WO2009010390A1 - Fuel cell system with temperature control means having a phase change material - Google Patents

Fuel cell system with temperature control means having a phase change material Download PDF

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WO2009010390A1
WO2009010390A1 PCT/EP2008/058535 EP2008058535W WO2009010390A1 WO 2009010390 A1 WO2009010390 A1 WO 2009010390A1 EP 2008058535 W EP2008058535 W EP 2008058535W WO 2009010390 A1 WO2009010390 A1 WO 2009010390A1
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WO
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fuel cell
phase change
cell stack
change material
cell system
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PCT/EP2008/058535
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Frank Baumann
Florian Wahl
Sebastian Maass
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary 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
    • H01M8/04253Means for solving freezing problems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material
  • the present invention relates to a fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell system can be extended. In particular, there is also the risk that frozen product water closes the inputs and / or outlets of the fuel cell stack and, as a result, a dangerous increase in pressure in the fuel cell system may result.
  • the present invention is therefore an object of the invention to improve a fuel cell system of the type set forth.
  • the solution of this object is achieved by the features of claim 1.
  • expedient and advantageous developments are given.
  • the present invention relates to a
  • a fuel cell system comprising a fuel cell stack and associated therewith, a phase change material comprising tempering.
  • the fuel cell system is characterized in that the tempering means comprise at least one separate from the functional elements of the fuel cell stack, an outer surface of the fuel cell stack heat-conducting associated element and can influence the fuel cell stack from its outside in its temperature.
  • Functional elements of the fuel cell stack are at least z.
  • a phase change material often has an abrupt transition between two phases, for example the solid and the liquid phase.
  • For heat storage is the
  • Phase change material by means of heat transfer from one phase to another phase, usually from a solid or crystalline phase to a liquid or dissolved phase. Unless further action is taken on the phase change material, the material retains its latter phase, even if it cools. In the changed phase, ie liquid or gas of the material, heat energy is stored latently, ie hidden. The release of the stored heat energy is effected by deliberately introducing a slight electrical, mechanical or chemical change into the phase change material. When using a salt solution as a phase change material, this z. B. be an exposure of crystalline surfaces. After the phase transformation has been triggered, the phase change material changes from its liquid or dissolved phase into a solid or crystalline phase in a short time, the previously stored heat energy being released.
  • the fuel cell stack can be protected against massive cooling depending on the embodiment over part of the area or over the entire surface or, after cooling by the surface thermally conductive associated element over a large area, quickly and easily be brought back into a specific temperature range.
  • the areal thermally conductive element can thus act primarily as temperature control means for supplying heat to and / or for dissipating heat away from the fuel cell stack, and additionally additionally as insulation with respect to the surrounding area of the fuel cell stack.
  • As a phase change material are z. As paraffins and salt hydrates.
  • Fuel cell stack can be done, for example, by individual, planar elements that cover one side or part of one side of the fuel cell stack and include together with other such elements the fuel cell stack.
  • the arrangement of several such elements can be done in different versions.
  • a meshing of individual such elements or subsections of such elements is possible.
  • the fuel cell stack associated side of such a surface thermally conductive element has complementary structures of the relevant fuel cell stack surface, so that the largest possible thermal contact surface with as little interposed insulating regions, z. B. by air, can be realized.
  • a further, additional enveloping layer can also be formed on the fuel cell stack, preferably again as completely as possible.
  • first and / or a second such areal heat-conducting layer could be the areas of the inputs and / or outputs of the supply lines.
  • planar heat-conducting element itself may comprise a phase change material.
  • Phase change material carried out directly on the fuel cell stack, so that losses can be excluded by intervening insulation and / or lines.
  • the areal thermally conductive element may also be connected in a heat-conducting manner with another heat storage element comprising a phase change material.
  • a heat exchanger which is optionally connected via a fuel cell stack associated coolant circuit with the planar heat-conducting element is suitable.
  • the heat can be temporarily stored at a different location in terms of space consumption of the fuel cell stack and coupled in a heat-conducting manner via the respective lines.
  • Another advantage may be that the heat storage capacity can be increased by two separately formed, each a phase change material comprising heat storage elements, also advantageous again without additional Space or space required directly on the fuel cell stack.
  • a staggered energy control or energy state influencing / influencing the temperature is possible in the case of a plurality of heat storage elements with phase change material which are formed separately from one another.
  • the temperature range for the phase change of the phase change material z. B. in the range of about 0 ° Celsius or slightly above. This allows the
  • fuel cell stacks are either protected from such a temperature range before cooling down, or reheated to or above this temperature when the phase change of the phase change material is initiated, so that a rapid and unproblematic starting process of the fuel cell stack is possible even at low external temperature conditions, in particular at Temperatures ⁇ 0 0 C, can be guaranteed.
  • the temperature range for a phase change of the phase change material can also be approximately in the range of the maximum permissible coolant inlet temperature in the fuel cell stack or even slightly lower. This has the advantage that a large amount of heat from the fuel cell stack to the energy-storing phase change material can be dissipated without the critical coolant temperature of the fuel cell stack is exceeded. The goal is to catch temperature peaks.
  • the phase change material used for this purpose could be formed in the additional energy store and / or heat exchanger arranged away from the fuel cell stack.
  • the phase transition of the phase change material takes place, e.g. B. from solid to liquid or from liquid to gaseous or even from solid to gaseous.
  • the phase change requires a large amount of energy due to the latent energy of the phase transition. As a result, energy can be supplied integrally over a longer period of time, for. B. during a full load operation until the
  • Phase transition is complete. However, such influencing is, of course, also possible for phase transition materials arranged directly on the fuel cell stack.
  • the phase change material Upon cooling, the phase change material keeps its phase, the stored heat energy is given off only slowly. In order to regenerate the latent heat storage to intercept the next peak load again, the stored heat by targeted initiation of the Kritallisation or sublimation, z. B. during a partial load operation, be discharged again. This further reduces the load spread of a coolant pump of a refrigeration cycle as the flow through the radiator and the fuel cell stack can be maintained in the partial load range at relatively high flow and the heat output of the phase change material maintains the coolant temperature and / or fuel cell stack temperature at a minimum level avoids excessive cooling of the fuel cell stack.
  • a control unit can be provided in a further advantageous embodiment. It is particularly preferred if this
  • Control unit is designed so that it can control both the upper and the lower phase change of the phase change material.
  • it may for this purpose be associated with a crystallization seed, which is excitable, for example, and triggers the phase change change with appropriate initiation.
