WO2015197339A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit einem einen thermoisolierbehälter aufweisenden brennstoffzellenstapel und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung mit einem einen thermoisolierbehälter aufweisenden brennstoffzellenstapel und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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cell device
tempering
thermoisolierbehalter
tempering fluid
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PCT/EP2015/062528
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Peter Bach
Ryan PADDON
Mark HOLLET
Robert Croft
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Volkswagen Ag
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a fuel cell apparatus having a fuel cell stack having a thermal insulation tank and method of operating a fuel cell apparatus
  • the invention relates to a fuel cell device with a fuel cell stack, which has at least one fuel cell arranged between two end plates. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell device, in which the fuel cell device is tempered with a tempering fluid.
  • Fuel cell apparatus and methods of operating fuel cell devices are well known.
  • a cold start of the fuel cell device that is, when it has a temperature at start, which is below an optimum operating temperature range
  • known fuel cell devices are characterized by at least one of
  • Fuel cell device is within the optimum operating temperature range. Heating up the fuel cell device using the waste heat of the fuel cell, however, can take a very long time, especially at a low load. Consequently, it is known that
  • Fuel cell device using a heating element at startup The energy required by the heating element may be provided by the fuel cell device. However, the energy provided for the heating element is then no longer available for other consumers connected to the fuel cell device. Furthermore, the consumption of operating media of the fuel cell device increases.
  • the invention is an object of the invention to provide a fuel cell device and a method for operating a fuel cell device, wherein the
  • Fuel cell device can be warmed up quickly and efficiently at a cold start.
  • the invention is achieved in that the fuel cell stack has a Thermoisolier practicer for a tempering fluid for controlling the temperature of the fuel cell device.
  • the problem is solved for the aforementioned method in that the residual heat from previous operation of the
  • Fuel cell device is used to warm the fuel cell device.
  • Thermoisolierbehalter contained tempering fluid is a sufficient amount of heat for accelerated warming of the fuel cell stack is included.
  • the tempering fluid is in particular a water-alcohol mixture.
  • the fuel cell device does not need to provide power only for warming up the fuel cell stack at startup so that the energy available from the fuel cell device at startup is available to external consumers of the fuel cell device.
  • the Thermoisolier concerneder may be attached to one of the end plates.
  • the fuel cell stack can be made compact, and there are no long lines between the Thermoisoliermicer and the fuel cell stack necessary. During transport through long lines the tempering fluid could give off heat and thus the
  • the fuel cells are clamped between the end plates, so that there is a high pressure on the fuel cells between the end plates. If the Thermoisolier matterser be sufficiently stable, it may be arranged as the least a fuel cell between the end plates and braced by them. Should the thermal insulation tank fail to withstand the forces acting within the fuel cell stack, or if a thermal insulation tank capable of withstanding these forces is too heavy, the end plate to which the thermal insulation tank is attached may be interposed
  • Thermoisolier disposer and the at least one fuel cell may be arranged.
  • Thermoisolier matterser is therefore preferably not disposed between the end plates, so that the heat insulating tank not acting on the at least one fuel cell forces act.
  • Fuel cell device can be installed, the end plate to which the
  • Thermoisolier hundredser is attached, conductively connect the thermal insulation tank and the at least one fuel cell tempering fluid together.
  • the end plate may have at least one tempering fluid tunnel, which connects the thermal insulation container fluid-conducting with the at least one fuel cell.
  • fuel cell devices have a temperature control path for conducting the
  • Temperingfluids and for tempering the fuel cells.
  • the temperature control path can extend through the at least one fuel cell, so that the tempering fluid conducted through the temperature control path can exchange heat with the at least one fuel cell.
  • the tempering can extend through the Thermoisolier notioner, so that no separately formed Temperierpfad is necessary.
  • thermo-isolating arranged in the Temperierfluids at a standstill of the fuel cell device to prevent excessive dropping or if the
  • Fuel cell device is stationary for a long time
  • Thermoisolier representativeser have a heating element, with which the temperature control fluid arranged in the thermal insulation container can be heated.
  • the temperature control fluid can be heated with the heating element particularly efficiently when the heating element is in a free volume for the heating element
  • Temperingfluid is arranged and thus can contact the tempering directly.
  • the tempering fluid can be heated just when the fuel cell device is at a standstill in order to prevent the temperature of the tempering fluid arranged below the thermo-isolating tank from falling below a predetermined minimum temperature.
  • the predetermined minimum temperature is 40 ° C.
  • the tempering fluid in the thermal insulation can, without much power to be kept at the minimum temperature, for example 40 ° C, even if the ambient temperature is low and for example - 28 ° C. Since only 5 watts of electric power is then required to heat the tempering, the temperature of the tempering in the Thermoisolier matterser can easily be maintained at or above the minimum temperature over a long period of time and for example several days.
  • the electrical energy may be provided by the fuel cell device or a storage device storing electrical energy and receiving electrical energy from the fuel cell device in its operation, such as a rechargeable battery or a capacitor. So that the tempering fluid can be conveyed from the Thermoisolierbehalter to the fuel cell, the fuel cell device may comprise a Temperierfluidpumpe connecting the Thermoisolierbehalter tempering fluid conductively connected to the fuel cell.
