Kühlvorrichtungen für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Kühlvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Transportmittels.
Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von elektrischer Energie aus gasförmigen Edukten, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere zur Anwendung in Transportmitteln, wie insbesondere in Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen, sind dabei sehr häufig mit einer sogenannten Niedertemperaturbrennstoffzelle als Kernelement des Brennstoffzellensystems ausgerüstet. Ein verbreiteter Typ einer derartigen Niedertemperaturbrennstoffzelle ist beispielsweise die sogenannte PEM- Brennstoffzelle, welche im Allgemeinen auf einem Temperaturniveau von 60 - 90° C betrieben wird. Um dieses Temperaturniveau der Brennstoffzelle während des Betriebs sicherzustellen, weist das Brennstoffzellensystem üblicherweise einen Kühlkreislauf auf, welcher überschüssige Abwärme aus dem Bereich der Brennstoffzelle und aus dem Bereich anderer Komponenten abführt. Die anderen Komponenten können dabei Komponenten des Brennstoffzellensystems sein, beispielsweise eine Luftfördereinrichtung oder ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, um unverbrauchten Wasserstoff aus einem Bereich nach der Anode der Brennstoffzelle in den Bereich vor der Anode der Brennstoffzelle zurückzuführen. Dort wird der zurückgeführte, unverbrauchte Wasserstoff mit frischem Wasserstoff, beispielsweise aus einem Druckgastank gemischt und wieder der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Neben derartigen Komponenten, welche unmittelbar dem Brennstoffzellensystem zuzurechnen sind, können auch weitere Komponenten, insbesondere elektrische und/oder elektronische Bauteile, insbesondere auch für den Antrieb des Transportmittels,
vorhanden sein, welche ebenfalls der Kühlung bedürfen. In sehr vielen Systemen ist daher ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen, da insbesondere elektrische und elektronische Bauteile, wie beispielsweise Leistungselektronik-Komponenten oder Elektromotoren, im Allgemeinen eine bessere Leistungsfähigkeit und eine längere Lebensdauer aufweisen, wenn sie auf ein entsprechend niedriges Temperaturniveau gekühlt werden. Daher weist der zweite Kühlkreislauf typischerweise ein niedrigeres Temperaturniveau, als der Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle, auf und dient der Kühlung dieser Komponenten.
Nun ist es bei Brennstoffzellensystemen außerdem bekannt, dass die Edukte, welche zu der Brennstoffzelle strömen, eine gewisse Feuchtigkeit enthalten müssen, um ein Austrocknen der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die von der Brennstoffzelle abströmenden Produkte, also im Allgemeinen die Abluft aus dem Kathodenbereich und das aus dem Anodenbereich abströmende unverbrauchte Gas, welches über das Wasserstoffrezirkulationsgebläse zurückgeführt wird, weisen außerdem in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehendes Produktwasser auf. Die Tatsache, dass die Leitungselemente eines Brennstoffzellensystems von Gasen durchströmt werden, welche einen hohen Feuchtigkeitsgehalt und/oder Flüssigkeitströpfchen aufweisen, ist hinsichtlich des Absteilens und insbesondere hinsichtlich eines späteren Wiederanfahrens des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts außerordentlich kritisch. Die sich in den Leitungen bildenden Flüssigkeitströpfchen können unter diesen Umständen nämlich gefrieren und beim Wiederstart zu erheblichen Problemen führen. Insbesondere im Bereich der Luftfördereinrichtung sowie des Wasserstoffrezirkulationsgebläses kann es zu einem Gefrieren von Wassertröpfchen im Inneren des Gasförderbereichs kommen. Insbesondere bei Strömungsverdichtern und Gebläsen können die zur Förderung des Gases benötigten Schaufelelemente dadurch an den Wandungen des Gasförderbereichs festfrieren. Beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems ist die entsprechende Komponente dann nicht funktionsfähig, sondern muss erst zeit- und energieaufwändig aufgetaut werden, ehe sie die für sie vorgesehene Funktion übernehmen kann.
