WO2014131552A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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cooling
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Norbert Frisch
Stefan Haase
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having a plurality of bipolar plates combined in a stack, each having a cathode, an anode and a cooling channel therebetween, wherein the cathode is connected to an air supply, the anode with a hydrogen supply line and the cooling channel with a cooling water circuit. Furthermore, the invention relates to a method for the efficient operation of a fuel cell system.
  • Fuel cell systems contain cooling channels for cooling, which are integrated into the stacks of bipolar plates, in order to enable heat dissipation via a cooling circuit.
  • the amount of refrigerant contained in the cooling channels increases the heat capacity of the stack and thus complicates the heating of the fuel cell system at low temperatures.
  • the stack consists of approx. 20 kg of steel and approx. 5 kg of cooling water
  • the heat capacity of the steel of approx. 1 kJ / kg K and the water of 4.2 kJ / kg K results in the proportion of Cooling water in the total heat capacity of about 50%.
  • the high heat capacity of the cooling water contributes significantly to the overall heat capacity of the stack.
  • a fuel cell system having a plurality of bipolar plates combined in a stack, each having a cathode, an anode and a cooling channel therebetween, the cathode being connected to an air supply, the anode to a hydrogen supply line and the cooling channel to a cooling water circuit.
  • a cooling water expansion tank is arranged, in which the cooling water located in the cooling channel can be removed, wherein the fuel cell system further comprises a valve for supplying air into the cooling channel.
  • the position of the valve is not limited in detail, so that the valve can be provided everywhere, where air can be introduced into the cooling water circuit, so that air enters the cooling channel.
  • the removal of the cooling water can advantageously be achieved in different ways, namely active or passive.
  • the discharge of the cooling water is due to gravity.
  • a valve designed as a vent valve is arranged in the cooling water circuit, which in the open state causes a gravity-induced outflow of the cooling water from the cooling duct into the cooling water expansion tank.
  • the ventilation valve is preferably arranged on the supply side of the cooling channel. It can be controlled via the cooling water circuit by the prevailing in the stack pressure level closes or opens the vent valve.
  • the discharge of the cooling water is due to pressure force.
  • a pressure conveyor is preferably arranged in the air supply, which generates a compressed air, which presses the cooling water from the cooling passage in the cooling water expansion tank.
  • the air supply and the cooling water circuit are connected to each other via the valve, wherein the valve between the supply air side of the cathode and the supply side of the cooling channel is arranged.
  • the air supply and the cooling water circuit may also be connected to one another via the valve, wherein the valve is arranged between the exhaust side of the cathode and the supply side of the cooling channel.
  • the discharge of the cooling water takes place due to suction, for example by utilizing the Venturi effect o. The like.
  • the cooling water surge tank is provided with an air outlet to allow easy discharge of air from the cooling water circuit.
  • the exhaust side of the cathode is connected to an exhaust pipe. This has a structural simplification of the fuel cell system to the advantage, as can be dispensed with separate diverting devices for an exhaust air of the cathode.
  • the air outlet preferably opens into the exhaust pipe.
  • a throttle valve is arranged according to a preferred embodiment. This allows feeding at least a portion of the exhaust gas and thus preferably at least a portion of the exhaust air of the cathode, in the cooling water circuit.
  • the anode may be connected to a recirculation circuit.
  • a coolant pump is advantageously arranged in the cooling water circuit.
  • a cooler is arranged in the cooling water circuit, which is preferably designed as part of the radiator of a motor vehicle.
  • the inventive fuel cell system is advantageously designed so that the outflow of cooling water from the cooling channel is unhindered and completely possible. This allows a maximum reduction of the heat capacity of the fuel cell system.
  • Also according to the invention is also a method for operating a fuel cell system having a plurality of stacked bipolar plates, each having a cathode, an anode and a cooling channel therebetween, wherein the cathode with an air supply, the anode with a hydrogen supply line and the cooling channel with a Cooling water circuit is connected, wherein in the cooling water circuit, a cooling water expansion tank is arranged and wherein the fuel cell system further comprises a valve for supplying air into the cooling channel described.
