DE102009048393B3 - Cooling system for cooling a fuel cell system in a vehicle, comprises a first heat transfer carrier, which forms a thermal connection between the fuel cell system and a fuel from a fuel tank of the vehicle, and a cooling circuit - Google Patents

Cooling system for cooling a fuel cell system in a vehicle, comprises a first heat transfer carrier, which forms a thermal connection between the fuel cell system and a fuel from a fuel tank of the vehicle, and a cooling circuit Download PDF

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Abstract

The cooling system (4) for cooling a fuel cell system (2) in a vehicle, comprises a first heat transfer carrier, which forms a thermal connection between the fuel cell system and a fuel (8) from a fuel tank (6) of the vehicle, a cooling circuit with a second heat transfer carrier having flow channels, a valve assembly with valves and a control unit connected to the valve, where the control unit is connected to the cooling system optionally, successively, simultaneously or alternately with the fuel tanks, and temperature sensors for detecting the temperature of the fuel in the fuel tanks. The cooling system (4) for cooling a fuel cell system (2) in a vehicle, comprises a first heat transfer carrier, which forms a thermal connection between the fuel cell system and a fuel (8) from a fuel tank (6) of the vehicle, a cooling circuit with a second heat transfer carrier having flow channels, a valve assembly with valves and a control unit connected to the valve, where the control unit is connected to the cooling system optionally, successively, simultaneously or alternately with the fuel tanks, and temperature sensors for detecting the temperature of the fuel in the fuel tanks, where the temperature sensors are connected with the control unit, which is adapted to the cooling system with the fuel tank in which the fuel has a lower temperature than in the remaining fuel tanks. The first heat transfer is connected over a contact surface with a heat emitting contact surface of the fuel cell system, is arranged in a first cooling circuit flowable by a first fluid and is connected with a fuel inlet for introducing the fuel as first fluid into the first heat transfer carrier and with a fuel outlet for discharging the fuel from the first heat transfer carrier in the fuel tank. The second heat transfer carrier is arranged in the fuel tank and the heat passes to the fuel surrounding the second heat transfer carrier. The first and second heat transfer carriers are thermally connected together. The second heat transfer carrier is flowable by the first fluid, which consists of materials such as water, oil and/or ethanol. The housing of the cooling system is implemented in power-tight manner so that heat delivers from the operation of the fuel cell system at the fuel surrounding the housing into the fuel tank. A heat deliver device is arranged in the housing. Independent claims are included for (1) a fuel cell system; and (2) a method for cooling a fuel cell system.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Kühlen von Brennstoffzellensystemen, die Verwendung eines Brennstoffzellensystems sowie ein Flugzeug mit mindestens einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system, a method for cooling fuel cell systems, the use of a fuel cell system and an aircraft with at least one fuel cell system.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Verwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen, insbesondere Flugzeugen, bietet sich durch eine sehr geringe Geräusch- und Schadstoffemission in verschiedenen Operationsphasen des Fahrzeugs an. Neben der Bereitstellung von elektrischer Leistung produzieren Brennstoffzellensysteme je nach Größe und Bauart auch eine entsprechende Abwärme, die es abzuführen gilt. Hierfür werden im Stand der Technik unter anderem Wasser durchströmte Wärmeübertrager eingesetzt, die thermisch mit dem Brennstoffzellensystem in Verbindung stehen. Leistungsfähige Brennstoffzellensysteme, die aus einem oder mehreren sogenannten „Stacks” gebildet sind, erfordern aufgrund der teilweise recht hohen Wärmeentwicklung bei einer derartigen Kühlung beträchtliche Mengen an Kühlluft, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems auf optimalem Niveau zu halten.The use of fuel cell systems in vehicles, in particular aircraft, offers itself through a very low noise and pollutant emissions in various phases of the operation of the vehicle. In addition to the provision of electrical power fuel cell systems produce depending on the size and design also a corresponding waste heat, which must be dissipated. For this purpose, inter alia, water-flow heat exchangers are used in the prior art, which are thermally in communication with the fuel cell system. Efficient fuel cell systems, which are formed from one or more so-called "stacks" require due to the sometimes quite high heat generation in such cooling considerable amounts of cooling air to keep the operating temperature of the fuel cell system at an optimal level.

In DE 10 2006 046 114 A1 wird weiterhin eine Kühlanordnung zur Kühlung einer Brennstoffzelle für ein Luftfahrzeug gezeigt, die ein Peltierelement aufweist, welches mit seiner Kaltseite mit der Brennstoffzelle in Kontakt ist.In DE 10 2006 046 114 A1 Furthermore, a cooling arrangement for cooling a fuel cell for an aircraft is shown, which has a Peltier element, which is in contact with its cold side with the fuel cell.

In DE 10 2007 060 428 B3 und WO 2009 077 048 A1 wird außerdem ein Verdampfungskühlsystem gezeigt, das in Wärmekontakt mit einer Brennstoffzelle steht, um im Betrieb der Brennstoffzelle von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme durch Verdampfen eines Kühlmediums aufzunehmen und von der Brennstoffzelle abzuführen.In DE 10 2007 060 428 B3 and WO 2009 077 048 A1 In addition, an evaporative cooling system is shown that is in thermal contact with a fuel cell to receive in operation of the fuel cell generated by the fuel cell by evaporation of a cooling medium and dissipate heat from the fuel cell.