Um dieses Problem zu verringern sieht es die DE 103 14 820 A1 vor, dass diese .gefährliche" Feuchtigkeit durch ein trockenes Spülgas ausgetrieben wird, sodass die in dem System vorliegenden Gase so weit trocken sind, dass die oben genannte Problematik nicht auftreten kann. Einen etwas anderen Ansatz zur Lösung dieser
Problematik betreibt die JP 2008-041433 A, bei welcher durch den Betrieb des Wasserstoffrezirkulationsgebläses eine Beheizung und Trocknung der Gase zumindest im Anodenkreislauf erreicht wird. Beide Lösungen haben dabei den Nachteil, dass sie zusätzliche Energie benötigen oder entsprechende Anschlüsse und Komponenten, um beim Abschalten ein trockenes Gas durch die entsprechenden Leitungsbereiche zu fördern. Außerdem haben beide Aufbauten den Nachteil, dass sie, alleine schon aus energetischen Gründen, nur dann verwendet werden sollten, wenn tatsächlich ein Abschalten für einen entsprechend längeren Zeitraum ansteht. Dies macht die benötigte Steuerung vergleichsweise aufwendig und verursacht bei einem schnellen Wiederstart des Brennstoffzellensystems unnötige Energieverluste.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche diese Nachteile vermeidet und dennoch in der Lage ist, die oben genannte Problematik hinsichtlich eines eventuellen Einfrierens von während des Betriebs aktiv gekühlten Komponenten, welche Gase in dem Brennstoffzellensystem fördern, zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung an.
Die erfindungsgemäße Kühlung der Komponente zusammen mit der Brennstoffzelle in einem Kühlkreislauf hat den Vorteil, dass die Komponente auf einem relativ hohen Temperaturniveau gekühlt wird. Die elektronischen Bauteile in einer Gasfördereinrichtung sind dabei bei weitem nicht so komplex ausgebildet, wie in anderen leistungselektronischen Bauteilen, beispielsweise einer Antriebssteuerung für einen Fahrantrieb, einem DC/DC-Wandler oder dergleichen. Sie können daher vergleichsweise einfach und kostengünstig so ausgebildet werden, dass sie auch dieses höhere Temperaturniveau über einen längeren Zeitraum ohne Schaden aushalten. Durch die Kühlung der Komponente, auf dem höheren Temperatumiveau der Brennstoffzelle selbst, wird beim Abschalten des Systems jedoch erreicht, dass die Komponente gegenüber den sie umgebenden Leitungselementen langsamer abkühlt, da sie im Betrieb ein entsprechend hohes Temperaturniveau hatte und die Wärme aufgrund ihrer Masse länger speichert als beispielsweise ein Leitungselement. So wird erreicht, dass im Allgemeinen die Brennstoffzelle und zumindest die wenigstens eine Komponente
langsamer abkühlen, als die sie umgebenden Bereiche in Form von anderen Komponenten, Leitungselementen oder dergleichen. Beim Abkühlen wird die Feuchtigkeit dann in diese Bereiche, welche entsprechend schneller abkühlen, abgezogen und kondensiert dort aus. Die Gefahr, dass Tröpfchen im Bereich der Komponente auskondensieren, kann somit ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand massiv verringert werden, sodass bei einem Wiederstart unter Gefrierbedingungen die eingangs geschilderte Problematik nicht mehr auftreten wird. Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich dies ohne zusätzliche Komponenten zur Beheizung, Durchspülung oder dergleichen erreichen. Außerdem stellt sich der Effekt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einer derartigen Kühlvorrichtung selbsttätig ein, sodass dieser unabhängig von der Dauer bis zum Wiederstart immer und ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass ein weiterer Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Temperaturniveau vorhanden ist, durch welchen nicht im Bereich der Komponente befindliche Elektronikbauteile und/oder weitere Hilfsaggregate kühlbar sind.
Dieser Aufbau sieht die eingangs beschriebene, an sich aus dem Stand der Technik bekannte Kombination eines Brennstoffzellensystems mit einem Niedertemperatur- und einem Hochtemperaturkühlkreislauf vor. Der Niedertemperaturkühlkreislauf kühlt dabei insbesondere die Komponenten der Antriebselektronik, elektronische Umrichter und dergleichen. Die wenigstens eine Komponente mit der Gasfördereinrichtung, welche als elektronische Komponente in den herkömmlichen Aufbau ebenfalls von diesem Niedertemperaturkühlkreislauf gekühlt werden würde, wird nun jedoch in den Hochtemperaturkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle selbst verschoben. Dadurch wird erreicht, dass die Komponente während des Betriebs auf einer höheren Temperatur ist. Sie kühlt damit beim Abstellen des Systems entsprechend langsamer ab, sodass Feuchtigkeit nicht im Gasförderbereich der Komponente, sondern in den die Komponente umgebenden Bereichen, beispielsweise der Leitungselemente, auskondensiert. Liegen nun Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vor, so können zwar Tröpfchen in den umgebenden Bereichen an den Wänden der Leitungselemente festfrieren, da im Gasförderbereich jedoch keine Flüssigkeit auskondensiert, kann es dort auch nicht zu einem Einfrieren und insbesondere nicht zu einem Festfrieren der Gasfördermittel in diesem Bereich kommen.
Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Komponente eine thermische Isolierung aufweist.
Der erfindungsgemäße Effekt, dass durch die Kühlung der wenigstens einen Komponente im Kühlkreislauf auf höherem Temperaturniveau diese beim Abastellen des Brennstoffzellensystems eine höhere Temperatur hat und dadurch langsamer abkühlt, kann durch eine thermische Isolierung der Komponente noch verstärkt werden. Mit diesem einfachen, kostengünstigen und passiven Mittel, lässt sich das Abkühlen der Komponente nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems noch weiter verlangsamen, sodass eine Auskondensation von Flüssigkeit im Gasförderbereich der Komponente noch unwahrscheinlicher wird, als in den oben bereits geschilderten Fällen.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem ist besonders für Brennstoffzellensysteme geeignet, welche häufig gestartet, abgestellt und wieder gestartet werden, und welche sich dabei außerdem in Bereichen befinden, bei welchen aufgrund der niedrigen Temperaturen die Gefahr eines Einfrierens von auskondensiertem Wasser besteht. Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für Brennstoffzellensysteme ist deshalb bei Brennstoffzellensystemen zu sehen, welche zum Antrieb von Transportmitteln eingesetzt werden.
Derartige Antriebssysteme unterliegen einem häufigen Starten und Abstellen und können in unseren Breitengraden auch häufig Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt sein. Da außerdem die möglichst effiziente Nutzung von Energie für den Vortrieb von Transportmitteln eine immer größere Rolle spielt, können die oben genannten Vorteile bei dieser Verwendung besonders gut zur Geltung kommen. Außerdem ist es mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung einfach, robust und zuverlässig möglich, ein Brennstoffzellensystem mit idealen Bedingungen für einen Wiederstart unter Gefrierbedingungen abzustellen. Auch dies prädestiniert den Aufbau für den Einsatz in Transportmitteln.
Unter Transportmitteln im Sinne der Erfindung können dabei verschiedenartige Transportmittel zu Lande, im Wasser oder in der Luft verstanden werden, insbesondere
Fahrzeuge zur Beförderung von Personen oder Gütern, Fahrzeuge im Logistikbereich, Schiffe oder Unterseeboote. Ebenso ist der Einsatz in Flugzeugen denkbar, wobei die elektrische Energie hier typischerweise nicht zum Vortrieb des Flugzeugs, sondern zum Antrieb von Nebenaggregaten eingesetzt werden wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug; Fig. 2 eine Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; und Fig. 3 einen Hochtemperaturkühlkreislauf gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
In Figur 1 ist ein sehr stark schematisiertes Fahrzeug 1 als beispielhaftes Transportmittel angedeutet. Das Fahrzeug 1 ist mit einem Brennstoffzellensystem 2 ausgerüstet, welches durch die strichpunktierte Linie umrandet ist. Eine Brennstoffzelle 3 als Herzstück des Brennstoffzellensystems 2 liefert elektrische Leistung, welche über einen DC/DC-Wandler 4 oder eine andere vergleichbare elektronische Komponente einem Bordnetz des Fahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird. Die elektrische Leistung dient dabei in erster Linie dem Antrieb des Fahrzeugs 1 , was hier über eine Leistungselektronik 5 und einen Elektromotor 6 entsprechend angedeutet ist. Über eine Achse 7 werden in der hier gewählten schematischen Darstellung Räder 8 des Fahrzeugs 1 vom Elektromotor 6 angetrieben. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Leistung kann außerdem weiteren elektrischen oder leistungselektronischen Elementen zur Verfügung gestellt werden, welche hier durch die Box 9 exemplarisch angedeutet sind. Ferner kann eine Speichereinrichtung 10 für elektrische Energie, beispielsweise in Form einer Batterie und/oder eines Hochleistungskondensators, vorgesehen sein.
