WO2016110345A1

WO2016110345A1 - Temperiervorrichtung für ein brennstoffzellensystem sowie brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2016110345A1
Application number: PCT/EP2015/075969
Authority: WO
Inventors: Marius WALTERS; Axel KUHLMANN; Rene Savelsberg; Maximilian WICK
Original assignee: Fev Gmbh
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2016-07-14
Also published as: DE112015005903A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (50), aufweisend eine Temperierleitung (20) zum Transport eines Temperierfluids, wobei die Temperierleitung (20) einen Kontaktabschnitt (22) aufweist, der zumindest abschnittsweise mit einem Bauelement (51) des Brennstoffzellensystems (50) für einen Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid und dem Bauelement (51) in Verbindung bringbar ist, wobei während eines Betriebsstarts des Brennstoffzellensystems (50) das Bauelement (51) durch das Temperierfluid erwärmbar ist und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (50) das Bauelement (51) durch das Temperierfluid kühlbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (50), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (52) und eine Temperiervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (50).

Description

Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Brennstoffzellensystem

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Temperierleitung zum Transport eines Temperierfluids, wobei die Temperierleitung einen Kontaktabschnitt aufweist, der zumindest abschnittsweise mit einem Bauelement des Brennstoffzellensystems für einen Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid und dem Bauelement in Verbindung bringbar ist, wobei während eines Betriebsstarts des Brennstoffzellensystems das Bauelement durch das Temperierfluid erwärmbar ist und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems das Bauelement durch das Temperierfluid kühlbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel und eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem.

Brennstoffzellen werden in der modernen Technik vielfältig als Energiequellen eingesetzt. Insbesondere werden dabei oftmals mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem zusammengefasst. Die Brennstoffzellen in einem derartigen Brennstoffzellensystem müssen bei einem Betrieb mit verschiedenen Medien versorgt werden, beispielsweise mit Wasserstoff und Luft. Darüber hinaus wird beim Betrieb der Brennstoffzellen Abwärme erzeugt, so dass insbesondere auch eine Kühlung der Brennstoffzellen, insbesondere durch eine Kühlvorrichtung mit einem beispielsweise flüssigen Kühlmittel, sichergestellt werden muss. Andererseits benötigen die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems eine minimale Betriebstemperatur, damit ein effizientes Betreiben des Brennstoffzellensystems möglich ist. Eine weitere Anforderung an Brennstoffellensysteme, insbesondere beispielsweise bei Brennstoffsystemen in Fahrzeugen, ist daher eine möglichst schnelle Aufheizung des Brennstoffzellensystems auf zumindest diese minimale Betriebstemperatur bei einem Beginn des Betriebs des Brennstoffzellensystems.

Die Verwendung einer Abwärme von bereits im Brennstoffzellensystem verbauten Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise einem Ladeluftkühler, zur Erwärmung des Brennstoffzellensystems bei einem Betriebsbeginn des Brennstoffzellensystems wird bereits eingesetzt, siehe beispielsweise die DE 10 2009 012 993 A1 oder die DE 10 2007 061 959 A1 . Es ist ferner bekannt, für eine Kühlung des Brennstoffzellensystems während des Betriebs sowie für die Erwärmung des Brennstoffzellensystems während eines Startvorgangs eines Betriebs des Brennstoffzellensystems eine gemeinsame Temperiervorrichtung einzusetzen, siehe beispielsweise DE 102 02 471 B4 und ebenfalls DE 10 2009 012 993 A1 .