DE 10 2006 034 816 A1 zeigt einen Hybridbrennstoffzellen- und Kondensatkühler für Luftfahrzeuge, der auf der Abkühlung eines Wasserstoffspeichers bei der Entnahme von Wasserstoff basiert. DE 10 2006 034 816 A1 shows a hybrid fuel cell and condensate cooler for aircraft, which is based on the cooling of a hydrogen storage in the removal of hydrogen.

DE 10 2007 061 991 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystemmodul zum Einsatz in einem Luftfahrzeug, das modular mit einem Rumpfabschnitt des Luftfahrzeugs verbunden ist. DE 10 2007 061 991 A1 shows a fuel cell system module for use in an aircraft that is modularly connected to a body portion of the aircraft.

US 2008/0057367 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, welches eine kompakte Bauform aufweist und einen geregelten Gasdurchtritt durch Textilmaterialien zum Schutz vor Austrocknung ermöglicht. US 2008/0057367 A1 shows a fuel cell system, which has a compact design and allows a controlled passage of gas through textile materials to protect against dehydration.

US 2009/0011304 A1 zeigt eine Membranelektrodenanordnung mit einer Elektrolytmembran, die aus einem Polymermaterial gefertigt ist, einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 1 angeordnet werden, wobei eine Abdeckung an der Luftelektrode mit einer Anzahl von Einlassöffnungen ausgerüstet ist. US 2009/0011304 A1 shows a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane made of a polymer material, a fuel electrode and an air electrode disposed on both sides of the electrolyte membrane 1 be arranged, wherein a cover is equipped on the air electrode with a number of inlet openings.

Das Kühlen eines Brennstoffzellensystems ist insbesondere bei der Integration in ein Flugzeug eine große Herausforderung. Dies ist ganz besonders bei Niedertemperaturbrennstoffzellen der Fall, bei denen das Temperaturniveau in der Regel deutlich unter 100°C liegt. An warmen Tagen ergibt sich somit ein entsprechend niedriger Temperaturgradient zwischen dem Brennstoffzellensystem und der Umgebungsluft, so dass die Wärmeübertragung an die Umgebung erschwert wird.Cooling a fuel cell system is a major challenge, especially when integrated into an aircraft. This is particularly the case with low-temperature fuel cells, where the temperature level is generally well below 100 ° C. On warm days, this results in a correspondingly low temperature gradient between the fuel cell system and the ambient air, so that the heat transfer to the environment is difficult.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Besonders bei der Verwendung von Brennstoffzellensystemen in Flugzeugen und dem damit verbundenen Kühlbedarf könnte es als nachteilig angesehen werden, ausreichende Kühlluftmengen bereitzustellen oder zur Kühlung oder zum Fördern einer hohen Kühlluftmenge erforderliche elektrische Leistung an Bord des Flugzeugs zu erzeugen, da besonders an Bord von Flugzeugen die Bestrebung zum Verringern des Kraftstoffbedarfs eine Minimierung des Energiebedarfs herrscht.Especially with the use of fuel cell systems in aircraft and the associated cooling requirements, it could be considered disadvantageous to provide sufficient cooling air quantities or to produce cooling or conveying a high amount of cooling air required electrical power on board the aircraft, especially on board aircraft aspiration To reduce the fuel demand there is a minimization of the energy requirement.

Die Aufgabe der Erfindung könnte demnach darin liegen, ein Kühlsystem zum Kühlen von Brennstoffzellensystemen vorzuschlagen, bei dem sowohl eine ausreichende Kühlung eines Brennstoffzellensystems erreicht werden kann, gleichzeitig jedoch der Kühlluftbedarf und der Energiebedarf zum Kühlen minimiert werden können.The object of the invention could therefore be to propose a cooling system for cooling fuel cell systems, in which both a sufficient cooling of a fuel cell system can be achieved, but at the same time the cooling air requirement and the energy required for cooling can be minimized.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung könnte darin liegen, ein derartiges Kühlsystem vorzuschlagen, das möglichst eine kompakte Bauweise besitzt und einen zuverlässigen und möglichst wartungsarmen Betrieb ermöglicht.Another object of the invention may be to propose such a cooling system, which has a compact design as possible and allows reliable and low-maintenance operation possible.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved by a fuel cell system having the features of independent claim 1. Advantageous further developments can be taken from the subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welches im herkömmlichen Betrieb Wärme erzeugt, die über ein Gehäuse an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird. Besonders vorteilhaft ist das Brennstoffzellensystem im Innern eines Kraftstofftanks des Fahrzeugs integriert, so dass die an dem Gehäuse anliegende Wärme direkt an den Kraftstoff abgegeben werden kann, der mit dem Gehäuse in Berührung steht.According to a first aspect of the invention, a fuel cell system is proposed, which generates heat in conventional operation, which is delivered via a housing to the environment of the fuel cell system. Particularly advantageously, the fuel cell system is integrated in the interior of a fuel tank of the vehicle, so that the voltage applied to the housing heat directly to the Fuel can be discharged, which is in contact with the housing.

