Fuel cell system with cooling channels and method for operating a fuel cell system with cooling chan

专利摘要:
Ein Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen (26), die zu einem Brennstoffzellenstapel (10) zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16), bei dem Kühlmittel von einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70), der die Kühlkanäle und einen Kühler (74) umfasst, umwälzbar sind sowie mit einem Wärmespeicher (100) und einer Heizeinrichtung (104), zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmespeicher (100) in einem ersten zum Kühler (74) parallelen Zweig (102) des Kühlmittelkreislaufs (16) angeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung (104) erwärmbarer Wärmetauscher (106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100) angeordneten Zweig (108) angeordnet ist, dass eine zweite Pumpe (110) im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher (100) angeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil (112) vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss (114), der im ersten Zweig (102) vor der zweiten Pumpe (110), einen zweiten Anschluss (116), der im ersten Zweig (102) nach der zweiten Pumpe (110), und einen dritten Anschluss (118), der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher (106) angeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung (120) zwischen dem ersten Zweig (102), dem zweiten Zweig (108) und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist.A fuel cell system with fuel cells (26) having cooling channels, which are put together to form a fuel cell stack (10), with a coolant circuit (16), in which coolant from a pump (72) in a main circuit (70), the cooling channels and a cooler ( 74), which can be circulated and with a heat accumulator (100) and a heating device (104), is characterized in that the heat accumulator (100) is arranged in a first branch (102) of the coolant circuit (16) parallel to the cooler (74) is that a heat exchanger (106) which can be heated by the heating device (104) is arranged in a second branch (108) arranged parallel to the heat accumulator (100), that a second pump (110) in the first branch (102) in front of the heat accumulator ( 100) that a two-way switch valve (112) is provided, which has a first connection (114), which is in the first branch (102) before the second pump (110), a second connection (116), which is in the first Branch (102) after the second pump (110), and a third connection (118), which is arranged in the second branch (108) in front of the heat exchanger (106), and that a T-connection (120) between the first branch (102), the second branch (108) and the main circuit (70) is provided.
公开号:DE102004016375A1
申请号:DE200410016375
申请日:2004-04-02
公开日:2004-10-28
发明作者:Ralph Hobmeyr；Dirk Wexel
申请人:Motors Liquidation Co；
IPC主号:H01M8-02

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen,die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt sind, mit einemKühlmittelkreislauf,bei dem Kühlmittelvon einer Pumpe in einem Hauptkreislauf, der die Kühlkanäle und einenKühler umfasst,umwälzbarist, sowie mit einem Wärmespeicherund einer Heizeinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahrenzum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.TheThe present invention relates to a fuel cell system with fuel cells having cooling channels,which are assembled into a fuel cell stack with oneCoolant circuit,with the coolantfrom a pump in a main circuit, the cooling channels and oneCooler coverscirculatedis, as well as with a heat accumulatorand a heater. The invention further relates to a methodfor operating such a fuel cell system.
[0002] EinBrennstoffzellensystem der eingangs genannten Art ist in der DE-OS 101 07 596 A1 beschrieben.Dort wird der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug in Form einesBusses eingebaut und wird mit einem den Hauptkreislauf bildendenPrimärkühlkreislaufausgestattet, der mit Deionat, d.h. mit Wasser, in einer nicht Stromleitenden Form betrieben wird, welches außer zu Kühlzwecken auch zum Anfeuchtender Prozessluft in die Brennstoffzellen geleitet wird. Da Deionatbei niedrigen Temperaturen unter Volumenzunahme friert, können derKühlkreislauf unddie Brennstoffzellen beschädigtwerden. Die Aufgabe der DE-OS101 07 596 A1 liegt daher darin, eine Brennstoffzelleneinrichtungzu schaffen, welche gegen Frostschäden geschützt ist. Um diese Aufgabe zulösen,wird dort vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem wenigstenseine Heizeinrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie und/oder wenigstenseinen Wärmespeicherzur Speicherung wenigstens eines Teils der in einer vorangehendenBe triebsphase von den Brennstoffzellen erzeugten Wärmeenergieund/oder wenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung erzeugtenWärmeenergieumfasst, wobei die erzeugte oder gespeicherte Wärmeenergie zur mittelbarenoder unmittelbaren Beheizung wenigstens eines der gefriergefährdetenStoffe, zumindest bei niedrigen Außentemperaturen, insbesonderebei Frost, vorgesehen ist.A fuel cell system of the type mentioned is in the DE-OS 101 07 596 A1 described. There, the fuel cell stack is installed in a vehicle in the form of a bus and is equipped with a primary cooling circuit which forms the main circuit and which is operated with deionized water, in a non-current-conducting form, which, in addition to cooling purposes, is also used to humidify the process air into the Fuel cells is directed. Because deionized water freezes at low temperatures and increases in volume, the cooling circuit and the fuel cells can be damaged. The task of DE-OS 101 07 596 A1 is therefore to create a fuel cell device that is protected against frost damage. In order to achieve this object, it is provided there that the fuel cell system has at least one heating device for generating thermal energy and / or at least one heat store for storing at least a portion of the thermal energy generated by the fuel cells in a previous operating phase and / or at least a portion of the of the heating device comprises thermal energy, the thermal energy generated or stored being provided for the indirect or direct heating of at least one of the substances at risk of freezing, at least at low outside temperatures, in particular in the event of frost.
[0003] DerPrimärkühlkreislaufist mit einem sekundärenKühlkreislauf über einenWärmetauschergekoppelt, wobei der sekundäreKühlkreislaufmit einem herkömmlichenFrostschutzmittel wie Glysantin betrieben werden kann, da das leitfähige Kühlmittel dortnicht störendist, da es nicht in Berührungmit den Brennstoffzellen kommt. Der sekundäre Kühlkreislauf wird zur Beheizungdes Innenraumes des Busses herangezogen und kann auch über einen Kühler Wärme, dievom primärenKühlkreislaufin den sekundärenKreislauf übertragenwird, abführen.ThePrimary cooling circuitis with a secondaryCooling circuit via oneheat exchangerscoupled, the secondaryCooling circuitwith a conventional oneAntifreeze such as Glysantin can be operated because the conductive coolant is therenot disturbingis because it's not in touchcomes with the fuel cells. The secondary cooling circuit becomes heatingof the interior of the bus and can also heat via a radiatorfrom the primaryCooling circuitin the secondaryCycle transferredwill lead away.
[0004] DieHeizeinrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie wird in der DE-OS 101 07 596 A1 ineine Reihenschaltung im primärenKühlkreislaufeingebaut. Die genaue Auslegung des dort vorgesehenen Wärmespeicherszur Speicherung wenigstens eines Teils der in einer vorangehendenBetriebsphase von den Brennstoffzellen erzeugten Wärmeenergie und/oderwenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung erzeugten Wärmeenergieist nicht im Detail angegeben. Da dort Deionat für das Kühlmittel verwendet wird, mussbei Außentemperaturenunter 0°C dasKühlmittelauch dann beheizt werden, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.Dies mag zwar füreinen Bus vertretbar sein, da Busse sich quasi im Dauereinsatz befinden,so dass die Dauer von Phasen, bei denen keine Wärme erzeu gender Betrieb vorliegt, begrenztist, füreinen PKW mit häufigausgeprägten Standzeitenwäre diesaber eher unwirtschaftlich.The heating device for generating thermal energy is in the DE-OS 101 07 596 A1 installed in a series circuit in the primary cooling circuit. The precise design of the heat store provided there for storing at least part of the thermal energy generated by the fuel cells in a previous operating phase and / or at least some of the thermal energy generated by the heating device is not specified in detail. Since deionized water is used there for the coolant, the coolant must be heated even when the vehicle is not in operation at outside temperatures below 0 ° C. Although this may be justifiable for a bus, since buses are virtually in continuous use, so that the duration of phases in which there is no heat-generating operation is limited, this would be rather uneconomical for a car with frequently long idle times.
[0005] Für den Starteines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0°C ist üblicherweiseeine Anhebung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder wenigstensvon Teilbereichen der einzelnen Zellen eines solchen Brennstoffzellenstapelsauf etwa 0°Cnotwendig. Die Brennstoffzellen arbeiten unter diesen, nicht idealen,Umgebungstemperaturen relativ ineffizient, so dass die Selbsterwärmung desBrennstoffzellensystems nicht sehr schnell vonstatten geht, wodurchauch die Stromerzeugung beim Anlassen des Brennstoffzellensystemsbegrenzt wird. Eine schnelle Anhebung der Temperatur des Brennstoffzellenstapelsist auch aus diesem Grund wünschenswert.For the starta fuel cell system at temperatures below 0 ° C is commonan increase in the temperature of the fuel cell stack or at leastof partial areas of the individual cells of such a fuel cell stackto about 0 ° Cnecessary. The fuel cells work under these, not ideal,Ambient temperatures relatively inefficient, so that the self-heating of theFuel cell system does not go very quickly, whichalso the electricity generation when starting the fuel cell systemis limited. A rapid increase in the temperature of the fuel cell stackis also desirable for this reason.
[0006] Derzeitgibt es verschiedene Ansätze,einen Brennstoffzellenstapel auf eine Temperatur von etwa 0°C zu bringen,und einen Betrieb auch bei Temperaturen unter 0°C zu ermöglichen.Currentlythere are different approachesbring a fuel cell stack to a temperature of about 0 ° C,and to enable operation even at temperatures below 0 ° C.
[0007] DieVorwärmungdes Kühlmittelsdes Brennstoffzellenstapels durch eine elektrische oder eine dieVerbrennung nutzende Wärmequelle,wie zum Beispiel in der DE-OS101 07 596 A1 gelehrt, hat den Nachteil, dass Kühlmittelund Stack von einer niedrigen Temperatur in kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebrachtwerden müssen.Dazu sind großeHeizleistungen notwendig, da sowohl der Stack als auch das Kühlmitteleine hohe thermische Masse aufweisen.The preheating of the coolant of the fuel cell stack by an electrical or a heat source that uses the combustion, such as, for example, in US Pat DE-OS 101 07 596 A1 has the disadvantage that coolant and stack have to be brought from operating temperature to low in a short time. This requires large heating capacities because both the stack and the coolant have a high thermal mass.
[0008] DieAufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystembzw. ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems derein gangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Vorwärmung desBrennstoffzellenstapels auf eine energieeffiziente Art und Weiseerreicht werden kann, wobei: (a) die Auslegungdes Brennstoffzellensystems verhältnismäßig wenigMaterial erfordert, einen kleinen Platzbedarf hat und einen hohenWirkungsgrad erreicht, (b) der Energiebedarf relativ gering ist und weitestgehend durchohnehin sonst verlorene Energie abgedeckt werden kann, (c) die Auslegung alle relevanten Betriebsbedingungen berücksichtigtbzw. erfülltund (d) den normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems in keinsterWeise gestörtwird. The object of the present invention is to develop a fuel cell system or a method for operating a fuel cell system of the type mentioned at the outset in such a way that preheating of the fuel cell stack can be achieved in an energy-efficient manner, where: (a) the design of the fuel cell system requires relatively little material, takes up little space and achieves high efficiency, (b) the energy requirement is relatively low and largely due to the otherwise lost energy gie can be covered (c) the design takes into account or meets all relevant operating conditions; and (d) the normal operation of the fuel cell system is in no way disturbed.