Es hat sich dabei als nachteilig bei den bekannten Lösungen herausgestellt, dass entweder eine separate, zusätzliche Vorrichtung oder der gesamte vorhandene Kühlkreislauf für die Erwärmung verwendet wird. Dadurch ist beispielsweise eine Integration dieser Systeme, insbesondere bedingt durch einen erhöhten Bauraumbedarf, erschwert. Auch muss darüber hinaus beispielsweise bei Verwendung des gesamten vorhandenen Kühlkreislaufs für eine Erwärmung ein großes Volumen an Kühlflüssigkeit aufgeheizt werden, wodurch die Aufheizzeit verlängert ist und ein hoher Energieverbrauch auftritt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine schnelle Erhitzung des Brennstoffzellensystems bei einem Betriebsstart ermöglichen. Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. In einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Temperierleitung zum Transport eines Temperierfluids, wobei die Temperierleitung einen Kontaktabschnitt aufweist, der zumindest abschnittsweise mit einem Bauelement des Brennstoffzellensystems für einen Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid und dem Bauelement in Verbindung bringbar ist, wobei während eines Betriebsstarts des Brennstoffzellensystems das Bauelement durch das Temperierfluid erwärmbar ist und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems das Bauelement durch das Temperierfluid kühlbar ist. Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierleitung ein Kurzschlusselement aufweist, durch das ein Leitungsteil der Temperierleitung kurzschließbar ist, wobei der Leitungsteil den Kontaktabschnitt umfasst und zum Kontaktieren einer Wärmequelle ausgebildet ist.