Dies hat den technischen Effekt, dass eine verbesserte Kühlung des Brennstoffzellensystems durch die in Form von Kraftstoff, beispielsweise Kerosin, realisierte Wärmesenke erreicht werden kann. Dies rührt aus der im Vergleich zu Luft deutlich höheren Wärmekapazität des Treibstoffs und aus der Tatsache, dass in größeren Fahrzeugen, die größere Brennstoffzellensysteme mit beträchtlicher Wärmeabgabe aufweisen könnten, üblicherweise entsprechend große Mengen an Kraftstoff vorgehalten werden und die Verwendung des Kraftstoffs als Wärmesenke etwa bei Flugzeugen am Boden aufgrund der häufig geringeren Temperatur des Kraftstoffs als der Umgebungsluft sehr vorteilhaft ist. Die Temperaturdifferenz zu dem Brennstoffzellensystem bzw. dem thermisch damit verbundenen Gehäuse kann dementsprechend größer als bei herkömmlichen luftgekühlten Systemen sein, so dass eine bessere Wärmeübertragung möglich ist.This has the technical effect that improved cooling of the fuel cell system can be achieved by the realized in the form of fuel, such as kerosene heat sink. This stems from the significantly higher heat capacity of the fuel compared to air and from the fact that in larger vehicles, which could have larger fuel cell systems with significant heat output, usually correspondingly large amounts of fuel are kept and the use of the fuel as a heat sink, for example in aircraft is very advantageous on the ground due to the often lower temperature of the fuel than the ambient air. The temperature difference to the fuel cell system or the thermally associated housing can be correspondingly larger than in conventional air-cooled systems, so that a better heat transfer is possible.

Aufgrund dieser Vorteile ist eine kompakte Bauweise des Brennstoffzellensystems im Vergleich zu herkömmlichen zur Kühlung verwendeten Wärmetauschern realisierbar, was sich in deutlichen Vorteilen hinsichtlich des erforderlichen Bauraums und des Gewichts niederschlägt. Weiterhin entfällt die Notwendigkeit, Rohrleitungen, Gebläse, Wärmetauscher, Strömungskanäle, Lufteinlässe und dergleichen vorzusehen, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen für Brennstoffzellensysteme deutlich Gewicht eingespart werden kann.Because of these advantages, a compact design of the fuel cell system compared to conventional heat exchangers used for cooling can be realized, which is reflected in significant advantages in terms of the required installation space and weight. Furthermore, eliminates the need to provide piping, fans, heat exchangers, flow channels, air inlets and the like, so that in comparison to conventional cooling systems for fuel cell systems can be saved significantly weight.