  • Thermoisolierbehalter and the fuel cell be funded.
  • the tempering fluid pump is arranged, for example, in the thermal insulation container or in or on the end plate to which the thermal insulation container is attached.
  • the Temperierfluidpumpe be arranged in Temperierfluidtunnel, so that the space required by the fuel cell stack does not increase.
  • the Temperierfluidpumpe is preferably a separately provided pump, wherein the fuel cell device may comprise a further Temperierfluidpumpe, which in the normal operation of the Temperierfluidpumpe tempering through the
  • the fuel cell device can at least one
  • Fuel cell device required space through the at least one check valve is not increased.
  • the tempering fluid can easily flow into the thermal insulation container, it can have an inlet opening and an outlet opening, so that the temperature control path can extend into and out of the thermal insulation container without the temperature control path itself overlapping.
  • the tempering fluid can easily flow into, through and / or out of the thermal insulation container.
  • the residual heat can the tempering fluid in particular from waste heat of the
  • Fuel cell device can be removed.
  • heat may be additionally supplied to the tempering fluid having the residual heat, if its temperature is below the predetermined minimum temperature.
  • Fuel cell devices in periodically recurring periods put into operation, so that the temperature of the tempering fluid can be automatically increased when a recurring starting process is approaching.
  • motor vehicles which are drivable at least partially with electric energy supplied by the fuel cell device are regularly put into operation on weekdays in the morning in order to drive to work on the motor vehicle.
  • Stationary fuel cell devices for example, electrical energy for homes or industrial or office buildings
  • a tempering fluid contained in the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell device can be at least partially replaced by the tempering fluid with the residual heat in order to preheat the at least one fuel cell.
  • a volume present in the thermo-isolation container for the tempering fluid can essentially correspond to or be greater than the volume of the tempering path between the end plates, ie at or in the fuel cells, so that they are contained within the fuel cells
  • Temperierfluid can be replaced with the Thermoisolier anyoneer recordable tempering fluid.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a method according to the invention for
  • the fuel cell stack 1 shows a fuel cell stack 1 of the fuel cell device according to the invention schematically in a perspective view.
  • the fuel cell stack 1 has at least one and in particular a plurality of fuel cells 2, which between two
  • End plates 3, 4 of the fuel cell stack 1 are arranged and, for example, clamped or compressed.
  • the at least one fuel cell 2 may comprise two bipolar plates as well as at least one so-called membrane-electrode unit.
  • the bipolar plates may direct operating media, such as hydrogen and air, to the membrane-electrode assembly where the operating media for generating electrical energy
  • the bipolar plates can pass a tempering fluid past the membrane-electrode unit and in particular through the fuel cell 2 in order to temper the fuel cell 2.
  • the fuel cell stack further comprises a thermal insulation container 5, in which a
  • Tempering fluid for tempering the fuel cell device can be stored.
  • the thermal insulation container 5 is attached to the end plate 3, the end plate 3 preferably between the at least one fuel cell 2 and the
  • Thermoisolier constitutioner 5 is arranged. A prevailing between the end plates 3, 4 and acting on the at least one fuel cell 2 pressure is therefore not on the
  • Thermoisolier constitutioner 5 passed.
  • thermoinsulating container 5 In order that the tempering fluid conducted during operation by the at least one fuel cell 2 can be conducted into the thermoinsulating container 5, without the need for the
  • the end plate 3 at least one tempering 6.
  • the Temperiertunnel 6 connects the at least one fuel cell 2 tempering fluid conducting with the Thermoisolier disposer 5.
  • Thermoisolier soer 5 tethered by the temperature control 6 to a through the at least one fuel cell 2 extending temperature control, so that through the
  • Temperierpfad during operation of the fuel cell device flowing tempering fluid can flow into the Thermoisolier intuitioner 5.
  • the tempering fluid can flow through the Thermoisolier notioner 5, the end plate 3 not only one, but two Temperiertunnel 6, 7, wherein for example by the tempering 6 tempering in the thermally insulating 5 into and through the Temperiertunnel 7 can flow out of the Thermoisolierbehalter 5 addition.
  • the temperature control path can thus extend not only through the at least one fuel cell 2 but also through the thermal insulation container 5.
  • the temperature control path can have two lines extending in a stacking direction of the bipolar plates and the membrane electrode unit, through which the temperature control fluid can flow.
  • One of the lines can run in an edge region of the bipolar plates and open, for example, in the tempering tunnel 6.
  • the other of the lines may extend in another, and in particular an edge region opposite the edge region of the bipolar plates, and the tempering tunnel 7 may open into this line.
  • the at least one fuel cell can therefore fluidically with the
  • Thermoisolierbehalter 5 be connected in parallel. A along one of the bipolar plates along leading and the lines fluidly interconnecting portion of the
  • Temperierpfades can run parallel to the Thermoisolierbehalter 5.
  • a heating element 8 may be arranged to the in
  • Thermoisolierbehalter 5 arranged to supply thermal fluid with thermal energy.