  • the inventive method is characterized by the step of removing cooling water from the cooling passage in the cooling water expansion tank while supplying air into the cooling channel via the valve.
  • the heat capacity of the stack is lowered in a very simple manner, so that the substantially entire heat generated by the stack can be used for a temperature increase of the stack.
  • the Bipolarplattenstapel can heat up very quickly, which increases the efficiency of the fuel cell system and prevents damage and loss of performance by freezing product water.
  • the removal of cooling water from the cooling channel is carried out in the cooling water expansion tank during shutdown of the fuel cell system. This ensures that even when restarting the fuel cell system, the heat capacity of the bipolar plate stack is maximally reduced, so that the stack can be heated to operating temperature in the shortest possible time. The performance of the fuel cell system is thus optimized. Further advantageously, the removal of the cooling water is due to gravity or pressure force or induced by suction. The options mentioned here for removing cooling water from the cooling channel require no complex structural adaptation of the fuel cell system and promote rapid and unhindered discharge or removal of cooling water.
  • the fuel cell system further comprises a vent valve designed as a valve
  • the method comprises a step of causing a gravity-related outflow of the cooling water from the cooling passage in the cooling water expansion tank in the open state of the vent valve.
  • the vent valve is controlled via the cooling water circuit by the pressure prevailing in the stack pressure level closes or opens the vent valve.
  • the removal of the cooling water from the cooling passage with a very high efficiency can be easily performed without substantial structural change measures on the fuel cell system.
  • a pressure conveyor is arranged in the air supply of the fuel cell system, which generates a compressed air, and the method comprises a step of pressing cooling water from the cooling channel into the cooling water expansion tank.
  • Figure 1 is a schematic view of an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic view of an inventive
  • Fuel cell system according to a third embodiment, and Figure 4 is a schematic view of an inventive
  • the fuel cell system 1 is symbolized by a cathode 2, an anode 3 and a cooling channel 4 located therebetween.
  • the cathode 2 is connected to an air supply 5, the anode 3 to a hydrogen supply line 6 for hydrogen and the cooling channel 4 to a cooling water circuit 7.
  • a cooling water expansion tank 8 is arranged, which is provided with an air outlet 9.
  • the anode 3 can be integrated into an optional recirculation circuit 12, into which the hydrogen supply line 6 also opens.
  • the above-described embodiment is the same in all embodiments, but different is the way in which the cooling water is removed from the cooling channel 4 and discharged into the cooling water expansion tank 8. This can be done either passively by gravity or actively by pressure or suction.
  • the passive version must be designed in such a way that unhindered outflow of the cooling water is possible.
  • a first embodiment shown in Figure 1 in the cooling water circuit 7 a arranged on the inlet side of the cooling channel 4 vent valve 13 is provided. If the ventilation valve 13 is opened when the coolant pump 10 is stationary, outside air enters the cooling water circuit 7 via the ventilation valve 13, which causes the cooling water to flow out of the cooling channel 4 into the cooling water expansion tank 8.
  • the actuation of the vent valve 13 can be active, z. B.
  • a first active variant of removing the cooling water from the cooling channel 4 is shown in FIG.
  • a pressure conveyor 14 is arranged in the air supply 5 for the cathode 2.
  • the pressure conveyor 14 may be formed as a compressor, as a fan o. The like.
  • a valve 15 is provided between the supply air side of the cathode 2 and the supply side of the cooling channel 4.
  • valve 15 If the valve 15 is opened when the coolant pump 10 is stationary and the pressure conveyor 14 is running, the pressure conveyor 14 presses air from the air supply 5 of the cathode 2 into the inlet of the cooling channel 4, whereby the coolant in the cooling channel 4 is forced out of the cooling channel 4 into the coolant compensation container 8 ,
  • FIG. 1 A second active variant of removing the cooling water from the cooling channel 4 is shown in FIG.
  • the valve 15 is not located between the supply air side of the cathode 2 and the supply side of the cooling channel 4, but in a conduit 16 which connects the exhaust side of the cathode 2 with the supply side of the cooling channel 4.