  • control unit can influence the respective phase transitions in different modes, for example, based on certain operating conditions. For this purpose, for example, be determined via a query to a user, whether the transitions should be staggered, so that z. B. in intentional, early recommissioning of the fuel cell stack falls below a minimum temperature can be prioritized. In another operating mode, it may also be provided that all or at least a large part of the individual
  • Phase change materials are stimulated simultaneously to the phase change in order to achieve the highest possible energy transfer in the shortest possible time. For example, this would be conceivable for a cold start, but also with an impending overheating of the fuel cell system.
  • control unit can be designed such that it initiates a phase change of the phase change material before and / or during a start phase of the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack can be brought into its optimum operating temperature range much faster, if necessary by cooling by supplying the appropriate amount of heat.
  • Fig. 1 to 4 each an example
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a fuel cell system with an additional heat exchanger connected to a cooling circuit for a fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2, which is encased in a planar heat-conducting element of a temperature control medium comprising a phase change material.
  • the heat-conducting element 3 which is formed separately from the functional elements of the fuel cell stack and has an outer surface 11 of the fuel cell stack, is itself a phase change material 4.
  • the fuel cell stack 2 depending on the embodiment, at low ambient temperatures before cooling below a range of 0 0 C or something over it by initiating a phase transition and feeding the resulting heat released in the fuel cell stack are protected, so that water therein do not freeze can.
  • alternatively or additionally is done
  • an insulation 5 here also exemplifies the fuel stack 2 and enclosing it enclosing large area thermally conductive element 3, shown.
  • the fall in the internal temperature can be additionally slowed down with falling outside temperatures.
  • a control unit 7 is further exemplified, which is connected via a line 8 with a z.
  • B. electrically energizable crystallization nucleus is connected to the corresponding signal of the
  • Control unit 7 triggers the phase change in the phase change material. This trigger signal, the control unit z. B. depending on the operating state of the fuel cell system 1 on the one hand to support the starting process of the crystallization nucleus, and on the other hand to release storage capacity and optionally to stabilize an ideal operating temperature of the fuel cell stack, for example, in its partial load operation.
  • FIG. 2 shows an embodiment modified from that of FIG. 1 in that the fuel cell stack 2 is surrounded by two flat heat-conducting elements 3, 9.
  • the two elements 3, 9 are arranged one above the other with respect to the outer surface 11 of the fuel cell stack 2. So you put a double jacket from each a flat heat-conducting element 3, 9, each with its associated Phase change material 4, 10 represents.
  • phase change material 10 in this embodiment, for example, no nucleation associated, it initiates upon reaching its phase transition temperature independently the phase transition and thus releases the energy stored in it, or can record a further large energy input to initiate the phase transition upon reaching a correspondingly high temperature , and without further significant increase in temperature.
  • Crystallization seed is equipped, or in addition one in the two phase change materials 4 and 10 is assigned in each case a crystallization seed.
  • Embodiment of a fuel cell system 1 shown in which a plurality of surface heat-conducting elements 3, 9, 12 and 13 are arranged on each outer side 11 of the fuel cell stack 2 in order to cover this as completely as possible and keep it as well as possible within the intended operating temperature range. That is, either as possible to protect against cooling below freezing for possibly accumulated therein water, or, when cooling, as soon as possible to raise again above this temperature point.
  • a second essential function may also be to prevent an exceeding of the fuel cell stack temperature by storing this energy in the phase change material in an upper operating temperature range of the fuel cell stack by subtracting further energy.
  • the output of this stored energy can by targeted initiation of a phase change on the control unit 7, for example, in partial load operation, back to the
  • Fuel cell system done.
  • it is thereby possible to counteract an undershooting of an ideal operating temperature of the fuel cell stack in an additionally advantageous manner, so that this further improves the efficiency of this fuel cell system.
  • thermally conductive elements 3 9, 12 and 13 are each equipped with a crystallization nucleus 6 for controlled influence on the respective phase change, for the sake of clarity, however only one crystallization seed 6 via a line 8 with the control unit 7 exemplified.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which two areal thermally conductive elements 4, 9 associated with them phase change materials 4, 10 finger-like interlocking on the respective outer side 11 of the fuel cell stack 2 are arranged.
  • the fuel cell stack 2 can thus be described as meander-shaped in this sectional view between these areal thermally conductive elements 3, 9 described.
  • an insulation layer 5 is again shown by way of example on a side of the heat-conducting elements facing away from the fuel cell stack 2 for additional heat insulation.
  • a further embodiment is shown, in which the sheet-like heat-conducting element 3 with another, a phase change material comprehensive Heat storage element 16 is thermally conductively connected.
  • This further heat storage element can, for. Example, be a heat exchanger, which is connected via lines 23 of a cooling circuit 18 to the fuel cell stack 2.
  • a of a coolant pump 20 through the lines 23 of the cooling circuit 18 pumped coolant via adetial. Heating coil 19 energy from the phase change material 17 for supply to the fuel cell stack remove or this for rapid removal of a large, excess amount of energy supply the fuel cell stack.
  • an additional energy storage component 16 is proposed for the likewise exemplarily illustrated first energy storage component in the form of the areal thermally conductive element 3 with its associated phase change material whose functionality has already been described above.
  • Phase change materials here again by way of example a control unit 7 is shown, which are connected via lines 8 with respective crystallization nuclei 6.
  • the control unit 7 By connecting the control unit 7 to this additional heat storage element 16, the control unit is also able here, a phase change of the phase change material stored therein, for. B. during a part load operation, selectively return to the fuel cell stack.
  • the cooling circuit of the fuel cell stack 2 may further include, as exemplified herein, a cooler 21 and optionally a fan 22 and further, not shown here elements.
  • the connection of the cooling circuit 18 to the fuel cell stack takes place here by way of example via the inlet 24 and the outlet 25. Von der Representation of further elements and signal or energy-transmitting connections, in particular between radiator, fan, coolant pump, additional heat storage element 16, fuel cell stack 2 and the control unit 7 was also omitted here for reasons of clarity.

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system, having a fuel cell stack and associated temperature control means with a phase change material. The invention is characterized in that the temperature control means have at least one element which is separated from the functional elements of the fuel cell stack and is associated with an outer surface of the fuel cell stack in a planar, heat-conducting manner.