Gleichzeitig ist durch die relativ große Kraftstoffmasse in größeren Fahrzeugen bzw. Flugzeugen davon auszugehen, dass die Temperatur des Kraftstoffs keinen allzu großen Schwankungen unterworfen ist, so dass von einer dauerhaft zuverlässigen und ausreichenden Kühlung ausgegangen werden kann, die mit der wartungsarmen Anordnung aus einem Gehäuse in einem Kraftstofftank mit geringem Gewicht durchgeführt werden kann.At the same time is to be assumed by the relatively large fuel mass in larger vehicles or aircraft that the temperature of the fuel is not subject to excessive fluctuations, so that it can be assumed that a permanently reliable and sufficient cooling, with the low-maintenance assembly of a housing in a fuel tank with low weight can be performed.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist eine Wärmeabgabevorrichtung an dem Gehäuse angeordnet, die etwa mittels Wärmeabgabeflächen realisiert ist, welche eine profilierte Oberfläche aufweisen könnten, die eine besonders gute Wärmeabgabe an ein umgebendes Fluid erlauben. Es ist nicht erforderlich, separate Wärmeabgabevorrichtungen an dem Gehäuse anzubringen, auch das Gehäuse kann derart gestaltet sein, dass eine verbesserte Wärmeabgabe möglich ist. Im einfachsten Falle könnte eine derartige Wärmeabgabefläche in Form von Kühlrippen realisiert sein, die außen an dem Gehäuse angebracht sind. Die Erfindung ist dennoch weder auf die Verwendung von Kühlrippen oder profilierten Oberflächen allgemein beschränkt, sondern die Wärmeabgabevorrichtung könnte auch in Form einer elektrischen oder pneumatischen Vorrichtung realisiert sein.In a preferred embodiment of the cooling system according to the invention, a heat-dissipating device is arranged on the housing, which is realized by means of heat-emitting surfaces, for example, which could have a profiled surface which allows a particularly good heat release to a surrounding fluid. It is not necessary to attach separate heat-dissipating devices to the housing, and the housing may also be designed so that improved heat dissipation is possible. In the simplest case, such a heat transfer surface could be realized in the form of cooling fins, which are externally attached to the housing. However, the invention is generally not limited to the use of cooling fins or profiled surfaces, but the heat dissipation device could also be realized in the form of an electrical or pneumatic device.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Wärmeabgabevorrichtung über mindestens eine Kontaktfläche mit der Wärme abgebenden Kontaktfläche mindestens einer Brennstoffzelle verbunden und weist Wärmeübertragungsflächen, etwa Kühlrippen, auf, die mit dem Kraftstoff in dem Kraftstofftank in Berührung stehen.According to an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, the heat dissipation device is connected via at least one contact surface with the heat-emitting contact surface of at least one fuel cell and has heat transfer surfaces, such as cooling fins, which are in contact with the fuel in the fuel tank.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die an dem Brennstoffzellensystem angeordnet ist, wodurch das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, von Wandungen des Kraftstofftanks beabstandet angeordnet zu werden. Dadurch kann ein Wärmestau in wandnahen Bereichen vermieden werden und das Brennstoffzellensystem wird von allen Seiten mit Kraftstoff umspült. Dies führt weiterhin auch dazu, dass die Wärmeabgabevorrichtung über sämtliche Außenflächen des Brennstoffzellensystems verteilt sein könnte, das Gehäuse des Brennstoffzellensystems demnach die Wärmeabgabevorrichtung bilden könnte.In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, a holding device is provided, which is arranged on the fuel cell system, whereby the fuel cell system is adapted to be spaced from walls of the fuel tank. As a result, heat accumulation in areas close to the wall can be avoided and the fuel cell system is surrounded by fuel from all sides. This also leads to the fact that the heat dissipation device could be distributed over all outer surfaces of the fuel cell system, the housing of the fuel cell system could therefore form the heat dissipation device.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist mindestens eine Versorgungsleitung an dem Brennstoffzellensystem angeordnet, die dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem Brennstoffzellensystem aus dem Kraftstofftank herausgeführt zu werden. Der Begriff der mindestens einen Versorgungsleitung kann nicht nur als eine einzelne Leitung verstanden werden, sondern vielmehr auch als ein Strang von einzelnen Rohren oder Schläuchen, die in vorteilhafter Weise auch von einem gemeinsamen Kanal oder einer Umhüllung umgeben sein könnten. Die mindestens eine Versorgungsleitung ist zum Zuführen von Betriebsstoffen und Steuersignalen und zum Abführen von Reaktionsprodukten und Sensorsignalen zum Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich und erlaubt eine Abgabe der elektrischen Leistung an entsprechende Verbraucher im Flugzeug.According to an advantageous development of the fuel cell system according to the invention at least one supply line to the fuel cell system is arranged, which is adapted to be led out starting from the fuel cell system from the fuel tank. The concept of the at least one supply line can be understood not only as a single line, but rather as a string of individual tubes or hoses, which could also be advantageously surrounded by a common channel or enclosure. The at least one supply line is required for supplying operating materials and control signals and for discharging reaction products and sensor signals for operating the fuel cell and allows a delivery of the electrical power to corresponding consumers in the aircraft.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist einen Reformer auf, der dazu eingerichtet ist, direkt mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank versorgt zu werden. Dadurch könnten Leitungen zur Brennstoffzufuhr zu dem Kraftstofftank entfallen, es ist lediglich eine Eintrittsöffnung, ein Rückschlagventil und andere Sicherheitseinrichtungen erforderlich, so dass deutlich an Gewicht gespart werden kann. Reaktionsprodukte und Elektrizität geraten über entsprechende Versorgungsleitungen nach außen, das Brennstoffzellensystem könnte durch Signale von außen angesteuert werden.An advantageous development of the fuel cell system according to the invention has a reformer, which is adapted to be supplied directly with fuel from the fuel tank. This could be omitted lines for supplying fuel to the fuel tank, it is only an inlet, a check valve and other safety devices required, so that can be saved significantly in weight. Reaction products and electricity are routed to the outside via appropriate supply lines, the fuel cell system could be controlled by external signals.

Gleichermaßen ist besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße mit einer Notabschaltevorrichtung zu versehen, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu unterbinden, sobald ein vorgegebener mindestens einzuhaltender Kraftstoffpegel im Kraftstofftank erreicht oder unterschritten wird. Dadurch kann eine Überhitzung des Brennstoffzellensystems vermieden werden. Equally, it is particularly advantageous to provide the invention with an emergency shutdown device which is set up to prevent the operation of the fuel cell system as soon as a predetermined minimum fuel level to be maintained in the fuel tank is reached or undershot. As a result, overheating of the fuel cell system can be avoided.

Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems in einem Flugzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch. The object is also achieved by a method for cooling a fuel cell system in an aircraft according to the further independent claim.

Schließlich löst auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Flugzeug die Aufgabe der Erfindung gemäß einem noch weiteren unabhängigen Anspruch.Finally, the use of a fuel cell system according to the invention in an aircraft solves the object of the invention according to yet another independent claim.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.Other features, advantages and applications of the present invention will become apparent from the following description of the embodiments and the figures. All described and / or illustrated features alone and in any combination, the subject matter of the invention, regardless of their composition in the individual claims or their relationships. In the figures, the same reference numerals for identical or similar objects.

1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 1 shows a schematic view of the fuel cell system according to the invention.

2a bis 2d zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 2a to 2d show exemplary embodiments of the fuel cell system according to the invention.

