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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Eine besondere Herausforderung bei derartigen Brennstoffzellensystemen stellt dabei der sogenannte Kaltstart oder Gefrierstart dar. Da in den Brennstoffzellen neben der elektrischen Leistung immer auch Produktwasser entsteht, sind sie sehr gefährdet hinsichtlich des Einfrierens. Daher gibt es verschiedene Möglichkeiten, Brennstoffzellen und Brennstoffzellensysteme aufzuheizen, um diese einfach und effizient starten zu können. Insbesondere bei einer Anwendung in Omnibussen, welche typischerweise im abgestellten Zustand in Depots ausharren, ist es sehr einfach möglich, über eine externe Energieversorgung eine Beheizung des Brennstoffzellensystems vorzunehmen, um dieses möglichst schnell starten zu können. Beispielhaft soll in diesem Zusammenhang auf die
DE 100 84 640 T1 verwiesen werden. Diese beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Wärmemanagement einer Brennstoffzellenanordnung. Zur Temperierung wird dabei der üblicherweise im Betrieb zur Kühlung der Brennstoffzelle genutzte Kühlkreislauf eingesetzt, wobei über ein Heizelement ein Wärmeeintrag in eben diesen Kühlkreislauf erfolgt. In der genannten Schrift ist es außerdem beschrieben, dass diese Beheizung, um den Brennstoffzellenstapel selbst auf einer gewünschten Temperatur zu halten, auch in einem Standby-Modus stattfinden kann.
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Andere Schriften beschreiben, ohne einen solchen Standby-Modus zu offenbaren, ebenfalls verschiedene Möglichkeiten zur Beheizung einer Brennstoffzelle über ihren Kühlkreislauf. Hierzu soll auf die
DE 10 2010 047 527 A1 sowie die
EP 1 265 304 B1 verwiesen werden.
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Eine solche Beheizung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels selbst funktioniert, um eine Startfähigkeit der Brennstoffzelle zu erreichen oder um diese in einem abgestellten Modus des Brennstoffzellensystems oder eines mit ihm ausgerüsteten Fahrzeugs aufrechtzuerhalten. Die Problematik besteht jedoch darin, dass beim Start der Brennstoffzelle durch die noch kalten Leitungen und Komponenten strömenden Gase Kondensat in die Brennstoffzelle eintragen, sodass gegebenenfalls ein Fluten von einzelnen Gasverteilungskanälen oder dergleichen in der Brennstoffzelle stattfinden kann. Dies verschlechtert die Performance der Brennstoffzelle deutlich. Außerdem gelangt mit Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Produktwasser in Form von Feuchte mit dem Abgas in die abgasführenden Bereiche des Brennstoffzellensystems. Wenn diese noch entsprechend kalt sind, kondensiert die Feuchte hier in großer Menge aus und kann schlimmstenfalls zu einem Verstopfen oder sogar zu einem Einfrieren von Leitungselementen, Ventilen, Turbinen oder anderen Bauteilen führen. Diese lassen sich dann erst mit Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur des Gesamtsystems wieder auftauen und verwenden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und die Startfähigkeit des gesamten Brennstoffzellensystems ohne Einschränkungen gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es ebenso wie im eingangs erläuterten Stand der Technik vorgesehen, dass ein Heizelement zum Wärmeeintrag in einen Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Zusätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem außerdem vorgesehen, dass eine parallel zur Brennstoffzelle und parallel zum Kühler sowie einem eventuellen Bypass um den Kühler durchströmbare Heizleitung in dem Kühlkreislauf vorgesehen ist, welche zur Abgabe von Wärme des sie durchströmenden Mediums an die Umgebung ausgebildet ist, wobei die Durchströmung der Heizleitung über eine Ventileinrichtung in der Heizleitung steuerbar ist. Eine solche Heizleitung kann mittels der Ventileinrichtung so ausgebildet werden, dass diese im regulären Betrieb nicht durchströmt wird sondern lediglich dann, wenn der Kühlkreislauf zur Erwärmung der Brennstoffzelle genutzt wird. Die Heizleitung selbst ist dabei so ausgebildet, dass sie über eine Ventileinrichtung so steuerbar ist, dass im Heizbetrieb ein Durchströmen der Heizleitung mit erwärmtem Kühlmedium stattfindet. Das Kühlmedium in der Heizleitung gibt dann die Wärme an die Umgebung der Heizleitung ab. Die Heizleitung lässt sich vorzugsweise innerhalb eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems zum Beispiel mäanderförmig verlegen. Außerdem kann die Heizleitung an hinsichtlich des Einfrierens gefährdeten Komponenten wie beispielsweise Wasserabscheidern, Ventilen, Leitungselementen und dergleichen vorbeigeführt werden, um diese durch direkten Kontakt oder über Konvektion der durch die Heizleitung erwärmten Luft ebenfalls zu erwärmen. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Heizleitung dabei insbesondere unterhalb der jeweiligen Komponenten angeordnet sein und bildet somit eine Art „Fußbodenheizung” für das Brennstoffzellensystem bzw. ein Gehäuse des Brennstoffzellensystems. Damit wird neben der direkten Beheizung der Brennstoffzelle selbst, welche wie auch beim Stand der Technik von erwärmtem Kühlmedium durchströmt ist, auch das gesamte Brennstoffzellensystem vortemperiert, sodass Kondensationseffekte, eingefrorene Ventile oder Leitungen und dergleichen sicher und zuverlässig vermieden werden können.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem lässt sich in Fahrzeugen insbesondere in Nutzfahrzeugen, wie beispielsweise in Omnibussen für den Linienbetrieb, ideal einsetzen. Diese werden häufig zwecks einer Erwärmung des Fahrgastraums ohnehin mit externer Energie, beispielsweise über einen Wechselstromanschluss auf dem Abstellplatz oder im Depot, vor dem Gebrauch vorgewärmt, insbesondere bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. In diesen Fällen kann dann beispielsweise über eine elektrische Widerstandsheizung in dem Kühlmedium das Kühlwasser entsprechend vorgewärmt werden. Hierdurch wird, wie beim Stand der Technik auch, der Brennstoffzellenstapel selbst aufgeheizt und außerdem erfolgt über die erfindungsgemäße Heizleitung eine Beheizung des Gesamtsystems, sodass dieses sehr schnell und effizient gestartet werden kann, ohne kältebedingte, Zeit- oder Leistungseinbußen während des Startvorgangs.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass die Ventileinrichtung als Schaltventil ausgebildet ist. Ein solches Schaltventil in der Heizleitung erlaubt es, die Heizleitung bei Bedarf zum Kühlkreislauf hinzuzuschalten und, wenn diese nicht benötigt wird, aus dem Kühlkreislauf herauszuschalten, um unnötige Druckverluste und eine unerwünschte Erwärmung des Brennstoffzellensystems über die Heizleitung im Betrieb zu vermeiden.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Ventileinrichtung kann es auch vorgesehen sein, dass diese als Rückschlagventil ausgebildet ist, welches bei einer Strömungsrichtung des Kühlmediums in der regulären Förderrichtung im Kühlbetrieb sperrt, und welches bei einer Strömungsrichtung in der umgekehrten Förderrichtung öffnet. Ein solches Rückschlagventil kann besonders einfach und effizient eingesetzt werden, da dieses keinerlei Ansteuerung benötigt und daher keine zusätzlichen elektrischen Anschlüsse zu seiner Betätigung aufweisen muss. Eine Heizleitung mit einem solchen integrierten Rückschlagventil kann daher auch besonders einfach und effizient in bestehende Systeme nachgerüstet werden, ohne dass hierfür ein großer Verkabelungsaufwand oder dergleichen entsteht. Es ist lediglich notwendig, die Möglichkeit zu schaffen, den Kühlmittelstrom im Heizbetrieb in der entgegengesetzten Richtung zu fördern, worauf das Rückschlagventil öffnet und die Heizleitung in eben diesem Betrieb – und nur dann – in der gewünschten Art und Weise durchströmt wird.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Kühlmittelfördereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in beiden Strömungsrichtungen zumindest einen kleinen Volumenstrom fördern kann. Die als Kühlmittelfördereinrichtung eingesetzte Pumpe besteht typischerweise aus einem elektromotorischen Antrieb und einem Pumpenkopf. Der Pumpenkopf kann nun so ausgebildet sein, dass er mit hohem Wirkungsgrad in der gewünschten Art und Weise in der einen Förderrichtung das Kühlmedium für den Kühlbetrieb fördert. Die elektrische Maschine kann bei geeigneter Bauart auch so angesteuert werden, dass diese in der entgegengesetzten Richtung dreht. Wenn die Kühlmittelfördereinrichtung nun so ausgebildet ist, dass sie auch in dieser Richtung, gegebenenfalls auch mit schlechterem Wirkungsgrad, einen zumindest kleinen Volumenstrom fördern kann, dann kann das Kühlmedium für den Heizbetrieb einfach und effizient über eine Umkehr der Drehrichtung des Elektromotors umgewälzt werden. Aufgrund des Rückschlagventils in der Heizleitung kommt es dann zu einer Durchströmung der Heizleitung und die gewünschte Erwärmung sowohl der Brennstoffzelle als auch des Gesamtsystems über das Kühlmedium ist möglich.