Description

Beschreibungdescription
Titeltitle
Brennstoffzellensystem mit einem ein Phasenwechselmaterial umfassendes TemperierungsmittelFuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem ein Phasenwechselmaterial umfassendes Temperierungsmittel entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Beim Betrieb handelsüblicher Brennstoffzellen entsteht Wasser, das nach Abschalten der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel verbleibt und bei entsprechenden Umgebungsbedingungen gefrieren kann. Hierdurch kann der Neustart deutlich erschwert und die Startzeit desWhen operating commercially available fuel cells, water is produced which, after switching off the fuel cells, remains in the fuel cell stack and can freeze under corresponding ambient conditions. This makes the reboot much more difficult and the start time of the
Brennstoffzellensystems verlängert werden. Insbesondere besteht auch die Gefahr, dass gefrorenes Produktwasser die Ein- und/oder Ausgänge des Brennstoffzellenstapels verschließt und dadurch ein gefährlicher Druckanstieg im Brennstoffzellensystem die Folge sein kann.Fuel cell system can be extended. In particular, there is also the risk that frozen product water closes the inputs and / or outlets of the fuel cell stack and, as a result, a dangerous increase in pressure in the fuel cell system may result.
Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs dargelegten Art zu verbessern . Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. In den Unteransprüchen sind zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.The present invention is therefore an object of the invention to improve a fuel cell system of the type set forth. The solution of this object is achieved by the features of claim 1. In the subclaims expedient and advantageous developments are given.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung einAccordingly, the present invention relates to a
Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und diesem zugeordnete, ein Phasenwechselmaterial umfassende Temperierungsmittel. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperierungsmittel mindestens ein von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separates, einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels flächig wärmeleitend zugeordnetes Element umfassen und den Brennstoffzellenstapel von seiner Außenseite her in seiner Temperatur beeinflussen können. Funktionselemente des Brennstoffzellenstapels sind mindestens z. B. Anode, Kathode, Membran, Polplatten und dgl .A fuel cell system comprising a fuel cell stack and associated therewith, a phase change material comprising tempering. The fuel cell system is characterized in that the tempering means comprise at least one separate from the functional elements of the fuel cell stack, an outer surface of the fuel cell stack heat-conducting associated element and can influence the fuel cell stack from its outside in its temperature. Functional elements of the fuel cell stack are at least z. B. anode, cathode, membrane, pole plates and the like.
Ein Phasenwechselmaterial weist oftmals einen sprunghaften Übergang zwischen zwei Phasen auf, zum Beispiel der festen und der flüssigen Phase. Zur Wärmespeicherung wird dasA phase change material often has an abrupt transition between two phases, for example the solid and the liquid phase. For heat storage is the
Phasenwechselmaterial mittels Wärmezufuhr von einer Phase in eine andere Phase überführt, üblicherweise von einer festen oder kristalline Phase in eine flüssige oder gelöste Phase. Sofern auf das Phasenwechselmaterial nicht weiter eingewirkt wird, behält das Material seine letztgenannte Phase bei, auch wenn es abkühlt. In der geänderten Phase, d. h. flüssig oder gasförmig des Materials ist Wärmeenergie latent, also versteckt gespeichert. Die Freisetzung der gespeicherten Wärmeenergie wird bewirkt, indem in das Phasenwechselmaterial gezielt eine geringfügige elektrische, mechanische oder chemische Veränderung eingebracht wird. Bei der Verwendung einer Salzlösung als Phasenwechselmaterial kann dies z. B. ein Freilegen von kristallinen Oberflächen sein. Nach dem Auslösen der Phasenumwandlung geht das Phasenwechselmaterial in kurzer Zeit von seiner flüssigen bzw. gelösten Phase in eine fest beziehungsweise kristalline Phase über, wobei die zuvor gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt wird. Insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen kann der Brennstoffzellenstapel so vor einem massiven Auskühlen je nach Ausführungsform teilflächig oder vollflächig geschützt werden bzw. bei erfolgter Auskühlung durch das flächig wärmeleitend zugeordnete Element großflächig wirkend, rasch und einfach wieder in einen bestimmten Temperaturbereich gebracht werden. Das flächig wärmeleitende Element kann somit primär als Temperierungsmittel zur Zufuhr von Wärme zum und/oder zur Abfuhr von Wärme vom Brennstoffzellenstapel weg wirken und sekundär zusätzlich als Isolierung gegenüber dem Umgebungsbereich des Brennstoffzellenstapels . Als Phasenwechselmaterial eignen sich z. B. Paraffine und Salzhydrate .Phase change material by means of heat transfer from one phase to another phase, usually from a solid or crystalline phase to a liquid or dissolved phase. Unless further action is taken on the phase change material, the material retains its latter phase, even if it cools. In the changed phase, ie liquid or gas of the material, heat energy is stored latently, ie hidden. The release of the stored heat energy is effected by deliberately introducing a slight electrical, mechanical or chemical change into the phase change material. When using a salt solution as a phase change material, this z. B. be an exposure of crystalline surfaces. After the phase transformation has been triggered, the phase change material changes from its liquid or dissolved phase into a solid or crystalline phase in a short time, the previously stored heat energy being released. In particular, at low ambient temperatures, the fuel cell stack can be protected against massive cooling depending on the embodiment over part of the area or over the entire surface or, after cooling by the surface thermally conductive associated element over a large area, quickly and easily be brought back into a specific temperature range. The areal thermally conductive element can thus act primarily as temperature control means for supplying heat to and / or for dissipating heat away from the fuel cell stack, and additionally additionally as insulation with respect to the surrounding area of the fuel cell stack. As a phase change material are z. As paraffins and salt hydrates.
Insbesondere vorteilhaft kann es sein, wenn ein und/oder mehrere flächig wärmeleitende Elemente denIn particular, it can be advantageous if one and / or a plurality of heat-conducting elements of the surface
Brennstoffzellenstapel umschließen, insbesondere vollkommen ummanteln. Eine solche Einkapselung desEnclose fuel cell stack, in particular completely encase. Such encapsulation of
Brennstoffzellenstapels kann beispielsweise durch einzelne, flächige Elemente erfolgen, die eine Seite oder einen Teil einer Seite des Brennstoffzellenstapels abdecken und zusammen mit weiteren solchen Elementen den Brennstoffzellenstapel einschließen .Fuel cell stack can be done, for example, by individual, planar elements that cover one side or part of one side of the fuel cell stack and include together with other such elements the fuel cell stack.