  • the heating element 8 can hold the temperature control fluid arranged in the thermal insulation container 5 at least at a minimum temperature.
  • Connection contacts 9, 10 of the heating element 8 can by a side wall 1 1 of the
  • Thermoisolierbehalters 5 out and be contacted from outside the Thermoisolierbehalters 5.
  • the heating element 8 can be connectable or connected via the connection contacts 9, 10 to a source of electrical energy, for example a battery or a capacitor, wherein the source of electrical energy can be provided as part of the fuel cell device or separately.
  • the fuel cell stack 1 can also have a tempering fluid pump T and / or at least one shut-off valve S1, S2, in order to be able to convey the tempering fluid contained in the thermo-isolation container 5 therefrom or to store it separately from the remaining temperature control path.
  • the Temperierfluidpumpe T can be arranged in Thermoisolierbehalter 5 and, for example, on one of the Temperiertunnel 6, 7, such as the Temperiertunnel. 7
  • the at least one check valve S1, S2 is arranged in a, for example, such that it blocks one of the temperature control tunnels 6, 7 and thus a flow of the Temperingfluids through the locked Temperiertunnel 6, 7 can prevent.
  • Each of the temperature control tunnels 6, 7 is preferably lockable or closable by a check valve S1, S2.
  • FIG. 2 schematically shows a first exemplary embodiment of the method according to the invention for operating a fuel cell device as a flowchart.
  • the method 20 of the embodiment of Figure 2 starts with a first
  • Method step 21 In the following method step 22 it is determined whether the
  • Fuel cell device is in operation or out of service. If the fuel cell device is in operation, the method step 22 may be followed by the method step 23, in which
  • Tempering fluid which contains waste heat emitted by the at least one fuel cell 2, is passed into the thermal insulation 5.
  • the tempering fluid can during operation of the
  • Fuel cell device continuously flow through the thermal insulation 5.
  • the thermal insulation tank 5 can be separated from the rest of the temperature control path in the next method step 25 and closed, for example, by means of the at least one check valve.
  • tempering can be passed from the at least one fuel cell 2 in the Thermoisolier variouser 5 so that this residual heat exhibiting tempering contains in process step 25, even if the tempering during operation of the fuel cell device not through the Thermoisolier capableer 5 and for example only through which at least one fuel cell 2 flows.
  • the temperature of the temperature control fluid can be measured and monitored, for example, in the optionally following method step 26.
  • the temperature may, for example, at predetermined intervals, in previously determined
  • the method step 26 can be followed by the method step 27, in which the tempering fluid
  • the tempering fluid for example, with the
  • Method step 26 may be repeated or on the Method step 26 is followed by method step 28, in which the method 20 ends and, for example, waiting for a restart of the fuel cell device.
  • the fuel cell device can be put into operation in method step 29. For example, in the case of an approaching start of a load to be supplied by the fuel cell device with electrical energy, the fuel cell device can be put into operation automatically or manually.
  • the temperature of the tempering fluid present in the thermal insulation container 5 and optionally the temperature of the fuel cell device are determined. Is the temperature of the fuel cell device and in particular the
  • Temperierfluids in Thermoisolierbehalter 5 below a minimum temperature, it can follow the process step 30 of the process step 31, in which the tempering fluid is heated in the Thermoisolierbehalter 5, for example with the heating element 8.
  • the method 20 may end in step 28 by the at least one fuel cell 2 with the
  • Thermoisolier constitutioner 5 is passed into the at least one fuel cell 2.
  • Minimum temperature is equal to or greater than the minimum temperature
  • Fuel cell 2 is heated with the tempering fluid from the Thermoisolier actuallyer 5 and this purpose be passed from the thermal insulation 5 in the at least one fuel cell 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung. Um die Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Kaltstart effizient aufwärmen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Brennstoffzellenstapel (1) der Brennstoffzellenvorrichtung einen Thermoisolierbehälter (5) für Temperierfluid aufweist und das Temperierfluid beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Thermoisolierbehälter (5) in wenigstens eine Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellenstapels (1) geleitet wird.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenvorrichtung mit einem einen Thermoisolierbehälter aufweisenden Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine zwischen zwei Endplatten angeordnete Brennstoffzelle aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Temperierfluid temperiert wird.
Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellenvorrichtungen sind allgemein bekannt. Bei einem Kaltstart der Brennstoffzellenvorrichtung, also wenn diese beim Start eine Temperatur aufweist, die unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs liegt, werden bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen durch von der wenigstens einen
Brennstoffzelle erzeugten Abwärme erwärmt, bis die Betriebstemperatur der
Brennstoffzellenvorrichtung innerhalb des optimalen Betriebstemperaturbereiches liegt. Ein Aufwärmen der Brennstoffzellenvorrichtung mithilfe der Abwärme der Brennstoffzellen kann gerade bei einer geringen Last jedoch sehr lange dauern. Folglich ist bekannt, die
Brennstoffzellenvorrichtung mithilfe eines Heizelementes beim Start aufzuheizen. Die vom Heizelement benötigte Energie kann von der Brennstoffzellen Vorrichtung bereitgestellt werden. Die für das Heizelement bereitgestellte Energie steht dann jedoch nicht mehr für andere an die Brennstoffzellenvorrichtung angeschlossene Verbraucher zur Verfügung. Ferner steigt der Verbrauch an Betriebsmedien der Brennstoffzellenvorrichtung.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, wobei die
Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Kaltstart schnell und effizient aufgewärmt werden kann.
