitt
132 Kathodenzufuhrabschnitt
134 Kathodenabfuhrabschnitt
140 Kühlkreislauf
AZG Anodenzuführgas
AAG Anodenabgas
KZG Kathodenzuführgas
KAG Kathodenabgas
RZG Rezirkulationsgas
W Wasser

Claims

Patentansprüche Temperiergehäuse (10) für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Gehäusewandung (20), welche einen Gehäuseinnraum (22) umschließt, wobei im Gehäuseinnenraum (22) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Abscheiden von Wasser (W) aus einem Anodenabgas (AAG) für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas (RZG) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter im Gehäuseinnenraum (22) ein Teil eines Kühlkreislaufs (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100) zum Temperieren des Gehäuseinnenraums (22) angeordnet ist, wobei die Abscheidevorrichtung (30) einen Anodenabgas- Einlass (32) aufweist für eine Aufnahme von Anodenabgas (AAG) von einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Rezirkulationsgas-Auslass (34) aufweist für einen Auslass des Anodenabgases (AAG) als Rezirkulationsgas (RZG) in einen Anodenzufuhrabschnitt (122) für eine Zufuhr zu dem Anodenabschitt (120) des Brennstoffzellenstapels (100). Temperiergehäuse (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Kondensattank (40) angeordnet ist in fluidkommunizierender Verbindung mit der Abscheidevorrichtung (30) zur Aufnahme von flüssigem, aus dem Anodenabgas (AAG) abgeschiedenem Wasser (W). Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablassventil (50) für ein Ablassen von flüssigem, aus dem Anodenabgas (AAG) abgeschiedenem Wasser (W) vorgesehen ist. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Teilabschnitt des Anodenzufuhrabschnitts (122) angeordnet ist. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseinnenraum (22) frei von einem Wärmetauscher (60) ist. Temperiergehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Wärmetauscher (60) für ein Erwärmen von Rezirkulationsgas (RZG) und/oder von Anodenzuführgas (AZG) angeordnet ist. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) eine Ejektorvorrichtung (70) des Anodenzufuhrabschnitts (122) wenigstens teilweise angeordnet ist. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (20) Fluidleitungen (24) aufweist, welche den Teil des Kühlkreislaufs (140) im Gehäuseinnenraum (22) zumindest teilweise ausbilden. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (20) wenigstens einen Isolierabschnitt (26) aufweist für eine thermische Isolation des Gehäuseinnenraums (22) gegen die Umgebung des Temperiergehäuses (10). Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Kühlkreislaufs (140) Kontrollmittel (80), insbesondere in Form von wenigstens einem Kontrollventil, aufweist für eine Kontrolle der Fluidströmung durch den Teil des Kühlkreislaufs (140) im Gehäuseinnenraum (22) zur Kontrolle der Temperierleistung. Brennstoffzellensystem (100) aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) mit einem Anodenzufuhrabschnitt (122) zur Zufuhr von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabfuhrabschnitt (124) zur Abfuhr von Anodenabgas (AAG), weiter mit einem Kathodenabschnitt (130) mit einem Kathodenzufuhrabschnitt (132) zur Zufuhr von Kathodenzu- führgas (KZG) und einem Kathodenabfuhrabschnitt (134) zur Abfuhr von Ka- thodenabgas (KAG), weiter aufweisend einen Kühlkreislauf (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100), dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabfuhrabschnitt (124) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Abscheiden von Wasser (W) aus dem Anodenabgas (AAG) innerhalb eines Temperiergehäuses (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist. Verfahren für ein Temperieren eines Temperiergehäuses (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 bei einem Kaltstart eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen des Anspruchs 11 , aufweisend die folgenden Schritte:
- Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems (100),
- Betreiben eines Kühlkreislaufs (140) zur Aufnahme von Abwärme von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100),
- Führen wenigstens eines Teils der aufgenommenen Abwärme in den Teil des Kühlkreislaufs (140) innerhalb des Gehäuseinnenraums (22) zum Abgeben an die Abscheidevorrichtung (30).
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