  • an exhaust gas line 17 is arranged on the exhaust air side of the cathode 2, which opens with the interposition of a throttle valve 18 in the air outlet 9 of the coolant expansion tank 8 and then discharged via an overall exhaust gas line 19.
  • the exhaust pipe 17 may also be provided in the embodiments shown in Figures 1 and 2, to remove the exhaust air from the cathode 2.
  • cooling water on the coolant expansion tank 8 to remove from the cooling channel 4 may consist of a negative pressure, for. B. via a Venturi nozzle to produce. This is shown in FIG.
  • the variant shown in Figure 4 corresponds substantially to the variant shown in Figure 3.
  • the line 16 which connects the exhaust side of the cathode 2 to the supply side of the cooling channel 4, and arranged in the exhaust pipe 17 throttle 18.
  • a pump or Venturi 20 is provided, in which also from the cathode 3 coming exhaust pipe 17 opens.
  • the total exhaust gas line 19 is connected to the pump or venturi 20, the total exhaust gas line 19 is connected.
  • a vent valve 13 is provided in the cooling water circuit 7 at the inlet side of the cooling channel 4.
  • a negative pressure is generated via the pump or venturi 10 in the cooling water expansion tank 8, via which the water located in the cooling channel 4 can be sucked off.
  • the ventilation valve 13 must be open when the coolant pump 10 is stationary.
  • the coolant expansion tank 8 captures the cooling water emerging from the cooling duct 4 and at the same time allows the air displaced or used for blowing through the cooling duct 4 to escape via the air outlet 9 without great loss of coolant.
  • a semi-permeable membrane or a corresponding material between the cooling water expansion tank 8 and the air outlet 9 may be provided. The air emerging from the air outlet 9 can be conducted either directly into the environment (FIGS.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Ventil zum Zuführen von Luft in den Kühlkanal umfasst. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die geschilderten Nachteile überwindet, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Kühlwasserkreislauf ein Kühlwasserausgleichsbehälter angeordnet ist, in den das im Kühlkanal befindliche Kühlwasser unter Zuführung von Luft in den Kühlkanal entfernt werden kann.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum effizienten Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme enthalten zur Kühlung Kühlkanäle, welche in die Stapel von Bipolarplatten integriert sind, um über einen Kühlkreislauf eine Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Die in den Kühlkanälen enthaltene Kühlmittelmenge erhöht jedoch die Wärmekapazität des Stapels und erschwert somit die Erwärmung des Brennstoffzellensystems bei niedrigen Temperaturen. Unter der Annahme, dass der Stapel aus ca. 20 kg Stahl und ca. 5 kg Kühlwasser besteht, ergibt sich über die Wärmekapazität des Stahls von ca. 1 kJ/kg K und des Wassers von 4,2 kJ/kg K der Anteil des Kühlwassers an der Gesamtwärmekapazität von ca. 50 %. Somit trägt die hohe Wärmekapazität des Kühlwassers entscheidend zur Gesamtwärmekapazität des Stapels bei.