Durch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung ist sowohl ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Betriebsbeginn, als auch ein Kühlen des Brennstoffzellensystems während eines laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Insbesondere im laufenden Betrieb kann dabei die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung Teil eines Kühlkreislaufes eines Brennstoffzellensystems sein. Darüber hinaus ist natürlich auch eine Regelung der Temperatur des Brennstoffzellensystems während des Betriebs auf einen insbesondere konstanten Wert durch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung möglich. So kann die Temperatur eines Brennstoffzellensystems beispielsweise durch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung auf einen engen Bereich, zum Beispiel auf 80°C +/-10°C oder sogar +/-5°C eingeregelt werden. Das Aufheizen kann dabei selbstverständlich auch einen Gefrierstart, das heißt einen Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, umfassen. Die Temperiervorrichtung weist dafür insbesondere eine Temperierleitung auf, in der ein Temperierfluid, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, strömen kann. Um einen Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid in der Temperierleitung und dem zu temperierenden Teil des Brennstoffzellensystems sicherzustellen, weist die Temperierleitung einen Kontaktabschnitt auf, der mit einem Bauteil, insbesondere dem zu temperierenden Bauteil, des Brennstoffzellensystems in Verbindung bringbar ist. Eine derartige Verbindung kann dabei ein einfaches, beispielsweise flächiges Kontaktieren des Kontaktabschnittes und des Bauteils sein. Eine weitere beispielhafte Möglichkeit einer Verbindung stellt auch eine bauliche Integration des Kontaktabschnitts in das Bauteil des Brennstoffzellensystems dar. Ein Wärmetransport im Sinne der Erfindung umfasst dabei selbstverständlich sowohl einen Transport von Wärmeenergie vom Temperierfluid zum Bauteil, also einen Aufheizvorgang, als auch einen Transport von Wärmeenergie vom Bauteil zum Temperierfluid, also einen Kühlvorgang. Der Aufheizvorgang kann bevorzugt während eines Betriebsstarts des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden, um das Brennstoffzellensystem auf zumindest eine minimale Betriebstemperatur aufzuheizen. Ein besonders schnelles Starten eines Betriebs des Brennstoffzellensystems, insbesondere eines effizienten Betriebs des Brennstoffzellensystems, kann dadurch ermöglicht werden. Der Kühlvorgang kann bevorzugt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden, um eine Überhitzung des Brennstoffzellensystems zu vermeiden. Eine Beschädigung des Brennstoffzellensystems bedingt durch eine zu hohe Betriebstemperatur kann dadurch vermieden werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist vorgesehen, dass die Temperierleitung ein Kurzschlusselement aufweist. Durch dieses Kurzschlusselement kann ein Leitungsteil der Temperierleitung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, kurzgeschlossen werden. Dabei wird der Leitungsteil durch das Kurzschlusselement auch vom restlichen Kühlkreislauf abgetrennt. Dies bedeutet insbesondere, dass der Leitungsteil im kurzgeschlossenen Zustand einen geschlossenen Kreislauf bilden kann, in dem das Kühlfluid zirkulieren kann. Dabei ist ferner vorgesehen, dass der Leitungsteil den Kontaktabschnitt umfasst. Dieser Kontaktabschnitt ist erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise mit einem Bauelement des Brennstoffzellensystems in Verbindung bringbar. Insbesondere ist erfindungsgemäß ferner vorgesehen, dass der Leitungsteil zum Kontaktieren einer Wärmequelle ausgebildet ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch im kurzgeschlossenen Zustand des Leitungsteils ein Wärmetransport zwischen der Wärmequelle und dem zumindest einem Bauelement des Brennstoffzellensystems über das Temperierfluid im Leitungsteil ermöglicht ist. Insbesondere kann durch den Kurzschluss das Volumen des zirkulierenden und zum Wärmetransport verwendeten Temperierfluids verkleinert werden, da durch den Kurzschluss des Leitungsteils insbesondere nicht der gesamte Kühlkreislauf verwendet wird. Insbesondere beim Aufheizvorgang ist dies vorteilhaft, da für eine Erwärmung bzw. Aufheizung des Bauelements des Brennstoffzellensystems, mit dem der Kontaktabschnitt der Temperierleitung in Verbindung steht, zuerst das Temperierfluid durch die Wärmequelle erwärmt werden muss. Durch ein verkleinertes Volumen des Temperierfluids, das durch ein Kurzschließen des Leitungsteils ermöglicht ist, kann dieses Erwärmen schneller und mit einem geringeren Energieaufwand durchgeführt werden. Die Zeit, die für ein Erwärmen auf zumindest auf eine minimale Betriebstemperatur bei einem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems nötig ist, kann dadurch verkürzt werden. Eine derartige Aufnahme des Betriebs eines Brennstoffzellensystems ist dadurch schneller durchführbar. Nach dem Betriebsstart wird ein erfindungsgemäßer Kurzschluss des Leitungsteils der Temperierleitung durch eine Deaktivierung des Kurzschlusselements aufgehoben und insbesondere wieder die gesamte Temperierleitung für die Strömung des Temperierfluids verwendet. Dies kann einen weiteren Vorteil darstellen, da das Temperierfluid im Leitungsteil nach dem Erwärmen des Bauelements des Brennstoffzellensystems oftmals eine für eine Kühlung des Bauelements zu hohe Temperatur aufweist. Durch das Verbinden des Leitungsteils mit der restlichen Temperierleitung, in der sich bevorzugt ein nicht erwärmtes, kühleres Temperierfluid befindet, kann erreicht werden, dass eine Temperatur des Kühlfluids in der gesamten Temperierleitung durch Vermischung deutlich schneller eine für eine Kühlung des Bauelements angepasste Temperatur erreicht. Die Zeit zwischen einer Erwärmung des Bauelements und dem Durchführen einer Kühlung des Bauelements kann somit durch einen erfindungsgemäßen Kurzschluss ebenfalls verkürzt werden. Der Betrieb eines Brennstoffzellensystems kann dadurch sicherer gestaltet werden, da die Gefahr einer möglichen Überhitzung des Brennstoffzellensystems direkt nach einem Kaltstart beseitigt oder zumindest deutlich verringert werden kann. Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung derart ausgebildet sein, dass wenigstens der Leitungsteil und/oder das Kurzschlusselement zumindest teilweise in einer Endplatte eines Brennstoffzellensystems anordenbar sind. Durch die dadurch ermöglichte Integrierbarkeit zumindest eines Teils einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung in eine Endplatte eines Brennstoffzellensystems kann ein möglichst kompakter Aufbau eines derartigen Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Dies kann insbesondere in Einsatzgebieten von Brennstoffzellensystemen mit geringem vorhandenem Bauraum, wie beispielsweise im Fahrzeugbau, vorteilhaft sein.

Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorgesehen sein, dass der Kontaktabschnitt mit einem Brennstoffzellenstapel als Bauelement des Brennstoffzellensystems in Verbindung bringbar ist. Ein Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung kann dabei eine oder bevorzugt auch mehrere Brennstoffzellen umfassen. In einem Brennstoffzellenstapel, insbesondere in dessen Brennstoffzellen, läuft eine Reaktion ab, durch die im Brennstoffzellensystem Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt wird. Beispielsweise können dabei Wasserstoff und (Luft-)Sauerstoff miteinander reagieren. Zusätzlich entsteht bei diesen Reaktionen auch Abwärme, wodurch sich ein Brennstoffzellenstapel während des Betriebs aufheizt. Durch eine Verbindung des Kontaktabschnitts mit dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere mit den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, kann eine besonders gute und effektive Kühlung des Brennstoffzellenstapels und damit des gesamten Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Darüber hinaus stellt der Brennstoffzellenstapel auch den Bereich des Brennstoffzellensystems dar, der bei einem Betriebsstart auf eine minimale Betriebstemperatur gebracht werden sollte, um einen sicheren und effektiven Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Auch dies kann durch eine Verbindung des Kontaktabschnitts mit dem Brennstoffzellenstapel besonders einfach sichergestellt werden.

Auch kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahingehend ausgebildet sein, dass das Kurzschlusselement als ein, insbesondere steuerbares, Mischventil ausgebildet ist. Durch ein derartiges Mischventil ist es möglich, eine Temperatur im kurzgeschlossenen Leitungsteil einzustellen. Durch eine Steuerbarkeit kann insbesondere auch eine Regelung auf verschiedene Temperaturen ermöglicht werden. Dazu kann beispielsweise durch das Mischventil dem Temperierfluid im Leitungsteil Temperierfluid aus der restlichen Temperierleitung zugemischt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Temperierfluid im kurzgeschlossenen Leitungsteil eine derart hohe Temperatur aufweist, dass es bereits zu einer Beeinträchtigung des mit dem Kontaktabschnitt verbundenen Bauelements des Brennstoffzellensystems kommen könnte. Eine Vermeidung einer Gefährdung des Bauelements und damit die Sicherheit für das Brennstoffzellensystem insbesondere bei einem Erwärmen während eines Betriebsstarts kann somit erhöht werden.

Alternativ und/oder zusätzlich kann bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ferner vorgesehen sein, dass das Kurzschlusselement als ein Thermostatventil ausgebildet ist. Ein Thermostatventil ist ebenfalls zum Einstellen einer Temperatur im Leitungsabschnitt ausgebildet. Die Temperatur wird dabei durch das Thermostatventil durch eine Steuerung der Durchflussmenge geregelt bzw. eingestellt. Auch dadurch kann eine Regelung der Temperatur, sowohl in Bezug auf eine Erhöhung der Temperatur als auch in Bezug auf ein Absenken der Temperatur, ermöglicht werden. Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass das Kurzschlusselement als ein Kombinationsventil ausgebildet ist, das Eigenschaften eines Mischventils und eines Thermostatventils in sich vereint.

