AT526262A1 - Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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AT526262A1 ATA50526/2022A AT505262022A AT526262A1 AT 526262 A1 AT526262 A1 AT 526262A1 AT 505262022 A AT505262022 A AT 505262022A AT 526262 A1 AT526262 A1 AT 526262A1
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fuel cell
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse (10) für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Gehäusewandung (20), welche einen Gehäuseinnraum (22) umschließt, wo- bei im Gehäuseinnenraum (22) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Ab- scheiden von Wasser (W) aus einem Anodenabgas (AAG) für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas (RZG) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter im Gehäuseinnenraum (22) ein Teil eines Kühlkreislaufs (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100) zum Temperieren des Gehäuseinnenraums (22) angeordnet ist, wobei die Ab- scheidevorrichtung (30) einen Anodenabgas-Einlass (32) aufweist für eine Aufnahme von Anodenabgas (AAG) von einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Rezirkulationsgas-Auslass (34) aufweist für einen Auslass des Anodenabgases (AAG) als Rezirkulationsgas (RZG) in einen Anodenzufuhrabschnitt (122) für eine Zufuhr zu dem Anodenabschitt (120) des Brennstoffzellenstapels (100).

Description

Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzel-
lensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Temperiergehäuse sowie ein Verfahren für ein Temperieren eines Tempe-
riergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Vorrichtungen aufweisen, um einzelne Komponenten zu temperieren. Insbesondere ist es bekannt, dass in solchen Brennstoffzellensystemen einzelne Komponenten sehr hohe Temperaturen erreichen, sodass sie gekühlt werden müssen. Auch ist es bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen Wasser entsteht, welches im Anodenabgas auftritt und abgetrennt werden soll. Für das Abtrennen muss das Wasser aus dem Anodenabgas ab-
geschieden werden.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere in speziellen Betriebssituationen, wie einem Kaltstart oder insbesondere dem sogenannten Froststart, also einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0° Celsius, es durch ungleichmäßige Wärmeverteilung und/oder Erwärmung zu unerwünschter Abkühlung des Anodenabgases und/oder zu Vereisungen innerhalb der Abscheidevorrichtung kommen kann. Dies hat den Nachteil, dass es zu Austrocknung kommen kann und/oder ein Starten nur unter erschwerten Bedingungen oder sogar überhaupt nicht stattfinden kann. Um diesem Problem zu begegnen, sind bekannte Lösungen darauf gerichtet, Abscheidevorrichtungen mit elektrischen Heizelementen zu versehen, um in Kaltstartsituationen oder Forststartsituationen mithilfe elektrischer
Leistung ein Erwärmen zu ermöglichen und damit eine Vereisung zu vermeiden.
Die bekannten Lösungen sind jedoch dahingehend nachteilhaft, da sie entweder ohne Temperiermöglichkeit für die Abscheidevorrichtung den Betriebsbereich und insbesondere die möglichen Startbedingungen einschränken. Zum anderen ist die bekannte Lösung nachteilhaft, da beim Verwenden elektrischer Heizvorrichtungen, die-
se die Komplexität, die Kosten und den Bauraumbedarf erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorlie-
sätzliche Konditionierung des Anodenabgases zu ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Temperiergehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. 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 dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wech-
selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein Temperiergehäuse für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird. Ein solches Temperiergehäuse weist eine Gehäusewandung auf, welche einen Gehäuseinnenraum umschließt. Innerhalb des Gehäuseinnenraums ist eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus einem Anodenabgas für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse zeichnet sich dadurch aus, dass im Gehäuseinnenraum ein Teil eines Kühlkreislaufs zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems zum Temperieren des Gehäuseinnenraums angeordnet ist. Dabei ist die Abscheidevorrichtung mit einem Anodenabgas-Einlass ausgestattet, für eine Aufnahme von Anodenabgas von einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Weiter weist die Abscheidevorrichtung einen Rezirkulationsgas-Auslass auf, für einen Auslass des Anodenabgases als Rezirkulationsgas in einen Anodenzufuhrabschnitt, für
eine Zufuhr zu dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Abscheidevorrichtung mit einer aktiven Temperiermöglichkeit zu versehen. Diese aktive Temperiermöglichkeit ist jedoch nicht durch eine separate Temperiervorrichtung ausgebildet, wie sie beispielsweise im Stand der Technik durch elektrische Heizmittel gewährleistet wurde. Vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Temperiergehäuse während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entstehende Abwärme von ande-
ren Komponenten, hier den Systemkomponenten, zum Temperieren der Abscheide-
vorrichtung verwenden. Um diese Sekundärnutzung der aufgenommenen Abwärme
von Systemkomponenten auszubilden, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
das Temperiergehäuse mit einem Teil des Kühlkreislaufs ausgestattet.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEMBrennstoffzellensystem ausgebildet. Bei einem PEM-Brennstoffzellensystem ist es notwendig, entstehende Abwärme in einem entsprechend ausgebildeten Kühlkreislauf abzuführen. Die Membran einer PEM-Brennstoffzelle beginnt ab Temperaturen von über 95 °C Schaden zu nehmen, da sich Sulfonsäureketten ab diesen Temperaturen zersetzen. Daher weist das Brennstoffzellensystem Kühlkreisläufe auf, um die Brennstoffzellen und alle anderen Systemkomponenten vor einer Überhitzung zu schützen. Dieser Kühlkreislauf weist dann in der Regel höhere Temperaturen auf als zum Beispiel ein Kühlkreislauf für die Batterie oder die Leistungselektronik. Das Kühlwasser im Kühlkreislauf weist eine Maximaltemperatur von etwa 90 °C bis etwa 95 °C auf.