3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einer schematischen Blockdarstellung. 3 shows the inventive method in a schematic block diagram.

4 zeigt ein Flugzeug mit mindestens einem Kraftstofftank und mindestens einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. 4 shows an aircraft with at least one fuel tank and at least one fuel cell system according to the invention.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS

1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2. Eine oder mehrere Brennstoffzellen 4 stehen in thermischer Verbindung mit mindestens einem Gehäuse 6, das wiederum thermisch mit Kraftstoff 8 eines Kraftstofftanks 10 in Verbindung steht. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass weder der Kraftstoff noch der Kraftstofftank 10 Gegenstand des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 ist, sondern dass das Brennstoffzellensystem 2 derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass es innerhalb eines mit Kraftstoff befüllten Kraftstofftanks 10 betrieben werden kann. 1 shows a schematic view of the fuel cell system according to the invention 2 , One or more fuel cells 4 are in thermal communication with at least one housing 6 , which in turn thermally fuel 8th a fuel tank 10 communicates. It should be pointed out at this point that neither the fuel nor the fuel tank 10 Subject of the fuel cell system according to the invention 2 is, but that the fuel cell system 2 is configured and arranged to be within a fuel tank filled with fuel 10 can be operated.

In den 2a bis 2d wird jeweils ein Kraftstofftank 12 dargestellt, der mit Kraftstoff 14 bis zu einem Pegel 16 gefüllt ist, wobei der Kraftstoff 14 jeweils ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 und 22 völlig umschließt.In the 2a to 2d each becomes a fuel tank 12 pictured with fuel 14 up to a level 16 is filled, with the fuel 14 in each case a fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 and 22 completely encloses.

Die dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 18, 20, 21 und 22 unterscheiden sich jeweils durch Vorliegen und Größe bzw. Art einer Wärmeabgabevorrichtung, ihrer Position im Kraftstofftank und ihre Größe. Während in 2a und 2d das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 18 bzw. 22 ein Gehäuse 24 aufweist, das exemplarisch an sämtlichen Wandungen eine vollflächige Wärmeabgabevorrichtung 26 beherbergt, ist in 2b ein Gehäuse 24 zu sehen, das nur teilweise mit Wärmeabgabevorrichtungen 26 bestückt ist, wohingegen in 2c keinerlei speziellen Wärmeabgabevorrichtungen 26 an dem Gehäuse 24 angeordnet sind.The illustrated fuel cell systems according to the invention 18 . 20 . 21 and 22 Each differs by the presence and size or type of heat dissipation device, their position in the fuel tank and their size. While in 2a and 2d the fuel cell system according to the invention 18 respectively. 22 a housing 24 has, for example on all walls a full-surface heat dissipation device 26 houses, is in 2 B a housing 24 to see that only partially with heat dissipation devices 26 is stocked, whereas in 2c no special heat dissipation devices 26 on the housing 24 are arranged.

Die Wärmeabgabevorrichtungen 26, die über einen bloßen Gehäusecharakter hinausgehen, könnten etwa eine geeignete Profilierung aufweisen, die die äußere Oberfläche des Wärmeabgabevorrichtung gegenüber dem Gehäuse 24 deutlich vergrößert, so dass eine verbesserte Wärmeabgabe erfolgen kann. Die Größe und Position dieser Wärmeabgabevorrichtungen 26 sind von der zu erwartenden Wärmelast und dem tolerierten Mindestkraftstoffpegel abhängig, so dass sich die Erfindung nicht darauf beschränkt, lediglich vollflächige Wärmeabgabevorrichtungen 26 bzw. Wärmeabgabeflächen vorzusehen.The heat dissipation devices 26 that go beyond a mere housing character, could have about a suitable profiling, the outer surface of the heat dissipation device relative to the housing 24 significantly increased, so that an improved heat dissipation can take place. The size and position of these heat dissipation devices 26 are dependent on the expected heat load and the tolerated minimum fuel level, so that the invention is not limited to only full-surface heat dissipation devices 26 or provide heat transfer surfaces.

An den erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemen 18, 20 und 21 ist jeweils eine Haltevorrichtung 28 angeordnet, die eine Beabstandung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 18, 20 und 21 von der Unterseite 30 und sämtlichen anderen Wandungen des Kraftstofftanks 12 erlaubt, so dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 18, 20 und 21 von allen Seiten mit Kraftstoff 14 umspült werden kann.At the fuel cell systems according to the invention 18 . 20 and 21 each is a holding device 28 arranged, which is a spacing of the fuel cell system according to the invention 18 . 20 and 21 from the bottom 30 and all other walls of the fuel tank 12 allowed, so that the fuel cell system of the invention 18 . 20 and 21 from all sides with fuel 14 can be washed around.

Das Brennstoffzellensystem 22 gemäß 2d ist direkt an der Unterseite 30 des Kraftstofftanks angeordnet und weist an diesem Ort dementsprechend keine Wärmeabgabevorrichtung 26 auf oder kühlrippenartige Wärmeabgabeflächen, die ein Durchströmen von Kraftstoff auch bei Montage nahe der Unterseite 30 erlauben.The fuel cell system 22 according to 2d is right at the bottom 30 arranged the fuel tank and has at this location accordingly no heat dissipation device 26 on or cooling rib-like heat delivery surfaces that allow fuel to flow even when mounted near the bottom 30 allow.