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In einer alternativen Ausgestaltung hiervon kann es auch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelfördereinrichtung zwei Pumpen oder Pumpenköpfe für die eine und die andere Förderrichtung aufweist. Zwei Pumpen oder zwei Pumpenköpfe, welche vorzugsweise an einer elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sind, sind hinsichtlich des Wirkungsgrads typischerweise besser als die Förderung des Kühlmediums über eine Drehrichtungsumkehr des einen Pumpenkopfs. Hierdurch wird ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt, der Bauaufwand steigt durch die zweite Pumpe oder den Einsatz einer speziellen Pumpe mit zwei Pumpenköpfen etwas an.
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Um eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Umkehr der Förderrichtung zu schaffen, kann es gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ferner vorgesehen sein, dass die Pumpenköpfe über schaltbare Kupplungen mit einem Antriebsmotor verbindbar sind. Durch solche schaltbaren Kupplungen, beispielsweise Magnetkupplungen, können somit wahlweise der eine oder der andere Pumpenkopf, oder theoretisch auch beide Pumpenköpfe, mit der elektrischen Maschine verbunden werden. Hierdurch kann eine Umschaltung der Strömungsrichtung immer noch sehr einfach und effizient erfolgen und es wird gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad bei der Förderung des Kühlmediums in beiden Förderrichtungen erzielt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es dabei unmittelbar vorgesehen sein, dass die eine Pumpe oder der eine Pumpenkopf in der Heizleitung selbst angeordnet ist. Durch einen solchen Aufbau mit einer der Pumpen oder einem der Pumpenköpfe in dem eigentlichen Kühlkreislauf und der oder dem anderen in der Heizleitung lässt sich im Falle der Umkehr der Förderrichtung sehr effizient ein Durchströmen der Heizleitung erreichen. Gleichzeitig wird erreicht, dass andere Leitungsbereiche, welche aufgrund eines höheren Druckverlustes nur minimal durchströmt werden, in dieser Situation noch weniger durchströmt werden, ohne dass hier Absperrventile oder dergleichen vorgesehen werden müssten. Ideal funktioniert dies, wenn die Abzweigung der Heizleitung in umgekehrter Förderrichtung vor der dem anderen für den Kühlbetrieb vorgesehenen Pumpe/Pumpenkopf erfolgt. Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass die der anderen Pumpe/Pumpenkopf mittels einer Bypassleitung und einer Rückströmsicherung vor der Zusammenführung der Bypassleitung mit der von der/dem anderen Pumpe/Pumpenkopf kommenden Leitung, umströmbar ist. Diese beiden alternativen Aufbauten erlauben es bei der umgekehrten Förderrichtung, also im Heizbetrieb, die Strömung so zu führen, dass diese die/den idealerweise abgeschalteten anderen Pumpe/Pumpenkopf, welche zur Förderung des Kühlmediums im Kühlbetrieb vorgesehen ist, nicht umströmt und gegebenenfalls bewegt. Hierdurch werden Druckverluste vermieden und die Energieeffizienz bei der Umwälzung des Kühlmediums im Heizbetrieb lässt sich steigern. Um im regulären Betrieb eine Kreislaufströmung in der Bypassleitung zu vermeiden, sollte in der Bypassleitung ein Drosselelement vorgesehen sein, oder die gesamte Bypassleitung kann mit entsprechend verringertem Strömungsquerschnitt ausgebildet werden. Als Drosselelement kann auch, in bevorzugter Weise, ein Element eingesetzt werden, welches ohnehin in dem Brennstoffzellensystem benötigt wird, beispielsweise ein Filter, ein Ionentauscher oder dergleichen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung;
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2 eine alternative Ausgestaltung des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
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3 eine weitere Ausgestaltung des Kühlkreislaufs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
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4 eine weitere alternative Ausgestaltung des Kühlkreislaufs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 selbst umfasst als wesentlichen Bestandteil eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von sogenannten PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein soll. Ein solcher Brennstoffzellenstapel wird auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5. Zwischen diesen beiden Räumen ist in der Darstellung der 1 ein Kühl-Wärmetauscher 6 innerhalb der Brennstoffzelle angeordnet. Dieser ist Teil eines Kühlkreislaufs 7, welcher im regulären Betrieb zur Abfuhr von Abwärme des Brennstoffzellensystems 1 dient, und auf welchen später noch im Detail eingegangen wird.