Die Anordnung mehrerer solcher Elemente kann in verschiedenen Ausführungen erfolgen. Zum einen ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel durch nebeneinander an seiner Oberfläche angeordneten, flächig wärmeleitenden Elementen zu verkleiden. Hierbei ist auch ein Ineinandergreifen einzelner solcher Elemente oder Teilabschnitte solcher Elemente möglich. Als insbesondere vorteilhaft wird es dabei angesehen, wenn die dem Brennstoffzellenstapel zugeordnete Seite eines solch flächig wärmeleitenden Elementes komplementäre Strukturen der betreffenden Brennstoffzellenstapeloberflache aufweist, so dass eine möglichst große Wärmekontaktfläche mit möglichst geringen zwischenliegend angeordneten Isolationsbereichen, z. B. durch Lufteinflüsse, realisiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich zu einer einschichtigen Verkleidung des Brennstoffzellenstapels durch ein oder mehrere solcher flächig wärmeleitende Elemente kann auch eine weitere, zusätzliche einhüllende Schicht am Brennstoffzellenstapel ausgebildet werden, vorzugsweise wieder diesen möglichst vollständig umkleidend.The arrangement of several such elements can be done in different versions. On the one hand, it is possible to disguise the fuel cell stack arranged side by side on its surface, surface heat conductive elements. In this case, a meshing of individual such elements or subsections of such elements is possible. As particularly advantageous it is considered, if the fuel cell stack associated side of such a surface thermally conductive element has complementary structures of the relevant fuel cell stack surface, so that the largest possible thermal contact surface with as little interposed insulating regions, z. B. by air, can be realized. As an alternative or in addition to a single-layer cladding of the fuel cell stack by one or more such areal thermally conductive elements, a further, additional enveloping layer can also be formed on the fuel cell stack, preferably again as completely as possible.
Es kann aber durchaus auch vorteilhaft sein, nur bestimmte Bereich des Brennstoffzellenstapels mit einer ersten und/oder einer zweiten solchen flächig wärmeleitenden Schicht zu überziehen. Z. B. könnten dies die Bereiche der Ein- und/oder Ausgänge der Versorgungsleitungen sein.However, it may also be advantageous to coat only certain area of the fuel cell stack with a first and / or a second such areal heat-conducting layer. For example, these could be the areas of the inputs and / or outputs of the supply lines.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das flächig wärmeleitende Element selbst ein Phasenwechselmaterial umfassen. Dadurch kann die Energieaufnahme bzw. dieIn a preferred embodiment, the planar heat-conducting element itself may comprise a phase change material. As a result, the energy intake or the
Energieabgabe aufgrund des Phasenwechsels desEnergy release due to the phase change of the
Phasenwechselmaterials direkt am Brennstoffzellenstapel erfolgen, so dass Verluste durch dazwischenliegende Isolierungen und/oder Leitungen ausgeschlossen werden können.Phase change material carried out directly on the fuel cell stack, so that losses can be excluded by intervening insulation and / or lines.
Eine weitere mögliche Ausführungsform wäre integriert in denAnother possible embodiment would be integrated into the
Stack, z. B. in jeder x-ten Biplarplatte .Stack, z. In every xth biplar plate.
Zusätzlich oder alternativ kann das flächig wärmeleitende Element auch mit einem weiteren ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement wärmeleitend verbunden sein. Hierzu eignet sich insbesondere ein Wärmetauscher, der gegebenenfalls über einen dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Kühlmittelkreislauf mit dem flächig wärmeleitenden Element verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise die Wärme in bezüglich des Raumverbrauchs des Brennstoffzellenstapels sparender Weise an einem anderen Ort zwischengespeichert und über die betreffenden Leitungen wärmeleitend angekoppelt werden. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass die Wärmespeicherkapazität durch zwei voneinander getrennt ausgebildete, jeweils ein Phasenwechselmaterial umfassende Wärmespeicherelemente erhöht werden kann, ebenfalls wieder vorteilhaft ohne zusätzlichen Platz- bzw. Raumbedarf direkt am Brennstoffzellenstapel . In weiter vorteilhafter Weise ist bei mehreren voneinander getrennt ausgebildeten Wärmespeicherelementen mit Phasenwechselmaterial auch eine gestaffelte Energiekontrolle bzw. Energiezustandsbeeinflussung/Temperaturbeeinflussung möglich.Additionally or alternatively, the areal thermally conductive element may also be connected in a heat-conducting manner with another heat storage element comprising a phase change material. For this purpose, in particular, a heat exchanger, which is optionally connected via a fuel cell stack associated coolant circuit with the planar heat-conducting element is suitable. As a result, for example, the heat can be temporarily stored at a different location in terms of space consumption of the fuel cell stack and coupled in a heat-conducting manner via the respective lines. Another advantage may be that the heat storage capacity can be increased by two separately formed, each a phase change material comprising heat storage elements, also advantageous again without additional Space or space required directly on the fuel cell stack. In a further advantageous manner, a staggered energy control or energy state influencing / influencing the temperature is possible in the case of a plurality of heat storage elements with phase change material which are formed separately from one another.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Temperaturbereich für den Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials z. B. im Bereich von etwa 0° Celsius oder etwas darüber liegen. Dadurch kann derIn a further preferred embodiment, the temperature range for the phase change of the phase change material z. B. in the range of about 0 ° Celsius or slightly above. This allows the
Brennstoffzellenstapel bei Bedarf entweder vor Abkühlen unter einen solchen Temperaturbereich geschützt werden oder bei erfolgtem tieferen Abkühlen durch Einleiten des Phasenübergangs des Phasenwechselmaterials wieder auf bzw. über diese Temperatur aufgewärmt werden, so dass ein rascher und unproblematischer Startvorgang des Brennstoffzellenstapels auch bei tiefen äußeren Temperaturbedingungen, insbesondere bei Temperaturen < 00C, gewährleistet werden kann.If required, fuel cell stacks are either protected from such a temperature range before cooling down, or reheated to or above this temperature when the phase change of the phase change material is initiated, so that a rapid and unproblematic starting process of the fuel cell stack is possible even at low external temperature conditions, in particular at Temperatures <0 0 C, can be guaranteed.
Alternativ oder zusätzlich kann der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials auch etwa im Bereich der maximal zulässigen Kühlmitteleintrittstemperatur in den Brennstoffzellenstapel liegen bzw. auch etwas darunter. Dies hat den Vorteil, dass eine große Wärmemenge vom Brennstoffzellenstapel an das Energie speichernde Phasenwechselmaterial abgeführt werden kann, ohne dass die kritische Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels überschritten wird. Ziel ist das Abfangen von Temperaturspitzen.Alternatively or additionally, the temperature range for a phase change of the phase change material can also be approximately in the range of the maximum permissible coolant inlet temperature in the fuel cell stack or even slightly lower. This has the advantage that a large amount of heat from the fuel cell stack to the energy-storing phase change material can be dissipated without the critical coolant temperature of the fuel cell stack is exceeded. The goal is to catch temperature peaks.