In den Wärmeabgabevorrichtungen 26 sind eine oder mehrere Wärmeübertragungsflächen realisiert, an denen Kraftstoff 14 Wärme aufnehmen kann. Durch eine hierdurch ausgeübte Konvektion und eine hieraus entstehende Konvektionsströmung innerhalb des Kraftstofftanks 12 wird eine Rotationsbewegung oder eine Querströmung in dem Kraftstofftank 12 hervorgerufen, durch die erwärmter Kraftstoff 14 von dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 oder 22 wegströmt und kühlerer Kraftstoff 14 an die Wärmeübertragungsflächen der Wärmeabgabevorrichtung 26 nachströmt.In the heat dispensers 26 are realized one or more heat transfer surfaces where fuel 14 Can absorb heat. By thus exerted convection and a resulting convection flow within the fuel tank 12 becomes a rotational movement or a transverse flow in the fuel tank 12 caused by the heated fuel 14 of the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 or 22 flows away and cooler fuel 14 to the heat transfer surfaces of the heat dissipation device 26 nachströmt.

Das Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 oder 22 gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Notabschaltevorrichtung 32 beinhalten, die dazu befähigt ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 18, 20, 21 oder 22 gemäß der vorliegenden Erfindung zu unterbinden, sobald eine nicht ausreichende Kühlung droht. Dies könnte der Fall sein, wenn der Pegel 16 des Kraftstoffs 14 unter einen vorgegebenen Mindestwert sinkt, der von der konkreten Ausgestaltung des jeweiligen Brennstoffzellensystems 18, 20, 21 oder 22 bzw. den daran angeordneten Wärmeabgabevorrichtungen 26 abhängt.The fuel cell system 18 . 20 . 21 or 22 According to the present invention, an emergency shutdown device 32 which is capable of operating the fuel cell system 18 . 20 . 21 or 22 to prevent according to the present invention, as soon as insufficient cooling threatens. This could be the case if the level 16 of the fuel 14 falls below a predetermined minimum value, that of the specific design of the respective fuel cell system 18 . 20 . 21 or 22 or the heat dissipation devices arranged thereon 26 depends.

Alternativ dazu könnte eine Abschaltung exemplarisch auch dann durchgeführt werden, wenn bei einer Überwachung der Temperatur der Wärmeabgabevorrichtung 26 und/oder des Gehäuses 24 mittels eines Temperatursensors 31 eine Überschreitung einer bestimmten Höchsttemperatur der Wärmeabgabevorrichtung 26 festgestellt wird. Dadurch kann eine Überhitzung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 18, 20, 21 oder 22 und eine daraus folgende Beeinträchtigung des Kraftstofftanks 12 oder Entzündung des Kraftstoffs 14 verhindert werden kann.Alternatively, a shutdown could be carried out by way of example also when monitoring the temperature of the heat dissipation device 26 and / or the housing 24 by means of a temperature sensor 31 exceeding a certain maximum temperature of the heat dissipation device 26 is detected. As a result, overheating of the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 or 22 and a consequent impairment of the fuel tank 12 or inflammation of the fuel 14 can be prevented.

Alternativ dazu kann die Notabschaltevorrichtung 32 an einem Ort außerhalb des Kraftstofftanks angeordnet werden, so dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 oder 22 von extern abgeschaltet werden kann. Dies könnte etwa in einem bereits vorhandenen Flugzeug- oder Fahrzeugsystem realisiert werden, das dazu eingerichtet ist, den Treibstoffpegel 16 aller einzelnen Kraftstofftanks 12 mittels eines Pegelsensors 33 zu überwachen.Alternatively, the emergency shutdown device 32 be arranged at a location outside of the fuel tank, so that the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 or 22 can be switched off externally. This could be realized, for example, in an existing aircraft or vehicle system that is designed to control the fuel level 16 all individual fuel tanks 12 by means of a level sensor 33 to monitor.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 18, 20, 21 und 22 weisen exemplarisch einen Reformer 34 auf, der direkt Kraftstoff 14 aus dem Kraftstofftank 12 entnehmen kann. Hierfür könnte das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 bzw. 22 eine entsprechende Öffnung 36 aufweisen, die mit einem Rückschlagventil und/oder anderen Sicherheitsvorkehrungen ausgerüstet ist. Gleichermaßen weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 bzw. 22 exemplarisch mindestens eine Versorgungsleitung 38 auf, die zum Abführen von Reformatgas, von Abgas und Elektrizität aus dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 bzw. 22 eingerichtet ist. Gleichermaßen kann über diese Versorgungsleitung 38 auch ein Abschalten oder ein Aktivieren des Betriebs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 18, 20, 21 bzw. 22 erreicht werden und Brennstoff zugeführt werden, falls eine direkte Entnahme aus dem Kraftstofftank 12 nicht vorgesehen ist oder ein alternativer Brennstoff verwendet werden soll.The fuel cell systems according to the invention 18 . 20 . 21 and 22 exemplify a reformer 34 up, the fuel directly 14 from the fuel tank 12 can take. For this purpose, the fuel cell system according to the invention could 18 . 20 . 21 respectively. 22 a corresponding opening 36 equipped with a check valve and / or other safety precautions. Equally, the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 respectively. 22 exemplarily at least one supply line 38 on, for the discharge of reformate gas, exhaust gas and electricity from the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 respectively. 22 is set up. Likewise, through this supply line 38 also switching off or activating the operation of the fuel cell system according to the invention 18 . 20 . 21 respectively. 22 be achieved and fuel supplied, if a direct removal from the fuel tank 12 is not intended or an alternative fuel is to be used.