Die Brennstoffzelle 3 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen (Polymer Elektrolyt Membran), als sogenannter Stack, ausgebildet sein. Die Brennstoffzelle 3 weist einen Kathodenraum 11 und einen Anodenraum 12 auf, welche durch eine Polymermembran als Elektrolyt voneinander getrennt sind. Über eine Luftfördereinrichtung 13 wird dem Kathodenraum 11 der
Brennstoffzelle 3 Luft als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die verbrauchte Abluft gelangt in diesem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2 dann von dem Kathodenraum 11 in eine Turbine 14, in welcher sie entspannt wird, bevor sie an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben wird. Die Luftfördereinrichtung 13 umfasst neben einem Förderbereich 15 und einer elektrischen Maschine 16 auch diese eben beschriebene Turbine 14. Der gesamte hier beispielhaft dargestellte Aufbau der Luftfördereinrichtung 13 wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 14 kann dabei Energie aus der Abluft zurückgewonnen werden, sodass durch die elektrische Maschine 16 nicht die gesamte zur Förderung der Luft benötigte Energie aufgebracht werden muss. Kommt es in Sonderfällen zu einem Energieüberschuss an der Turbine 14, sodass mehr Energie an der Turbine 14 zur Verfügung steht, als für die Förderung der Luft im Luftförderbereich 15, welcher typischerweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, benötigt wird, so kann über die elektrische Maschine 16 im generatorischen Betrieb auch Energie zurückgewonnen und in das Bordnetz des Fahrzeugs 1 eingespeist werden.
Die Versorgung des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff, welcher in einem Druckgastank 17 in dem Fahrzeug 1 gespeichert ist. Über ein entsprechendes Dosierventil 18, welches typischerweise einen Druckminderer umfassen wird, wird der Wasserstoff aus dem Druckgastank 17 dem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Um alle Bereiche des Anodenraums 12 der Brennstoffzelle 3 gleichmäßig mit Wasserstoff zu versorgen und dadurch eine gute Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 3 sicherzustellen, wird üblicherweise mehr Wasserstoff in die Brennstoffzelle 3 dosiert, als in dieser verbraucht werden kann. Der überschüssige Wasserstoff wird aus dem Bereich des Anodenraums 12 über eine Rezirkulationsleitung 19 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 20 geführt, welche üblicherweise als Wasserstoffrezirkulationsgebläse mit einem Gasförderbereich 21 und einem elektrischen Antriebsmotor 22 ausgebildet sein wird. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 unterstützt dabei die Rückführung des unverbrauchten Anodenabgases. Dieses wird dann mit dem frischen, aus dem Druckgastank 17 stammenden Wasserstoff vermischt und als gemeinsamer Wasserstoffstrom wieder dem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 zugeführt.
In einem solchen Brennstoffzellensystem 2 sowie in den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs 1 fällt im Betrieb üblicherweise Abwärme an,
welche aktiv abgeführt werden muss. Für diese aktive Kühlung weist das Fahrzeug 1 üblicherweise zwei Kühlkreisläufe 23, 24 auf, welche in Figur 2 beispielhaft dargestellt sind. Die Kühlkreisläufe 23, 24 sind dabei in einen Hochtemperaturkühlkreislauf 23 und einen Niedertemperaturkühlkreislauf 24 aufgeteilt. Die Temperatur des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 wird im Bereich des typischen Temperaturniveaus zum Betrieb der Brennstoffzelle 3, also bei ca. 60 - 90° C, liegen. Die Temperatur des Niedertemperaturkühlkreislaufs 24 wird niedriger als dieses Temperaturniveau liegen, da der Kühlkreislauf 24 zur Kühlung von elektrischen und/oder elektronischen bzw. leistungselektronischen Komponenten dient, welche im Allgemeinen einfacher, kostengünstiger und mit höherer Lebensdauer realisiert werden können, wenn sie auf ein Temperaturniveau gekühlt werden, welches unterhalb des Temperaturniveaus des Hochtemperaturkühlkreislaufs liegt. Typische Temperaturniveaus für den Niedertemperaturkühlkreislauf liegen demnach unter 60° C.
In der Darstellung des Fahrzeugs 1 in Figur 1 sind nun an verschiedenen Komponenten Wärmetauscher eingezeichnet und mit der der arabischen Nummerierung der Komponente entsprechenden römischen Ziffer versehen. Diese Wärmetauscher IM, IV, V, VI, IX, XIII und XX stellen beispielhaft die wichtigsten zu kühlenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 sowie des Bordnetzes bzw. Antriebes des Fahrzeugs 1 dar.