Zum Beispiel könnte in einer Ausführungsform das hierzu verwendete Phasenwechselmaterial in dem vom Brennstoffzellenstapel entfernt angeordneten Zusatzenergiespeicher und/oder Wärmetauscher ausgebildet sein. Wenn das eintretende Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf diese kritische Temperatur erreicht, findet der Phasenübergang des Phasenwechselmaterials statt, z. B. von fest nach flüssig oder von flüssig nach gasförmig oder auch von fest nach gasförmig. Der Phasenwechsel bedarf einer großen Energiemenge aufgrund der latenten Energie des Phasenübergangs. Dadurch kann auch über einen längeren Zeitraum Energie integral zugeführt werden, z. B. während eines Volllastbetriebs bis derFor example, in one embodiment, the phase change material used for this purpose could be formed in the additional energy store and / or heat exchanger arranged away from the fuel cell stack. When the incoming refrigerant from the refrigeration cycle reaches this critical temperature, the phase transition of the phase change material takes place, e.g. B. from solid to liquid or from liquid to gaseous or even from solid to gaseous. The phase change requires a large amount of energy due to the latent energy of the phase transition. As a result, energy can be supplied integrally over a longer period of time, for. B. during a full load operation until the
Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist. Eine solche Einflussnahme aber ist selbstverständlich auch für direkt am Brennstoffzellenstapel angeordnete Phasenübergangsmaterialien möglich .Phase transition is complete. However, such influencing is, of course, also possible for phase transition materials arranged directly on the fuel cell stack.
Beim Abkühlen behält das Phasenübergangsmaterial seine Phase bei, die gespeicherte Wärmeenergie wird nur langsam abgegeben. Um den latenten Wärmespeicher zum Abfangen der nächsten Lastspitze wieder zu regenerieren, kann die gespeicherte Wärme durch gezieltes Einleiten der Kritallisation bzw. Sublimation, z. B. während eines Teillastbetriebs, wieder abgegeben werden. Dies verringert als weiterer Vorteil der Erfindung die Lastspreizung einer Kühlmittelpumpe eines Kühlkreislaufs, da der Durchfluss durch den Kühler und den Brennstoffzellenstapel im Teillastbereich mit relativ hohem Durchfluss aufrechterhalten werden kann und die Wärmeabgabe des Phasenwechselmaterials die Kühlmitteltemperatur und/oder die Brennstoffzellenstapeltemperatur auf einem Mindestniveau hält und eine zu starke Abkühlung des Brennstoffzellenstapels vermeidet.Upon cooling, the phase change material keeps its phase, the stored heat energy is given off only slowly. In order to regenerate the latent heat storage to intercept the next peak load again, the stored heat by targeted initiation of the Kritallisation or sublimation, z. B. during a partial load operation, be discharged again. This further reduces the load spread of a coolant pump of a refrigeration cycle as the flow through the radiator and the fuel cell stack can be maintained in the partial load range at relatively high flow and the heat output of the phase change material maintains the coolant temperature and / or fuel cell stack temperature at a minimum level avoids excessive cooling of the fuel cell stack.
Zur Beeinflussung der Phasenübergänge des und/oder der Phasenübergangsmaterialien kann in einer weiter vorteilhaften Ausführungsform eine Kontrolleinheit vorgesehen sein. Insbesondere bevorzugt ist es dabei, wenn dieseIn order to influence the phase transitions of the and / or the phase transition materials, a control unit can be provided in a further advantageous embodiment. It is particularly preferred if this
Kontrolleinheit so ausgelegt ist, dass sie sowohl den oberen als auch den unteren Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials kontrollieren kann. Beispielsweise kann sie hierzu mit einem Kristallisationskeim in Verbindung stehen, welcher beispielsweise anregbar ist und bei entsprechender Initiierung den Phasenübergangswechsel auslöst.Control unit is designed so that it can control both the upper and the lower phase change of the phase change material. For example, it may for this purpose be associated with a crystallization seed, which is excitable, for example, and triggers the phase change change with appropriate initiation.
Sofern mehrere, voneinander isoliert ausgebildete Phasenübergangsmaterialien vorgesehen sind, kann die Kontrolleinheit die jeweiligen Phasenübergänge in unterschiedlichen Modis beeinflussen, beispielsweise gestützt auf bestimmte Betriebsbedingungen. Hierzu kann beispielsweise über eine Abfrage an einen Benutzer festgelegt werden, ob die Übergänge gestaffelt erfolgen sollen, so dass z. B. bei beabsichtigter, baldiger Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels eine Unterschreitung einer Mindesttemperatur priorisiert werden kann. In einem anderen Betriebsmodus kann es auch vorgesehen sein, dass alle oder zumindest ein großer Teil der einzelnenIf several, isolated from each other trained Phase control materials are provided, the control unit can influence the respective phase transitions in different modes, for example, based on certain operating conditions. For this purpose, for example, be determined via a query to a user, whether the transitions should be staggered, so that z. B. in intentional, early recommissioning of the fuel cell stack falls below a minimum temperature can be prioritized. In another operating mode, it may also be provided that all or at least a large part of the individual
Phasenwechselmaterialien gleichzeitig zum Phasenwechsel angeregt werden, um einen möglichst hohen Energietransfer in möglichst kurzer Zeit bewirken zu können. Beispielsweise wäre dies für einen Kaltstart denkbar, aber auch bei einer drohenden Überhitzung des Brennstoffzellensystems .Phase change materials are stimulated simultaneously to the phase change in order to achieve the highest possible energy transfer in the shortest possible time. For example, this would be conceivable for a cold start, but also with an impending overheating of the fuel cell system.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Kontrolleinheit so ausgebildet sein, dass sie einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vor und/oder während einer Startphase des Brennstoffzellenstapels einleitet. Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel bei gegebenenfalls erfolgten Abkühlung durch die Zufuhr der entsprechende Wärmemenge deutlich schneller wieder in seinen optimalen Betriebstemperaturbereich gebracht werden.In a particularly advantageous manner, the control unit can be designed such that it initiates a phase change of the phase change material before and / or during a start phase of the fuel cell stack. As a result, the fuel cell stack can be brought into its optimum operating temperature range much faster, if necessary by cooling by supplying the appropriate amount of heat.