Für die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung ist die Erfindung dadurch gelöst, dass der Brennstoffzellenstapel einen Thermoisolierbehälter für ein Temperierfluid zum Temperieren der Brennstoffzellenvorrichtung aufweist. Die Aufgabe ist für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass das eine Restwärme aus vorherigem Betrieb der
Brennstoffzellenvorrichtung aufweisende Temperierfluid bei einem Startvorgang der
Brennstoffzellenvorrichtung zum Aufwärmen der Brennstoffzellenvorrichtung verwendet wird. Dadurch, dass das aufgewärmte Temperierfluid im Thermoisolierbehalter bereitgestellt wird, sinkt dessen Temperatur im Vergleich zum Brennstoffzellenstapel nur langsam, sodass bei einem normalen Betriebszyklus der Brennstoffzellenvorrichtung in dem im
Thermoisolierbehalter enthaltenen Temperierfluid eine ausreichende Wärmemenge zum beschleunigten Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels enthalten ist. Das Temperierfluid ist insbesondere ein Wasser-Alkohol-Gemisch. Die Brennstoffzellenvorrichtung braucht beim Start nicht Energie nur für das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, sodass die von der Brennstoffzellenvorrichtung beim Start zur Verfügung stellbare Energie externen Verbrauchern der Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung steht.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbarer Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann der Thermoisolierbehälter an einer der Endplatten angebracht sein. Hierdurch kann der Brennstoffzellenstapel kompakt ausgebildet sein, und es sind keine langen Leitungen zwischen dem Thermoisolierbehälter und dem Brennstoffzellenstapel notwendig. Beim Transport durch lange Leitungen könnte das Temperierfluid Wärme abgeben und somit den
Brennstoffzellenstapel beim Start nicht ausreichend oder langsamer als ansonsten aufwärmen. Thermisch isolierte Leitungen sind teuer und benötigen noch mehr Bauraum als normale lange Leitungen.
Oftmals sind die Brennstoffzellen zwischen den Endplatten verspannt, sodass zwischen den Endplatten ein hoher Druck auf die Brennstoffzellen herrscht. Sollte der Thermoisolierbehälter ausreichend stabil ausgebildet sein, so kann er wie die wenigstes eine Brennstoffzelle zwischen den Endplatten angeordnet und von diesen verspannt sein. Sollte der Thermoisolierbehälter den innerhalb des Brennstoffzellenstapels wirkenden Kräften nicht dauerhaft widerstehen können oder falls ein Thermoisolierbehälter, der diesen Kräften widerstehen kann, zu schwer ist, kann die Endplatte, an der der Thermoisolierbehälter angebracht ist, zwischen dem
Thermoisolierbehälter und der zumindest einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Der
Thermoisolierbehälter ist also vorzugsweise nicht zwischen den Endplatten angeordnet, sodass auf den Thermoisolierbehälter nicht die auf die mindestens eine Brennstoffzelle einwirkenden Kräfte wirken. Damit der Brennstoffzellenstapel kompakt aufgebaut und einfach in der
Brennstoffzellenvorrichtung eingebaut werden kann, kann die Endplatte, an der der
Thermoisolierbehälter angebracht ist, den Thermoisolierbehälter und die zumindest eine Brennstoffzelle Temperierfluid leitend miteinander verbinden. Beispielsweise kann die Endplatte wenigstens einen Temperierfluidtunnel aufweisen, der den Thermoisolierbehälter Fluid leitend mit der zumindest einen Brennstoffzelle verbindet.
Oftmals weisen Brennstoffzellenvorrichtungen einen Temperierpfad zur Leitung des
Temperierfluids und zum Temperieren der Brennstoffzellen auf. Insbesondere kann sich der Temperierpfad durch die wenigstens eine Brennstoffzelle erstrecken, damit das durch den Temperierpfad geleitete Temperierfluid Wärme mit der wenigstens einen Brennstoffzelle austauschen kann. Zusätzlich kann sich der Temperierpfad durch den Thermoisolierbehälter erstrecken, sodass kein separat ausgebildeter Temperierpfad notwendig ist.
Sollte die thermische Isolierung des Thermoisolierbehälters nicht ausreichen, um die
Temperatur des im Thermoisolierbehälter angeordneten Temperierfluids bei einem Stillstand der Brennstoffzellenvorrichtung an einem zu starken Absinken zu hindern oder falls die
Brennstoffzellenvorrichtung über einen langen Zeitraum stillsteht, kann der
Thermoisolierbehälter ein Heizelement aufweisen, mit dem das im Thermoisolierbehälter angeordnete Temperierfluid beheizbar ist. Besonders effizient kann das Temperierfluid mit dem Heizelement erwärmt werden, wenn das Heizelement in einem freien Volumen für das
Temperierfluid angeordnet ist und somit das Temperierfluid direkt kontaktieren kann.