[0009] Umdiese Ausgabe zu lösen,wird erfindungsgemäß ein Brennstoffzellensystemder eingangs genannten Art vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet,dass der Wärmespeicherin einem ersten zum Kühlerparallelen Zweig des Kühlmittelkreislaufsangeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung erwärmbarerWärmetauscherin einem zweiten parallel zum Wärmespeicherangeordneten Zweig angeordnet ist, dass eine zweite Pumpe im ersten Zweigvor dem Wärmespeicherangeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil vorgesehen ist,das einen ersten Anschluss, der im ersten Zweig vor der zweitenPumpe, einen zweiten Anschluss, der im ersten Zweig nach der zweitenPumpe und einen dritten Anschluss, der im zweiten Zweig vor demWärmetauscherangeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung zwischen demersten Zweig, dem zweiten Zweig und dem Hauptkreislauf vorgesehenist.Aroundto solve this issueis a fuel cell system according to the inventionof the type mentioned at the outset, which is characterized bythat the heat accumulatorin a first to the coolerparallel branch of the coolant circuitis arranged that a heatable by the heating deviceheat exchangersin a second parallel to the heat storagearranged branch is arranged that a second pump in the first branchin front of the heat accumulatoris arranged that a two-way switch valve is provided,the first connection, the one in the first branch before the secondPump, a second connector that is in the first branch after the secondPump and a third connector that is in the second branch beforeheat exchangersis arranged, and that a T-connection between thefirst branch, the second branch and the main circuitis.
[0010] Erfindungsgemäß zeichnetsich ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystemsdurch die folgenden Schritte aus: a) bei Inbetriebnahmedes Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter Nullgrad Celsius oderim Bereich von Nullgrad Celsius wird die zweite Pumpe eingeschaltet,um Kühlmitteldurch den Wärmespeicherzu fördernund in den Brennstoffzellenstapel einzuführen, um diesen zu erwärmen, b) bei nicht ausreichender Wärmezufuhrdurch den Wärmespeicherwird eine Durchströmung desWärmetauschersbei eingeschalteter Heizeinrichtung durch die Schaltstellung desUmschaltventils ermöglicht, c) bei Leistungsbetrieb des Brennstoffzellensystems, ggf. miteingeschalteter erster Pumpe und Wärmeabgabe vom Hauptkreislauf über denKühler,wird die zweite Pumpe zur Aufladung des Wärmespeichers mit mindestenseinem Teilstrom des im Brennstoffzellenstapel erwärmten Kühlmittelseingeschaltet und d) beim Abschalten des Brennstoffzellensystems oder im Leerlaufbetriebbei kühlenUmgebungstemperaturen wird die zweite Pumpe bei eingeschalteterHeizeinrichtung und ausgeschalteter erster Pumpe betrieben, um denWärmespeicher aufzuladen,wobei das Umschaltventil und die T-Verbindung für eine Umwälzung des Kühlmittels in einem durch denersten und den zweiten Zweig gebildeten Kreislauf geschaltet ist. According to the invention, a method for operating such a fuel cell system is characterized by the following steps: a) when the fuel cell system is started up at temperatures below zero degrees Celsius or in the range of zero degrees Celsius, the second pump is switched on in order to convey coolant through the heat store and to introduce it into the fuel cell stack in order to heat it, b) if the heat accumulator is not supplying sufficient heat, it is possible for the heat exchanger to flow through the switching position of the changeover valve when the heating device is switched on, c) during power operation of the fuel cell system, possibly with the first pump switched on and heat being released from the main circuit via the cooler, the second pump is switched on to charge the heat store with at least a partial flow of the coolant heated in the fuel cell stack and d) when the fuel cell system is switched off or in idle mode at cool ambient temperatures, the second pump is operated with the heating device switched on and the first pump switched off in order to charge the heat accumulator, the changeover valve and the T connection for circulating the coolant in one through the first and the second branch formed circuit is switched.
[0011] Dadurch,dass der Wärmespeicherin einem ersten, zum Kühlerparallelen Zweig des Kühlmittelkreislaufsangeordnet ist, kann er weitgehend unabhängig vom Hauptkreislauf betriebenwerden und störtden Hauptkreislauf im Betrieb nicht. Ferner kann durch diese Anordnungder Wärmespeicherunmittelbar neben dem Brennstoffzellenstapel angeordnet werden,so dass die Menge an Kühlmittel,die zwischen dem Wärmespeicherund dem Brennstoffzellenstapel umgewälzt werden muss, um Wärme vom Wärmespeicherin den Brennstoffzellenstapel zu transportieren, verhältnismäßig kleinist und man keine unnötigenMengen an Kühlmittelmit dem begrenzten Wärmeinhaltdes Wärmespeichersaufwärmenmuss. Mit anderen Worten sorgt man dafür, dass die begrenzte Wärmemenge,die im Wärmespeichergespeichert werden kann, effizient auf den Brennstoffzellenstapel übertragenwird. Hierdurch wird die Menge an Wärme, die im Wärmespeicher gespeichertist, effizient genützt,der Wärmespeicher kannmit anderen Worten kleiner gehalten werden, so dass verhältnismäßig wenigMaterial fürden Wärmespeicherbenötigtwird und der Platzbedarf klein gehalten werden kann. Ferner wirdauf diese Weise ein höhererWirkungsgrad erreicht.Thereby,that the heat accumulatorin a first, to the coolerparallel branch of the coolant circuitarranged, it can be operated largely independently of the main circuitbecome and bothersthe main circuit in operation. Furthermore, by this arrangementthe heat accumulatorbe arranged directly next to the fuel cell stack,so the amount of coolant,between the heat accumulatorand the fuel cell stack must be circulated to remove heat from the heat accumulatorto transport in the fuel cell stack, relatively smalland you are not unnecessaryAmounts of coolantwith the limited heat contentof the heat accumulatorheat upgot to. In other words, you make sure that the limited amount of heat,those in the heat storagecan be stored, efficiently transferred to the fuel cell stackbecomes. This will save the amount of heat stored in the heat accumulatoris used efficiently,the heat accumulator canin other words, be kept smaller, so that relatively littleMaterial forthe heat accumulatorneededand the space requirement can be kept small. Furthermore,this way a higher oneEfficiency achieved.
[0012] DerWärmespeicherkann im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit Abwärme des Brennstoffzellenstapelswieder aufgeladen werden, so dass sonst verlorene Energie verwendetwird, was ebenfalls zu einem höherenWirkungsgrad führt.Theheat storagecan in normal operation of the fuel cell system with waste heat from the fuel cell stackcan be recharged so that otherwise lost energy is usedbecomes what also becomes a higherEfficiency leads.
[0013] Solltedie Wärmemenge,die im Wärmespeichergespeichert ist, nicht ausreichen, beispielsweise weil die Umgebungstemperaturensehr niedrig liegen, so kann der Brennstoffzellenstapel durch Einschaltungder Heizeinrichtung und der Wärmetauscherdirekt beheizt werden. Auch hier wirkt die Anordnung der erstenund zweiten Zweige weitestgehend unabhängig vom Hauptkreislauf unddaher auch effizient. Auch die Heizeinrichtung und der Wärmetauscherkönnenin der unmittelbaren Nachbarschaft des Brennstoffzellenstapels angebrachtwerden. Da diese ergänzendeHeizungsmöglichkeitvorgesehen ist, kann der Wärmespeicherverhältnismäßig kleinausgeführtwerden, wodurch ebenfalls Material und Platz gespart wird. Die Heizeinrichtung selbstkann beispielsweise auch mit Wasserstoff betrieben werden, der alsAbdampfverlust eines Tieftemperaturspeichers entsteht. Solche Abdampfverlustekönnenzwar minimiert aber nicht vollständig ausgeschlossenwerden. Wenn daher solche Verluste zum Betrieb der Heizeinrichtungherangezogen werden, so wird die Heizwirkung mit Energie abgedeckt,die sonst verloren gehen würde.Diese Möglichkeitkann auch vollständigunabhängigvom Betrieb des Brennstoffzellensystems genützt werden, so dass beispielsweisebei auftretenden Wärmeverlustenim Wärmespeicher,wenn das Fahrzeug lange steht, der Wärmespeicher von der Heizeinrichtung immerwieder aufgefülltwerden kann. Da die Heizeinrichtung und der Wärmespeicher eng beieinander angeordnetsind und unabhängigvom Hauptkreislauf betrieben werden können, ist dieser Aufwärmvorgangauch sehr effizient.If the amount of heat stored in the heat store is not sufficient, for example because the ambient temperatures are very low, the fuel cell stack can be heated directly by switching on the heating device and the heat exchanger. Here, too, the arrangement of the first and second branches is largely independent of the main circuit and therefore also efficient. The heating device and the heat exchanger can also be installed in the immediate vicinity of the fuel cell stack. Since this additional heating option is provided, the heat accumulator can be made relatively small, which also saves material and space. The heating device itself can also be operated, for example, with hydrogen, which arises as a loss of evaporation from a low-temperature store. Such evaporative losses can be minimized but not completely ruled out. Therefore, if such losses are used to operate the heating device, the heating effect is covered with energy that would otherwise be lost. This possibility can also be used completely independently of the operation of the fuel cell system, so that, for example, if there is heat loss in the heat accumulator, when the vehicle is stationary for a long time, the heat accumulator can be replenished again and again by the heating device. As the heating device and the heat accumulator are arranged close together and independently of the main circuit can be operated, this warm-up process is also very efficient.
[0014] Beisehr tiefen Umgebungstemperaturen und/oder bei kurzen Fahrstreckenkann die Situation eintreten, dass nicht mehr genügend Wärme im Wärmespeichervorhanden ist, um ein erneutes Anlassen des Brennstoffzellensystemsbei kalten Umgebungsbedingungen zu ermöglichen. Hierzu schafft dieHeizeinrichtung Abhilfe, da sie unabhängig vom Brennstoffzellensystembetrieben werden kann. Sollten die vorhandenen Abdampfverluste nichtausreichen, um die Heizeinrichtung zu betreiben, so kann diese auch mitBrennstoff aus dem Tieftemperaturenspeicher gespeist werden.atvery low ambient temperatures and / or for short journeysthe situation may arise that there is no longer enough heat in the heat storeis in place to restart the fuel cell systemto allow in cold ambient conditions. To do this, theRemedy heater as it is independent of the fuel cell systemcan be operated. Should not the existing evaporation lossesare sufficient to operate the heating device, this can also be usedFuel can be fed from the low-temperature storage.