Auch kann eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass im Leitungsteil eine Tempenerfluidpumpe angeordnet ist. Durch eine derartige Temperierfluidpumpe kann ein Zirkulieren des Temperierfluids im Leitungsteil besonders einfach sichergestellt werden. Dabei kann durch die Temperierfluidpumpe beispielsweise im Leitungsteil dieselbe Strömungsrichtung erzeugt werden, die auch im Betrieb bei einer Verbindung des Leitungsteils mit dem restlichen Kühlkreislauf im Leitungsteil vorherrschen würde. Selbstverständlich kann durch eine Temperierfluidpumpe auch eine gegenläufige Durchströmung ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Temperierfluidpumpe einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung auch zum Fördern von Temperierfluid in beide Richtungen ausgebildet sein. Ein besonders vielseitiger Betrieb kann somit durch eine derartige Temperierfluidpumpe bereitgestellt werden. Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorgesehen sein, dass die Wärmequelle ein elektrischer Widerstand ist. Dabei kann der elektrische Widerstand beispielsweise ein Heizwiderstand sein, der insbesondere in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels anordenbar sein kann. Eine Leistungselektronik, die beispielsweise zum Ansteuern des elektrischen Widerstands oder eines nachgeschalteten Verbrauchers verwendet werden kann, kann selbstverständlich ebenfalls als Wärmequelle verwendet werden. Darüber hinaus ist auch denkbar, eine vorhandene elektrische Spannung des Brenn stoffzellen Systems über den elektrischen Widerstand abzubauen und die daraus entstehende Abwärme zur Erwärmung des Temperierfluids zu verwenden. Es ist dabei eine automatische und/oder manuelle Zuschaltung des elektrischen Widerstands denkbar, wobei die Verwendung des elektrischen Widerstands als Wärmequelle selbstverständlich alternativ und/oder zusätzlich zu anderen Wärmequellen erfolgen kann. Vielfältige und dabei besonders einfache Anwendungsmöglichkeiten können somit durch die Verwendung eines elektrischen Widerstands als Wärmequelle bereitgestellt werden.

Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahingehend ausgebildet sein, dass die Wärmequelle eine Abwärme einer Komponente des Brennstoffzellensystems ist. Dadurch kann eine Notwendigkeit für eine zusätzliche Heizung als Wärmequelle vermieden werden. Dies reduziert zum einen den benötigten Bauraum, wodurch ein Brennstoffzellensystem, der mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ausgestattet ist, kleiner und kompakter aufgebaut sein kann. Insbesondere können die Komponenten beispielsweise in eine Wärmeübertragungsplatte oder bevorzugt in eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels integrierbar ausgestaltet sein. Auch eine Anordnung der Wärmequelle direkt am Kontaktabschnitt ist selbstverständlich denkbar. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einer Abwärme einer bereits vorhandenen Komponente des Brennstoffzellensystems eine Einsparung von Energie, da die Abwärme sonst verloren gehen würde und die Wärmequelle zusätzlich Energie verbrauchen würde. Eine Steigerung der Energieeffizienz beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems kann dadurch erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass als Komponente ein Ladeluftkühler, ein Verdichterantrieb, ein Wechselrichter und/oder ein Gleichspannungswandler verwendbar sind. Selbstverständlich können auch andere Abwärme produzierende Komponenten des Brennstoffzellensystems oder sogar von anderen Systemen als Wärmequelle verwendet werden. Eine besonders einfache und platzsparende Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems, das mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ausgestattet ist, kann dadurch erreicht werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Brenn stoffzellen system, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel und eine Temperiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wo notwendig und/oder sinnvoll, auch mehrere Temperiervorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweisen. Auch kann der Brennstoffzellenstapel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems eine oder bevorzugt auch mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Ferner kann eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zumindest teilweise in eine oder mehrere Endplatten des Brennstoffzellensystems integriert sein. Die zum Temperieren verwendete Wärmequelle kann darüber hinaus sowohl als externes Bauteil vorgesehen sein aber auch in das Brennstoffzellensystem integriert sein.