Zusätzlich unterstützend kann in vorteilhafter Weise eine Isolierung für das flächig wärmeleitende Element vorgesehen sein, welche insbesondere vorteilhaft an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite ausgebildet ist. Diese Isolierung kann somit zusätzlich den Brennstoffzellenstapel nach außen hin gegen starke Temperaturschwankungen schützen. Aber auch für einen über wärmeleitende Verbindungen, wie z. B. einem Kühlkreislauf angeschlossene Einheiten, wie z. B. der oben erwähnte Wärmetauscher, können in vorteilhafter Weise mit einer Isolierung zu deren Temperaturstabilisierung isoliert werden. AusführungsbeispielIn addition supportive can be provided in an advantageous manner an insulation for the planar heat-conducting element, which is particularly advantageously formed on a side facing away from the fuel cell stack. This insulation can thus additionally protect the fuel cell stack to the outside against strong temperature fluctuations. But also for a thermally conductive compounds, such. B. a cooling circuit connected units, such. As the above-mentioned heat exchanger can be isolated in an advantageous manner with an insulation for the temperature stabilization. embodiment
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it
Fig. 1 bis 4 jeweils beispielhaft einFig. 1 to 4 each an example
Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit unterschiedlichen Ausführungsformen von ihm zugeordneten, flächig wärmeleitenden ElementenFuel cell system with a fuel cell stack with different embodiments of him assigned, surface heat-conducting elements
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Brennsstoffzellensystems mit einem an einen Kühlkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel angeschlossenen zusätzlichen Wärmetauscher.5 shows a further embodiment of a fuel cell system with an additional heat exchanger connected to a cooling circuit for a fuel cell stack.
Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2, der mit einem flächig wärmeleitenden Element eines ein Phasenwechselmaterial umfassenden Temperierungsmittels ummantelt ist. In dieser Ausführungsform weist das von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separat ausgebildete, einer Außenfläche 11 des Brennstoffzellenstapels flächig zugeordnete, wärmeleitende Element 3 selbst ein Phasenwechselmaterial 4 auf. Damit kann der Brennstoffzellenstapel 2, je nach Ausführungsform, bei tiefen Außentemperaturen vor Abkühlen unter einen Bereich von 00C oder etwas darüber durch Initiierung eines Phasenübergangs und einer Einspeisung der dabei frei werdenden Wärme in dem Brennstoffzellenstapel geschützt werden, so dass darin befindliches Wasser nicht gefrieren kann. In einer anderen Ausführungsform ist alternativ oder zusätzlich bei erfolgtemFIG. 1 shows, by way of example, a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2, which is encased in a planar heat-conducting element of a temperature control medium comprising a phase change material. In this embodiment, the heat-conducting element 3, which is formed separately from the functional elements of the fuel cell stack and has an outer surface 11 of the fuel cell stack, is itself a phase change material 4. Thus, the fuel cell stack 2, depending on the embodiment, at low ambient temperatures before cooling below a range of 0 0 C or something over it by initiating a phase transition and feeding the resulting heat released in the fuel cell stack are protected, so that water therein do not freeze can. In another embodiment, alternatively or additionally is done
Unterschreiten dieser Gefriertemperatur für Wasser eine rasche Zufuhr einer hohen Energiemenge in den Brennstoffzellenstapel möglich, um darin gefrorenes Wasser wieder aufzutauen und so wiederum die Kaltstartphase zu verkürzen. Ein weiterer Vorteil des Auftauens von gefrorenem Wasser liegt in der Freilegung von gegebenenfalls eingefrorenen Anschlüssen von Zuleitungen oder Ableitungen des Brennstoffzellenstapels, so dass darin andernfalls eventuell entstehende Überdruckverhältnisse vermieden werden können.Below this freezing temperature for water, a rapid supply of a large amount of energy in the fuel cell stack possible to re-thaw frozen water therein and so turn to shorten the cold start phase. Another advantage of the thawing of frozen water lies in the exposure of possibly frozen connections of supply lines or discharges of the fuel cell stack, so that otherwise possibly resulting overpressure conditions can be avoided therein.
Als weiterer thermischer Schutz des Brennstoffzellenstapels ist eine Isolierung 5, hier ebenfalls beispielhaft den BrennstoffStapel 2 bzw. das ihn ummantelnde großflächig wärmeleitende Element 3 umschließend, dargestellt. Dadurch kann das Absinken der Innentemperatur bei fallenden Außentemperaturen zusätzlich verlangsamt werden.As a further thermal protection of the fuel cell stack is an insulation 5, here also exemplifies the fuel stack 2 and enclosing it enclosing large area thermally conductive element 3, shown. As a result, the fall in the internal temperature can be additionally slowed down with falling outside temperatures.
Zur kontrollierten Initiierung eines Phasenübergangs, insbesondere zur Freisetzung der im Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärme, ist im Weiteren beispielhaft eine Kontrolleinheit 7 dargestellt, die über eine Leitung 8 mit einem z. B. elektrisch anregbaren Kristallisationskeim verbunden ist, der bei einem entsprechenden Signal derFor the controlled initiation of a phase transition, in particular for the release of the heat stored in the phase change material, a control unit 7 is further exemplified, which is connected via a line 8 with a z. B. electrically energizable crystallization nucleus is connected to the corresponding signal of the
Kontrolleinheit 7 den Phasenwechsel im Phasenwechselmaterial auslöst. Dieses Auslösesignal kann die Kontrolleinheit z. B. abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 einerseits zur Unterstützung des Startvorgangs an den Kristallisationskeim abgeben, und andererseits auch zur Freigabe von Speicherkapazität und gegebenenfalls zur Stabilisierung einer idealen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise in dessen Teillastbetrieb.Control unit 7 triggers the phase change in the phase change material. This trigger signal, the control unit z. B. depending on the operating state of the fuel cell system 1 on the one hand to support the starting process of the crystallization nucleus, and on the other hand to release storage capacity and optionally to stabilize an ideal operating temperature of the fuel cell stack, for example, in its partial load operation.
Die Fig. 2 zeigt eine gegenüber der Fig. 1 dahingehend abgewandelte Ausführungsform, dass der Brennstoffzellenstapel 2 von zwei flächig wärmeleitenden Elementen 3, 9 umgeben ist. In dieser Ausführungsform sind die beiden Elemente 3, 9 in Bezug auf die Außenfläche 11 des Brennstoffzellenstapels 2 übereinanderliegend angeordnet. Sie stellen also einen doppelten Mantel aus jeweils einem flächig wärmeleitenden Element 3, 9 mit jeweils einem ihm zugeordneten Phasenwechselmaterial 4, 10 dar.FIG. 2 shows an embodiment modified from that of FIG. 1 in that the fuel cell stack 2 is surrounded by two flat heat-conducting elements 3, 9. In this embodiment, the two elements 3, 9 are arranged one above the other with respect to the outer surface 11 of the fuel cell stack 2. So you put a double jacket from each a flat heat-conducting element 3, 9, each with its associated Phase change material 4, 10 represents.