[0015] Dadurch,dass der Wärmespeicherwie auch die Heizeinrichtung in parallelen Zweigen des Kühlmittelkreislaufsangeordnet sind, könnensie weitestgehend unabhängigvom normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems betrieben werdenund somit wird der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems inkeinster Weise gestört.Thereby,that the heat accumulatoras well as the heating device in parallel branches of the coolant circuitcan be arrangedthey are largely independentbe operated from normal operation of the fuel cell systemand thus the normal operation of the fuel cell system innot bothered in any way.
[0016] Besondersgünstigist es, wenn die T-Verbindung durch ein T-Stück realisiert ist. Dies stellteine sehr preisgünstigeMöglichkeitdar, die auch einwandfrei funktioniert. Noch günstiger ist es jedoch, wenndie T-Verbindung durch ein zweites Umschaltventil realisiert wird,da man auf diese Weise eine noch sicherere Trennung des ersten undzweiten Zweiges vom Hauptkreislauf des Kühlmittels erreicht. Besondersgünstigist es, wenn die T-Verbindung durch ein Regelventil, vorzugsweisemit Umschaltfunktion, realisiert wird. Dies ermöglicht es, dass die Heizeinrichtunggleichzeitig mit der Entladung des Wärmespeichers betrieben wird,so dass beide Wärmequellenzur Erwärmungdes Brennstoffzellenstapels zur Verfügung stehen und die jeweiligeWärmeeinspeisungin den Brennstoffzellenstapel optimal geregelt werden kann.EspeciallyCheapit is when the T-connection is realized by a T-piece. This posesa very affordablepossibilitythat works perfectly. However, it is even cheaper ifthe T-connection is realized by a second changeover valve,because in this way an even more secure separation of the first andsecond branch from the main circuit of the coolant. EspeciallyCheapit is when the T-connection is preferred by a control valvewith switchover function. This allows the heateris operated simultaneously with the discharge of the heat accumulator,so both heat sourcesfor warmingof the fuel cell stack are available and the respectiveheat inputcan be optimally regulated in the fuel cell stack.
[0017] Dieerfindungsgemäße Einrichtungkann so an den Hauptkreislauf angeschlossen werden, dass der Eingangdes ersten Zweiges bzw. der erste Anschluss des Umschaltventilsan der Vorlaufleitung des Hauptkreislaufs vor dem Brennstoffzellenstapel angeschlossenist. Noch günstigererscheint es jedoch, wenn der Eingang des ersten Zweiges bzw. der ersteAnschluss des ersten Umschaltventils an der Rücklaufleitung des Kühl mittelkreisesnach dem Brennstoffzellenstapel angeschlossen ist, da auf dieseWeise die Temperatur des Kühlmittels,die in den Wärmespeichereinläuft,etwas höherist und mehr Wärmeim Wärmespeichergespeichert werden kann. Ferner entspricht dann die Durchströmung des Brennstoffzellenstapelsbei der Erwärmungmit Wärmeaus dem Wärmespeicherbzw. von der Heizeinrichtung der normalen Strömungsrichtung im normalen Betrieb.Thedevice according to the inventioncan be connected to the main circuit so that the inputof the first branch or the first connection of the changeover valveconnected to the flow line of the main circuit in front of the fuel cell stackis. Even cheaperhowever, it appears when the input of the first branch or the firstConnection of the first changeover valve to the return line of the coolant circuitafter the fuel cell stack is connected because on thisWay the temperature of the coolant,the in the heat accumulatorenters,a little bit higheris and more warmthin the heat storagecan be saved. The flow through the fuel cell stack then also correspondswhen heatingwith warmthfrom the heat storageor from the heater of the normal flow direction in normal operation.
[0018] Besondersbevorzugte Ausführungsformen deserfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bzw.des erfindungsgemäßen Verfahrensergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugtenAusführungsbeispielenaufgrund der beigefügtenZeichnungen.Especiallypreferred embodiments of thefuel cell system according to the invention orof the method according to the inventionemerge from the following description of preferredembodimentsdue to the attachedDrawings.
[0019] Inden Zeichnungen zeigen:Inthe drawings show:
[0020] 1 eine schematische Darstellungeines Brennstoffzellensystems, das entsprechend der Erfindung ausgelegtist und so geschaltet ist, dass das System vom kalten Zustand gestartetwerden kann, 1 2 shows a schematic representation of a fuel cell system which is designed in accordance with the invention and is switched such that the system can be started from the cold state,
[0021] 2 zeigt die gleiche Ausführung wie 1, jedoch im Schaltzustand,bei dem die Wärme voneiner Heizeinrichtung in den Brennstoffzellenstapel eingeführt wird, 2 shows the same execution as 1 , but in the switching state in which the heat is introduced into the fuel cell stack by a heating device,
[0022] 3 die gleiche Ausführung wie 1 und 2, jedoch im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems, 3 the same version as 1 and 2 , but in normal operation of the fuel cell system,
[0023] 4 wiederum die gleiche Ausführung wie die 1 bis 3, jedoch hier bei der Nachladung des Wärmespeichersin einen Zustand, in dem das Brennstoffzellensystem selbst sichnicht in Betrieb befindet, 4 again the same version as that 1 to 3 , but here when the heat accumulator is recharged to a state in which the fuel cell system itself is not in operation,
[0024] 5 – 8 eineweitere Ausführungsform,die der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß 1 bis 4 entspricht, wobei aber der Eingangdes ersten Zweigs und der Anschluss des Umschaltventils an der Vorlaufleitungdes Hauptkreislaufs des Brennstoffzellenstapels anstelle dessenRücklaufleitung angeschlossenist, und 5 - 8th a further embodiment, which according to the embodiment of the invention 1 to 4 corresponds, but the input of the first branch and the connection of the changeover valve to the feed line of the main circuit of the fuel cell stack being connected instead of the return line, and
[0025] 9 das Grundkonzept der Integrationeines Ladeluftkühlersin die Ausführungsformender obigen Figuren. 9 the basic concept of integrating an intercooler in the embodiments of the above figures.
[0026] Die 1 zeigt eine schematischeDarstellung eines Brennstoffzellensystems bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel 10 miteiner Anodenseite 12 und einer Kathodenseite 14.Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlmittelkreislauf 16 auf,der mit einem isolierenden Kühlmittelgefüllt ist,das je nachdem, wo das Brennstoffzellensystem betrieben wird, beiden dort maximal zu erwartenden negativen Temperaturen nicht friert,d.h. nicht in einen festen Zustand übergeht.The 1 shows a schematic representation of a fuel cell system consisting of a fuel cell stack 10 with an anode side 12 and a cathode side 14 , The fuel cell system also has a coolant circuit 16 which is filled with an insulating coolant which, depending on where the fuel cell system is operated, does not freeze at the maximum negative temperatures to be expected there, ie does not change into a solid state.
[0027] Aufder Anodenseite 12 wird ein Brennstoff, wie beispielsweiseWasserstoff oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, in einem Tieftemperaturenspeicher 18 oderin einem anderen geeigneten Druckspeicher gespeichert. Das Bezugszeichen 20 bezeichnetein Ventil, das zur Reduzierung des Drucks im Speicher 18 aufeinen niedrigeren Speisedruck dient. Das Ventil 20 wirdvon einer Steuerung 22 übereine Leitung 20A angesteuert. Um die Darstellung zu vereinfachen,ist der Verlauf der Steuerleitung 20A zwischen dem Ventil 20 undder Steuerung 22 nicht gezeigt, jedoch versteht sich, dassdie Stichleitung 20A am Ventil 20 mit der Stichleitung 20A an derSteuerung 22 verbunden ist. Dies gilt auch für alle weiterenStichleitungen, die in der 1 eingezeichnetsind, das heißtalle Stichleitungen, die zu einem Bauteil in der Zeichnung führen, werdenmit dem gleichen Bezugszeichen versehen wie das Bauteil selbst,jedoch mit dem Zusatz "A" und entsprechend wirddie Stichleitung an der Steuerung 22 mit dem entsprechendenBezugszeichen gekennzeichnet.On the anode side 12 becomes a fuel, such as hydrogen or a hydrogen-rich synthesis gas, in a low-temperature storage 18 or stored in another suitable pressure accumulator. The reference number 20 denotes a valve that is used to reduce the Pressure in memory 18 serves at a lower feed pressure. The valve 20 is controlled by a controller 22 over a line 20A driven. To simplify the illustration, the course of the control line 20A between the valve 20 and control 22 not shown, however it is understood that the stub 20A on the valve 20 with the branch line 20A at the control 22 connected is. This also applies to all other branch lines in the 1 are shown, that is, all spur lines that lead to a component in the drawing are provided with the same reference numerals as the component itself, but with the addition "A" and accordingly the spur line on the controller 22 marked with the corresponding reference number.
[0028] DasVentil 20 kann beispielsweise ein Ventil sein, das nichtnur als Druckreduzierventil arbeitet, sondern auch eine Ausschaltfunktionaufweist, die überdie Steuerleitung 20A ausgelöst werden kann.The valve 20 can be, for example, a valve that not only works as a pressure reducing valve, but also has a switch-off function that is via the control line 20A can be triggered.
[0029] Aufder Anodenseite 12 wird der Brennstoff bzw. der Wasserstoffvom Druckreduzierventil 20 an ein Steuerventil 24 weitergeleitet,das übereine Stichleitung 24A an die Steuerung 22 angeschlossen ist,wobei die Steuerung 22 die Einstellung des Ventils 24 festlegt,damit die erforderliche Menge an frischem Wasserstoff bzw. Brennstoffder Anodenseite 12 des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.Der dem Brennstoffzellensystem zugeführte Wasserstoff bzw. Brennstoffliefert Protonen an die einzelnen Brennstoffzellenzellen 26 desBrennstoffzellenstapels 10 und diese wandern durch diedort vorgesehenen Membrane (nicht gezeigt) auf die Kathodenseite 14 zu.On the anode side 12 the fuel or hydrogen from the pressure reducing valve 20 to a control valve 24 forwarded, that via a branch line 24A to the controller 22 is connected, the controller 22 the setting of the valve 24 specifies the required amount of fresh hydrogen or fuel on the anode side 12 of the fuel cell system is supplied. The hydrogen or fuel supplied to the fuel cell system delivers protons to the individual fuel cell cells 26 of the fuel cell stack 10 and these migrate through the membrane (not shown) provided there to the cathode side 14 to.