Unter Systemkomponenten sind im Rahmen der Erfindung vorteilhaft alle Komponenten des Brennstoffzellensystems wie die Balance-of-Plant-Komponenten und/oder die Hochtemperaturkreis-Komponenten zu verstehen.
Ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse nutzt nun diese entstehende Abwärme von Systemkomponenten, insbesondere die Abwärme des Brennstoffzellenstapels, und die Tatsache, dass diese Abwärme sich zumindest teilweise bereits in einem Kühlmittel innerhalb des Kühlkreislaufs befindet. Durch die konstruktive Ausgestaltung eines Teils des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums des Temperaturgehäuses wird es nun möglich, diese Abwärme zumindest teilweise für ein Temperieren des Gehäuseinnenraums zu verwenden. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, wie die Wärmeübertragung von dem Teil des Kühlkreislaufs an dem Gehäuseinnenraum stattfindet. Dabei kann es sich um einfache Wärmeübertragungsflächen, aber auch komplexere Möglichkeiten handeln, welche die verschiedenen Wärmetransportphänomene, insbesondere Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion, zum Wärmeübergang von dem aufgeheizten Kühlmittel an den Gehäusein-
nenraum übernehmen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt es also, Abwärme, welche beim Start eines Brennstoffzellensystems an Systemkomponenten sehr schnell entsteht, mittels
der bereits vorhandenen und benötigten Kühlfunktion aufzunehmen und in das Tem-
gemäßes Temperiergehäuse weiter gesteigert werden kann.
Unter dem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse wird insbesondere auch ein integrales Bauteil verstanden, welches alle Komponenten und deren Funktionen umfasst, wie insbesondere Wärmetauscher, Abscheider, Injektor, Behälter. Bei dieser Ausführungsform ist dann auch der Gehäuseinnenraum integral mit den ganzen anderen Bauteilen und Komponenten ausgebildet. Ein derartiges Temperiergehäuse wird bevorzugt zumindest teilweise durch 3-D-Druck oder durch ein anderes Fertigungsver-
fahren hergestellt.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Kondensattank angeordnet ist, in fluidkommunizierender Verbindung mit der Abscheidevorrichtung zur Aufnahme von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenem Wasser. Darunter ist zu verstehen, dass beim Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Gasstrom des Anodenabgases,
dieses zwar grundsätzlich auch an andere Komponenten weitergeleitet oder auch
keit vermieden werden kann.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäRen Temperiergehäuse ein Ablassventil für ein Ablassen von flüssigem, aus dem Anodenabgas abgeschiedenen, Wasser vorgesehen ist. Ein solches Ablassventil kann in Kombination mit einem Kondensattank gemäß dem voranstehenden Absatz eingesetzt werden. Jedoch ist grundsätzlich auch ein solches Ablassventil ohne einen Kondensattank denkbar. Das Ablassventil kann innerhalb, aber auch bei spezifischen Ausführungsvarianten des Temperiergehäuses außerhalb, des Gehäuseinnenraums angeordnet sein. Die Anordnung des Ablassventils innerhalb des Gehäuseinnenraums bringt die gleichen Vorteile der Temperierung mit sich, sodass auch hier ein unerwünschtes Vereisen bei Kaltstart- oder Froststartsituationen auch für
