WO2010012392A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines solchen - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines solchen Download PDF

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Martin Heumos
Patrick Mangold
Wolfgang Weger
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system and a method for operating such a fuel cell system.
  • a fuel cell system is known to comprise at least one fuel cell, typically a fuel cell stack (also referred to as a fuel cell stack), of a plurality of fuel cells.
  • fuel typically hydrogen
  • an oxidizer typically atmospheric oxygen.
  • the fuel is provided from a fuel tank, which is connected via a line to the fuel cell or the fuel cell stack, so that via this line fuel from the fuel tank of the fuel cell or the fuel cell stack can be supplied.
  • a fuel cell stack not all of the fuel is transferred at once. Fuel cell systems do not deliver the unused fuel directly to the environment, but this is discharged via an output from the fuel cell or the fuel cell stack and then fed back.
  • the supply takes place via the same line through which the fuel is supplied from the fuel tank, namely, the fuel from the fuel tank at an entry point with the recirculated unused fuel is merged (mixed).
  • the unused fuel from the fuel cell contains portions of water.
  • a separator is often provided which serves to separate the water from the fuel before it is returned to the supply line at the point of entry. Nevertheless, the recirculated unused fuel still at the point of entry a significant amount of water, in particular vapor, included. If a particularly large amount of hydrogen is removed from the tank at low ambient temperatures, the withdrawn hydrogen is cooled by the expansion compared to the compressed state in the hydrogen tank to about -50 0 C.
  • the object is achieved by a fuel cell system with the features according to claim 1 and a method having the features according to claim 7.
  • the line in the supply direction of the fuel from the fuel tank is thermally coupled in front of the point of entry with a further component of the fuel cell system. Because virtually every component of the fuel cell system is warmer than the supply line, as the fuel cools due to expansion after removal from the fuel tank, heat is transferred from the further component to the conduit and thus to the fuel due to the thermal coupling. The fuel is thereby heated, before it with the unused, also referred to as unconsumed, and returned fuel is brought together so that it can not come in the short term to a condensation of water.
  • the region of the thermal coupling can be arranged in particular in the region in front of a valve, via which the amount of fuel to be taken from the fuel cell is controlled.
  • the further component may in particular be the so-called anode housing, that is to say the housing in which components associated with the anode side of the fuel cell or the fuel cell stack are arranged.
  • the further component serves for the passage of coolant, in particular at such a point at which the coolant just leaves the at least one fuel cell.
  • the coolant absorbs heat from the fuel cell and is then cooled again in the cooling circuit. It is advantageous if the cooling of the coolant is accompanied by the heating of the fuel at the same time for the purpose of avoiding the condensation of water, since both effects are desired simultaneously.
  • the coolant should be cooled in the cooling circuit, because it heats up anyway in the fuel cell stack.
  • a separate heater for the coolant is provided in fuel cell systems. This heater is used in particular when the ambient temperatures are low and the fuel cell system is put into operation. Then, the coolant may prove to be over-cooled by ambient temperatures and is heated to a suitable operating temperature by a heater. Now this heater can also heat up the fuel at the same time. Since a lot of fuel is taken from the fuel tank at startup of the fuel cell system, because very little fuel is returned, the heating of the fuel is also particularly desirable when operating the heater for the coolant.
  • the heater for heating the coolant may therefore be part of the further component.
  • further component which is coupled to the line, but may in turn be coupled to the heater.
  • a separator in the recycle loop is disposed between the exit of the at least one fuel cell and the entry point into the conduit and serves to separate water entrained with the unconsumed fuel. If the additional component now includes the separator, heat is removed from the separator. Thereby, the deposition efficiency can be increased, so that in addition to the desired effect of heating the fuel, a further positive effect is achieved simultaneously.
  • the further component of the fuel cell system can also be a separate heater.
  • the embodiments described so far relate to such a further component, which is present anyway in a fuel cell system, so that the weight of the fuel cell system by the measure according to the invention is not or not substantially increased, possibly even compared to conventional fuel cell systems can be lowered, because the supplied Fuel from the fuel tank cools the other component at the same time and therefore can be dispensed with separate mechanisms for cooling the other component or these must be configured less expensive.