[0030] Inan sich bekannter Weise wird der Kathodenseite 14 Luftsauerstoff über denKompressor 28 und die Leitung 30 zugeführt. DerLuftkompressor 28 wird von einem Elektromotor 32 über eineWelle 34 angetrieben und saugt Luft über den Luftfilter und Schalldämpfer 36 unddie Leitung 38 an. Der Elektromotor 32 weist elektrischeAnschlüsse(nicht gezeigt) sowie eine Steuerleitung 32A auf, die ander Steuerung 22 angeschlossen ist. Die Protonen, die durch dieMembrane der einzelnen Brennstoffzellen 26 hindurch diffundieren,reagieren auf der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 10 mitSauerstoffmolekülen,die vom Kompressor 28 geliefert werden und erzeugen durchdiese Reaktion Wasserdampf sowie elektrische Leistung, die an denKlemmen 40 und 42 des Brennstoffzellenstapelsabgezapft werden kann. Diese elektrische Leistung wird bei Verwendungdes Brennstoffzellensystems in einem PKW für die Versorgung eines Elektromotorsoder mehrerer Elektromotoren verwendet, der bzw. die das Fahrzeugantreibt bzw. antreiben. Ein Teil der elektrischen Leistung kannauch fürandere Zwecke verwendet werden, beispielsweise um den Elektromotor 32 anzutreiben.Das Bezugszeichen 44 bezeichnet ein Ventil auf der Kathodenseite 14 desBrennstoffzellensystems, das den Betriebsdruck auf der Kathodenseite steuert.Um das Ventil 44 regeln zu können, weist dieses eine Steuerleitung 44A auf,die ebenfalls an der Steuerung 22 angeschlossen ist. Diekathodenseitigen Abgase, die hauptsächlich aus nicht verbrauchtemLuftsauerstoff, Wasserdampf, Stickstoff und Wassertröpfchen bestehen,könnenbedenkenlos direkt in die Umgebung abgelassen werden, da es sichbei diesen Abgasen um natürlicheBestandteile der Luft handelt. Gewöhnlich werden die Wassertröpfchen aberin einer Wassertrenneinrichtung 46 gesammelt, bevor dierestlichen Abgase überdie Leitung 48 in die Umgebung ausströmen.In a manner known per se, the cathode side 14 Atmospheric oxygen via the compressor 28 and the line 30 fed. The air compressor 28 is powered by an electric motor 32 over a wave 34 powered and sucked air through the air filter and muffler 36 and the line 38 on. The electric motor 32 has electrical connections (not shown) and a control line 32A on that at the controller 22 connected. The protons through the membrane of each fuel cell 26 diffuse through, react on the cathode side 14 of the fuel cell stack 10 with oxygen molecules coming from the compressor 28 are delivered and generate water vapor and electrical power at the terminals through this reaction 40 and 42 of the fuel cell stack can be tapped. When the fuel cell system is used in a passenger car, this electrical power is used to supply an electric motor or a plurality of electric motors which drive or drive the vehicle. Part of the electrical power can also be used for other purposes, for example around the electric motor 32 drive. The reference number 44 denotes a valve on the cathode side 14 of the fuel cell system that controls the operating pressure on the cathode side. Around the valve 44 To be able to regulate, this has a control line 44A on that also on the controller 22 connected. The cathode-side exhaust gases, which mainly consist of unused atmospheric oxygen, water vapor, nitrogen and water droplets, can be safely discharged directly into the environment, since these exhaust gases are natural components of the air. Usually, however, the water droplets are in a water separation device 46 collected before the remaining exhaust gases through the line 48 flow into the environment.
[0031] DasBezugszeichen 50 bezeichnet ein Ventil, das über dieStichleitung 50A angesteuert werden kann, um gesammeltesWasser überdie Leitung 52 abzulassen oder einer anderen Verwendungzuzuführen.The reference number 50 denotes a valve that passes through the spur line 50A can be controlled to collect water via the line 52 drain or put to another use.
[0032] Aufder Anodenseite 12 des Brennstoffzellenstapels 10 befindetsich eine Rücklaufleitung 54, die über einePumpe 56 an den Anodeneingang 58 führt. Aufdiese Weise könnendie Anodenabgase, die hauptsächlichaus noch nicht verbrauchtem Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampfbestehen, erneut durch den Brennstoffzellenstapel hindurchgeführt werden,wodurch eine bessere Ausnutzung des zugeführten Wasserstoffs erreichtwerden kann. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe 56 und daherderen Förderleistungkann aber die Leitung 56A von der Steuerung 22 bestimmtwerden. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet ein Ablassventil,das diskontinuierlich oder kontinuierlich angesteuert werden kann,um einen Teil der anodenseitigen Abgase aus dem Anodenkreislaufzu entfernen. Da diese Gase noch einen Wasserstoffanteil enthaltenund dieser nicht bedenkenlos an die Umgebung abgelassen werden kann, werdendie abgelassenen anodenseitigen Abgase über einen Brenner 64, üblicherweiseeinen katalytischen Brenner, geführt,der Sauerstoff oder Luftt über dieLeitung 66 erhältund dafürsorgt, Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu verbinden, um Wasserzu bilden, das bedenkenlos abgelassen werden kann, wobei, fallsgewünscht,auch ein Teil dieses Wassers in einer Wassertrenneinrichtung gesammeltwerden könnte.Die verbleibenden Kathodenabgase, d.h. Wasserdampf, Wassertröpfchen undStickstoff könnenwiederum unbedenklich in die Umgebungsluft abgelassen werden, dasie natürlicheBestandteile der Umgebungsluft bilden. Der Stickstoff, der in den Anodenabgasenenthalten ist, ist deshalb auf der Anodenseite zu finden, weil erdurch die Membrane der Brennstoffzellen zu der Anoden seite hindurchdiffundiert wie auch das auf der Kathodenseite vorhandene Wasser.On the anode side 12 of the fuel cell stack 10 there is a return line 54 that have a pump 56 to the anode input 58 leads. In this way, the anode exhaust gases, which mainly consist of not yet consumed hydrogen, nitrogen and water vapor, can be passed through the fuel cell stack again, whereby better utilization of the hydrogen supplied can be achieved. The speed of rotation of the pump 56 and therefore their funding can be managed 56A from the controller 22 be determined. The reference number 60 denotes a discharge valve which can be actuated discontinuously or continuously in order to remove part of the anode-side exhaust gases from the anode circuit. Since these gases still contain a proportion of hydrogen and this cannot be released into the environment without hesitation, the discharged anode-side exhaust gases are passed through a burner 64 , usually a catalytic burner, which carries oxygen or air through the line 66 maintains and ensures that hydrogen and oxygen are combined to form water that can be safely drained, and if desired, part of this water could also be collected in a water separator. The remaining cathode exhaust gases, ie water vapor, water droplets and nitrogen can in turn be safely released into the ambient air, since they form natural components of the ambient air. The nitrogen contained in the anode exhaust gases can be found on the anode side because it diffuses through the membrane of the fuel cells to the anode side, as does the water present on the cathode side.
[0033] DerKühlmittelkreislauf 16 bestehtaus einem Hauptkreislauf 70, der eine Pumpe 72 undeinen Kühler 74 enthält. In derDarstellung der 1 saugt diePumpe 72 heißesKühlmittelin die Rücklaufleitung 80 desHauptkreislaufes 70 an und befördert sie im Betrieb durchden Kühler 74 undnach entsprechender Abkühlunganschließend über dieVorlaufleitung 82 wieder in den Brennstoffzellenstapel 10 hinein.Das Bezugszeichen 76 bezeichnet ein Kühlgebläse, das vom Elektromotor 78 angetriebenwird, der wiederum übernicht dargestellte Leitungen elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystemerhält, d.h.ein Teil der elektrischen Leistung, die von Klemmen 40 und 42 erhaltenwird und darüberhinaus über dieSteuerleitung 78A von der Steuerung 22 in seiner Drehzahlgesteuert wird. Durch Steuerung der Drehzahl der Pumpe 72 über dieSteuerleitung 72A und Steuerung der Drehzahl des Elektromotors 78 und deshalbdes Luftgebläses 76 über dieSteuerleitung 78A kann die gewünschte Kühlleistung des Hauptkreislaufs 70 vonder Steuerung 22 bestimmt werden. Das Brennstoffzellensystemwie bisher beschrieben ist an sich gut bekannt und es bestehen vielemöglicheAbwandlungen zu realisieren, die hier nicht von Belang sind, dasie mit der vorliegenden Erfindung, die sich im Kühlmittelkreislaufabspielt, nichts zu tun haben.The coolant circuit 16 consists of a main circuit 70 who is a pump 72 and one cooler 74 contains. In the representation of the 1 sucks the pump 72 hot coolant into the return line 80 of the main circuit 70 and transports them through the cooler during operation 74 and after appropriate cooling, then via the flow line 82 back into the fuel cell stack 10 into it. The reference number 76 denotes a cooling fan that is generated by the electric motor 78 is driven, which in turn receives electrical power from the fuel cell system via lines, not shown, ie part of the electrical power from terminals 40 and 42 is obtained and also via the control line 78A from the controller 22 is controlled in its speed. By controlling the speed of the pump 72 via the control line 72A and control of the speed of the electric motor 78 and therefore the air blower 76 via the control line 78A can the desired cooling capacity of the main circuit 70 from the controller 22 be determined. The fuel cell system as described so far is well known per se and there are many possible modifications to implement which are not important here, since they have nothing to do with the present invention, which takes place in the coolant circuit.
[0034] Essoll nur darauf hingewiesen werden, dass die einzelnen Brennstoffzellenaus einer so genannten Membran-Elektroden-Einheit bestehen (so genannteMEA), die jeweils zwischen zwei bipolaren Platten angeordnet sind.Die bipolaren Platten, die jeweils häufig aus zwei aneinander flächig angelegten Plattenrealisiert sind, haben in ihrem Inneren Kühlkanäle, durch welche das Kühlmittelzirkuliert, um die einzelnen Brennstoffzellen in einem gewünschten Betriebstemperaturbereichzu halten. Die Konstruktion der Brennstoffzellen und der innerhalbder bipolaren Platten vorgesehenen Kühlkanäle ist an sich gut bekannt,nicht zuletzt aus einer Vielzahl von Patentschriften, z.B. aus der DE 101 28 836 A1 ,und wird daher hier nicht weiter beschrieben.It should only be pointed out that the individual fuel cells consist of a so-called membrane-electrode unit (so-called MEA), which are each arranged between two bipolar plates. The bipolar plates, which are often each made of two flat plates placed against one another, have cooling channels in their interior through which the coolant circulates in order to keep the individual fuel cells in a desired operating temperature range. The construction of the fuel cells and the cooling channels provided within the bipolar plates is well known per se, not least from a large number of patents, for example from DE 101 28 836 A1 , and is therefore not further described here.