diese Komponente in Form des Ablassventils reduziert werden kann.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Teilabschnitt des Anodenzufuhrabschnitts angeordnet ist. Der Anodenzufuhrabschnitt wird bei dieser Ausführungsform, also in diesem Teilabschnitt, ebenfalls durch den Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses geleitet. Damit steht die Temperierfunktionalität des Teils des Kühlkreislaufs auch für diesen Teil des Anodenzufuhrabschnitts zur Verfügung. Der Anodenzufuhrabschnitt, der hier temperiert wird, kann sowohl ein Teilabschnitt sein, welcher ausschließlich, von extern zugeführten, Brennstoff enthält. Jedoch kann der Teil des Anodenzufuhrabschnitts innerhalb des Gehäuseinnenraums auch bereits nach einer Mischvorrichtung mit dem Rezirkulationsgas angeordnet sein, sodass eine Mischkammer zum Vermischen von Brennstoff und Rezirkulationsgas zu einem gemeinsamen Mischgas als Anodenzuführgas ebenfalls innerhalb des Gehäuseraums platziert sein kann. Die erfindungsgemäße Temperiermöglichkeit wird hier auf den regu-
lären Betrieb erweitert, sodass eine Vorwärmung von extern zur Verfügung gestell-
ter verstärkt.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse der Gehäuseinnenraum frei von einem Wärmetauscher ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie im voranstehenden Absatz erläutert worden ist, ein Teil des Anodenzufuhrabschnitts in den Gehäuseinnenraum integriert ist. Der Wärmetauscher ist dabei nach dieser Definition eine Vorrichtung, bei welchem aktiv und in geführter Weise Fluid im Wärmeaustausch mit anderem Fluid strömt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Plattenwärmetauscher oder ähnliche Wärmetauscherarten handeln, wie sie später noch kurz erläutert werden. Die erfindungsgemäße Temperierfunktionalität in der unspezifischen Weise, nämlich in einer Art und Weise, dass der gesamte Gehäuseinnenraum des Temperiergehäuses aufgeheizt wird, führt dazu, dass auf solche spezifischen Wärmetauscher bei dieser Ausführungsform verzichtet werden
kann.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse im Gehäuseinnenraum ein Wärmetauscher für ein Erwärmen von Rezirkulationsgas und/oder von Anodenzuführgas angeordnet ist. Je nach tatsächlich anfallender Menge an Abwärme von den Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems kann vorausberechnet werden, ob die Temperierfunktionalität ausreicht, um die gewünschte Vorwärmung von Rezirkulationsgas, Brennstoff oder Mischgas als Anodenzuführgas zu gewährleisten. Ist diese Temperierfunktion nicht ausreichend dimensioniert, so kann mithilfe von zusätzlichen Wärmetauschern ein spezifisches, stärkeres Erwärmen für die einzelnen Gasströme zur Verfügung gestellt werden. Dadurch, dass diese Wärmetauscher nun auch in den Gehäuseinnenraum integriert sind, müssen sie nicht mehr die vollständige Erwärmung zur Verfügung stellen, sondern bauen sozusagen auf der Basistemperierung mithilfe des Temperiergehäuses
auf.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse
im Gehäuseinnenraum eine Ejektorvorrichtung des Anodenzufuhrabschnitts wenigs-
vermieden werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung Fluidleitungen aufweist, welche den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zumindest teilweise ausbilden. Während grundsätzlich jede Form von Wärmeübergang an das Innenvolumen des Gehäuseinnenraums ausreicht, um die Temperierfunktionalität in erfindungsgemäßer Weise zur Verfügung zu stellen, können solche Kühlleitungen eine deutlich genauere Temperierfunktion erlauben. Die Kühlleitungen können dabei zum Beispiel netzartig in die Gehäusewandung integriert sein, und insbesondere in unterschiedlichen Bereichen der Gehäusewandung unterschiedlich starke Wärmeübertragungsfunktionen zur Verfügung stellen. So ist es beispielsweise denkbar, dass im Bereich der Abscheidevorrichtung eine so sehr hohe Anzahl an Kühlleitungen vorgesehen ist, um eine überproportional große Menge der geförderten Abwärme innerhalb des Kühlmittels im Kühlkreislauf auch tatsächlich der Abscheidevorrichtung zur Verfügung stellen zu können. Das Integrieren der Fluidleitungen in die Gehäusewandung reduziert den Platzbedarf noch weiter und kann auf diese Weise den Vorteil des verbesserten Bauraums weiter stär-
ken.