In der Darstellung der Kühlkreisläufe 23, 24 der Figur 2 ist nun zu erkennen, dass jeder der Kühlkreisläufe über eine Kühlmittelfördereinrichtung 25, 26 sowie einen Kühlwärmetauscher 27, 28 verfügt. Die Kühlwärmetauscher 27, 28 sind dabei dem Fahrzeugkühler bei herkömmlichen mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Fahrzeugen vergleichbar. Sie werden üblicherweise vom Fahrtwind angeströmt und kühlen das in den Kühlkreisläufen 23 und 24 strömende Kühlmedium ab. Sie können bei Bedarf außerdem über beispielhaft angedeutete Lüfter 29, 30 angeströmt werden, um die Abkühlung des Kühlmediums in dem jeweiligen Kühlkreislauf 23, 24 zu verbessern.
Wie in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, kühlt der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 die Brennstoffzelle 3, was hier durch die mit IM bezeichnete Box angedeutet ist, welche den Wärmetauscher IM im Bereich der Brennstoffzelle 3 symbolisiert. Außerdem durchströmt das Kühlmedium in einer Reihenschaltung den Wärmetauscher XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20, bevor es den Wärmetauscher IM der Brennstoffzelle 3 durchströmt. In dem weiteren Kühlkreislauf 24 auf dem niedrigeren Temperaturniveau
sind beispielhaft die Wärmetauscher IV, V1 VI des DC/DC-Wandlers 4, der Leistungselektronik 5 des Antriebs sowie des Antriebsmotors 6 in einer seriellen Verschattung dargestellt. Daneben durchströmt das Kühlmedium in einem beispielhaft angedeuteten parallelen Zweig den Wärmetauscher IX der weiteren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 9. Auf die Darstellung des Wärmetauschers XIII der Luftfördereinrichtung 13 wurde in Figur 2 verzichtet, dieser könnte prinzipiell sowohl im Hochtemperaturkreislauf 23 als auch im Niedertemperaturkreislauf 24 angeordnet werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts besonders problematisch, dass im Bereich der Leitungselemente des Brennstoffzellensystems 2 feuchtes Gas bzw. Gas mit Flüssigkeitströpfchen vorhanden ist. Beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems 2 nach dem Abstellen kann es nämlich zu einem Auskondensieren bzw. ansammeln dieser Feuchtigkeit kommen. Sammelt sich Feuchtigkeit insbesondere im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 oder im Luftförderbereich 15 oder der Turbine 14 der Luftfördereinrichtung 13, so kann es hierdurch zu einem Festfrieren der Fördermittel der typischerweise als Strömungsverdichter oder Gebläse ausgebildeten Bereiche 14, 15, 21 kommen. Besonders problematisch ist dies bei der Rezirkulationsfördereinrichtung 20, da hier im rezirkulierten Anodenabgas eine relativ hohe Feuchtigkeit vorliegt. Bis zu einem gewissen Grad tritt die Problematik auch bei der Luftfördereinrichtung 13 auf, hier wird jedoch frische Luft aus der Umgebung angesaugt, welche zu diesem Zeitpunkt noch keine allzu hohe Feuchtigkeit aufweist. Problematischer ist im Bereich der Luftfördereinrichtung 13 der Bereich der Turbine 14, da auch hier mit Produktwasser beladenes Abgas aus dem Kathodenbereich strömt, welches ebenfalls sehr viel Feuchtigkeit mit sich bringt, welche in diesem Bereich entsprechend auskondensieren kann.
Am Beispiel des Wasserstoffrezirkulationsgebläses 20 soll nun beschrieben werden, wie dieser Effekt verhindert bzw. deutlich verringert werden kann. Dies lässt sich dann auf die Luftfördereinrichtung 13 mit dem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 entsprechend übertragen, wobei hier die Problematik nicht so groß ist, wie im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20.