[0035] DasBezugszeichen 100 bezeichnet einen Wärmespeicher, der in einen erstenzum Kühler 74 parallelenZweig 102 des Kühlmittelkreislaufs 70 angeordnetist, d.h. dass der parallele Zweig 102 des Kühlmittelkreislaufs 70 sichzwischen der Rücklaufleitung 80 undder Vorlaufleitung 82 erstreckt. Ein von einer Heizeinrichtung 104 erwärmbarerWärmetauscher 106 istin einem zweiten parallel zum Wärmespeicher 100 angeordnetenZweig 108 angeordnet. Ferner befindet sich im ersten Zweig 102 einezweite Pumpe 110, die vor dem Wärmespeicher angeordnet ist.Das Bezugszeichen 112 bezeichnet ein Zweigwegumschaltventil,das einen ersten Anschluss 114, der im ersten Zweig 102 vorder zweiten Pumpe 110, einen zweiten Anschluss 116,der im ersten Zweig 102 nach der zweiten Pumpe 110 undeinen dritten Anschluss 118, der im zweiten Zweig 108 vordem Wärmetauscher 106 angeordnetist, aufweist. Eine T-Verbindung 120 ist zwischen dem erstenZweig 102, dem zweiten Zweig 108 und dem Hauptkreislauf 70 angeordnet.Wie in den Figuren dargestellt, ist die T-Verbindung 120 durch ein zweites Umschaltventil gebildet,das überdie Steuerleitung 120A an der Steuerung 22 angeschlossenist, wodurch das Umstellventil 120 von der Steuerung 22 ausumgeschaltet werden kann. Obwohl hier die T-Verbindung 120 durchein Umschaltventil realisiert ist, könnte es sich stattdessen umeine reine T-Verbindung, d.h. um ein T-Stückhandeln.The reference number 100 denotes a heat accumulator, which in a first to the cooler 74 parallel branch 102 of the coolant circuit 70 is arranged, that is, the parallel branch 102 of the coolant circuit 70 between the return line 80 and the lead pipe 82 extends. One from a heater 104 heatable heat exchanger 106 is in a second parallel to the heat storage 100 arranged branch 108 arranged. It is also in the first branch 102 a second pump 110 , which is arranged in front of the heat accumulator. The reference number 112 denotes a two-way switch valve that has a first port 114 that in the first branch 102 before the second pump 110 , a second connection 116 that in the first branch 102 after the second pump 110 and a third port 118 who is in the second branch 108 in front of the heat exchanger 106 is arranged. AT connection 120 is between the first branch 102 , the second branch 108 and the main circuit 70 arranged. As shown in the figures, the T-connection 120 is formed by a second switch valve, which is via the control line 120A at the control 22 is connected, causing the diverter valve 120 from the controller 22 can be switched from. Although here the T-connection 120 realized by a changeover valve, it could instead be a pure T-connection, ie a T-piece.
[0036] Auchdas Umschaltventil 112 weist eine Steuerleitung 112A auf,die an der Steuerung 22 angeschlossen ist, damit auch diesesVentil je nach Betriebszustand von der Steuerung 22 ausumgeschaltet werden kann.Also the changeover valve 112 has a control line 112A on that at the controller 22 is connected so that this valve, depending on the operating state of the control 22 can be switched from.
[0037] DasBezugzeichen 122 bezeichnet einen Temperatursensor, dergegebenenfalls an anderen Stellen innerhalb des Kühlkreislaufsangeordnet werden könnte,beispielsweise in der Vorlaufleitung 82.The reference sign 122 denotes a temperature sensor that could possibly be arranged at other points within the cooling circuit, for example in the flow line 82 ,
[0038] 1 zeigt den Entladevorgangdes Wärmespeichers 100 beieinem Kaltstart des Brennstoffzellensystems. Dabei wird die zweitePumpe 110 über dieSteuerleitung 110A in Betrieb genommen und zirkuliert Kühlmitteldurch den Wärmespeicher 100, durchdas Umschaltventil 120, die Vorlaufleitung 82, denBrennstoffzellenstapel 10 und die Rücklaufleitung 80.Diese Betriebsweise setzt voraus, dass der Wärmespeicher 100 zuvorWärme gespeicherthat ist, die jetzt vom Kühlmittelaufgenommen und zur Erwärmungdes Brennstoffzellenstapels verwendet werden kann. Dabei wird dieaktuelle Temperatur des Kühlmittels über dieSensorleitung 122A von der Steuerung 22 aufgenommenund fürdie Steuerung des Systems herangezogen. Neben der Aufnahme der Wärme ausdem Speicher wird warmes Kühlmediumaus dem Wärmespeicherverdrängt.Dieses verdrängtseinerseits kühleresMedium aus den Kühlkanälen desBrennstoffzellenstapels, welches wiederum Kühlmittel im Speicher ersetzt. 1 shows the discharge process of the heat accumulator 100 with a cold start of the fuel cell system. The second pump 110 via the control line 110A put into operation and circulates coolant through the heat accumulator 100 , through the changeover valve 120 who have favourited Flow Line 82 , the fuel cell stack 10 and the return line 80 , This mode of operation requires that the heat accumulator 100 previously stored heat, which can now be absorbed by the coolant and used to heat the fuel cell stack. The current temperature of the coolant is monitored via the sensor line 122A from the controller 22 recorded and used for the control of the system. In addition to absorbing the heat from the store, warm cooling medium is displaced from the heat store. This in turn displaces cooler medium from the cooling channels of the fuel cell stack, which in turn replaces coolant in the memory.
[0039] Beidiesem Kaltstartvorgang läuftdie erste Pumpe 72 nicht, d.h. es liegt kein Ansteuersignalan der Steuerleitung 72A an. Hierdurch wirkt die erste Pumpe 72 wieein Absperrventil und verhindert, dass Kühlmittel in den Hauptkreislaufdurch die Pumpe 72 und den Kühler 74 hindurch strömt.The first pump runs during this cold start process 72 not, ie there is no control signal on the control line 72A on. This causes the first pump to work 72 like a shut-off valve and prevents coolant from entering the main circuit through the pump 72 and the cooler 74 flows through.
[0040] Während diesesKaltstartvorgangs ist das Umschaltventil 112 und die Steuerleitung 112A von derSteuerung 22 so geschaltet, dass der erste Anschluss 114 mitdem dritten Anschluss 118 verbunden ist und das zweiteUmschaltventil 120 ist überdie Steuerleitung 120A von der Steuerung so geschaltet, dasseine Verbindung zwischen seinem ersten Anschluss 124 undseinem dritten Anschluss 128 vorliegt. Eine Durchströmung deszweiten Zweiges 108 wird hiermit unterbunden. Das bedeutet,dass die Wärmemenge,die im Wärmespeicher 100 zurVerfügungsteht, ausschließlichzur Erwärmungdes Kühlmittelsverwendet wird, das sich im Kühlkreisdes Brennstoffzellensystems 10 und im ersten Zweig des Kühlkreisesbefindet, d.h. die im Wärmespeicher 100 verfügbare Wärmemengewird auf eine geringe Menge Kühlmittelbegrenzt, so dass die maximale Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 10 mitder verfügbarenWärmemengeerreicht wird. Der Wärmespeicher 100 wirdsolange entladen, bis der Temperatursensor 122 eine Temperaturvon beispielsweise 0°C detektiert.Der Kaltstart des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenstapels 10 kannparallel zum Entladen des Wärmespeichersanlaufen oder erst nach Erwärmungdes Brennstoffzellensystems auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 0°C, erfolgen.Um den Brennstoffzellenstapel anlaufen lassen zu können, müssen ihmdann Wasserstoff aus dem Speicher 18 und Luft vom Kompressor 28 in ansich bekannter Weise zugeführtwerden. Bei Aufnahme des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugtdieser auch zusätzlicheWärme,so dass der Brennstoffzellenstapel 10 auf Betriebstemperaturgebracht wird.The switch valve is during this cold start 112 and the control line 112A from the controller 22 switched so that the first connection 114 with the third port 118 is connected and the second switching valve 120 is over the control line 120A switched by the controller so that a connection between its first connection 124 and its third port 128 is present. A flow through the second branch 108 is hereby prevented. That means the amount of heat in the heat storage 100 is available, is used exclusively for heating the coolant that is in the cooling circuit of the fuel cell system 10 and is located in the first branch of the cooling circuit, ie that in the heat accumulator 100 The available amount of heat is limited to a small amount of coolant, so that the maximum heating of the fuel cell stack 10 is achieved with the available amount of heat. The heat storage 100 is discharged until the temperature sensor 122 a temperature of, for example, 0 ° C is detected. The cold start of the fuel cell system or the fuel cell stack 10 can start up parallel to the unloading of the heat accumulator or take place only after the fuel cell system has been heated to a predetermined temperature, for example 0 ° C. In order to be able to start the fuel cell stack, hydrogen must then be stored in it 18 and air from the compressor 28 can be supplied in a manner known per se. When the fuel cell stack starts operating 10 this also generates additional heat, making the fuel cell stack 10 is brought to operating temperature.
[0041] Solltedie im Wärmespeicher 100 gespeicherteMenge nicht ausreichen, um den Brennstoffzellenstapel 10 aufdie vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 0°C, zu bringen, beispielsweisedeshalb, weil ein Teil der gespeicherten Wärme über einen entsprechenden Zeitraumentwichen ist oder weil der Wärmespeicher 100 nichtso groß dimensioniertist, dass die dort gespeicherte Wärmemenge alleine für die anfänglicheErwärmungdes Brennstoffzellenstapels sorgen kann, so wird das System von derSteuerung 22 so umgestellt, dass ein Teilstrom oder derkomplette Kühlmittelstrom über denWärmetauscher 106 geleitetwird.Should the in the heat storage 100 stored amount is not sufficient to the fuel cell stack 10 bring to the predetermined temperature, for example 0 ° C, for example, because part of the stored heat has escaped over a corresponding period of time or because the heat storage 100 is not dimensioned so large that the amount of heat stored there alone can ensure the initial heating of the fuel cell stack, the system is controlled by the controller 22 converted so that a partial flow or the complete coolant flow via the heat exchanger 106 is directed.
[0042] Gleichzeitigwird Wärme über dieHeizeinrichtung 104 diesem Teilstrom oder dem kompletten Kühlmittelstromzugeführt.Um diese Betriebsweise, die in 2 angedeutetist, zu realisieren, bleibt die Pumpe 72 im ausgeschaltetenZustand, so dass keine Durchströmungdes Kühlers 74 erfolgt.Dagegen ist das Umschaltventil 112 durch die Steuerung 22 so geschaltet,dass der zweite Anschluss 116 mit dem dritten Anschluss 118 kommuniziert.Gleichzeitig wird das Umschaltventil 120 so geschaltet,dass sowohl der erste Anschluss 124 als auch der zweiteAnschluss 126 mit dem dritten Anschluss 128 kommuniziert,wodurch die Schaltposition des Umschaltventils 120 dieVerhältnisseder Durchströmungdes ersten Zweiges 102 und der Durchströmung des zweiten Zweiges 108 bestimmt,d.h. Teilströmekönnendurch beide Zweige strömen.Eine solche Durchströmen vonbeiden Zweigen findet auch dann statt wenn ein einfaches T-Stück anstelleeines variablen Umschaltventils zur Anwendung gelangt.At the same time, heat is generated by the heating device 104 this partial flow or the complete coolant flow. To this mode of operation, which in 2 the pump remains to be realized 72 when switched off, so that no flow through the cooler 74 he follows. In contrast, the changeover valve 112 through the controller 22 switched so that the second connection 116 with the third port 118 communicated. At the same time, the changeover valve 120 switched so that both the first connection 124 as well as the second port 126 with the third port 128 communicates, causing the switching position of the changeover valve 120 the conditions of the flow through the first branch 102 and the flow through the second branch 108 determined, ie partial flows can flow through both branches. Such a flow through both branches also takes place when a simple T-piece is used instead of a variable changeover valve.