Während der Startphase des Brennstoffzellensystems muss das Kühlwasser erwärmt werden. Die dazu nötige Wärmeenergie muss von dem Stapel aufgebracht werden. Da die Leistung temperaturabhängig begrenzt ist, ist diese Limitierung exponentiell. Die Limitierung führt bei sehr niedrigen Temperaturen zu einem Einfrieren des Produktwassers in den Gaskanälen der Anode und/oder Kathode oder erfordert eine große Bauweise der Gaskanäle. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzeliensystems der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die geschilderten Nachteile überwinden. Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Kühlwasserkreislauf ein Kühlwasserausgleichsbehälter angeordnet ist, in den das im Kühlkanal befindliche Kühlwasser entfernt werden kann, wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Ventil zum Zuführen von Luft in den Kühlkanal umfasst. Die Position des Ventils ist im Einzelnen nicht beschränkt, so dass das Ventil überall dort vorgesehen sein kann, wo Luft in den Kühlwasserkreislauf eingeleitet werden kann, so dass Luft in den Kühlkanal gelangt. Wird dem Kühlwasserkreislauf über das Ventil Luft zugeführt und in den Kühlkanal geleitet, wird auf sehr einfache und effiziente Weise ein Abfließen von Kühlwasser aus dem Kühlkanal gefördert. Damit kann die Wärmekapazität des Brennstoffzellensystems innerhalb kurzer Zeit deutlich gesenkt werden, so dass die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte Wärme zu hohen Anteilen für die Erwärmung des Brennstoffzellensystems und damit zur Steigerung dessen Leistung, aufgewendet werden kann. Ferner werden Schäden durch gefrierendes Produktwasser effektiv vermieden. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Das Entfernen des Kühlwasser kann vorteilhafterweise auf unterschiedliche Weise erreicht werden, nämlich aktiv oder passiv. Bei der passiven Variante erfolgt das Ablassen des Kühlwassers schwerkraftbedingt. Um dies zu erreichen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung in dem Kühlwasserkreislauf ein als Belüftungsventil ausgebildetes Ventil angeordnet, das in geöffnetem Zustand ein schwerkraftbedingtes Abfließen des Kühlwassers aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter herbeiführt. Das Belüftungsventil ist vorzugsweise an der Zufuhrseite des Kühlkanals angeordnet. Es kann über den Kühlwasserkreislauf gesteuert werden, indem das im Stapel herrschende Druckniveau das Belüftungsventil schließt bzw. öffnet.
Gemäß der aktiven Variante erfolgt das Ablassen des Kühlwassers druckkraftbedingt. Dazu ist in der Luftversorgung vorzugsweise ein Druckförderer angeordnet, der eine Druckluft erzeugt, die das Kühlwasser aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter drückt.
Weiterhin vorteilhaft sind die Luftversorgung und der Kühlwasserkreislauf über das Ventil miteinander verbunden, wobei das Ventil zwischen der Zuluftseite der Kathode und der Zufuhrseite des Kühlkanals angeordnet ist.
Alternativ können die Luftversorgung und der Kühlwasserkreislauf auch über das Ventil miteinander verbunden sein, wobei das Ventil zwischen der Abluftseite der Kathode und der Zufuhrseite des Kühlkanals angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der aktiven Variante erfolgt das Ablassen des Kühlwassers saugkraftbedingt, beispielsweise unter Ausnutzung des Venturi-Effekts o. dgl.
Vorzugsweise ist der Kühlwasserausgleichsbehälter mit einem Luftauslass versehen, um ein einfaches Ablassen von Luft aus dem Kühlwasserkreislauf zu ermöglichen. Weiterhin ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die Abluftseite der Kathode an eine Abgasleitung angeschlossen. Dies hat eine bauliche Vereinfachung des Brennstoffzellensystems zum Vorteil, da auf separate Ausleitvorrichtungen für eine Abluft der Kathode verzichtet werden kann. Aus demselben Grund mündet der Luftauslass vorzugsweise in die Abgasleitung.
In der Abgasleitung ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eine Drosselklappe angeordnet. Diese ermöglicht ein Zuführen mindestens eines Teils des Abgases und damit vorzugsweise auch mindestens eines Teils der Abluft der Kathode, in den Kühlwasserkreislauf.
Weiterhin kann gemäß einer bevorzugten Anordnung die Anode mit einem Rezirkulationskreislauf verbunden sein.
Zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf ist vorteilhafterweise eine Kühlmittelpumpe in dem Kühlwasserkreislauf angeordnet. Weiterhin ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in dem Kühlwasserkreislauf ein Kühler angeordnet, der vorzugsweise als Teil des Kühlers eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäßem Brennstoffzellensystem ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass der Abfluss des Kühlwassers aus dem Kühlkanal ungehindert und vollständig möglich ist. Dies ermöglicht eine maximale Erniedrigung der Wärmekapazität des Brennstoffzellensystems.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, wobei in dem Kühlwasserkreislauf ein Kühlwasserausgleichsbehälter angeordnet ist und wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Ventil zum Zuleiten von Luft in den Kühlkanal umfasst, beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Schritt des Entfernens von Kühlwasser aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter unter Zuführung von Luft in den Kühlkanal über das Ventil gekennzeichnet. Durch das Ablassen bzw. Entfernen von Kühlwasser aus dem Kühlkanal unter Zuführung von Luft in den Kühlkanal über das vorgesehene Ventil, wird die Wärmekapazität des Stapels auf sehr einfache Weise erniedrigt, so dass die im Wesentlichen gesamte vom Stapel erzeugte Wärme für eine Temperaturerhöhung des Stapels verwendet werden kann. Dadurch kann sich der Bipolarplattenstapel sehr schnell erwärmen, was die Effizienz des Brennstoffzellensystems steigert und Schäden sowie Leistungseinbußen durch einfrierendes Produktwasser vorbeugt.
Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Ausführungsformen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Es sei ferner angemerkt, dass sich das hierin beschriebene Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend ausgeführten Brennstoffzellensystems eignet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Entfernen von Kühlwasser aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems ausgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass bereits beim erneuten Anfahren des Brennstoffzellensystems die Wärmekapazität des Bipolarplattenstapels maximal erniedrigt ist, so dass der Stapel in kürzester Zeit auf Betriebstemperatur erwärmbar ist. Die Leistung des Brennstoffzellensystems wird damit optimiert. Weiter vorteilhaft wird das Entfernen des Kühlwassers schwerkraftbedingt oder druckkraftbedingt oder saugkraftbedingt ausgeführt. Die hier genannten Optionen zum Entfernen von Kühlwasser aus dem Kühlkanal erfordern keine aufwendige bauliche Anpassung des Brennstoffzellensystems und fördern ein schnelles und ungehindertes Ablassen bzw. Entfernen von Kühlwasser. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem ferner ein als Belüftungsventil ausgebildetes Ventil umfasst, und das Verfahren einen Schritt des Herbeiführens eines schwerkraftbedingten Abfließens des Kühlwassers aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter in geöffnetem Zustand des Belüftungsventils umfasst. Somit kann auf separate Kühlwasserfördervorrichtungen verzichtet und dennoch ein effektiver und schneller Abtransport von Kühlwasser aus dem Kühlkanal erzielt werden.
Vorzugsweise wird das Belüftungsventil über den Kühlwasserkreislauf gesteuert, indem das im Stapel herrschende Druckniveau das Belüftungsventil schließt bzw. öffnet. Somit kann das Entfernen des Kühlwassers aus dem Kühlkanal mit sehr hoher Effizienz ohne wesentliche bauliche Änderungsmaßnahmen am Brennstoffzellensystem einfach ausgeführt werden.
Weiter vorteilhaft ist in der Luftversorgung des Brennstoffzellensystems ein Druckförderer angeordnet, der eine Druckluft erzeugt, und das Verfahren umfasst einen Schritt des Drückens von Kühlwasser aus dem Kühlkanal in den Kühlwasserausgleichsbehälter. Hierdurch kann eine sehr schnelle und vollständige Entfernung von Kühlwasser aus dem Kühlkanal erzielt werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
Geringere Gesamtwärmekapazität des Stapels von Bipolarplatten - Verbesserter Froststart (tiefere Temperaturen, schnelleres Erreichen der Normalleistung, wodurch möglicherweise frühzeitig mehr Leistung zu Verfügung steht)
Platzsparende Bauweise der Kühlkanäle
Einfaches, effizientes und sicheres Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Verhindern von Schäden durch gefrierendes Produktwasser
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform, und Figur 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. In allen Figuren ist das Brennstoffzellensystem 1 durch eine Kathode 2, eine Anode 3 und einen dazwischen liegenden Kühlkanal 4 symbolisiert. Die Kathode 2 ist mit einer Luftversorgung 5, die Anode 3 mit einer Wasserstoffzuleitung 6 für Wasserstoff und der Kühlkanal 4 mit einem Kühlwasserkreislauf 7 verbunden.