Besonders bevorzugt kann ferner bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Wärmequelle eine Abwärme einer Komponente des Brennstoffzellensystems ist und dass die Komponente in eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels integriert ist. Eine Endplatte kann dabei insbesondere ein Bauelement des Brennstoffzellenstapels sein, das an einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Eine derartige Endplatte, bzw. ein Paar von Endplatten, kann beispielsweise zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden. Durch eine Verwendung der Abwärme einer Komponente des Brennstoffzellensystems kann, wie oben bereits ausgeführt, Energie beim Betrieb und insbesondere bei einem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems eingespart werden. Darüber hinaus kann durch eine Integration dieser Komponente in die Endplatte des Brennstoffzellenstapels ein besonders kompakter Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Selbstverständlich können auch mehrere Komponenten des Brennstoffzellensystems als Wärmequelle verwendet werden, die bevorzugt, insbesondere alle, in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels integriert sind. Hierbei kann selbstverständlich eine Reihenfolge bzw. eine räumliche Anordnung der einzelnen verwendeten Komponenten variabel ausgebildet sein, um eine vielfältig einsetzbares Brennstoffzellensystem zu schaffen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine erste mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine zweite mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 eine dritte mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 4 eine vierte mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und Fig. 5 eine fünfte mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. In den Fig. 1 , 2, 3, 4 und 5 werden beispielhaft verschiedene mögliche Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 50 gezeigt, die jeweils mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 10 ausgestattet sind. Die Temperiervorrichtung 10 ist dabei insbesondere als ein Teil eines Kühlkreislaufes 1 1 ausgebildet, wobei sie mit einem Rest des Kühlkreislaufes 1 1 über eine Temperierleitung 20 verbunden ist. Im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems 50 kann somit der Brennstoffzellenstapel 52 durch das Temperierfluid, das im Kühlkreislauf 1 1 und damit in der Temperiervorrichtung 10 zirkuliert, gekühlt werden. Die einzelnen Ausgestaltungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Wärmequelle 40, die zur Erwärmung des Temperierfluids in der Temperierleitung 20, insbesondere im Leitungsteil 21 der Temperierleitung 20, verwendet werden. Im Folgenden werden daher die Fig. 1 , 2, 3, 4 und 5 gemeinsam beschrieben, wobei die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der einzelnen Ausgestaltungsformen herausgehoben werden. Die gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 50 weisen jeweils eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 10 auf, die derart mit einem Bauelement 51 des Brennstoffzellensystems 50 verbunden ist, dass das Bauelement 51 , hier ein Brennstoffzellenstapel 52, durch die Temperiervorrichtung 10 erwärmbar bzw. kühlbar ist. Die Temperiervorrichtung 10 weist dafür eine Temperierleitung 20 auf, in der, gefördert durch eine Temperierfluidpumpe 23, das Temperierfluid strömt. Die Temperierfluidpumpe 23 ist dabei in eine Endplatte 53 des Brennstoffzellenstapels 50 integriert. Eine Verkleinerung des für das Brennstoffzellensystem 50 notwendigen Bauraums kann bereits dadurch erreicht werden. Dargestellt ist eine Temperierfluidpumpe 23, die eine Durchströmung des Leitungsteils 21 im Uhrzeigersinn ermöglicht. Selbstverständlich kann durch eine entsprechend angeordnete Temperierfluidpumpe 23 (nicht mit abgebildet) auch eine gegenläufige Durchströmung ermöglicht werden. Dafür kann beispielsweise auch eine zweite Temperierfluidpumpe 23 (nicht mit abgebildet) vorgesehen sein oder, dass die vorhandene Temperierfluidpumpe 23 ist zum Fördern von Temperierfluid in beide Richtungen ausgebildet ist. Durch die Verbindung eines Kontaktabschnitts 22 der Temperierleitung 20 mit dem Bauelement 51 ist ein Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid und dem Bauelement 51 ermöglicht, wobei bei einem Wärmetransport von der Temperierleitung 20 zum Bauelement 51 eine Erwärmung des Bauelements 51 und bei einem Wärmetransport vom Bauelement 51 zur Temperierleitung 20 eine Kühlung des Bauelements 51 erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 10 weist insbesondere ein Kurzschlusselement 30 auf, das als kombiniertes Misch- 31 und Thermostatventil 32 ausgebildet ist. Durch dieses Kurzschlusselement 30 ist es möglich, einen Leitungsteil 21 der Temperierleitung 20 zumindest teilweise und/oder vollständig kurzzuschließen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Leitungsteil 21 dabei sowohl den Kontaktabschnitt 22 umfasst als auch eine Verbindung zu einer Wärmequelle 40 aufweist, wobei die Wärmequelle 40 bevorzugt als eine Komponente 41 des Brennstoffzellensystems 50 ausgebildet ist. In den in den Fig. 1 , 2, 3 und 4 gezeigten Ausgestaltungsformen einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 10 wird dabei als Komponente 41 zumindest ein Ladeluftkühler 42 verwendet. Die zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 50 verwendete Luft wird durch einen Verdichter 54 komprimiert und über eine Ladeluftleitung 55 dem Brennstoffzellenstapel 52 zugeführt. Beim Verdichten kommt es zu einer Erwärmung der Luft, wobei diese Wärmeenergie im Ladeluftkühler 42 an das Temperierfluid in der Temperierleitung 20 abgegeben wird. Durch den Kurzschluss des Leitungsteils 21 , der durch das Kurzschlusselement 30 ermöglicht ist, wird das Volumen des zirkulierenden Temperierfluids deutlich verkleinert. Ein schnelleres Aufheizen des Temperierfluids und damit des mit dem Kontaktabschnitt 22 verbundenen Bauelements 51 des Brennstoffzellensystems 50 ist dadurch ermöglicht. In Fig. 1 wird der Ladeluftkühler 42 als alleinige Wärmequelle 40 verwendet. In Fig. 2 wird als Wärmequelle 40 zusätzlich ein Verdichterantrieb 43 des Verdichters 54 eingesetzt. In Fig. 3 kommt erneut zusätzlich als Wärmequelle 40 ein mit dem Verdichterantrieb 43 verbundener Wechselrichter 44 hinzu. Zusätzlich kann, wie in Fig. 4 gezeigt auch ein Gleichspannungswandler 45 als Wärmequelle 40 verwendet werden. Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltungsform, in der als Wärmequelle (40) ein durch einen Schalter 58 zuschaltbarer elektrischer Widerstand 57 verwendet wird. Dieser elektrische Widerstand 57 kann ebenfalls, wie abgebildet, eine Komponente 41 des Brennstoffzellensystems 50 sein. Eine Verwendung insbesondere eines derartigen elektrischen Widerstands 57 als Wärmequelle 40 kann wie abgebildet alternativ oder zusätzlich (nicht mit abgebildet) zu anderen Wärmequellen 40 erfolgen. Selbstverständlich können auch die anderen abgebildeten verschiedenen Komponenten 41 auch einzeln und/oder in beliebiger Kombination als Wärmequelle 40 eingesetzt werden. Auch die räumliche Anordnung und/oder eine Reihenfolge der verwendeten Wärmequelle(n) 40 können verändert und den Erfordernissen des jeweiligen Brennstoffzellensystems 50 angepasst werden. Viele verschiedene, auf das jeweilige Einsatzgebiet des Brennstoffzellensystems 50 anpassbare, Möglichkeiten zur Bereitstellung einer Wärmequelle 40 sind dadurch ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es wenn, wie bei den dargestellten Ausgestaltungsformen, als Wärmequellen 40 Komponenten 41 des Brennstoffzellensystems 50 verwendet werden. Dadurch können externe Heizungen vermieden werden, wodurch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 50 kompakter aufgebaut und energieeffizienter betrieben werden kann. Eine weitere Steigerung bezüglich einer ermöglichten kompakten Bauweise eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 50 ergibt sich durch eine mögliche Integration der als Wärmequelle 40 verwendeten Komponente 41 in eine Endplatte 53 des Brennstoffzellenstapels 52, wie in Fig. 2, 3, 4, 5 für den Verdichterantrieb 43, den Wechselrichter 44 bzw. den elektrischen Widerstand 57 gezeigt. Zusammenfassend kann somit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 50 durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Temperierleitung 10 erreicht werden, dass ein Aufheizvorgang eines Bauelements 51 , beispielsweise eines Brennstoffzellenstapels 52, bei einem Betriebsbeginn des Brennstoffzellensystems 50 beschleunigt werden kann. Dies wird insbesondere durch die Möglichkeit eines Kurzschlusses des Leitungsteils 21 der Temperierleitung 20 durch ein Kurzschlusselement 30 ermöglicht. Die Verwendung von Komponenten 41 des Brennstoffzellensystems 50 als Wärmequelle 40 sowie eine Integration der verwendeten Komponente(n) 41 in eine Endplatte 53 des Brennstoffzellenstapels 52 ermöglicht es, ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 50 kompakter zu gestalten.