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Die wesentlichen Errungenschaften des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 gegenüber dem Stand der Technik liegen im Wesentlichen in diesem Kühlkreislauf 7. Auf den Rest des Brennstoffzellensystems 1 wird daher nur sehr grundlegend eingegangen. Es kann selbstverständlich in den aus dem Stand der Technik bekannten Arten weitergebildet sein und wird in der Praxis typischerweise viel mehr Einzelkomponenten umfassen, als in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist nämlich lediglich ein Druckgasspeicher 8 dargestellt. In diesem soll gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert sein. Über ein Druckregel- und Dosierventil 9 wird dieser Wasserstoff dem Anodenraum der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt in diesem sehr stark schematisierten Ausführungsbeispiel einfach an die Umgebung. In der Praxis kann dieser nachverbrannt werden oder in einem sogenannten Anodenkreislauf wieder zum Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zurückgeführt werden. All dies ist für die hier beschriebene Erfindung unerheblich und wurde deshalb nicht näher dargestellt. Ähnlich verhält es sich mit der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1. Rein beispielhaft ist hier lediglich eine Luftfördereinrichtung 10 dargestellt, über welche Zuluft zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 gefördert wird. Die Abluft gelangt in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls direkt an die Umgebung. In der Praxis könnten hier weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter, eine Turbine zur Rückgewinnung von thermischer Energie und Druckenergie aus der Abluft, Kondensatabscheider vor der Turbine und Ähnliches vorgesehen sein. Auch dies spielt für die erfindungswesentlichen Bestandteile des Brennstoffzellensystems 1 keine Rolle und wurde deshalb nicht weiter dargestellt.
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Der wesentliche Bestandteil des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 findet sich in dem bereits angesprochenen Kühlkreislauf 7. Bei Aufbauten gemäß dem Stand der Technik dient dieser Kühlkreislauf 7, wie auch hier, zur Kühlung der Brennstoffzelle 3 im regulären Betrieb. Er verfügt daher über eine Kühlmittelfördereinrichtung 11, über welche ein Kühlmedienstrom durch den bereits angesprochenen Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und von dort zu einem Kühler 12 geleitet wird, um Abwärme an die das Fahrzeug 2 umströmende Luft abzugeben. In an sich bekannter Art und Weise kann eine Luftströmung durch den Kühler 12 dabei über ein prinzipmäßig angedeutetes Kühlgebläse 13 bei Bedarf verstärkt werden. Um eine Möglichkeit zu schaffen, die Temperatur des Kühlmediums einfach und effizient einzustellen, weist der hier dargestellte Kühlkreislauf 7 eine Bypassleitung 14 um den Kühler 12 auf, welche mittels eines 3/2-Wegeventils 15 so geschaltet werden kann, dass entweder der gesamte Volumenstrom des Kühlmediums durch den Kühler 12, durch den Bypass 14 oder in einer gewünschten Aufteilung durch beide strömt. Ergänzend oder alternativ hierzu kann die Temperatur auch über eine Drehzahlvariation der typischerweise elektromotorisch angetriebenen Kühlmittelfördereinrichtung 12 eingestellt werden.