Dem Phasenwechselmaterial 10 ist in dieser Ausführungsform beispielhaft kein Kristallisationskeim zugeordnet, er leitet bei Erreichen seiner Phasenübergangstemperatur selbständig den Phasenübergang ein und gibt damit die in ihr gespeicherte Energie frei, bzw. kann bei Erreichen einer entsprechend hohen Temperatur einen weiteren großen Energieeintrag zur Einleitung des Phasenübergangs aufnehmen, und zwar ohne weiteren deutlichen Temperaturanstieg.The phase change material 10 in this embodiment, for example, no nucleation associated, it initiates upon reaching its phase transition temperature independently the phase transition and thus releases the energy stored in it, or can record a further large energy input to initiate the phase transition upon reaching a correspondingly high temperature , and without further significant increase in temperature.
Denkbar wäre auch eine einfachere Ausführungsform, in der überhaupt kein Kristallisationskeim für die jeweiligen Phasenübergangsmaterialien vorgesehen ist, oder eine in der nur das Phasenwechselmaterial 10 mit einemA simpler embodiment would also be conceivable in which no nucleation seed for the respective phase change materials is provided, or one in which only the phase change material 10 is provided with one
Kristallisationskeim ausgestattet ist, oder aber auch eine in der beiden Phasenwechselmaterialien 4 und 10 jeweils ein Kristallisationskeim zugeordnet ist.Crystallization seed is equipped, or in addition one in the two phase change materials 4 and 10 is assigned in each case a crystallization seed.
In der Fig. 3 ist, wiederum beispielhaft, eine weitereIn Fig. 3, again by way of example, another
Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt, in welchem mehrere flächig wärmeleitende Elemente 3, 9, 12 und 13 an jeweils einer Außenseite 11 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind, um diesen insbesondere möglichst vollständig zu ummanteln und ihn möglichst gut innerhalb des vorgesehenen Betriebstemperaturbereichs halten zu können. Das heißt also entweder möglichst vor Abkühlung unter den Gefrierpunkt für gegebenenfalls darin angesammeltes Wasser zu schützen, oder, bei erfolgter Abkühlung, möglichst rasch wieder über diesen Temperaturpunkt anzuheben.Embodiment of a fuel cell system 1 shown, in which a plurality of surface heat-conducting elements 3, 9, 12 and 13 are arranged on each outer side 11 of the fuel cell stack 2 in order to cover this as completely as possible and keep it as well as possible within the intended operating temperature range. That is, either as possible to protect against cooling below freezing for possibly accumulated therein water, or, when cooling, as soon as possible to raise again above this temperature point.
Eine zweite wesentliche Funktion kann auch hier darin liegen, in einem oberen Betriebstemperaturbereich des Brennstoffzellenstapels durch Abziehen weiter entstehender Energie ein Überschreiten der Brennstoffzellenstapeltemperatur durch Einspeichern dieser Energie in das Phasenwechselmaterial zu verhindern. Hierdurch kann insbesondere eine bei Volllastbetrieb entstehende starke Wärmeentwicklung des Brennstoffzellensystems in vorteilhafter Weise vom Brennstoffzellenstapel abgeführt und zwischengespeichert werden .A second essential function may also be to prevent an exceeding of the fuel cell stack temperature by storing this energy in the phase change material in an upper operating temperature range of the fuel cell stack by subtracting further energy. As a result, in particular, a strong heat development of the full-load operation resulting from the Fuel cell system can be advantageously removed from the fuel cell stack and cached.
Die Abgabe dieser gespeicherten Energie kann durch gezieltes Einleiten eines Phasenwechsels über die Kontrolleinheit 7, zum Beispiel im Teillastbetrieb, wieder an dasThe output of this stored energy can by targeted initiation of a phase change on the control unit 7, for example, in partial load operation, back to the
Brennstoffzellensystem erfolgen. Insbesondere ist es hiermit möglich, einem Unterschreiten einer idealen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in zusätzlich vorteilhafter Weise entgegen zu wirken, so dass sich hierdurch der Wirkungsgrad dieses Brennstoffzellensystems zusätzlich weiter verbessert.Fuel cell system done. In particular, it is thereby possible to counteract an undershooting of an ideal operating temperature of the fuel cell stack in an additionally advantageous manner, so that this further improves the efficiency of this fuel cell system.
Die in der Fig. 3 beispielhaft dargestellten, mit Phasenwechselmaterialien 4, 10, 14 und 15 ausgestatteten flächig wärmeleitenden Elemente 3, 9, 12 und 13 sind zwar jeweils mit einem Kristallisationskeim 6 zur kontrollierten Einflussnahme auf den jeweiligen Phasenwechsel ausgestattet, der Übersichtlichkeit halber wurde jedoch nur ein Kristallisationskeim 6 über eine Leitung 8 mit der Kontrolleinheit 7 beispielhaft verbunden.Although exemplified in FIG. 3, equipped with phase change materials 4, 10, 14 and 15 area thermally conductive elements 3, 9, 12 and 13 are each equipped with a crystallization nucleus 6 for controlled influence on the respective phase change, for the sake of clarity, however only one crystallization seed 6 via a line 8 with the control unit 7 exemplified.
Die Darstellung in der Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei flächig wärmeleitende Elemente 4, 9 mit ihnen zugeordneten Phasenwechselmaterialien 4, 10 fingerförmig ineinander greifend an der jeweiligen Außenseite 11 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann somit in dieser Schnittdarstellung als mäanderförmig ausgebildet zwischen diesen flächig wärmeleitenden Elemente 3, 9 beschrieben werden. Auch hier ist wiederum beispielhaft eine Isolationsschicht 5 an einer dem Brennstoffzellenstapel 2 abgewandten Seite der wärmeleitenden Elemente zur zusätzlichen Wärmeisolierung dargestellt.The illustration in FIG. 4 shows an embodiment in which two areal thermally conductive elements 4, 9 associated with them phase change materials 4, 10 finger-like interlocking on the respective outer side 11 of the fuel cell stack 2 are arranged. The fuel cell stack 2 can thus be described as meander-shaped in this sectional view between these areal thermally conductive elements 3, 9 described. Here too, an insulation layer 5 is again shown by way of example on a side of the heat-conducting elements facing away from the fuel cell stack 2 for additional heat insulation.