[0043] Eineandere Möglichkeitbesteht darin, das Umschaltventil 120 so zu schalten, dassnur sein zweiter Anschluss 126 mit seinem dritten Anschluss 128 kommuniziertund dies führtden Kühlmittelstrom beiBetrieb der Pumpe 110 ausschließlich durch den Wärmetauscher 106 undden zweiten Zweig 108, nicht jedoch durch den Wärmespeicher 100.Another option is the switch valve 120 to switch so that only its second connection 126 with its third port 128 communicates and this leads the coolant flow when the pump is operating 110 exclusively through the heat exchanger 106 and the second branch 108 , but not through the heat accumulator 100 ,
[0044] DieHeizeinrichtung 104 wird bei Verwendung von flüssigem Wasserstoffim Brennstoffspeicher 18 vorzugsweise über die Leitung 130 mitWasserstoff oder Brennstoff gespeist, der als Abdampfverlust desBrennstoffspeichers 18 entsteht, wobei diese Abdampfverlustegegebenenfalls in einen Speicher 132 zwischengespeichertwerden können. DasBezugszeichen 133 zeigt ein Ventil, das sich erst öffnet, wenndie Abdampfverluste zu einem vorgegebenen Überdruck in der Leitung 135 geführt haben, während dasVentil 137 mit der Steuerleitung 137A die Ein-und Ausschaltung sowie Regelung der Brennstoffzufuhr zur Heizeinrichtung 104 bewerkstelligt.Auch könntedie Heizeinrichtung 104 direkt mit Brennstoff aus dem Speicher 18 gespeistwerden, beispielsweise dann, wenn die Abdampfverluste nicht ausreichen.The heater 104 is when using liquid hydrogen in the fuel storage 18 preferably via the line 130 fed with hydrogen or fuel, which acts as a loss of evaporation from the fuel storage 18 arises, these evaporation losses possibly in a memory 132 can be cached. The reference number 133 shows a valve that only opens when the evaporation losses to a predetermined pressure in the line 135 have led while the valve 137 with the control line 137A the switching on and off as well as regulation of the fuel supply to the heating device 104 accomplished. The heater could also 104 directly from the store with fuel 18 are fed, for example, when the evaporation losses are not sufficient.
[0045] Gegebenenfallskönntedie Heizeinrichtung 104 anders ausgelegt werden, beispielsweisefür Erwärmung desKühlmittelsmittels elektrischer Heizleistung, die von einer Batterie stammtoder im Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird. Auch bei dieser Betriebsweisewird die Wärmemenge,die von der Heizeinrichtung 104 geliefert wird, auf dasKühlmittel konzentriert,das unmittelbar im Brennstoffzellenstapel 10 und im zweitenZweig des Kühlmittelkreislaufs zirkuliert,so dass eine sehr effiziente Wärmeübertragungan den Brennstoffzellenstapel 10 erfolgt, vor allem dann,wenn die Vorlauf- und Rücklaufleitungen 82, 80 kurzgehalten werden und der erste und zweite Zweig 102, 108 desKühlmittelkreislaufs 70 inunmittelbarer Nachbarschaft zum Brennstoffzellenstapel 10 angeordnetsind.If necessary, the heating device 104 be interpreted differently, for example for heating the coolant by means of electrical heating power that comes from a battery or is generated during operation of the fuel cell. Also in this mode of operation, the amount of heat from the heater 104 is delivered, concentrated on the coolant that is directly in the fuel cell stack 10 and circulates in the second branch of the coolant circuit, so that a very efficient heat transfer to the fuel cell stack 10 takes place, especially when the supply and return lines 82 . 80 be kept short and the first and second branch 102 . 108 of the coolant circuit 70 in the immediate vicinity of the fuel cell stack 10 are arranged.
[0046] Auchhier wird beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur, die vomTemperatursensor 122 ermittelt und der Steuerung 22 über dieLeitung 122A mitgeteilt wird, die Heizeinrichtung 104 abgeschaltet, undzwar unter Anwendung der Steuerleitung 137A und gegebenenfallsder Steuerleitung 104A. Weiterhin besteht die Möglichkeit,die Fahrzeuginnenraumheizung, die beispielsweise über einenWärmetauscher,der parallel zum Kühler 74 undBrennstoffzellenstapel 10 im Kühlkreislauf angeordnet ist,zu unterstützen.Die Wärmewird dazu überdie Primärseite desWärmetauschersdem Kühlmittelentzogen und an die Luft, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird,abgegeben. Dieser Wärmetauscher(Fahrzeuginnenraumheizung) mit einem vorgeschalteten Regelventilist damit ebenfalls parallel zum Kreislauf 102 geschaltet.Die Wärme,die der elektrische Heizer oder ein Brenner erzeugt, kann damitgenutzt werden, um die Temperatur des Kühlkreislaufs 70, auch ausKomfortgründen über 0°C hinaus,anzuheben. Ein dauerhafter Betrieb eines elektrischen Heizers oderBrenners zur Deckung des Heizungswärmebedarfs bei niedriger Brennstoffzellenlastist ebenfalls denkbar.Again, when a predetermined temperature is reached, the temperature sensor 122 determined and the controller 22 over the line 122A is communicated to the heater 104 switched off, using the control line 137A and if necessary the control line 104A , There is also the possibility of heating the vehicle interior, for example via a heat exchanger that runs parallel to the radiator 74 and fuel cell stacks 10 arranged in the cooling circuit to support. For this purpose, the heat is extracted from the coolant via the primary side of the heat exchanger and released into the air that is supplied to the vehicle interior. This heat exchanger (vehicle interior heating) with an upstream control valve is therefore also parallel to the circuit 102 connected. The heat that the electric heater or a burner generated can be used to control the temperature of the cooling circuit 70 , also above 0 ° C for comfort reasons. A permanent operation of an electric heater or burner to cover the heating needs with a low fuel cell load is also conceivable.
[0047] Wenndie Aufwärmungdes Brennstoffzellenstapels 10 durch die im Wärmespeicher 100 gespeicherteWärme bzw.zusätzlichoder gleichzeitig durch die Heizeinrichtung 104 zugeführte Heizleistungabgeschlossen ist, befindet sich der Wärmespeicher 100 imleeren Zustand und muss nachgeladen werden. Für die Nachladung des Wärmespeichers 100 wirddas System so geschaltet, wie in 3 gezeigt. D.h.,dass die zweite Pumpe 110 Kühlmittel aus der Rücklaufleitung 80 inden Wärmespeicher 100 fördert, wobeidas in der Rücklaufleitung 80 enthaltene, jetztheißeKühlmittel,da der Brennstoffzellenstapel 10 in Betrieb ist, zur Erwärmung desWärmespeichers 100 dientund diesen wieder mit Wärmefüllt. DasKühl mittel,das aus dem Wärmespeicher 100 austritt,wird dann in die Vorlaufleitung 82 wieder eingespeist undwieder im Brennstoffzellenstapel 10 erwärmt. Für diesen Vorgang kann die Pumpe 72 zunächst geschlossenbleiben, da der Wärmespeicher 100 dieWärme aufnimmtund fürdie erforderliche Kühlungdes Brennstoffzellenstapels 10 sorgt.When the fuel cell stack is warming up 10 through in the heat storage 100 stored heat or additionally or simultaneously by the heating device 104 supplied heat output is complete, the heat store is located 100 empty and must be reloaded. For reloading the heat storage 100 the system is switched as in 3 shown. Ie that the second pump 110 Coolant from the return line 80 in the heat accumulator 100 promotes, which in the return line 80 contained, now hot coolant because of the fuel cell stack 10 is in operation, for heating the heat accumulator 100 serves and fills it with heat again. The coolant that comes from the heat accumulator 100 emerges, is then in the flow line 82 fed back in and again in the fuel cell stack 10 heated. The pump can be used for this process 72 initially remain closed as the heat accumulator 100 absorbs the heat and for the necessary cooling of the fuel cell stack 10 provides.
[0048] Alternativhierzu kann die Pumpe 72 zusätzlich zu der Pumpe 110 inBetrieb genommen werden, so dass nur ein Teilstrom durch den erstenZweig 102 strömt,wobei die Größe diesesTeilstroms durch das Verhältnisder jeweils eingestellten Förderleistung derPumpe 72 und der zweiten Pumpe 110 bestimmt wird.Da beim Laden des Wärmespeichers 100 eine Durchströmung deszweiten Zweiges 108 eher unerwünscht ist, wird das Umschaltventil 112 vorzugsweiseso geschaltet, dass der erste Anschluss 114 wieder mitdem dritten Anschluss 118 kommuniziert. Das zweite Umschaltventil 120 wirdso geschaltet, dass die Durchströmungvon seinem ersten Anschluss 124 zu seinem dritten Anschluss 128 erfolgt.Dabei kann eine Durchströmungdes zweiten Zweiges 108 nicht mehr stattfinden.Alternatively, the pump 72 in addition to the pump 110 be put into operation so that only a partial flow through the first branch 102 flows, the size of this partial flow by the ratio of the respectively set delivery rate of the pump 72 and the second pump 110 is determined. Because when loading the heat storage 100 a flow through the second branch 108 the switch valve is rather undesirable 112 preferably switched so that the first connection 114 again with the third connection 118 communicated. The second switch valve 120 is switched so that the flow from its first port 124 to his third connection 128 he follows. A flow through the second branch can 108 no longer take place.
[0049] DerWärmespeicher 100 istvorzugsweise so ausgelegt, dass die Temperatur des Kühlmittelsim Speicher bei einer Parkzeit von beispielsweise ca. 4 bis 8 Tagenin Abhängigkeitvon der Außentemperaturnicht unter 0°Cfällt.Der Speicher kann ein Wärme isolierterSpeicher sein oder ein Latentwärmespeicher,wobei es auch kombinierte Wärmeisolierte und Latentwärmespeichergibt, die hier ebenfalls zur Anwendung gelangen können. Beibeiden Prinzipien ergibt sich das Problem der Speicherentladung.Der isolierte Speicher hat kontinuierliche Wärmeverluste, der Latentwär mespeicherentlädtsich schlagartig bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur.The heat storage 100 is preferably designed in such a way that the temperature of the coolant in the accumulator does not fall below 0 ° C., depending on the outside temperature, for a parking time of approximately 4 to 8 days, for example. The store can be a heat-insulated store or a latent heat store, and there are also combined heat-insulated and latent heat stores, which can also be used here. The problem of memory discharge arises with both principles. The insulated store has continuous heat losses, the latent heat store discharges suddenly when the temperature falls below a certain level.