Auch vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Temperiergehäuse die Gehäusewandung wenigstens einen Isolierabschnitt aufweist, für eine thermische Isolation des Gehäuseinnenraums gegen die Umgebung des Temperiergehäuses.
Eine solche thermische Isolation kann zum Beispiel als thermische Isolierschicht
gigkeit von der Umgebungstemperatur sich vergrößert.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäRen Temperiergehäuse der Teil des Kühlkreislaufs Kontrollmittel, insbesondere in Form von wenigstens einem Kontrollventil, aufweist, für eine Kontrolle der Fluidströmung durch den Teil des Kühlkreislaufs im Gehäuseinnenraum zur Kontrolle der Temperierleistung. Darunter ist zu verstehen, dass der Volumenstrom und die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs die Temperierleistung vorgeben. Je höher die Temperatur ist, umso geringer kann der Volumenstrom gewählt werden, um die Vereisungswahrscheinlichkeit zu reduzieren. Um nun eine Kontrollmöglichkeit zu geben, sind Kontrollventile einsetzbar, welche entweder in qualitativer Weise den Fluidstrom durch diesen Teil des Kühlkreislaufs vollständig absperren oder vollständig freischalten. Auch eine quantitative Kontrolle, zum Beispiel durch ein tatsächliches Einstellen und Regeln eines Volumenstroms an Kühlfluid durch diesen Teil des
Kühlkreislaufs, ist grundsätzlich denkbar.
Darüber hinaus ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Anodenzuführgas und einem Anodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzufuhrabschnitt zur Zufuhr von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabfuhrabschnitt zur Abfuhr von Kathodenabgas ausgestattet. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreislauf zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabfuhrabschnitt eine Abscheidevorrichtung für ein Abscheiden von Wasser aus dem Anodenabgas innerhalb eines erfindungsgemäßen Temperiergehäuses angeordnet ist. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert worden
sind.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Temperie-
ren eines Temperiergehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Kaltstart
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schrit-
te: — Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems,
— Betreiben eines Kühlkreislaufs zur Aufnahme von Abwärme von Sys-
temkomponenten des Brennstoffzellensystems,
— Führen wenigstens eines Teils der aufgenommenen Abwärme in den Teil des Kühlkreislaufs innerhalb des Gehäuseinnenraums zum Abge-
ben an die Abscheidevorrichtung.
Auch ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Temperiergehäuse erläutert wor-
den sind.
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. Es zeigen schema-
tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-
stoffzellensystems,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-
stoffzellensystems,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-
stoffzellensystems.
ser Ausführung zumindest teilweise der Rezirkulation zugeführt.
Um nun eine Rezirkulation des Anodenabgases AAG als Rezirkulationsgas RZG zur Verfügung zu stellen, ist hier das Abscheiden von flüssigem Wasser W gewünscht. Um dies zu gewährleisten, wird das Anodenabgas AAG einer Abscheidevorrichtung 30 zugeführt, welche in der Lage ist, flüssiges Wasser W aus dem Anodenabgas AAG abzutrennen und hier über ein Ablassventil 50 abzulassen. Das getrocknete Anodenabgas AAG wird als Rezirkulationsgas RZG aus der Abscheidevorrichtung 30 über den Rezirkulationsgas-Auslass 34 ausgegeben und einem Mischabschnitt im Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt. In diesem Mischabschnitt erfolgt das Vermischen des Rezirkulationsgases RZG mit einem nicht näher dargestellten Brennstoff zu einem Mischgas, welches dann wiederum als Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenzufuhrabschnitt 122 zugeführt wird.
Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist zumindest die Abscheidevorrichtung 30 mit dem Rezirkulationsgas-Auslass 34 und dem Anodenabgas-Einlass 32 innerhalb eines Gehäuseinnenraums 22 eines Temperiergehäuses 10 angeordnet und wird damit von der Gehäusewandung 20 im Wesentlichen eingeschlossen. Dies führt dazu, dass innerhalb dieses Temperiergehäuses 10 eine definierte Temperatur eingestellt werden kann, also ein Temperieren erfolgen kann. Um dieses Temperieren aktiv be-
einflussen zu können, ist hier ein Teilabschnitt eines Kühlkreislaufs 140 dargestellt.
eines Froststarts.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil des Kühlkreislaufs 140, welcher Teil des Gehäuseinnenraums 22 ist, nun als Fluidleitung 24 in die Gehäusewandung 20 integriert. Dies führt zu einer höheren Kompaktheit und gleichzeitig einer noch besseren Wärmeverteilung beim Temperieren des Gehäuseinnenraums 22. Als Alternative zu der Variante der Figur 1 ist hier anstelle eines Ablassventils 50 ein Kondensattank 40 vorgesehen, welcher abgeschiedenes Wasser W von der Abscheidevorrichtung 30 aufnehmen
und speichern kann.