  • the thermal coupling should be such that the transfer of heat to the fuel is particularly efficient.
  • the line in the region in which it is thermally coupled to a further component at least partially meander-shaped. This increases the surface area of the conduit as compared to a straight conduit, i. H. the surface over which the coupling takes place is increased, so that more heat can be transferred from the further component to the line and thus the fuel from the fuel tank.
  • the surface for heat transfer can also be enlarged in a suitable manner other than meandering.
  • the line can also be formed, at least in sections, as a channel in the further component.
  • the conduit need not be provided as a separate conduit if the walls of the conduit are part of the further component.
  • One such channel can, for. B. in the starting heater body, so the body in which the heater is arranged for heating the coolant at startup of the fuel cell system, be provided.
  • the channel can also be provided in the so-called anode block, that is to say in a unit of the fuel cell system in which components associated with the anode of the at least one fuel cell are arranged.
  • fuel is supplied from a fuel tank in a manner known per se to a fuel cell or a fuel cell stack, and this fuel is combined with unused fuel coming from the fuel cell / fuel cell stack.
  • heat is supplied to the fuel from the fuel tank before it is merged with the fuel not consumed from the fuel cell, at least when the condition is met that a minimum amount of fuel per unit time is taken from the fuel tank.
  • the supply of heat can be effected by a heater is operated for heating coolant and the heat generated by the heater is supplied to the fuel from the fuel tank before merging, so that the already provided heater advantageously for supplying heat to from the Fuel tank coming fuel can be used and can be dispensed with a separate heater for the fuel from the fuel tank.
  • a separate heater for the fuel from the fuel tank.
  • the unused fuel coming from the fuel cell is passed through a separator and heat from the separator is supplied to the fuel from the fuel tank before being merged with the unused fuel, so that the efficiency of the separator is increased in a positive manner, ie heat is dissipated at a point where it is not desirable anyway and is fed to a point where it is used meaningfully.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of essential for the description of the invention
  • Fig. 2 shows schematically the structure of essential for the description of the invention
  • a fuel cell system schematically illustrated in FIG. 1 and partially designated as such at 10 and a fuel cell system partially shown in FIG. 2 includes a fuel cell stack 12 having a plurality of fuel cells in which hydrogen is transferred from a hydrogen tank 14.
  • FIG. 1 shows the anode side of the fuel cell system 10. The amount of hydrogen reaching the fuel cell stack 12 from the hydrogen tank 14 is determined by a metering valve 16. The hydrogen is supplied via an input 18 to the fuel cell stack 12. In the fuel cell stack 12 unreacted hydrogen is discharged through an output 20. This unused fuel contains water. This water may interfere with the operation of the fuel cell system 10.
  • a pump 24 (also designated as an anode recirculation fan) is provided for this purpose, which conveys the unused fuel from the outlet 20 to an entry point 26 at which the unused hydrogen is combined with the hydrogen from the tank 14. It is an entry point into the line or the pipe system between the tank 14 and the inlet 18 of the fuel cell stack 12th
  • the fuel cell system denoted therein by 10 ' (only the anode side is shown) basically has the same components as the fuel cell system 10, so that they have the same reference numerals as in FIG are designated. Again, in the line section 28, the risk of condensation of water.
  • a line section 30' in the line between the tank 14 and the inlet 18 of the fuel cell stack 12 is guided through a starting heater housing 32.
  • the starting heater housing 32 includes the so-called start heater. It is a heater that is part of a refrigeration cycle. In the cooling circuit, coolant is supplied to the fuel stack 12 at an inlet 34 and discharged therefrom via an outlet 36.
  • the start heater serves to heat the coolant in the cooling circuit when the fuel cell system is put into operation under conditions of cold ambient temperatures.
  • this heater is used to heat the hydrogen from the tank 14 before he reaches the entry point 26, in this case before he passes the metering valve 16.
  • the line section 30 ' may be formed as a channel in the starting heater housing 32, this channel is preferably formed meandering, so that the effective area is increased and a lot of heat from the starting heater can be transferred to the hydrogen.