[0050] Umdiesen Nachteil zu umgehen, können alleSpeichertypen, wie in 4 dargestellt,nachgeladen werden. Als Wärmequellewird die Heizeinrichtung 104 hier vorzugsweise als Wasserstoffbrenner realisiert.Der dazu benötigteWasserstoffbedarf kann dann z.B. durch die Abdampfverluste des Flüssigwasserstofftanks 18 erfolgen,wie vorher im Zusammenhang mit 2 beschriebenwurde.To avoid this disadvantage, all memory types, as in 4 shown, can be reloaded. The heating device becomes the heat source 104 here preferably implemented as a hydrogen burner. The hydrogen required for this can then be caused, for example, by the evaporation losses from the liquid hydrogen tank 18 done as previously related to 2 has been described.
[0051] Durchden Ladebetrieb des Wärmespeichers 100 werdendie Umschaltventile 112 und 120 so geschaltet,wie in 4 angedeutet.Konkret wird der erste Anschluss 114 des Umschaltventils 112 zuseinem dritten Anschluss 118 durchgeschaltet, so dass diePumpe 110 Kühlmitteldurch den Wärmetauscher 106 saugtund diese in den Wärmespeicher 100 speist.Eine Durchströmungdes zweiten Anschlusses 116 des Umschaltventils 112 istaufgrund der Schaltstellung des Schaltventils 112 nichtmöglich.By charging the heat accumulator 100 become the changeover valves 112 and 120 switched as in 4 indicated. The first connection becomes concrete 114 of the changeover valve 112 to his third connection 118 switched through so that the pump 110 Coolant through the heat exchanger 106 sucks and this into the heat storage 100 fed. A flow through the second connection 116 of the changeover valve 112 is due to the switching position of the switching valve 112 not possible.
[0052] DasUmschaltventil 120 ist in diesem Beispiel so geschaltet,dass sein erster Anschluss 124 mit seinem zweiten Anschluss 126 verbundenist, so dass Kühlmittel,das aus dem Wärmespeicher 100 austrittund Wärmein den Wärmespeicher 100 abgegebenhat, wiederum durch den Wärmetauscher 106 hindurchgesaugt, dabei erwärmtund erneut in den Wärmespeicher 100 eingespeistwird. Man sieht, dass der Kühlmittelkreislaufbei dieser Betriebsart auf den ersten Zweig 102 und denzweiten Zweig 108 beschränkt ist, so dass auch hiernur eine beschränkte Mengean Kühlmittelzur Anwendung gelangt und die Wärmeübertragungvon der Heizeinrichtung 104 an dieses Kühlmittel sehr wirtschaftlichvonstatten geht.The changeover valve 120 is switched in this example so that its first connection 124 with its second port 126 is connected so that coolant comes out of the heat accumulator 100 leaks and heat in the heat accumulator 100 has released, again through the heat exchanger 106 sucked through, heated and again in the heat storage 100 is fed. You can see that the coolant circuit in this mode is on the first branch 102 and the second branch 108 is limited, so that only a limited amount of coolant is used and the heat transfer from the heating device 104 this coolant is very economical.
[0053] Mitanderen Worten, es wird wirtschaftlich mit dem verfügbaren Brennstoffim Speicher 132 umgegangen.In other words, it becomes economical with the fuel available in the store 132 handled.
[0054] DieHeizeinrichtung 104 kann neben den beschriebenen Funktionenzudem noch zum Zweck der Emissionsbehandlung verwendet werden. BeispielsweisekönnenWasserstoffemissionen, die beim kontinuierlichen oder diskontinuierlichenAblassen der Anodenabgase überdas Ventil 60 abgelassen werden, anstatt in einem getrenntenBrenner 64 in der Heizeinrichtung 104 verbranntzu werden. Damit kann der Brenner 64 eingespart werden.Diese Möglichkeitist durch die gestrichelte Leitung 140 in 4 dargestellt. In diesem Falle dientdie Heizeinrichtung 104, die als katalytischer Brennerausgelegt ist dazu, um die Wasserstoffemissionen in H₂Oumzusetzen, so dass diese Reaktionsprodukte bedenkenlos in die Umgebungabgelassen werden können.The heater 104 can also be used for the purpose of emission treatment in addition to the functions described. For example, hydrogen emissions from the continuous or discontinuous venting of the anode gases through the valve 60 be drained instead of in a separate burner 64 in the heater 104 to be burned. So that the burner can 64 be saved. This possibility is through the dashed line 140 in 4 shown. In this case, the heater is used 104 , which is designed as a catalytic burner to convert the hydrogen emissions into H ₂ O, so that these reaction products can be safely released into the environment.
[0055] Dasin den 1-4 dargestellte Brennstoffzellensystemstellt die bestbekannte Möglichkeitder Realisierung der vorliegenden Erfindung dar, weil der zweiteZweig von der Rücklaufleitung 80 andie Vorlaufleitung 82 führt.Das bedeutet, dass der Wärmespeicher 100 stetsmit Kühlmittelmit dem höchsten Temperaturniveaugespeist wird und daher die maximale Wärmemenge speichern kann. Eswäre aber durchausmöglich,das Brennstoffzellensystem in einer "gespiegelten" Anordnung zu betreiben, d.h. in einerAnordnung, wo die Pumpe 110 Kühlmittel aus der normalen Zufuhrleitungzum Brennstoffzellenstapel entnimmt und das erwärmte Kühlmittel in die normale Rücklaufleitungeinspeist. D.h. dass die Durchströmung des Brennstoffzellenstapelsim Anlassbetrieb unter Anwendung der Wärme aus dem Wärmespeicher 100 indie entgegengesetzte Richtung zu der normalen Durchströmungsrichtungerfolgt, die bei Betrieb der Pumpe 72 einsetzt. Diese mögliche Anordnung,die in den 5-8 gezeigt ist, kann durchausin Erwägunggezogen werden, hat aber den Nachteil, dass das Kühlmittel,das dem Wärmespeicher 100 beider Speicherung von Wärmezugeführt wird,etwas kühlerist als bei der Anordnung gemäß 1 bis 4.That in the 1 - 4 The fuel cell system shown is the best known way of realizing the present invention because the second branch is from the return line 80 to the supply line 82 leads. That means the heat Storage 100 is always supplied with coolant with the highest temperature level and can therefore store the maximum amount of heat. However, it would be entirely possible to operate the fuel cell system in a "mirrored" arrangement, ie in an arrangement where the pump 110 Coolant is removed from the normal supply line to the fuel cell stack and the heated coolant is fed into the normal return line. This means that the flow through the fuel cell stack in the starting mode using the heat from the heat store 100 in the opposite direction to the normal flow direction that occurs when the pump is operating 72 starts. This possible arrangement, which in the 5 - 8th shown, can certainly be considered, but has the disadvantage that the coolant that the heat accumulator 100 is supplied when storing heat is slightly cooler than in the arrangement according to 1 to 4 ,
[0056] DasBrennstoffzellensystem nach den 5-8 ist dem Brennstoffzellensystemgemäß 1-4 so ähnlich,dass eine getrennte Beschreibung der 5-8 nicht notwendig ist. Esversteht sich, dass alle Bezugszeichen, die in den 1-4 verwendetwerden, auch in den 5-8 zu finden sind und diegleichen Teile bezeichnen, die im Zusammenhang mit den 1-4 bisher beschrieben wurden. Ferner habendiese Teile und auch die gleichen Funktionen, die bisher beschriebenwurden. Bei der Darstellung der 5-8 ist im Prinzip lediglichdie Drehrichtung der Pumpe 72 und das Vertauschen der Vorlauf-und Rücklaufleitungen 80 bzw. 82 andersals in den 1 bis 4 dargestellt.The fuel cell system according to the 5 - 8th is in accordance with the fuel cell system 1 - 4 so similar that a separate description of the 5 - 8th is not necessary. It goes without saying that all the reference symbols used in the 1 - 4 used, also in the 5 - 8th are to be found and designate the same parts that are associated with the 1 - 4 have been described so far. Furthermore, these parts and also have the same functions that have been described so far. When presenting the 5 - 8th is in principle only the direction of rotation of the pump 72 and swapping the supply and return lines 80 respectively. 82 different than in the 1 to 4 shown.
[0057] In 9 ist eine Abwandlung gezeigt,die mit dem Brennstoffzellensystem entweder der 1 bis 4 odermit der Ausführungsformder 5 bis 8 verwendet werden kann.In 9 a modification is shown that is either with the fuel cell system 1 to 4 or with the embodiment of 5 to 8th can be used.
[0058] Inder Zeichnung von 9 sindnur die wichtigen Elemente der Ausführungsformen der 1 bis 4 oder 5 bis 8 gezeigt, jedoch keine Einrichtungen,wie beispielsweise die Umschaltventile, die zweite Pumpe oder dieVerbindungen mit dem Steuersystem, die jedoch gegebenenfalls inder Ausführungsformvon 9 vorhanden seinkönnen.Einrichtungen, die in 9 undin den Ausführungsformen 1, 4 und 5 bis 8 vorgesehen sind und dieselbeGestaltung und Funktion besitzen, sind mit denselben Bezugszeichenbezeichnet worden. Das Brennstoffzellensystem umfasst den Brennstoffzellenstapel 10,der in dem Kühlmittelkreislauf 16 vorgesehenist, der den Hauptkühlmittelkreislauf 70 mitder Pumpe 72 und dem Kühler 74 wieauch den ersten Kreislaufzweig 102, der parallel zu demKühler 74 verläuft undden Wärmespeicher 100 einschließt sowieden zweiten Kreislaufzweig 108 umfasst, der ebenfalls parallelzu dem Kühler 74 verläuft undden Wärmetauscher 106 umfasst,der durch die Heizeinrichtung 104 aufgeheizt werden kann.In the drawing by 9 are just the important elements of the embodiments of the 1 to 4 or 5 to 8th shown, but no devices, such as the switching valves, the second pump or the connections to the control system, which, however, may be in the embodiment of 9 can be present. Facilities in 9 and in the embodiments 1 . 4 and 5 to 8th are provided and have the same design and function have been designated with the same reference numerals. The fuel cell system comprises the fuel cell stack 10 that is in the coolant circuit 16 is provided, the main coolant circuit 70 with the pump 72 and the cooler 74 as well as the first circuit branch 102 that is parallel to the cooler 74 runs and the heat storage 100 includes as well as the second circuit branch 108 includes, which is also parallel to the cooler 74 runs and the heat exchanger 106 includes that by the heater 104 can be heated.