In der Figur 3 ist dieser Kondensattank 40 der Figur 2 nun mit dem Ablassventil 52 der Figur 1 kombiniert, sodass der Kondensattank 40 sozusagen ein Zwischenspeichern gewährleisten kann und zu bestimmten Zeitpunkten ein Ablassen des flüssigen Wassers W möglich ist. Nicht näher dargestellt aber grundsätzlich auch möglich ist das Vorsehen eines sogenannten Purge Ventils an der Oberseite der Abscheidevor-
richtung 30, um Purge Vorgänge ebenfalls zur Verfügung stellen zu können.
Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist darüber hinaus nun die Mischvorrichtung für das Vermischen eines Rezirkulationsgases RZG mit einem Brennstoff ebenfalls in den Gehäuseinnenraum 22 integriert. Dies führt dazu, dass nicht nur das Rezirkulationsgas RZG, sondern auch der zugeführte Brennstoff und anschließend das erzeugte Mischgas als Anodenzuführgas AZG durch die Temperierfunktionalität des Temperiergehäuses 10 beeinflusst und damit vorgewärmt werden können. Bei der Aus-
führungsform der Figur 3 ist diese Temperier- und Vorwärmmöglichkeit so stark aus-
kann.
Die Figur 4 zeigt eine Variante, welche ein stärkeres Vorwärmen benötigt, als dies durch die Temperierfunktion des Temperiergehäuses 10 zur Verfügung gestellt werden kann. Daher ist hier im Anodenzufuhrabschnitt 122 in den Gehäuseinnenraum 22 integriert ein Wärmetauscher 60 vorgesehen, welcher hier den zugeführten Brennstoff noch vor dem Vermischen mit dem Rezirkulationsgas RZG vorwärmen kann.
Die Figur 5 zeigt eine Variante, bei welcher die Abschottung von der Umgebung verstärkt ist. Um dies zu erzielen, ist das Temperiergehäuse 10 und die Gehäusewandung 20 mit einem Isolierabschnitt 26 ausgestaltet, welcher eine thermische Isolierung zur Umgebung gewährleistet. Das Einbringen von Wärme bei heißen Umgebungssituationen sowie der Verlust von Wärme bei kalten Umgebungssituationen kann auf diese Weise deutlich reduziert werden. Die Kontrollmöglichkeiten für den Temperiervorgang selbst steigen auf diese Weise. Darüber hinaus ist bei der Figur 5 eine Variante dargestellt, bei welcher eine Kontrollierbarkeit des Fluidstroms durch den Kühlkreislauf 140 gegeben ist. Hier sind insgesamt drei Kontrollmittel 80 in Form von Kontrollventilen dargestellt, welche es erlauben, in qualitativer oder sogar quantitativer Weise den Volumenstrom am Kühlmittel und damit die eingebrachte Wärmemenge für die Temperierfunktion zu kontrollieren. In einem Fall ist dabei sogar ein vollständiger Bypass möglich, sodass die Temperierfunktion durch diese Kontrollmittel 80 nicht nur variiert sondern auch vollständig ausgeschaltet werden kann.