Abstract

In einem Brennstoffzellensystem (10, 10'), in dem Brennstoff aus einem Tank (14) für einen Brennstoffzellenstapel (12) bereitgestellt wird, und in dem nicht verbrauchter Brennstoff rezirkuliert wird, wird vor dem Zusammenführen des Brennstoffs aus dem Tank (14) und dem rezirkulierten Brennstoff an einer Eintrittsstelle (26) der Brennstoff aus dem Tank erwärmt. Hierzu wird ein Leitungsabschnitt (30, 30') zur Zufuhr von Wasserstoff vor der Eintrittsstelle (26) thermisch mit einem Abscheider (22) bzw. einem Startheizergehäuse (32) gekoppelt.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem weist bekanntlich zumindest eine Brennstoffzelle, typischerweise einen Brennstoffzellenstapel (auch als Brennstoffzellen-Stack bezeichnet) aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen auf. In der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel wird Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, unter Gewinnung von Energie mit einem Oxidationsmittel, typischerweise Luftsauerstoff, umgesetzt. Der Brennstoff wird aus einem Brennstofftank bereitgestellt, der über eine Leitung mit der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, so dass über diese Leitung Brennstoff aus dem Brennstofftank der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann. In einem Brennstoffzellenstapel wird nicht sämtlicher Brennstoff auf einmal umgesetzt. Brennstoffzellensysteme geben den nicht verbrauchten Brennstoff nicht unmittelbar an die Umwelt ab, sondern dieser wird über einen Ausgang aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und dann wieder zugeführt. Die Zufuhr erfolgt über dieselbe Leitung, über die der Brennstoff aus dem Brennstofftank zugeführt wird, und zwar wird der Brennstoff aus dem Brennstofftank an einer Eintrittsstelle mit dem zurückgeführten nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt (gemischt). Der aus der Brennstoffzelle gelangende nicht verbrauchte Brennstoff enthält Anteile an Wasser. Es wird häufig ein Abscheider bereitgestellt, der zum Abscheiden des Wassers aus dem Brennstoff dient, bevor er an der Eintrittsstelle wieder in die Zufuhrleitung geleitet wird. Dennoch kann auch der zurückgeführte nicht verbrauchte Brennstoff noch an der Eintrittsstelle eine nicht unerhebliche Menge an Wasser, insbesondere dampfförmig, enthalten. Wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine besonders große Menge von Wasserstoff aus dem Tank entnommen, wird der entnommene Wasserstoff durch die Expansion gegenüber dem verdichteten Zustand im Wasserstofftank auf ca. -500C abgekühlt. Große Wasserstoffentnahmeströme gibt es insbesondere bei Hoch- oder Volllastbetrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels. Ist gleichzeitig die Umgebungstemperatur niedrig, wird der Wasserstoff in der Leitung zwischen Tank und dem Anodenmodul praktisch nicht erwärmt. Wird dieser Frischwasserstoff mit dem zurückgeführten, in der Brennstoffzelle bzw. im Brennstoffzellenstapel nicht verbrauchten Wasserstoff zusammengeführt, wird das im zurückgeführten Wasserstoff vorhandene Wasser zumindest teilweise auskondensiert, im schlimmsten Fall kann es sogar gefrieren. Durch die Auskondensation kann es im Brennstoffzellenstapel durch Ungleichverteilung des Wassers zu lokalen Austrocknungserscheinungen kommen.