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In dem Kühlkreislauf 7 ist nun außerdem ein Heizelement 16 zu erkennen. Über dieses Heizelement 16, welches beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet sein kann, kann das Kühlmedium bei Bedarf aufgeheizt werden. Die Energieversorgung des elektrischen Heizelements 16 kann beispielsweise über einen externen Anschluss, beispielsweise an eine stationäre Stromleitung, während das Fahrzeug 1 in einem Depot steht, erreicht werden. Ist während des Betriebs eine Beheizung des Kühlmediums notwendig oder gewünscht, so kann auch ein elektrischer Bremswiderstand, welcher rekuperierte Bremsenergie des Fahrzeugs 2, welche nicht eingespeichert werden kann, verbraucht, vorgesehen sein. Die Anordnung des Heizelements 16 ist dabei so gewählt, dass im regulären Betrieb, falls dieses zum Verbrauchen von rekuperierter Bremsenergie, welche nicht eingespeichert werden kann, benötigt wird, die Wärme die Brennstoffzelle 3 selbst nicht belastet, sondern im Kühler 12 an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Der wesentliche Unterschied des Kühlkreislaufs 7 gegenüber Kühlkreisläufen aus dem Stand der Technik liegt nun in einer Heizleitung 17, welche parallel zu der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 von dem Kühlmedium durchströmt werden kann. Die Heizleitung 17 bildet dabei einen parallel zu dem Bypass 14 verlaufenden weiteren Bypass, welcher in Strömungsrichtung des vom Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle kommenden Mediums vor dem Bypass 14 um den Kühler 12 abzweigt. Über eine Ventileinrichtung 18, welche hier als schaltbares Ventil 181 ausgebildet ist, ist die Durchströmung der Heizleitung 17 mit dem Kühlmedium steuerbar.
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Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass die Ventileinrichtung 18 die Heizleitung 17 sperrt. Der Kühlkreislauf 7 funktioniert dann so, als wäre die Heizleitung 17 nicht vorhanden. Die Funktionalität entspricht dann der aus dem Stand der Technik bekannten Funktionalität.
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Für den Fall, dass das Brennstoffzellensystem 1 nun im Standby auf einer höheren Temperatur, z. B. einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts, gehalten werden soll, kann es, vorgesehen sein, über das Heizelement 16 Wärme in das Kühlmedium des Kühlkreislaufs 7 einzutragen und somit über den Kühlwärmetauscher 6 die Brennstoffzelle 3 durch ein Umwälzen des Kühlmediums über die Kühlmittelfördereinrichtung 11 vorzuwärmen.
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Zusätzlich kann bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 nun die als Schaltventil 181 ausgebildete Ventileinrichtung 18 geöffnet werden. Dadurch wird mit dem über das Heizelement 16 erwärmten Kühlmedium die Heizleitung 17 von dem warmen Kühlmedium durchströmt. Dies funktioniert umso besser, je geringer die Druckverluste im Bereich der Heizleitung 17 gegenüber den Druckverlusten in der Bypassleitung 14 und/oder dem Kühler 12, je nach Stellung des 3/2-Wegeventils 15 sind. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn das 3/2-Wegeventil 15 eine Stellung aufweist, in welcher es sowohl die Leitung durch den Kühler 12 als auch die Bypassleitung 14 absperrt. In diesem Fall bleibt nach dem Öffnen der Ventileinrichtung 18 lediglich die Heizleitung 17 als durchströmbarer Weg für das Kühlmedium bestehen.