Dadurch, dass die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 über den Wärmetauscher XX aktiv im Hochtemperaturkühlkreislauf 23 erfolgt, wird erreicht, dass
die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 als eine Komponente des Brennstoffzellensystems 2 auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau betrieben wird. Da die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 mit dem Gasförderbereich 21 und dem elektrischen Antriebsmotor 22 insgesamt eine vergleichsweise hohe Masse aufweist, wird sich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 die gesamte Masse auf eine Temperatur erwärmen, welche in etwa dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 entspricht. Damit wird erreicht, dass beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 die Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf einem relativ hohen Temperaturniveau ist und entsprechend langsam abkühlt. Insbesondere wird sie aufgrund ihrer größeren Masse langsamer abkühlen als die ihr benachbarten Bereiche, insbesondere als die ihr benachbarten Leitungselemente. Dadurch wird ein Auskondensieren von Flüssigkeit in dem feuchten Gas der Anodenrezirkulationsleitung 19 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vermieden. Die Feuchtigkeit wird nämlich eher in den benachbarten Bereichen auskondensieren, in denen ein niedrigeres Temperaturniveau vorlag, und welche dementsprechend schneller abkühlen. Dadurch wird die Bildung von Kondensat im Gasförderbereich 21 der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 weitgehend vermieden, sodass die Gefahr eines Festfrierens der Fördermittel vermieden oder zumindest deutlich verringert wird. Um das langsame Abkühlen der Rezirkulationsfördereinrichtung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 noch weiter zu verlangsamen, kann außerdem eine thermische Isolierung 31 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 vorgesehen sein, wie es in Figur 1 schematisch angedeutet ist. Die Gefahr, dass die Feuchtigkeit nun im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst auskondensiert und dort einfriert ist dabei vergleichsweise gering, da die Brennstoffzelle 3 selbst ebenfalls auf dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 liegt, und da die Brennstoffzelle mit einer vergleichsweise großen Masse ohnehin langsam abkühlt. Außerdem kann die Brennstoffzelle 3 selbst ebenfalls mit einer thermischen Isolierung versehen sein, welche hier jedoch nicht dargestellt ist.
Neben dem langsamen Abkühlen wird durch den Betrieb der
Rezirkulationsfördereinrichtung 20 bzw. ihrer Kühlung auf dem hohen Temperaturniveau des Hochtemperaturkreislaufs 23 ein weiterer zusätzlicher positiver Effekt erreicht. Die Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellensystem 2 bzw. in den Leitungen des Brennstoffzellensystems 2 wird unweigerlich immer zu einem gewissen Anteil dort auskondensieren, wo Komponenten aktiv gekühlt werden und während des Betriebs
dementsprechend kühler sind als ihre Umgebung. Durch die Kühlung der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 auf einem höheren Temperaturniveau als bisher üblich, wird das Auskondensieren von Flüssigkeit auch während des Betriebs im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und damit im Bereich der Rezirkulationsleitung 19 und des Anodenraums 12 selbst entsprechend verringert. Dadurch fällt weniger Wasser in flüssiger Form an, welches über Abscheider oder dergleichen aus dem System abgelassen werden muss. Dies ist für den Betrieb des Systems von Vorteil, da es die Systemperformance bei gleichzeitiger ausreichender Befeuchtung der Membran in der Brennstoffzelle 3 verbessert, und da beim Ablassen von Wasser, insbesondere wenn dies zusammen mit dem Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 19 erfolgt, immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff verloren geht. Ein möglichst seltenes Ablassen hat damit Vorteile bezüglich Energie und Emission.
Die anhand der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 ausführlich beschriebene Idee kann nun ebenso auf die Luftfördereinrichtung 13 mit ihrem Luftförderbereich 15 und der Turbine 14 übertragen werden. Auch hier kann durch eine Kühlung auf dem Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreislaufs 23 sowie gegebenenfalls eine thermische Isolierung der beschriebene Effekt erreicht werden. In der Darstellung der Figur 3 ist daher ein Aufbau beschrieben, bei dem der Hochtemperaturkühlkreislauf 23 nochmals in einer anderen Ausführungsform dargestellt ist. Auch hier ist der Niedertemperaturkühlkreislauf 24 parallel vorhanden, zur Vereinfachung der Darstellung jedoch nicht nochmals dargestellt. In dem Kühlkreislauf 23 ist nun wiederum der Kühlwärmetauscher 27, die Kühlmittelfördereinrichtung 25 sowie der Lüfter 29 zu erkennen. Anstelle der oben dargestellten seriellen Durchströmung der Wärmetauscher XX und III durch das Kühlmedium werden hier nun die Wärmetauscher XIII der Luftfördereinrichtung 13, XX der Rezirkulationsfördereinrichtung 20 und III der Brennstoffzelle 3 in dem Kühlkreislauf 23 parallel von dem Kühlmedium durchströmt. Die Aufteilung Volumenströme des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 23 auf die einzelnen Wärmetauscher XIII, XX und Ml kann durch geeignete Blenden und/oder Ventileinrichtungen 32 in den einzelnen Strängen des Kühlkreislaufs 23 erfolgen. Neben der hier dargestellten Variante mit drei Blenden bzw. Ventileinrichtungen 32 wäre es natürlich auch denkbar, lediglich zwei der Stränge mit den Blenden zu versehen, da auch diese eine gezielte Regelung der Durchströmung der einzelnen Stränge und damit der Abkühlung der einzelnen Kühlwärmetauscher XIII, XX und III ermöglichen würde.