Aus der EP 1 860 715 A1 ist es bekannt, die Leitung, über die Brennstoff einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, hinter einer Eintrittsstelle, an der Brennstoff aus einem Brennstofftank mit zurückgeführtem Brennstoff zusammengeführt wird, mit einem Kühlwasserkanal zu koppeln. Es handelt sich hierbei um den Bereich des Kühlwasserkanals, den das Kühlwasser für den Brennstoffzellenstapel durchläuft, nachdem es aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, also Wärme von diesem aufgenommen hat. Dadurch wird die Leitung zum Brennstoffzellenstapel warm gehalten oder erwärmt und ein Gefrieren von Wasser in dieser verhindert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das auch bei Entnahme von großen Brennstoffmengen aus dem Brennstofftank innerhalb von kurzer Zeit z. B. Hoch- oder Volllastbetrieb der zumindest einen Brennstoffzelle, zuverlässig arbeitet, und dies auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Leitung in Zufuhrrichtung des Brennstoffs aus dem Brennstofftank vor der Eintrittsstelle mit einem weiteren Bauteil des Brennstoffzellensystems thermisch gekoppelt. Weil praktisch jedes Bauteil des Brennstoffzellensystems wärmer ist als die Zufuhrleitung, wenn sich der Brennstoff aufgrund der Expansion nach Entnahme aus dem Brennstofftank abkühlt, wird aufgrund der thermischen Kopplung Wärme von dem weiteren Bauteil auf die Leitung und damit auf den Brennstoff übertragen. Der Brennstoff wird dadurch erwärmt, bevor er mit dem nicht verbrauchten, auch als unverbraucht bezeichneten, und zurückgeführten Brennstoff zusammengeführt wird, so dass es auch nicht kurzfristig zu einer Auskondensation von Wasser kommen kann. Der Bereich der thermischen Kopplung kann insbesondere im Bereich vor einem Ventil angeordnet sein, über das die Menge an aus der Brennstoffzelle zu entnehmenden Brennstoff gesteuert wird.
Je wärmer das Bauteil des Brennstoffzellensystems im Betrieb des Brennstoffzellensystems ist, desto mehr wird der Brennstoff erwärmt. Daher ist es vorteilhaft, wenn als weiteres Bauteil solche Bauteile ausgewählt werden, die sich im Betrieb beträchtlich erwärmen. Wegen der Entnahme von Wärme von diesen Bauteilen kann dann gegebenenfalls sogar auf eine zusätzliche Kühlung derselben verzichtet werden. Gleichzeitig kann auf ein zusätzliches Heizelement für den Brennstoff verzichtet werden.
Das weitere Bauteil kann insbesondere das so genannte Anodengehäuse sein, also das Gehäuse, in dem zur Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels zugehörige Bauelemente angeordnet sind.
Neben dem Anodengehäuse ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn das weitere Bauteil zum Durchleiten von Kühlmittel dient, insbesondere an einer solchen Stelle, an der das Kühlmittel die zumindest eine Brennstoffzelle gerade verlässt. Das Kühlmittel nimmt Wärme von der Brennstoffzelle auf und wird im Kühlkreislauf dann wieder abgekühlt. Es ist dann vorteilhaft, wenn das Abkühlen des Kühlmittels gleichzeitig mit dem Erwärmen des Brennstoffs zum Zwecke der Vermeidung von Auskondensation von Wasser einhergeht, denn beide Effekte sind gleichzeitig erwünscht.
Grundsätzlich soll das Kühlmittel im Kühlkreislauf abgekühlt werden, weil es sich im Brennstoffzellenstapel ohnehin erwärmt. Häufig ist in Brennstoffzellensystemen jedoch ein gesonderter Heizer für das Kühlmittel vorgesehen. Dieser Heizer wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig sind und das Brennstoffzellensystem in Betrieb genommen wird. Dann kann sich das Kühlmittel als zu stark durch die Umgebungstemperaturen abgekühlt erweisen und wird mit Hilfe eines Heizers auf eine passende Betriebstemperatur erwärmt. Es kann nun dieser Heizer gleichzeitig auch den Brennstoff aufheizen. Da bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems besonders viel Brennstoff dem Brennstofftank entnommen wird, weil besonders wenig Brennstoff zurückgeführt wird, ist bei Betrieb des Heizers für das Kühlmittel gleichzeitig auch das Erwärmen des Brennstoffs besonders erwünscht. Der Heizer zum Heizen des Kühlmittels kann daher Teil des weiteren Bauteils sein. Das weitere Bauteil, das mit der Leitung gekoppelt ist, kann jedoch auch seinerseits mit dem Heizer gekoppelt sein.
Ein anderes Bauteil, bei dem eine Wärmeabfuhr erwünscht ist, ist ein Abscheider im Rückführkreislauf: Dieser ist zwischen dem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelle und der Eintrittsstelle in die Leitung angeordnet und dient zum Abscheiden von mit dem nicht verbrauchten Brennstoff mitgeführtem Wasser. Umfasst nun das weitere Bauteil den Abscheider, so wird Wärme dem Abscheider entnommen. Dadurch kann der Abscheidungswirkungsgrad gesteigert werden, so dass neben dem erwünschten Effekt des Erwärmens des Brennstoffs gleichzeitig ein weiterer positiver Effekt erzielt wird.