Insbesondere kann das Temperierfluid gerade beim Stillstand der Brennstoffzellenvorrichtung beheizt werden, um ein Absinken der Temperatur des im Thermoisolierbehälter angeordneten Temperierfluids unterhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur zu verhindern.
Beispielsweise liegt die vorbestimmte Mindesttemperatur bei 40° C. Bei gut thermisch isolierenden Thermoisolierbehältern kann das Temperierfluid im Thermoisolierbehälter, ohne viel Leistung zu benötigen, auf der Mindesttemperatur, beispielsweise 40° C, gehalten werden, selbst wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und bei zum Beispiel -28° C liegt. Da zum Beheizen des Temperierfluids dann lediglich 5 Watt elektrischer Leistung notwendig sind, kann die Temperatur des Temperierfluids im Thermoisolierbehälter ohne weiteres über einen langen Zeitraum und beispielsweise mehrere Tage auf oder über der Mindesttemperatur gehalten werden. Die elektrische Energie kann von der Brennstoffzellenvorrichtung oder einer elektrische Energie speichernden und von der Brennstoffzellenvorrichtung in deren Betrieb elektrische Energie empfangenden Speichereinrichtung, etwa eine wieder aufladbare Batterie oder ein Kondensator, zur Verfügung gestellt werden. Damit das Temperierfluid aus dem Thermoisolierbehalter zu den Brennstoffzellen befördert werden kann, kann die Brennstoffzellenvorrichtung eine Temperierfluidpumpe aufweisen, die den Thermoisolierbehalter Temperierfluid leitend mit den Brennstoffzellen verbindet.
Insbesondere kann mit der Temperierfluidpumpe Temperierfluid zwischen dem
Thermoisolierbehalter und der Brennstoffzelle förderbar sein. Die Temperierfluidpumpe ist beispielsweise im Thermoisolierbehalter oder in beziehungsweise an der Endplatte, an der der Thermoisolierbehalter angebracht ist, angeordnet. Zum Beispiel kann die Temperierfluidpumpe im Temperierfluidtunnel angeordnet sein, sodass sich der vom Brennstoffzellenstapel benötigte Bauraum nicht erhöht. Die Temperierfluidpumpe ist vorzugsweise eine gesondert bereitgestellte Pumpe, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung eine weitere Temperierfluidpumpe aufweisen kann, die im normalen Betrieb der Temperierfluidpumpe Temperierfluid durch den
Temperierpfad fördert.
Um zu vermeiden, dass das vorgewärmte und im Thermoisolierbehalter zu speichernde Temperierfluid aus diesem ungewollt herausläuft oder sich mit kälterem Temperierfluid im Thermoisolierbehälter vermischt, kann die Brennstoffzellenvorrichtung wenigstens ein
Sperrventil aufweisen, mit dem ein Temperierfluidstrom zwischen dem Thermoisolierbehälter und der Brennstoffzelle unterbrechbar sein. Mit dem Sperrventil kann der Thermoisolierbehälter vom restlichen Temperierpfad beispielsweise trennbar sein. Insbesondere kann mit dem wenigstens einen Sperrventil das vom Thermoisolierbehälter umschlossene Volumen vom restlichen Temperierpfad abtrennbar sein. Das Sperrventil ist beispielsweise in oder an der am Thermoisolierbehälter befestigten Endplatte und beispielsweise im sich durch die Endplatte erstreckenden Temperierfluidkanal angeordnet, sodass sich der von der
Brennstoffzellenvorrichtung benötigte Bauraum durch das wenigstens eine Sperrventil nicht erhöht.
Damit das Temperierfluid ohne Weiteres in den Thermoisolierbehälter fließen kann, kann dieser eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen, sodass der Temperierpfad sich in den Thermoisolierbehälter hinein und wieder aus diesem heraus erstrecken kann, ohne dass sich der Temperierpfad dabei selbst überlappt. Somit kann das Temperierfluid einfach in den Thermoisolierbehälter hinein, durch diesem hindurch und/oder aus diesem heraus fließen.
Die Restwärme kann dem Temperierfluid insbesondere aus Abwärme der
Brennstoffzellenvorrichtung entnommen werden. Insbesondere vor einem Startvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung kann dem die Restwärme aufweisenden Temperierfluid zusätzlich Wärme zugeführt werden, falls dessen Temperatur unterhalb der vorgegebenen Mindesttemperatur liegt. Oftmals werden
Brennstoffzellenvorrichtungen in regelmäßig wiederkehrenden Zeiträumen in Betrieb genommen, sodass die Temperatur des Temperierfluids automatisch erhöht werden kann, wenn sich ein wiederkehrender Startvorgang nähert. Beispielsweise werden Kraftfahrzeuge, die zumindest teilweise mit von der Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellter elektrischer Energie antreibbar sind, an Wochentagen regelmäßig morgens in Betrieb genommen, um mit dem Kraftfahrzeug zur Arbeit zu fahren. Stationäre Brennstoffzellenvorrichtungen, die beispielsweise elektrische Energie für Wohnhäuser oder Industrie- beziehungsweise Bürogebäude
bereitstellen, werden ebenfalls oftmals morgens in Betrieb genommen. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein in der mindestens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung enthaltenes Temperierfluid zumindest teilweise durch das Temperierfluid mit der Restwärme ersetzt werden, um die wenigstens eine Brennstoffzelle vorzuwärmen. Hierzu kann beispielsweise ein im Thermoisolierbehälter für das Temperierfluid vorhandenes Volumen im Wesentlichen dem Volumen des Temperierpfades zwischen den Endplatten, also an beziehungsweise in den Brennstoffzellen, entsprechen oder größer sein als dieses Volumen, sodass innerhalb der Brennstoffzellen enthaltenes
Temperierfluid mit dem Thermoisolierbehälter aufnehmbaren Temperierfluid ersetzt werden kann.
Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften
Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde. Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 1 der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung schematisch in einer perspektivischen Darstellung. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist wenigstens eine und insbesondere mehrere Brennstoffzellen 2 auf, die zwischen zwei
Endplatten 3, 4 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet und beispielsweise verspannt beziehungsweise zusammengedrückt sind. Die wenigstens eine Brennstoffzelle 2 kann zwei Bipolarplatten sowie wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit aufweisen. Die Bipolarplatten können Betriebsmedien, wie etwa Wasserstoff und Luft, zur Membran- Elektroden-Einheit leiten, wo die Betriebsmedien zur Erzeugung elektrischer Energie
miteinander reagieren. Ferner können die Bipolarplatten ein Temperierfluid an der Membran- Elektroden-Einheit vorbei und insbesondere durch die Brennstoffzelle 2 hindurchleiten, um die Brennstoffzelle 2 zu temperieren.
Der Brennstoffzellenstapel weist ferner einen Thermoisolierbehälter 5 auf, in dem ein
Temperierfluid zum Temperieren der Brennstoffzellenvorrichtung speicherbar ist. Beispielsweise ist der Thermoisolierbehälter 5 an der Endplatte 3 angebracht beziehungsweise befestigt, wobei die Endplatte 3 vorzugsweise zwischen der wenigstens einen Brennstoffzelle 2 und dem
Thermoisolierbehälter 5 angeordnet ist. Ein zwischen den Endplatten 3, 4 herrschender und auf die wenigstens eine Brennstoffzelle 2 einwirkender Druck wird also nicht an den
Thermoisolierbehälter 5 geleitet.
Damit das im Betrieb durch die wenigstens eine Brennstoffzelle 2 geleitete Temperierfluid in den Thermoisolierbehälter 5 geleitet werden kann, ohne dass der für den
Brennstoffzellenstapel 1 benötigte Bauraum ansteigt, weist die Endplatte 3 wenigstens einen Temperiertunnel 6 auf. Der Temperiertunnel 6 verbindet die zumindest eine Brennstoffzelle 2 Temperierfluid leitend mit dem Thermoisolierbehälter 5. Vorzugsweise ist der
Thermoisolierbehälter 5 durch den Temperiertunnel 6 an einen sich durch die zumindest eine Brennstoffzelle 2 erstreckenden Temperierpfad angebunden, sodass das durch den
Temperierpfad im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung strömende Temperierfluid in den Thermoisolierbehälter 5 hineinströmen kann.
Damit das Temperierfluid durch den Thermoisolierbehälter 5 hindurchfließen kann, weist die Endplatte 3 nicht nur einen, sondern zwei Temperiertunnel 6, 7 auf, wobei beispielsweise durch den Temperiertunnel 6 Temperierfluid in den Thermoisolierbehälter 5 hinein und durch den Temperiertunnel 7 aus dem Thermoisolierbehalter 5 hinaus fließen kann. Der Temperierpfad kann sich also nicht nur durch die zumindest eine Brennstoffzelle 2, sondern ferner auch durch den Thermoisolierbehalter 5 erstrecken.
Der Temperierpfad kann zwei sich in einer Stapelrichtung der Bipolarplatten und der Membran- Elektroden-Einheit erstreckende Leitungen aufweisen, durch die das Temperierfluid strömen kann. Eine der Leitungen kann in einem Randbereich der Bipolarplatten verlaufen und zum Beispiel im Temperiertunnel 6 münden. Die andere der Leitungen kann in einem anderen und insbesondere einen dem genannten Randbereich gegenüber liegenden Randbereich der Bipolarplatten verlaufen, und der Temperiertunnel 7 kann in diese Leitung münden. Die wenigstens eine Brennstoffzelle kann also fluidstömungstechnisch mit dem
Thermoisolierbehalter 5 parallel geschaltet sein. Ein entlang einer der Bipolarplatten entlang führender und die Leitungen Fluid leitend miteinander verbindende Abschnitt des
Temperierpfades kann parallel zum Thermoisolierbehalter 5 verlaufen.
Im Thermoisolierbehalter 5 kann ein Heizelement 8 angeordnet sein, um das im
Thermoisolierbehalter 5 angeordnete Temperierfluid mit Wärmeenergie zu versorgen. Vor allem wenn die Brennstoffzellenvorrichtung nicht in Betrieb ist, kann das Heizelement 8 das im Thermoisolierbehalter 5 angeordnete Temperierfluid zumindest auf einer Mindesttemperatur halten.