B ez u g s ze i c h e n l i s te

Temperiervorrichtung

Kühlkreislauf Temperierleitung

Leitungsteil

Kontaktabschnitt

Temperierfluidpumpe Kurzschlusselement

Mischventil

Thermostatventil Wärmequelle

Komponente

Ladeluftkühler

Verdichterantrieb

Wechselrichter

Gleichspannungswandler Brennstoffzellensystem

Bauelement

Brennstoffzellenstapel

Endplatte

Verdichter

Ladeluftleitung

Leistungselektronik

Elektrischer Widerstand

Schalter

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1 . Temperiervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (50), aufweisend eine Temperierleitung (20) zum Transport eines Temperierfluids, wobei die Temperierleitung (20) einen Kontaktabschnitt (22) aufweist, der zumindest abschnittsweise mit einem Bauelement (51 ) des Brennstoffzellensystems (50) für einen Wärmetransport zwischen dem Temperierfluid und dem Bauelement (51 ) in Verbindung bringbar ist, wobei während eines Betriebsstarts des Brennstoffzellensystems (50) das Bauelement (51 ) durch das Temperierfluid erwärmbar ist und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems

(50) das Bauelement (51 ) durch das Temperierfluid kühlbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Temperierleitung (20) ein Kurzschlusselement (30) aufweist, durch das ein Leitungsteil (21 ) der Temperierleitung (20) kurzschließbar ist, wobei der Leitungsteil (21 ) den Kontaktabschnitt (22) umfasst und zum Kontaktieren einer Wärmequelle (40) ausgebildet ist.

2. Temperiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens der Leitungsteil (21 ) und/oder das Kurzschlusselement (30) zumindest teilweise in einer Endplatte (53) eines Brennstoffzellensystems (50) anordenbar sind.

3. Temperiervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Kontaktabschnitt (22) mit einem Brennstoffzellenstapel (52) als Bauelement

(51 ) des Brennstoffzellensystems (50) in Verbindung bringbar ist.

4. Temperiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Kurzschlusselement (30) als ein, insbesondere steuerbares, Mischventil (31 ) ausgebildet ist.

5. Temperiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das Kurzschlusselement (30) als ein Thermostatventil (32) ausgebildet ist.

6. Temperiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass im Leitungsteil (21 ) eine Temperierfluidpumpe (23) angeordnet ist.

7. Temperiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wärmequelle (40) ein elektrischer Widerstand ist.

8. Temperiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wärmequelle (40) eine Abwärme einer Komponente (41 ) des Brennstoffzellensystems (50) ist.

9. Temperiervorrichtung (10) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Komponente (41 ) ein Ladeluftkühler (42), ein Verdichterantrieb (43), ein Wechselrichter (44) und/oder ein Gleichspannungswandler (45) verwendbar sind.

10. Brennstoffzellensystem (50), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (52) und eine Temperiervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (50),

dadurch gekennzeichnet,

dass die Temperiervorrichtung (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.

1 1 . Brennstoffzellensystem (50) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wärmequelle (40) eine Abwärme einer Komponente (41 ) des Brennstoffzellensystems (50) ist und dass die Komponente (41 ) in eine Endplatte (53) des Brennstoffzellenstapels (52) integriert ist.