Das weitere Bauteil des Brennstoffzellensystems kann selbstverständlich auch ein gesonderter Heizer sein. Die bisher beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich jedoch auf ein solches weiteres Bauteil, das ohnehin in einem Brennstoffzellensystem vorhanden ist, so dass das Gewicht des Brennstoffzellensystems durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht oder nicht wesentlich erhöht ist, möglicherweise gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen sogar erniedrigt werden kann, weil der zugeführte Brennstoff aus dem Brennstofftank das weitere Bauteil gleichzeitig abkühlt und daher auf gesonderte Mechanismen zum Abkühlen des weiteren Bauteils verzichtet werden kann oder diese weniger aufwendig ausgestaltet werden müssen.
Die thermische Kopplung soll dergestalt sein, dass der Übergang von Wärme zum Brennstoff besonders effizient ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Leitung im Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise mäanderförmig ausgebildet ist. Dadurch wird die Oberfläche der Leitung im Vergleich zu einer geradlinigen Leitung erhöht, d. h. die Oberfläche, über die die Kopplung erfolgt, wird vergrößert, so dass mehr Wärme von dem weiteren Bauteil auf die Leitung und damit den Brennstoff aus dem Brennstofftank übertragen werden kann. Die Fläche zur Wärmeübertragung kann auch auf andere, geeignete Weise als mäanderförmig vergrößert sein.
Die Leitung kann in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil gekoppelt ist, auch zumindest abschnittsweise als Kanal in dem weiteren Bauteil ausgebildet sein. Bei geeigneter Gestaltung kann durch das Bereitstellen des Kanals sogar wegen der Entnahme von Material aus dem weiteren Bauteil Gewicht im Brennstoffzellensystem eingespart werden. Die Leitung muss nicht als gesondertes Rohr bereitgestellt werden, wenn die Wände des Kanals Teil des weiteren Bauteils sind. Ein solcher Kanal kann z. B. in dem Startheizerkörper, also dem Körper, in dem der Heizer zum Heizen des Kühlmittels bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems angeordnet ist, bereitgestellt sein. Der Kanal kann auch in dem so genannten Anodenblock bereitgestellt sein, also in einer Einheit des Brennstoffzellensystems, in dem zur Anode der zumindest einen Brennstoffzelle zugehörige Bauteile angeordnet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird in an sich bekannter Weise einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel aus einem Brennstofftank Brennstoff zugeführt, und dieser Brennstoff wird mit aus der Brennstoffzelle/dem Brennstoffzellenstapel kommendem nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt. Erfindungsgemäß wird dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor seinem Zusammengeführtwerden mit dem aus der Brennstoffzelle kommenden nicht verbrauchten Brennstoff Wärme zugeführt, und zwar zumindest, wenn die Bedingung erfüllt ist, dass eine Mindestmenge von Brennstoff pro Zeiteinheit aus dem Brennstofftank entnommen wird.
Das Zuführen von Wärme kann dadurch erfolgen, dass ein Heizer zum Heizen von Kühlmittel betrieben wird und von dem Heizer erzeugte Wärme dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor dem Zusammenführen zugeführt wird, so dass der ohnehin bereitgestellte Heizer in vorteilhafter Weise zur Zufuhr von Wärme zum aus dem Brennstofftank kommenden Brennstoff eingesetzt werden kann und auf einen gesonderten Heizer für den Brennstoff aus dem Brennstofftank verzichtet werden kann. Allerdings wäre es auch möglich, einen solchen gesonderten Heizer bereitzustellen.