In dem Kühlwasserkreislauf 7 ist ein Kühlwasserausgleichsbehälter 8 angeordnet, der mit einem Luftauslass 9 versehen ist. In dem Kühlwasserkreislauf 7 ist weiterhin eine Kühlmittelpumpe 10 sowie ein Kühler 1 1 , der auch als Teil des Kühlers eines Kraftfahrzeuges gebildet sein kann, vorgesehen.
Die Anode 3 kann in einen optionalen Rezirkulationskreislauf 12 eingebunden sein, in den auch die Wasserstoffzuleitung 6 mündet.
Die vorbeschriebene Ausgestaltung ist bei allen Ausführungsbeispielen gleich, unterschiedlich ist jedoch die Art, wie das Kühlwasser aus dem Kühlkanal 4 entfernt und in den Kühlwasserausgleichsbehälter 8 abgelassen wird. Dies kann entweder passiv durch Schwerkraft oder aktiv durch Druck oder Sog erfolgen. Die passive Variante muss so konstruiert sein, dass ein ungehindertes Abfließen des Kühlwassers möglich ist. Dazu ist gemäß einem ersten, in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Kühlwasserkreislauf 7 ein an der Zulaufseite des Kühlkanals 4 angeordnetes Belüftungsventil 13 vorgesehen. Wird bei stillstehender Kühlmittelpumpe 10 das Belüftungsventil 13 geöffnet, dringt über das Belüftungsventil 13 Außenluft in den Kühlwasserkreislauf 7 ein, was dazu führt, dass das Kühlwasser aus dem Kühlkanal 4 in den Kühlwasserausgleichsbehälter 8 abfließt. Die Betätigung des Belüftungsventils 13 kann aktiv erfolgen, z. B. über einen Stellmotor oder auch direkt über den Kühlwasserkreislauf 7 gesteuert werden, indem das durch einen Druckverlust im Stapel erzeugte Druckniveau das als Rückschlagventil ausgebildete Belüftungsventil 13 schließt. Bei einem Ausschalten der Kühlmittelpumpe 10 baut sich dieses Druckniveau ab, wodurch sich das Rückschlagventil öffnen kann und somit eine Belüftung des Kühlkanals 4 ermöglicht.
Eine erste aktive Variante, das Kühlwasser aus dem Kühlkanal 4 zu entfernen, ist in Figur 2 gezeigt.
Gemäß dieser Ausführungsform ist in der Luftversorgung 5 für die Kathode 2 ein Druckförderer 14 angeordnet. Der Druckförderer 14 kann als Kompressor, als Lüfter o. dgl. ausgebildet sein. Weiterhin ist zwischen der Zuluftseite der Kathode 2 und der Zufuhrseite des Kühlkanals 4 ein Ventil 15 vorgesehen.
Wird bei stillstehender Kühlmittelpumpe 10 und laufendem Druckförderer 14 das Ventil 15 geöffnet, drückt der Druckförderer 14 Luft aus der Luftversorgung 5 der Kathode 2 in den Zulauf des Kühlkanals 4, wodurch das im Kühlkanal 4 befindliche Kühlmittel aus dem Kühlkanal 4 in den Kühlmittelausgleichbehälter 8 gedrückt wird.
Eine zweite aktive Variante, das Kühlwasser aus dem Kühlkanal 4 zu entfernen, ist in Figur 3 gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich das Ventil 15 nicht zwischen der Zuluftseite der Kathode 2 und der Zufuhrseite des Kühlkanals 4, sondern in einer Leitung 16, welche die Abluftseite der Kathode 2 mit der Zufuhrseite des Kühlkanals 4 verbindet. Weiterhin ist gemäß dieser Variante an der Abiuftseite der Kathode 2 eine Abgasleitung 17 angeordnet, welche unter Zwischenschaltung einer Drosselklappe 18 in den Luftauslass 9 des Kühlmittelausgleichsbehälters 8 mündet und dann über eine Gesamtabgasleitung 19 abgeführt wird. Die Abgasleitung 17 kann auch bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen vorgesehen sein, um die Abluft von der Kathode 2 abzuführen.