Darüber hinaus zeigen die Figuren 4 und 5 die Verwendung einer sogenannten Ejektorvorrichtung 70, welche zum Teil im Gehäuseinnenraum 22 angeordnet ist. Diese Ejektorvorrichtung 70 dient dazu, zugeführten Brennstoff und Rezirkulationsgas RZG zu vermischen und durch eine Ejektordüse hindurchzuführen. Bei dieser Ejektorfunktionalität entstehen Druckunterschiede, welche zu einem Ansaugen und damit einem aktiven Fördern des Rezirkulationsgases RZG führen. Diese Form der Förderung ist bevorzugt, da keine mechanisch bewegten, insbesondere rotierten, Bauteile für die
Förderung des Rezirkulationsgases RZG benötigt werden.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende
Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Temperiergehäuse
20 Gehäusewandung
22 Gehäuseinnraum
24 Fluidleitung
26 Isolierabschnitt
30 Abscheidevorrichtung 32 Anodenabgas-Einlass 34 Rezirkulationsgas-Auslass 40 Kondensattank
50 Ablassventil
60 Wärmetauscher
70 Ejektorvorrichtung
80 Kontrollmittel
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt
122 Anodenzufuhrabschnitt 124 Anodenabfuhrabschnitt 130 Kathodenabschnitt
132 Kathodenzufuhrabschnitt 134 Kathodenabfuhrabschnitt 140 Kühlkreislauf
AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas
KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas RZG Rezirkulationsgas W Wasser

Claims (11)

Patentansprüche
1. Temperiergehäuse (10) für ein Temperieren von Komponenten eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Gehäusewandung (20), welche einen Gehäuseinnraum (22) umschließt, wobei im Gehäuseinnenraum (22) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Abscheiden von Wasser (W) aus einem Anodenabgas (AAG) für die Rezirkulation als Rezirkulationsgas (RZG) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter im Gehäuseinnenraum (22) ein Teil eines Kühlkreislaufs (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100) zum Temperieren des Gehäuseinnenraums (22) angeordnet ist, wobei die Abscheidevorrichtung (30) einen AnodenabgasEinlass (32) aufweist für eine Aufnahme von Anodenabgas (AAG) von einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Rezirkulationsgas-Auslass (34) aufweist für einen Auslass des Anodenabgases (AAG) als Rezirkulationsgas (RZG) in einen Anodenzufuhrabschnitt (122) für eine Zufuhr zu dem Anodenabschitt (120)
des Brennstoffzellenstapels (100).
2. Temperiergehäuse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Kondensattank (40) angeordnet ist in fluidkommunizierender Verbindung mit der Abscheidevorrichtung (30) zur Aufnahme
von flüssigem, aus dem Anodenabgas (AAG) abgeschiedenem Wasser (W).
3. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablassventil (50) für ein Ablassen von flüssigem, aus dem Anodenabgas (AAG) abgeschiedenem Wasser (W) vorge-
sehen ist.
4. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Teilabschnitt des Anodenzufuhrabschnitts (122) angeordnet ist.
5. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseinnenraum (22) frei von einem
Wärmetauscher (60) ist.
6. Temperiergehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-
zeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) ein Wärmetauscher (60) für ein
7. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (22) eine Ejektorvorrichtung (70) des Anodenzufuhrabschnitts (122) wenigstens teilweise ange-
ordnet ist.
8. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (20) Fluidleitungen (24) aufweist, welche den Teil des Kühlkreislaufs (140) im Gehäuseinnenraum
(22) zumindest teilweise ausbilden.
9. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (20) wenigstens einen Isolierabschnitt (26) aufweist für eine thermische Isolation des Gehäuseinnen-
raums (22) gegen die Umgebung des Temperiergehäuses (10).
10. Temperiergehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Kühlkreislaufs (140) Kontrollmittel (80), insbesondere in Form von wenigstens einem Kontrollventil, aufweist für eine Kontrolle der Fluidströmung durch den Teil des Kühlkreislaufs (140)
im Gehäuseinnenraum (22) zur Kontrolle der Temperierleistung.
11. Brennstoffzellensystem (100) aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) mit einem Anodenzufuhrabschnitt (122) zur Zufuhr von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabfuhrabschnitt (124) zur Abfuhr von Anodenabgas (AAG), weiter mit einem Kathodenabschnitt (130) mit einem Kathodenzufuhrabschnitt (132) zur Zufuhr von Kathodenzuführgas (KZG) und einem Kathodenabfuhrabschnitt (134) zur Abfuhr von Kathodenabgas (KAG), weiter aufweisend einen Kühlkreislauf (140) zur Kühlung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100), dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabfuhrabschnitt (124) eine Abscheidevorrichtung (30) für ein Abscheiden von Wasser (W) aus dem Anodenabgas (AAG) innerhalb eines Temperiergehäuses (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
genden Schritte: - Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems (100),
- Betreiben eines Kühlkreislaufs (140) zur Aufnahme von Abwärme von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems (100),
- Führen wenigstens eines Teils der aufgenommenen Abwärme in den Teil des Kühlkreislaufs (140) innerhalb des Gehäuseinnenraums (22)
zum Abgeben an die Abscheidevorrichtung (30).
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