Bei einer zweiten Alternative, die auch zusätzlich zur oben genannten Alternative verwirklicht sein kann, wird der aus der Brennstoffzelle kommende nicht verbrauchte Brennstoff über einen Abscheider geleitet und Wärme aus dem Abscheider dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor seinem Zusammengeführtwerden mit dem nicht verbrauchten Brennstoff zugeführt, so dass der Wirkungsgrad des Abscheiders in positiver Weise erhöht wird, also Wärme an einer Stelle abgeführt wird, an der sie ohnehin nicht erwünscht ist und einer Stelle zugeführt ist, an der sie sinnvoll eingesetzt wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei Fig. 1 schematisch den Aufbau der zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen
Teile eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt und
Fig. 2 schematisch den Aufbau der zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen
Bauteile eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Ein in Fig. 1 schematisch, zum Teil dargestelltes und als solches mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem und ein ebensolches in Fig. 2 zum Teil dargestelltes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 14 umgesetzt wird. Fig. 1 zeigt die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 10. Die Menge an aus dem Wasserstofftank 14 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gelangenden Wasserstoff wird durch ein Dosierventil 16 bestimmt. Der Wasserstoff wird über einen Eingang 18 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Im Brennstoffzellenstapel 12 nicht umgesetzter Wasserstoff wird über einen Ausgang 20 abgegeben. Dieser nicht verbrauchte Brennstoff enthält Wasser. Dieses Wasser kann den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 stören. Aus diesem Grund wird der aus dem Ausgang 20 austretende, vom Brennstoffzellenstapel 12 nicht verbrauchte Wasserstoff mit Wasser über einen Abscheider 22 geleitet, der die Aufgabe hat, das Flüssigwasser zumindest teilweise aus dem Wasserstoff abzuscheiden. Der zunächst nicht verbrauchte Brennstoff wird nun wieder zurückgeführt. In diesem so genannten Anodenrezirkulationssystem ist hierzu eine Pumpe 24 (auch als Anodenrezirkulationsgebläse bezeichenbar) bereitgestellt, die den nicht verbrauchten Brennstoff aus dem Ausgang 20 zu einer Eintrittsstelle 26 fördert, an der der nicht verbrauchte Wasserstoff mit dem Wasserstoff aus dem Tank 14 zusammengeführt wird. Es handelt sich um eine Eintrittsstelle in die Leitung oder das Leitungssystem zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12.
In dem der Eintrittsstelle 26 in Strömungsrichtung des Wasserstoffs folgenden Leitungsabschnitt 28 bestünde nun ohne weitere Maßnahme die Gefahr, dass der durch Expansion nach seinem Austreten aus dem Tank 14 abgekühlte und über das Dosierventil 16 zur Eintrittsstelle 26 gelangte Wasserstoff auch den nicht verbrauchten Wasserstoff, der aus dem Ausgang 20 durch die Pumpe 24 zur Eintrittsstelle 26 gefördert wurde, abkühlt und ein Auskondensieren von Wasser im Leitungsabschnitt 28 bewirkt. Dies ist bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung jedoch dadurch verhindert oder unterdrückt, dass der aus dem Tank 14 gelangende Wasserstoff vor der Eintrittsstelle 26, und vorliegend bevor er das Dosierventil 16 passiert, Wärme von dem Abscheider 22 aufnimmt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Leitungsabschnitt 30 in der Leitung oder dem Leitungssystem zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels thermisch mit dem Abscheider 22 gekoppelt ist. Diese Koppelung kann so ausgestaltet sein, dass der Leitungsabschnitt 30 durch Kanäle in dem Abscheider 22, die insbesondere mäandrisch verlaufen können, bereitgestellt ist.
Dadurch, dass der Abscheider 22 Wärme an den Wasserstoff abgibt, wird gleichzeitig der Wirkungsgrad des Abscheiders 22 erhöht.