In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher das flächig wärmeleitende Element 3 mit einem weiteren, ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement 16 wärmeleitend verbunden ist. Dieses weitere Wärmespeicherelement kann z. B. ein Wärmetauscher sein, der über Leitungen 23 eines Kühlkreislaufs 18 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist. Wie hier dargestellt, kann ein von einer Kühlmittelpumpe 20 durch die Leitungen 23 des Kühlkreislaufs 18 gepumptes Kühlmittel über eine Kühlbzw. Heizschlange 19 Energie aus dem Phasenwechselmaterial 17 zur Zufuhr an dem Brennstoffzellenstapel entnehmen oder diesem zur raschen Abfuhr einer großen, überschüssigen Energiemenge dem Brennstoffzellenstapel zuführen. Damit wird eine zusätzliche Energiespeicherkomponente 16 zur ebenfalls beispielhaft dargestellten ersten Energiespeicherkomponente in der Form des flächig wärmeleitenden Elementes 3 mit dem ihm zugeordneten Phasenwechselmaterial, dessen Funktionalität oben bereits beschrieben wurde, vorgeschlagen.5, a further embodiment is shown, in which the sheet-like heat-conducting element 3 with another, a phase change material comprehensive Heat storage element 16 is thermally conductively connected. This further heat storage element can, for. Example, be a heat exchanger, which is connected via lines 23 of a cooling circuit 18 to the fuel cell stack 2. As shown here, a of a coolant pump 20 through the lines 23 of the cooling circuit 18 pumped coolant via a Kühlbzw. Heating coil 19 energy from the phase change material 17 for supply to the fuel cell stack remove or this for rapid removal of a large, excess amount of energy supply the fuel cell stack. Thus, an additional energy storage component 16 is proposed for the likewise exemplarily illustrated first energy storage component in the form of the areal thermally conductive element 3 with its associated phase change material whose functionality has already been described above.
Zur Einflussnahme auf Phasenübergänge derFor influencing phase transitions of the
Phasenwechselmaterialien ist hier wiederum beispielhaft eine Kontrolleinheit 7 dargestellt, die über Leitungen 8 mit jeweiligen Kristallisationskeimen 6 verbunden sind. Durch die Anbindung der Kontrolleinheit 7 an dieses zusätzliche Wärmespeicherelement 16 ist die Kontrolleinheit auch hier in der Lage, einen Phasenwechsel des darin gespeicherten Phasenwechselmaterials, z. B. während eines Teillastbetriebes, gezielt wieder an den Brennstoffzellenstapel abzugeben.Phase change materials here again by way of example a control unit 7 is shown, which are connected via lines 8 with respective crystallization nuclei 6. By connecting the control unit 7 to this additional heat storage element 16, the control unit is also able here, a phase change of the phase change material stored therein, for. B. during a part load operation, selectively return to the fuel cell stack.
Dadurch kann einerseits ein Halten der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in einem optimalenAs a result, on the one hand holding the operating temperature of the fuel cell stack in an optimal
Betriebstemperaturbereich unterstützt werden und andererseits die bei einem Volllastbetrieb vom Brennstoffzellenstapel abgezogene, überschüssige Energie zur Freigabe desOperating temperature range are supported and on the other hand, the deducted in a full load operation of the fuel cell stack, excess energy to release the
Zwischenspeichers aus diesem wieder abgeführt werden.Caching be removed from this again.
Der Kühlkreislauf des Brennstoffzellenstapels 2 kann im Weiteren, wie hier beispielhaft dargestellt, einen Kühler 21 und gegebenenfalls einer Lüfter 22 sowie weitere, hier nicht dargestellte Elemente umfassen. Der Anschluss des Kühlkreislaufs 18 an den Brennstoffzellenstapel erfolgt hier beispielhaft über den Einlass 24 und den Auslass 25. Von der Darstellung weiterer Elemente und signal- bzw. energieübertragender Verbindungen, insbesondere zwischen Kühler, Lüfter, Kühlmittelpumpe, zusätzlichem Wärmespeicherelement 16, Brennstoffzellenstapel 2 und der Kontrolleinheit 7 wurde auch hier aus Übersichtlichkeitsgründen abgesehen . The cooling circuit of the fuel cell stack 2 may further include, as exemplified herein, a cooler 21 and optionally a fan 22 and further, not shown here elements. The connection of the cooling circuit 18 to the fuel cell stack takes place here by way of example via the inlet 24 and the outlet 25. Von der Representation of further elements and signal or energy-transmitting connections, in particular between radiator, fan, coolant pump, additional heat storage element 16, fuel cell stack 2 and the control unit 7 was also omitted here for reasons of clarity.

Claims

Ansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und diesem zugeordnete, ein Phasenwechselmaterial umfassende Temperierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsmittel mindestens ein von den Funktionselementen des Brennstoffzellenstapels separates, einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels flächig wärmeleitend zugeordnetes Element umfassen.1. Fuel cell system, comprising a fuel cell stack and associated therewith, a phase change material tempering, characterized in that the tempering comprise at least one separate from the functional elements of the fuel cell stack, an outer surface of the fuel cell stack surface heat-conducting associated element.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein und/oder mehrere flächig wärmeleitende Elemente den Brennstoffzellenstapel umschließen.2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that one and / or a plurality of heat-conducting elements surround the fuel cell stack.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächig wärmeleitende Element ein Phasenwechselmaterial umfasst.3. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the areal thermally conductive element comprises a phase change material.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das flächig wärmeleitende Element mit einem weiteren, ein Phasenwechselmaterial umfassendes Wärmespeicherelement wärmeleitend verbunden ist.4. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the areal thermally conductive element is thermally conductively connected to a further, a phase change material comprehensive heat storage element.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Wärmespeicherelement an einen Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels angekoppelt ist.5. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the further heat storage element is coupled to a coolant circuit of the fuel cell stack.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel eines Phasenwechselmaterials im Bereich von etwa 00C oder etwas darüber liegt. 6. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature range for a phase change of a phase change material in the range of about 0 0 C or slightly above.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials etwa im Bereich der maximal zulässigen Kühlmitteleintrittstemperatur in den Brennstoffzellenstapel oder etwas darunter liegt.7. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature range for a phase change of the phase change material is approximately in the range of the maximum permissible coolant inlet temperature in the fuel cell stack or something below.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit zur Einleitung eines Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vorgesehen ist.8. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit is provided for initiating a phase change of the phase change material.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, einen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials vor und/oder während einer Startphase des Brennstoffzellenstapels einzuleiten.9. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit is adapted to initiate a phase change of the phase change material before and / or during a start phase of the fuel cell stack.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, einen Phasenwechsel des10. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit is adapted to a phase change of
Phasenwechselmaterials während eines Teillastbetriebs des Brennstoffzellenstapels einzuleiten.Phase change material during a partial load operation of the fuel cell stack to initiate.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächig wärmeleitende Element an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Isolierung aufweist. 11. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the areal thermally conductive element has an insulation on the side facing away from the fuel cell stack.
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