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Aufgrund der Heizleitung 17 entsteht die Möglichkeit im Heizbetrieb sowohl eine Beheizung der Brennstoffzelle 3 über ihren Kühlwärmetauscher 6 vorzunehmen, als auch die Heizleitung 17 mit dem warmen bzw. heißen Kühlmedium zu durchströmen. Nun ist die Heizleitung 17 so ausgebildet, dass sie die von dem Kühlmedium stammende Wärme sehr gut an die Umgebung abgeben kann. Dies ist in der Darstellung der 1 durch den mäanderförmigen Abschnitt 170 der Heizleitung 17 beispielhaft dargestellt. Dieser mäanderförmige Abschnitt 17 kann vorzugsweise unterhalb des gesamten Brennstoffzellensystems 1 angeordnet sein. Er kann beispielsweise im unteren Bereich eines nicht dargestellten Gehäuses des Brennstoffzellensystems 1 dazu dienen, in der Art einer „Fußbodenheizung”, das gesamte Brennstoffzellensystem 1 zu erwärmen. Die Heizleitung 17 ermöglicht so eine ideale Temperierung sowohl der Brennstoffzelle 3 direkt als auch der weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 durch eine indirekte Erwärmung über das in der Heizleitung 17 strömende erwärmte Kühlmedium.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform des Kühlkreislaufs 7 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, von welchem hier lediglich die Brennstoffzelle 3 nochmals dargestellt worden ist, zu erkennen. In dieser besonders einfachen und effizienten Ausgestaltung des Kühlkreislaufs 7 ist es vorgesehen, dass die Ventileinrichtung 18 als Rückschlagventil 182 ausgebildet ist. Über dieses Rückschlagventil wird nun im Kühlbetrieb des Kühlkreislaufs 7 des Brennstoffzellensystems 1 die Heizleitung 17 zuverlässig und effizient abgesperrt, sodass diese nicht durchströmt wird. Im Heizbetrieb, wenn die Heizleitung 17 durchströmt werden soll, wird nun, wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet, die Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem zur Beheizung genutzten Teil des Kühlkreislaufs 7 entsprechend umgedreht. Dies kann vorzugsweise durch eine Drehrichtungsumkehr der Kühlmittelfördereinrichtung 11 erfolgen. Diese kann dafür so ausgebildet sein, dass sie bei gegenläufiger Drehrichtung zumindest einen kleinen Volumenstrom fördert. Durch diesen kleinen Volumenstrom in der Gegenrichtung, welcher gegebenenfalls auch mit einem geringeren Wirkungsgrad gefördert werden kann, kann dann eine ausreichende Durchströmung des Kühlwärmetauschers 6 der Brennstoffzelle 3 und der Heizleitung 17 erzielt werden. Hierdurch kann die Beheizung des Brennstoffzellensystems 1 in der oben genannten Art und Weise sehr einfach erfolgen. Der Aufbau mit dem Rückschlagventil 182 als Ventileinrichtung 18 ist dabei besonders effizient, da dieses Rückschlagventil 182 keinerlei Ansteuerung erforderlich macht. Es reicht aus, die Heizleitung 17 mit dem Rückschlagventil 182 in den bestehenden Kühlkreislauf 7 einzubauen und bei der Beheizung die Drehrichtung einer geeignet ausgebildeten Kühlmittelfördereinrichtung 11 entsprechend umzukehren. Hierdurch wird ein sehr einfacher Aufbau erzielt, welcher ohne zusätzliche externe Ansteuerung auskommt, und mittels welchem auch bestehende Kühlkreisläufe 7 nachgerüstet werden können.