Anschlusskontakte 9, 10 des Heizelementes 8 können durch eine Seitenwand 1 1 des
Thermoisolierbehalters 5 geführt und von außerhalb des Thermoisolierbehalters 5 kontaktierbar sein. Das Heizelement 8 kann über die Anschlusskontakte 9, 10 mit einer Quelle elektrischer Energie, zum Beispiel einer Batterie oder einem Kondensator, verbindbar beziehungsweise verbunden sein, wobei die Quelle elektrischer Energie Teil der Brennstoffzellenvorrichtung oder separat bereitgestellt sein kann.
Der Brennstoffzellenstapel 1 kann ferner eine Temperierfluidpumpe T und/oder wenigstens ein Sperrventil S1 , S2 aufweisen, um das im Thermoisolierbehalter 5 befindliche Temperierfluid aus diesem herausfördern beziehungsweise abgetrennt vom restlichen Temperierpfad in diesem speichern zu können. Die Temperierfluidpumpe T kann im Thermoisolierbehalter 5 angeordnet und zum Beispiel an einem der Temperiertunnel 6, 7, etwa dem Temperiertunnel 7
angeschlossen sein. Das wenigstens eine Sperrventil S1 , S2 ist in einem beispielsweise so angeordnet, dass es einen der Temperiertunnel 6, 7 sperren und somit ein Strömen des Temperierfluids durch den gesperrten Temperiertunnel 6, 7 verhindern kann. Vorzugsweise ist jeder der Temperiertunnel 6, 7 jeweils durch ein Sperrventil S1 , S2 sperr- oder verschließbar.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente der Brennstoffzellenvorrichtung, die im Folgenden für die beispielhafte Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt sind, sind dieselben Bezugszeichen wie im
Ausführungsbeispiel der Figur 1 verwendet.
Das Verfahren 20 des Ausführungsbeispiels der Figur 2 startet mit einem ersten
Verfahrensschritt 21. Im folgenden Verfahrensschritt 22 wird ermittelt, ob die
Brennstoffzellenvorrichtung im Betrieb oder außer Betrieb ist. Ist die Brennstoffzellenvorrichtung in Betrieb, kann auf den Verfahrensschritt 22 der Verfahrensschritt 23 folgen, in dem
Temperierfluid, das von der zumindest einen Brennstoffzelle 2 abgegebene Abwärme enthält, in den Thermoisolierbehälter 5 geleitet wird. Das Temperierfluid kann im Betrieb der
Brennstoffzellenvorrichtung kontinuierlich durch den Thermoisolierbehälter 5 strömen.
Wird die Brennstoffzellenvorrichtung im nun folgenden Verfahrensschritt 24 außer Betrieb genommen, kann im nächsten Verfahrensschritt 25 der Thermoisolierbehälter 5 vom restlichen Temperierpfad abgetrennt und zum Beispiel mithilfe des zumindest einen Sperrventils verschlossen werden. Vor dem Abtrennen oder Verschließen des Thermoisolierbehälters 5 kann im Verfahrensschritt 25 Temperierfluid aus der zumindest einen Brennstoffzelle 2 in den Thermoisolierbehälter 5 geleitet werden, damit dieser Restwärme aufweisendes Temperierfluid enthält, selbst wenn das Temperierfluid im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung nicht durch den Thermoisolierbehälter 5 und zum Beispiel nur durch die wenigstens eine Brennstoffzelle 2 strömt.
Ist der Thermoisolierbehälter 5 verschlossen, kann im optional folgenden Verfahrensschritt 26 die Temperatur des Temperierfluids gemessen und beispielsweise überwacht werden. Die Temperatur kann beispielsweise in vorgegebenen Zeitabständen, in zuvor bestimmten
Zeitpunkten oder kontinuierlich gemessen beziehungsweise überwacht werden. Liegt die Temperatur des Temperierfluids unterhalb einer vorgegebenen Mindesttemperatur, so kann auf den Verfahrensschritt 26 der Verfahrensschritt 27 folgen, in dem dem Temperierfluid
Wärmeenergie zugeführt wird. Hierzu wird das Temperierfluid beispielsweise mit dem
Heizelement 8 beheizt. Liegt die Temperatur des Temperierfluids oberhalb der vorbestimmten Mindesttemperatur, so kann der Verfahrensschritt 26 wiederholt werden oder auf den Verfahrensschritt 26 der Verfahrensschritt 28 folgen, in dem das Verfahren 20 endet und beispielsweise auf einen Neustart der Brennstoffzellenvorrichtung gewartet wird.
Wird im Verfahrensschritt 22 festgestellt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung nicht in Betrieb ist oder außer Betrieb genommen wird, kann die Brennstoffzellenvorrichtung im Verfahrensschritt 29 in Betrieb genommen werden. Zum Beispiel bei einem nahenden Start eines von der Brennstoffzellenvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgenden Verbrauchers kann die Brennstoffzellenvorrichtung automatisch oder manuell in Betrieb genommen werden.