Die Wirkungsweise bei dieser Ausführungsform ist die gleiche wie im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert, mit dem einzigen Unterschied, dass gemäß Figur 3 die Luft zunächst die Kathode 2 durchströmt und dann bei stillstehender Kühlmittelpumpe 10 und geöffnetem Ventil 15 der Zufuhrseite des Kühlkanals 4 zugeführt wird.
Eine dritte aktive Variante, das Kühlwasser über den Kühlmittelausgleichsbehälter 8 aus dem Kühlkanal 4 zu entfernen, kann darin bestehen, einen Unterdruck, z. B. über eine Venturidüse, zu erzeugen. Dies ist in Figur 4 gezeigt.
Die in Figur 4 gezeigte Variante entspricht im Wesentlichen der in Figur 3 dargestellten Variante. Jedoch fehlen die Leitung 16, welche die Abluftseite der Kathode 2 mit der Zufuhrseite des Kühlkanals 4 verbindet, und die in Abgasleitung 17 angeordnete Drosselklappe 18. Stattdessen ist in dem Luftauslass 9 eine Pumpe bzw. Venturidüse 20 vorgesehen, in welche auch die von der Kathode 3 kommende Abgasleitung 17 mündet. An die Pumpe bzw. Venturidüse 20 ist die Gesamtabgasleitung 19 angeschlossen. Zusätzlich ist in dem Kühlwasserkreislauf 7 an der Zulaufseite des Kühlkanals 4 ein Belüftungsventil 13 vorgesehen.
Bei dieser Variante wird über die Pumpe bzw. Venturidüse 10 in dem Kühlwasserausgleichsbehälter 8 ein Unterdruck erzeugt, über den das im Kühlkanal 4 befindliche Wasser abgesaugt werden kann. Dazu muss bei stillstehender Kühlmittelpumpe 10 das Belüftungsventil 13 geöffnet sein. In allen Fällen fängt der Kühlmittelausgleichsbehälter 8 das aus dem Kühlkanal 4 austretende Kühlwasser auf und lässt gleichzeitig die verdrängte bzw. zum Durchblasen des Kühlkanals 4 verwendete Luft ohne großen Kühlmittelverlust über den Luftauslass 9 entweichen. Um das Austreten von Kühlwasser zu verhindern, kann eine semipermeable Membran oder ein entsprechendes Material zwischen dem Kühlwasserausgleichsbehälter 8 und dem Luftauslass 9 vorgesehen sein. Die aus dem Luftauslass 9 austretende Luft kann entweder direkt in die Umgebung (Figur 1 und 2) oder in die aus der Kathode 2 austretende Abluft (Figur 3 und 4) geleitet werden. Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Brennstoffzellensystem
2 Kathode
3 Anode
4 Kühlkanal
5 Luftversorgung
6 Wasserstoffzuleitung
7 Kühlwasserkreislauf
8 Kühlwasserausgleichsbehälter
9 Luftauslass
10 Kühlmittelpumpe
1 1 Kühler
12 Rezirkulationskreislauf
13 Belüftungsventil
14 Druckförderer
15 Ventil
16 Leitung
17 Abgasleitung
18 Drosselklappe
19 Gesamtabgasleitung
20 Venturidüse

Claims

Patentansprüche: 1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlwasserkreislauf (7) ein
Kühlwasserausgleichsbehälter (8) angeordnet ist, in den das im Kühlkanal (4) befindliche Kühlwasser entfernt werden kann, wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Ventil (13, 15) zum Zuführen von Luft in den Kühlkanal (4) umfasst. 2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Kühlwassers schwerkraftbedingt erfolgt oder dass das Entfernen des Kühlwassers druckkraftbedingt erfolgt oder dass das Ablassen des Kühlwassers saugkraftbedingt erfolgt, beispielsweise unter Ausnutzung des Venturi-Effekts o. dgl. 3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (13, 15) ein in dem Kühlwasserkreislauf (7) angeordnetes Belüftungsventil (13) ist, das in geöffnetem Zustand ein schwerkraftbedingtes Abfließen des Kühlwassers aus dem Kühlkanal (4) in den Kühlwasserausgleichsbehälter (8) herbeiführt. 4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsventil (13) an der Zufuhrseite des Kühlkanals (4) angeordnet ist und/oder dass das Belüftungsventil (13) über den Kühlwasserkreislauf (7) steuerbar ist, indem das im Stapel herrschende Druckniveau das Belüftungsventil (13) schließt bzw. öffnet. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftversorgung (5) ein Druckförderer (14) angeordnet ist, der eine Druckluft erzeugt, die das Kühlwasser aus dem Kühlkanal (4) in den Kühiwasserausgleichsbehälter (8) drückt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgung (5) und der Kühlwasserkreislauf (7) über das Ventil (15) miteinander verbunden sind, wobei das Ventil zwischen der Zuluftseite der Kathode (2) und der Zufuhrseite des Kühlkanals (4) angeordnet ist oder dass die Luftversorgung (5) und der Kühlwasserkreislauf (7) über das Ventil (15) miteinander verbunden sind, wobei das Ventil zwischen der Abluftseite der Kathode (2) und der Zufuhrseite des Kühlkanals (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühiwasserausgleichsbehälter (8) mit einem Luftauslass (9) versehen ist und/oder dass die Abluftseite der Kathode (2) an eine Abgasleitung (17) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftauslass (9) in die Abgasleitung (17) mündet und/oder dass in der Abgasleitung (17) eine Drosselklappe (18) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) mit einem Rezirkulationskreislauf (12) verbunden ist und/oder dass die Wasserstoffzuleitung (6) an den Rezirkulationskreislauf (12) angeschlossen ist und/oder dass in dem Kühlwasserkreislauf (7) eine Kühlmittelpumpe (10) angeordnet ist und/oder dass in dem Kühlwasserkreislauf (7) ein Kühler (1 1 ) angeordnet ist, wobei der Kühler (1 1 ) insbesondere als Teil des Kühlers eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist und/oder dass der Abfluss des Kühlwassers aus dem Kühlkanal (4) ungehindert und vollständig möglich ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen liegenden Kühlkanal aufweisen, wobei die Kathode mit einer Luftversorgung, die Anode mit einer Wasserstoffzuleitung und der Kühlkanal mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, wobei in dem Kühlwasserkreislauf (7) ein Kühlwasserausgleichsbehälter (8) angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Ventil (13, 15) zum Zuleiten von Luft in den Kühlkanai (4) umfasst und das Verfahren den Schritt des Entfernens von Kühlwasser aus dem Kühlkanal (4) in den
Kühlwasserausgleichsbehälter (8) unter Zuführung von Luft in den Kühlkanal (4) über das Ventil (13, 15) umfasst.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen von Kühlwasser aus dem Kühlkanal (4) in den Kühlwasserausgleichsbehälter (8) während des Abschaltens des
Brennstoffzellensystems ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Kühlwassers schwerkraftbedingt oder druckkraftbedingt oder saugkraftbedingt ausgeführt wird. 13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein als Belüftungsventil (13) ausgebildetes Ventil (13, 15) umfasst, und das Verfahren einen Schritt des Herbeiführens eines schwerkraftbedingten Abfließens des Kühlwassers aus dem Kühlkanal (4) in den Kühlwasserausgleichsbehälter (8) in geöffnetem Zustand des Belüftungsventils (13) umfasst und vorzugsweise das Belüftungsventil (13) über den Kühlwasserkreislauf (7) gesteuert wird, indem das im Stapel herrschende Druckniveau das Belüftungsventil (13) schließt bzw. öffnet.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in der Luftversorgung (5) des Brennstoffzellensystems ein Druckförderer (14) angeordnet ist, der eine Druckluft erzeugt, und das Verfahren einen Schritt des Drückens von Kühlwasser aus dem Kühlkanal (4) in den Kühlwasserausgleichsbehälter (8) umfasst.
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