Eine Alternative der vorliegenden Erfindung ist anhand von Fig. 2 dargestellt: Das dort mit 10' bezeichnete Brennstoffzellensystem (gezeigt ist lediglich die Anodenseite) weist grundsätzlich die gleichen Bauteile auf wie das Brennstoffzellensystem 10, so dass diese mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Auch hier besteht im Leitungsabschnitt 28 die Gefahr eines Auskondensierens von Wasser. Beim Brennstoffzellensystem 10' wird jedoch ein Leitungsabschnitt 30' in der Leitung zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 durch ein Startheizergehäuse 32 geführt. Das Startheizergehäuse 32 umfasst den so genannten Startheizer. Es handelt sich hierbei um einen Heizer, der Teil eines Kühlkreislaufs ist. Beim Kühlkreislauf wird Kühlmittel an einem Eingang 34 dem Brennstoffstapel 12 zugeführt und über einen Ausgang 36 aus diesem abgeführt. Der Startheizer dient dazu, bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems unter den Bedingungen kalter Umgebungstemperaturen das Kühlmittel im Kühlkreislauf zu erwärmen. Bei dem Brennstoffzellensystem 10' wird nun genau dieser Heizer dazu genutzt, auch den Wasserstoff aus dem Tank 14 zu erwärmen, bevor er die Eintrittsstelle 26 erreicht, vorliegend bevor er das Dosierventil 16 passiert. Auch der Leitungsabschnitt 30' kann als Kanal in dem Startheizergehäuse 32 ausgebildet sein, wobei dieser Kanal bevorzugt mäandrisch ausgebildet ist, so dass die Wirkfläche erhöht ist und besonders viel Wärme von dem Startheizer auf den Wasserstoff übertragen werden kann.
Die oben zu den Brennstoffzellensystemen 10 und 10' beschriebenen Erfindungsideen sind auch in Kombination miteinander verwirklichbar, es kann also der Wasserstoff aus dem Tank 14 sowohl durch den Abscheider 22 als auch das Startheizergehäuse 32 geführt werden und gegebenenfalls dort erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen Leitungsabschnitt in der Leitung zwischen Tank 14 und Eingang 18, insbesondere im Bereich vor dem Dosierventil 16, durch das Anodengehäuse zu führen, also ein Gehäuse, das zumindest das Rezirkulationssystem mit Abscheider 22 und Pumpe 24, gegebenenfalls auch den Leitungsabschnitt 28, umgibt oder umfasst.
Bezugszeichenliste
10, 10' Brennstoffzellensysteme
12 Brennstoffzellenstapel
14 Wasserstofftank
16 Dosierventil
18, 34 Eingänge
20, 36 Ausgänge
22 Abscheider 4 Pumpe 6 Eintrittsstelle 8, 30, 30' Leitungsabschnitte 2 Startheizergehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (10, 10') mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem Brennstofftank (14), der über eine Leitung mit der zumindest einen Brennstoffzelle zum Zuführen von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu dieser verbunden ist, wobei nicht von der zumindest einen Brennstoffzelle verbrauchter und aus einem Ausgang (20) der zumindest einen Brennstoffzelle austretender Brennstoff an einer Eintrittsstelle (26) der Leitung in diese zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung in Zufuhrrichtung des Brennstoffs aus dem Brennstofftank (14) vor der Eintrittsstelle (26) mit einem weiteren Bauteil (22, 32) des Brennstoffzellensystems (10, 10') thermisch gekoppelt ist.
2. Brennstoffzellensystem (10') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil (32) zum Durchleiten von Kühlmittel dient.
3. Brennstoffzellensystem (10') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil einen Heizer zum Heizen des Kühlmittels umfasst oder mit diesem thermisch gekoppelt ist.
4. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 , bei dem zwischen dem Ausgang (20) der zumindest einen Brennstoffzelle und der Eintrittsstelle (26) ein Abscheider (22) zum Abscheiden von Wasser angeordnet ist, und dass das weitere Bauteil den Abscheider (22) umfasst.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (30, 30') in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil (22, 32) gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise mäanderförmig ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellensystem (10, 10') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (30, 30') in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil (22, 32) gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise als Kanal in dem weiteren Bauteil (22, 32) ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensytems (10, 10'), bei dem zumindest einer Brennstoffzelle aus einem Brennstofftank (14) Brennstoff zugeführt wird, wobei der Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) mit aus der Brennstoffzelle kommendem nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) vor dem Zusammenführen zumindest ab Überschreiten einer vorbestimmten Menge an aus dem Brennstofftank (14) entnommenem Brennstoff pro Zeit Wärme zuführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizer zum Heizen von Kühlmittel betrieben wird und von dem Heizer erzeugte Wärme dem Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) vor dem Zusammenführen zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Brennstoffzelle kommende, nicht verbrauchte Brennstoff über einen Abscheider (22) geleitet wird und Wärme aus dem Abscheider (22) dem Brennstoff aus dem Brennstoffzellentank (14) vor dem Zusammenführen zugeführt wird.
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