Im folgenden Verfahrensschritt 30 wird die Temperatur des im Thermoisolierbehalter 5 vorhandenen Temperierfluids und optional die Temperatur der Brennstoffzellenvorrichtung bestimmt. Liegt die Temperatur der Brennstoffzellenvorrichtung und insbesondere des
Brennstoffzellenstapels 1 unterhalb einer optimalen Betriebstemperatur und liegt die
Temperatur des Temperierfluids im Thermoisolierbehalter 5 unterhalb einer Mindesttemperatur, so kann auf den Verfahrensschritt 30 der Verfahrensschritt 31 folgen, in dem das Temperierfluid im Thermoisolierbehalter 5 erwärmt wird, zum Beispiel mit dem Heizelement 8. Hat die
Temperatur des Temperierfluids die Mindesttemperatur erreicht, kann das Verfahren 20 im Verfahrensschritt 28 enden, indem die wenigstens eine Brennstoffzelle 2 mit dem
Temperierfluid aus dem Thermoisolierbehalter 5 erwärmt und dieses hierzu vom
Thermoisolierbehälter 5 in die mindestens eine Brennstoffzelle 2 geleitet wird.
Wird im Verfahrensschritt 30 festgestellt, dass die Temperatur des Temperierfluids der
Mindesttemperatur entspricht oder größer ist als die Mindesttemperatur, kann sich der
Verfahrensschritt 28 an den Verfahrensschritt 30 anschließen und die wenigstens eine
Brennstoffzelle 2 mit dem Temperierfluid aus dem Thermoisolierbehälter 5 erwärmt und dieses hierzu vom Thermoisolierbehälter 5 in die mindestens eine Brennstoffzelle 2 geleitet werden.
Es kann zum Beispiel unnötig sein, das Temperierfluid im Verfahrensschritt 30 aufzuwärmen, wenn es trotz der Lagerung im Thermoisolierbehälter 5 noch ausreichend warm ist oder wenn ihm bereits während der Lagerung ausreichend Wärme zugeführt wurde. Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 Brennstoffzelle
3, 4 Endplatte
5 Thermoisolierbehälter
6, 7 Temperiertunnel
8 Heizelement
9, 10 Anschlusskontakte des Heizelementes
1 1 Seitenwand des Thermoisolierbehälters
20 Verfahren
21 Start
22 Brennstoffzellenvorrichtung im Betrieb ?
23 Temperierfluid in Thermoisolierbehälter leiten
24 Brennstoffzellenvorrichtung außer Betrieb nehmen
25 Thermoisolierbehälter verschließen
26 Temperatur des Temperierfluids messen
27 Temperierfluid Wärmeenergie zuführen
28 Ende (Temperierfluid zur Brennstoffzelle leiten)
29 Brennstoffzellenvorrichtung in Betrieb nehmen
30 Temperatur des Temperierfluids messen
31 Temperierfluid aufwärmen
S1 , S2 Sperrventil
T Temperierfluidpumpe

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel (1 ), der mindestens eine zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordnete Brennstoffzelle (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1 ) einen Thermoisolierbehalter (5) für ein Temperierfluid zum Temperieren der Brennstoffzellenvorrichtung aufweist.
2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Thermoisolierbehalter (5) an einer der Endplatten (3) angebracht ist.
3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Endplatte (3), an der der Thermoisolierbehalter (5) angebracht ist, zwischen dem
Thermoisolierbehalter (5) und der zumindest einen Brennstoffzelle (2) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (3), an der der Thermoisolierbehalter (5) angebracht ist, den
Thermoisolierbehalter (5) und die zumindest eine Brennstoffzelle (2) Temperierfluid leitend miteinander verbindet.
5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Temperierpfad zur Leitung eines
Temperierfluids und zum Temperieren der zumindest einen Brennstoffzelle (2) aufweist, wobei sich der Temperierpfad durch den Thermoisolierbehalter (5) erstreckt.
6. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung wenigstens ein Sperrventil (S1 , S2) aufweist, mit dem ein Temperierfluidstrom zwischen dem Thermoisolierbehalter (5) und der Brennstoffzelle (2) unterbrechbar ist, und/oder dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine
Temperierfluidpumpe (T) aufweist, mit der Temperierfluid zwischen dem
Thermoisolierbehalter (5) und der Brennstoffzelle förderbar ist.
7. Verfahren (20) zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, bei dem die
Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Temperierfluid temperiert wird, dadurch
gekennzeichnet, dass das eine Restwärme aus vorherigem Betrieb der
Brennstoffzellenvorrichtung aufweisende Temperierfluid bei einem Startvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung zum Aufwärmen der Brennstoffzellenvorrichtung verwendet wird (28).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Restwärme dem
Temperierfluid aus Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung entnommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Temperierfluid vor dem Startvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung zusätzlich Wärme zugeführt wird (31 ).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels der
Brennstoffzellenvorrichtung enthaltenes Temperierfluid zumindest teilweise durch das Temperierfluid mit der Restwärme ersetzt wird (28).
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