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In der Darstellung der 3 ist ein Aufbau analog zu dem in der Darstellung der 2 zu erkennen. Anstelle der Kühlmittelfördereinrichtung 11, welche in ihrer Drehrichtung umkehrbar ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlmittelfördereinrichtung 11 mit einem ersten Pumpenkopf 111, einem zweiten Pumpenkopf 112 sowie einer elektrischen Maschine 113 ausgebildet. Die beiden Pumpenköpfe 111, 112 haben dabei unterschiedliche Förderrichtungen und sind über schaltbare Kupplungen 19, 20 jeweils schaltbar mit der elektrischen Maschine 113 verbunden. Im regulären Betrieb wird über die schaltbare Kupplung 19, beispielsweise eine Magnetkupplung, der erste Pumpenkopf 111 mit der elektrischen Maschine 113 verbunden. Der Betrieb erfolgt dann so, wie in den vorhergehenden Figuren für den regulären Kühlbetrieb beschrieben. Da die nicht angetriebenen Pumpenköpfe typischerweise nie vollkommen dicht schließen, kann es gegebenenfalls notwendig sein, im Bereich der Heizleitung 17 vor oder nach dem zweiten Pumpenkopf 112 ein Drosselelement vorzusehen, sodass die Heizleitung im Normalbetrieb nicht oder allenfalls minimal durchflossen wird, weil der Druckverlust durch den ausgeschalteten zweiten Pumpenkopf 112 sowie gegebenenfalls das Drosselelement größer als der Druckverlust durch die Brennstoffzelle 3 ist. Im Heizbetrieb wird die Kupplung 19 geöffnet und die Kupplung 20 zwischen der elektrischen Maschine 113 und dem zweiten Pumpenkopf 112 geschlossen. In diesem Fall wird die Strömung unmittelbar in der Heizleitung 17 aufgebaut, die als Rückschlagventil 182 ausgebildete Ventileinrichtung 18 öffnet und die Durchströmung des für den Heizbetrieb genutzten Teils des Kühlkreislaufs 7 erfolgt so, dass die Strömung durch die Heizleitung 17 über das Heizelement 16 und den Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 erfolgt, analog zum Heizbetrieb bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Eine Durchströmung des ersten Pumpenkopfs 111 findet dabei praktisch nicht statt.
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Eine alternative Ausgestaltung ist in der Darstellung der 4 zu erkennen. Diese Ausgestaltung geht davon aus, dass die Abzweigung der Heizleitung 17 nicht zwischen dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle und die Kühlmittelfördereinrichtung 11 verlagert werden kann. In diesem Fall ist um den ersten Pumpenkopf 111 eine Bypassleitung 21 vorgesehen. Über eine Rückströmsicherung 22 wird dabei in der vom zweiten Pumpenkopf 112 aufgebauten Förderrichtung eine Durchströmung des ersten Pumpenkopfs 111 und die damit verbundenen Druckverluste anstelle oder parallel zur Bypassleitung 21 verhindert. Um eine Kreislaufströmung im regulären Betrieb über die Bypassleitung 21 zu unterbinden, sollte in der Bypassleitung 21 ein Element vorgesehen sein, welches einen Druckverlust erzeugt. Dies kann beispielsweise eine Drossel, eine Lochblende, ein Ventil, oder, wie in der Darstellung der 4, ein DI-Filter 23 sein. Der Druckverlust dieses Bauteils muss größer als der Druckverlust durch die Brennstoffzelle 3 sein, um eine Kreislaufströmung um den ersten Pumpenkopf 111 sicher und zuverlässig zu vermeiden und im regulären Betrieb die Kühlung der Brennstoffzelle 3 zu gewährleisten. Ansonsten gilt auch hier wieder dasselbe wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei die Ausgestaltung der Ventileinrichtung 18 wiederum einfach und effizient als selbststeuerndes Rückschlagventil 182 erfolgen kann und somit keine Ansteuerung der Ventileinrichtung 18 notwendig ist. Anstelle des Rückschlagventils 182 kann bei den in den 2 bis 4 dargestellten Aufbauten aber natürlich immer auch ein Schaltventil 181 verwendet werden, wenn gewünscht.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 lässt sich im Prinzip überall einsetzen. Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn häufig ein Betrieb bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, und insbesondere ein Starten unterhalb des Gefrierpunkts zu erwarten ist. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen 2 der Fall, sodass die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 im Einsatz zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, beispielsweise Hilfsleistung oder Antriebsleistung, in dem Fahrzeug 2 besteht. Da idealerweise ein externer Energie- bzw. Leistungsanschluss zum Eintrag von Wärme über das Heizelement 16 für den Heizbetrieb bzw. Temperierungsbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 vorliegen sollte, ist es besonders ideal, wenn es sich bei dem Fahrzeug 2 um ein Fahrzeug handelt, welches im abgestellten Zustand in definierten Positionen abgestellt ist, beispielsweise wenn das Fahrzeug 2 ein Linienbus ist, welcher während der Stillstandszeiten in einem Betriebsdepot abgestellt wird, in dem ohnehin eine elektrische Energieversorgung zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur in dem Innenraum des Fahrzeugs 2 vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10084640 T1 [0002]
- DE 102010047527 A1 [0003]
- EP 1265304 B1 [0003]