In 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Neben dem Abgeben 40 von Wärme aus mindestens einer Brennstoffzelle 4 an mindestens eine Wärmeabgabevorrichtung 26 und dem Abgeben 42 von Wärme an mit dem Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 und 22 in Berührung stehenden Kraftstoff 14 wird optional auch die Temperatur der Wärmeabgabevorrichtung 26 und/oder des Gehäuses 24 erfasst 44, die erfasste Temperatur mit einer vorgegebenen Höchsttemperatur verglichen 46 und bei Überschreiten der Höchsttemperatur das Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 und 22 abgeschaltet 48. Alternativ oder zusätzlich dazu könnte auch der Kraftstoffpegel 16 in dem Kraftstofftank 12 erfasst 50 und mit einem vorgegebenen Mindestkraftstoffpegel verglichen 52 werden, wobei das Brennstoffzellensystem 18, 20, 21 und 22 bei Unterschreiten des Mindestkraftstoffpegels abgeschaltet 54 werden kann.In 3 the process of the invention is shown schematically. In addition to giving 40 from heat from at least one fuel cell 4 to at least one heat dissipation device 26 and giving up 42 from heat on with the fuel cell system 18 . 20 . 21 and 22 in contact with fuel 14 is also optional, the temperature of the heat dissipation device 26 and / or the housing 24 detected 44 , which compared detected temperature with a predetermined maximum temperature 46 and when the maximum temperature exceeds the fuel cell system 18 . 20 . 21 and 22 off 48 , Alternatively or additionally, the fuel level could also be 16 in the fuel tank 12 detected 50 and compared to a predetermined minimum fuel level 52 be, being the fuel cell system 18 . 20 . 21 and 22 switched off when falling below the minimum fuel level 54 can be.

Schließlich zeigt 4 ein Flugzeug 56, das mit mehreren exemplarisch und nicht maßstäblich gekennzeichneten Kraftstofftanks 12 ausgerüstet ist, und mehrere Brennstoffzellensysteme 58 aufweist, die in den Kraftstofftanks 12 angeordnet sind und dort Wärme über ihre Wärmeabgabevorrichtungen wie ein Gehäuse oder Wärmeabgabevorrichtungen mit speziell geformten Wärmeabgabeflächen an den Kraftstoff 14 abgeben. Die Bauart der Brennstoffzellensysteme 58 ist beliebig, als Beispiele könnten die 2a bis 2d Anregung geben.Finally shows 4 an airplane 56 , with several exemplary and not to scale labeled fuel tanks 12 equipped, and several fuel cell systems 58 that is in the fuel tanks 12 are arranged there and heat through their heat dissipation devices such as a housing or heat dissipation devices with specially shaped heat transfer surfaces to the fuel 14 submit. The type of fuel cell systems 58 is arbitrary, as examples could be the 2a to 2d Give some suggestions.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
44
Brennstoffzellefuel cell
66
Gehäusecasing
88th
Kraftstofffuel
1010
KraftstofftankFuel tank
1212
KraftstofftankFuel tank
1414
Kraftstofffuel
1616
Pegellevel
1818
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
2020
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
2121
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
2222
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
2424
Gehäusecasing
2626
WärmeabgabevorrichtungHeat delivery device
2828
Haltevorrichtungholder
3030
Unterseitebottom
3131
Temperatursensortemperature sensor
3232
NotabschaltevorrichtungNotabschaltevorrichtung
3333
Pegelsensorlevel sensor
3434
Reformerreformer
3636
Öffnungopening
3838
Versorgungsleitungsupply line
4040
Abgeben von WärmeGiving off heat
4242
Abgeben von WärmeGiving off heat
4444
Erfassen TemperaturCapture temperature
4646
Vergleichen TemperaturCompare temperature
4848
AbschaltenSwitch off
5050
Erfassen PegelCapture levels
5252
Vergleichen PegelCompare levels
5454
AbschaltenSwitch off
5656
Flugzeugplane
5858
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system

Claims (13)

Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens ein die Brennstoffzelle umgebendes Gehäuse (24), wobei das Gehäuse (24) kraftstoffdicht ausgeführt ist und dazu eingerichtet ist, Wärme aus dem Betrieb des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22) an einen das Gehäuse (24) umgebenden Kraftstoff in einem Kraftstofftank (12) abzugeben.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ), comprising at least one fuel cell and at least one housing surrounding the fuel cell ( 24 ), the housing ( 24 ) is designed fuel-tight and is adapted to heat from the operation of the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) to a housing ( 24 ) surrounding fuel in a fuel tank ( 12 ). Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach Anspruch 1, ferner aufweisend mindestens eine Wärmeabgabevorrichtung (26), die an dem Gehäuse (24) angeordnet ist.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to claim 1, further comprising at least one heat-emitting device ( 26 ) attached to the housing ( 24 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (24) aus einer Vielzahl von Wärmeabgabevorrichtungen (26) besteht.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to claim 1 or 2, wherein the housing ( 24 ) from a plurality of heat dissipation devices ( 26 ) consists. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wärmeabgabevorrichtung (26) über eine Kontaktfläche mit einer Wärme abgebenden Kontaktfläche mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22) verbunden ist.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to claim 2 or 3, wherein the heat release device ( 26 ) via a contact surface with a heat-emitting contact surface of at least one fuel cell of the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) connected is. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens eine Haltevorrichtung (28), die dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) von Wandungen des Kraftstofftanks (12) beabstandet anzuordnen.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to one of the preceding claims, further comprising at least one holding device ( 28 ), which is adapted to the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) of walls of the fuel tank ( 12 ) spaced to arrange. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens eine Versorgungsleitung (38) zum Zuführen von Betriebsstoffen, Abführen von Reaktionsprodukten und Elektrizität und Übermittlung von Signalen.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to one of the preceding claims, further comprising at least one supply line ( 38 ) for supplying supplies, discharging reaction products and electricity, and transmitting signals. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Notabschaltevorrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) abzuschalten, sobald keine ausreichende Kühlung mehr gewährleistet werden kann.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to one of the preceding claims, further comprising an emergency shutdown device ( 32 ), which is adapted to the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) shut down as soon as sufficient cooling can no longer be guaranteed. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach Anspruch 7, wobei die Notabschaltevorrichtung (32) Mittel zum Erfassen des Kraftstoffpegels (33) im Kraftstofftank (12) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Abschaltung bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestkraftstoffpegels zu veranlassen.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to claim 7, wherein the emergency shutdown device ( 32 ) Means for detecting the fuel level ( 33 ) in the fuel tank ( 12 ) and is adapted to cause a shutdown when falling below a predetermined minimum fuel level. Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Notabschaltevorrichtung Mittel zum Erfassen der Temperatur (31) des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22) und/oder des Gehäuses (24) und/oder einer an dem Gehäuse angeordneten Wärmeabgabevorrichtung (26) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Abschaltung bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur zu veranlassen.Fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) according to claim 7 or 8, wherein the emergency shutdown device comprises means for detecting the temperature ( 31 ) of the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) and / or the housing ( 24 ) and / or a heat dissipation device arranged on the housing ( 26 ) and is adapted to cause a shutdown when a predetermined maximum temperature is exceeded. Verfahren zum Kühlen eines in einem Kraftstofftank (12) eines Fahrzeugs angeordneten Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22), aufweisend die Schritte: – Abgeben (40) von Wärme aus mindestens einer Brennstoffzelle an mindestens ein Gehäuse (24) und/oder einer an dem Gehäuse (24) angeordneten Wärmeabgabevorrichtung (26) und – Abgeben (42) von Wärme an mit dem Brennstoffzellensystem (18, 20, 21, 22) in Berührung stehenden Kraftstoff (14).Method for cooling a fuel tank ( 12 ) of a vehicle fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ), comprising the steps: - dispensing ( 40 ) of heat from at least one fuel cell to at least one housing ( 24 ) and / or one on the housing ( 24 ) arranged heat dissipation device ( 26 ) and - submit ( 42 ) of heat with the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) fuel in contact ( 14 ). Verfahren nach Anspruch 10, ferner aufweisend die Schritte: – Erfassen der Temperatur (44) des Gehäuses (24) und/oder einer an dem Gehäuse (24) angeordneten Wärmeabgabevorrichtung (26) und/oder des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22); – Vergleichen der Temperatur (46) mit einer vorgegebenen Höchsttemperatur und – Abschalten (48) des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22) bei Überschreiten der Höchsttemperatur.The method of claim 10, further comprising the steps of: - detecting the temperature ( 44 ) of the housing ( 24 ) and / or one on the housing ( 24 ) arranged heat dissipation device ( 26 ) and / or the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ); - Compare the temperature ( 46 ) with a predetermined maximum temperature and - shutdown ( 48 ) of the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) when the maximum temperature is exceeded. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner aufweisend die Schritte: – Erfassen des Kraftstoffpegels (50) in dem Kraftstofftank (12); – Vergleichen des Kraftstoffpegels (52) mit einem vorgegebenen Mindestkraftstoffpegel und – Abschalten (54) des Brennstoffzellensystems (18, 20, 21, 22) bei Unterschreiten des Mindestkraftstoffpegels.The method of claim 10 or 11, further comprising the steps of: - detecting the fuel level ( 50 ) in the fuel tank ( 12 ); - comparing the fuel level ( 52 ) with a predetermined minimum fuel level and - shutdown ( 54 ) of the fuel cell system ( 18 . 20 . 21 . 22 ) falls below the minimum fuel level. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Flugzeug (56).Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 9 in an aircraft ( 56 ).
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