[0059] ImUnterschied zu den Ausführungsformen der 1 bis 4 und 5 bis 8 umfasst das in 9 gezeigte Brennstoffzellensystemauch einen weiteren Wärmetauscher 200 inder Form eines Ladeluftkühlers 200,der in dem Hauptkreislauf 70 zwischen den Brennstoffzellendes Brennstoffzellenstapels 10 und dem ersten und zweitenKreislaufzweigen 102 und 108 angeordnet ist. DerWärmetauscher 200 umfasst ersteKanäle 202,die Teile der Leitung 30 bilden, die von dem Kompressor 28 zudem Kathodeneinlass an der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 10 verläuft. Zusätzlich umfasstder Wärmetauscher 200 zweiteKanäle 204,durch die das in dem Hauptkreislauf strömende Kühlmittel bei dieser Ausführungsformauf seinem Weg von der Pumpe 72 in die Kühlmittelkanäle in denBrennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 strömt.In contrast to the embodiments of the 1 to 4 and 5 to 8th does that include in 9 shown fuel cell system also another heat exchanger 200 in the form of an intercooler 200 that is in the main circuit 70 between the fuel cells of the fuel cell stack 10 and the first and second circuit branches 102 and 108 is arranged. The heat exchanger 200 includes first channels 202 who have favourited Parts of the Line 30 form by the compressor 28 to the cathode inlet on the cathode side 14 of the fuel cell stack 10 runs. The heat exchanger also includes 200 second channels 204 through which the coolant flowing in the main circuit in this embodiment is on its way from the pump 72 into the coolant channels in the fuel cells of the fuel cell stack 10 flows.
[0060] Essei angemerkt, dass, wenn sich der Brennstoffzellenstapel bei Betriebstemperaturbefindet, die Pumpe 72 relativ kaltes Kühlmittel, das in dem Kühler 74 heruntergekühltworden ist, durch die Vorlaufleitung 82 an die Kühlmittelkanäle in demStapel 10 liefert. Diese Kühlmittelströmung dient in dem Wärmetauscher 200 dazu,die von dem Kompressor 28 stammende komprimierte Luftströmung zukühlen.Die von dem Luftkompressor 28 erhaltene komprimierte Luftkann relativ heiß sein,zumindest wenn größere Mengenan Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt werden,da ein erheblicher Druckanstieg in dem Kompressor 28 vorhandenist, was eine Erwärmungder Luft zur Folge hat. Somit kühltbei einem normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems derWärmetauscher 200 die anden Brennstoffzellenstapel gelieferte Luft herunter, was den Wirkungsgraddes Stapels verbessert.It should be noted that when the fuel cell stack is at operating temperature, the pump 72 relatively cold coolant that is in the cooler 74 has been cooled down by the flow line 82 to the coolant channels in the stack 10 supplies. This coolant flow serves in the heat exchanger 200 to that from the compressor 28 to cool the compressed air flow. The one from the air compressor 28 Compressed air obtained can be relatively hot, at least when there is a large amount of electricity in the fuel cell stack 10 generated because of a significant increase in pressure in the compressor 28 is present, which results in air heating. Thus, the heat exchanger cools in a normal operating state of the fuel cell system 200 the air delivered to the fuel cell stack down, which improves the efficiency of the stack.
[0061] Wennder Brennstoffzellenstapel jedoch kalt gestartet wird, insbesonderebei Frosttemperaturen, dann fließt die von dem Wärmespeicher 100 indem ersten Kreislaufzweig 102 oder von dem Wärmetauscher 106 indem zweiten Kreislaufzweig 108 gelieferte Wärme aufihrem Weg in die Kühlmittelkanäle des Stapels,um den Stapel aufzuwärmen,und durch die zweiten Kanäle 204 indem Wärmetauscher 200 undheizt somit die von dem Kompressor 28 stammende Luft auf,die durch die ersten Kanäle 202 strömt, bevorsie in den Stapel eintritt.However, if the fuel cell stack is started cold, especially at frost temperatures, then it flows from the heat accumulator 100 in the first circuit branch 102 or from the heat exchanger 106 in the second circuit branch 108 supplied heat on its way into the stack's coolant channels to warm up the stack and through the second channels 204 in the heat exchanger 200 and thus heats the compressor 28 air coming in through the first channels 202 flows before it enters the stack.
[0062] BeiKaltstartbedingungen, insbesondere bei Frostbedingungen arbeitetder Kompressor 28 anfänglichlediglich mit einer relativ niedrigen Drehzahl und mit einem relativniedrigen Durchsatz und erzeugt daher keine größere Aufheizung der an den Brennstoffzellenstapelgelieferten Luft. Durch Aufheizen dieser Luft in dem Wärmetauscher 200 vorihrer Lieferung an den Stapel wird der Stapel somit sowohl über dasheißeKühlmittel,das in die Kühlmitteldurchgänge desStapels geliefert wird, als auch durch die warme Luft erwärmt, diein die Kathodenseiten der Brennstoffzellen geliefert wird. Diesist besonders vorteilhaft, da damit Eis, das sich an der Kathodenseitedes Brennstoffzellenstapels gebildet haben kann, durch die geliefertewarme Luft geschmolzen werden kann. Obwohl die Anwesenheit des Wärmetauschersdie Wärmemenge,die von dem Wärmespeicher 100 odervon dem Wärmetauscher 106 verfügbar ist,nicht erhöht,und obwohl die Gesamtwärmemenge,die von den Quellen fürden Stapel verfügbarist, im Wesentlichen konstant ist, führt die erfindungsgemäße Anordnungdazu, dass Wärme über zweiverschiedene Routen an den Stapel geliefert wird. Einerseits wirdWärme über dieKühlmittelkanäle an denStapel 100 geliefert und andererseits an die Kathodenräume derBrennstoffzellen geliefert. Diese Anordnung ist für die anfänglicheAufwärmungdes Stapels noch günstiger,da sie Wärmespannungen verringertund das Aufwärmendes Stapels verbessert.The compressor operates in cold start conditions, especially in frost conditions 28 initially only at a relatively low speed and with a relatively low throughput and therefore does not produce any major heating of the air supplied to the fuel cell stack. By heating this air in the heat exchanger 200 before being delivered to the stack, the stack will both heated by the hot coolant supplied into the coolant passages of the stack as well as by the warm air supplied to the cathode sides of the fuel cells. This is particularly advantageous since it can melt ice, which may have formed on the cathode side of the fuel cell stack, through the warm air supplied. Although the presence of the heat exchanger is the amount of heat generated by the heat accumulator 100 or from the heat exchanger 106 is available is not increased, and although the total amount of heat available from the sources for the stack is substantially constant, the arrangement of the invention results in heat being delivered to the stack via two different routes. On the one hand, heat is applied to the stack via the coolant channels 100 delivered and on the other hand delivered to the cathode compartments of the fuel cells. This arrangement is even more beneficial for the initial warm-up of the stack because it reduces thermal stress and improves the warm-up of the stack.
[0063] Obwohlder weitere Wärmetauscher 200 bevorzugtin der Vorlaufleitung 82 zu dem Brennstoffzellenstapelangeordnet ist, kann er gegebenenfalls genauso gut in der Rücklaufleitung 80 vorgesehen sein.Although the further heat exchanger 200 preferably in the flow line 82 is arranged to the fuel cell stack, it can possibly just as well in the return line 80 be provided.

权利要求:
Claims (31)
[1]
Brennstoffzellensystem mit Kühlkanäle aufweisenden Brennstoffzellen(26), die zu einem Brennstoffzellenstapel (10)zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16),bei dem Kühlmittelvon einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70),der die Kühlkanäle und einenKühler(74) umfaßt,umwälzbarsind sowie mit einem Wärmespeicher(100) und einer Heizeinrichtung (104), dadurchgekennzeichnet, dass der Wärmespeicher(100) in einem ersten zum Kühler (74) parallelenZweig (102) des Kühlmittelkreislaufs(16) angeordnet ist, dass ein von der Heizeinrichtung (104)erwärmbarerWärmetauscher(106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100)angeordneten Zweig (108) angeordnet ist, dass eine zweitePumpe (110) im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher(100) angeordnet ist, dass ein Zweiweg-Umschaltventil (112)vorgesehen ist, das einen ersten Anschluss (114), der im erstenZweig (102) vor der zweiten Pumpe (110), einenzweiten Anschluss (116), der im ersten Zweig (102)nach der zweiten Pumpe (110) und einen dritten Anschluss(118), der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher(106) angeordnet ist, aufweist und dass eine T-Verbindung(120) zwischen dem ersten Zweig (102), dem zweitenZweig (108) und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehenist.Fuel cell system with fuel cells having cooling channels ( 26 ) leading to a fuel cell stack ( 10 ) are assembled with a coolant circuit ( 16 ), with the coolant from a pump ( 72 ) in a main circuit ( 70 ), the cooling channels and a cooler ( 74 ) includes, can be circulated and with a heat accumulator ( 100 ) and a heater ( 104 ), characterized in that the heat accumulator ( 100 ) in a first to the cooler ( 74 ) parallel branch ( 102 ) of the coolant circuit ( 16 ) is arranged that one of the heating device ( 104 ) heatable heat exchanger ( 106 ) in a second, parallel to the heat storage ( 100 ) arranged branch ( 108 ) is arranged that a second pump ( 110 ) in the first branch ( 102 ) in front of the heat storage ( 100 ) is arranged that a two-way switch valve ( 112 ) is provided which has a first connection ( 114 ) in the first branch ( 102 ) before the second pump ( 110 ), a second connection ( 116 ) in the first branch ( 102 ) after the second pump ( 110 ) and a third connection ( 118 ) in the second branch ( 108 ) in front of the heat exchanger ( 106 ) is arranged, and that a T-connection ( 120 ) between the first branch ( 102 ), the second branch ( 108 ) and the main circuit ( 70 ) is provided.
[2]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass es sich bei der T-Verbindung um ein T-Stück handelt.Fuel cell system according to claim 1, characterized inthat the T-connection is a T-piece.
[3]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass es sich bei der T-Verbindung um ein zweites Umschaltventil(120) handelt.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the T-connection is a second changeover valve ( 120 ) acts.
[4]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass es sich bei der T-Verbindung um ein Regelventil, wahlweisemit Umschaltfunktion, handelt.Fuel cell system according to claim 1, characterized inthat the T-connection is a control valve, optionalwith switching function.
[5]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Eingang des ersten Zweigs (102) bzw. der ersteAnschluss (114) des ersten Umschaltventils (110)an der Rücklaufleitung(80) des Kühlmittelkreises(16) nach dem Brennstoffzellenstapel (10) angeschlossenist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the input of the first branch ( 102 ) or the first connection ( 114 ) of the first changeover valve ( 110 ) on the return line ( 80 ) of the coolant circuit ( 16 ) after the fuel cell stack ( 10 ) connected.
[6]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Eingang des ersten Zweigs (102) bzw. der ersteAnschluss (114) des ersten Umschaltventils (110)an der Vorlaufleitung (82) des Kühlmittelkreises (16)vor dem Brennstoffzellenstapel (10) angeschlossen ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the input of the first branch ( 102 ) or the first connection ( 114 ) of the first changeover valve ( 110 ) on the flow line ( 82 ) of the coolant circuit ( 16 ) in front of the fuel cell stack ( 10 ) connected.
[7]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass ein Temperaturfühler (122)im Kühlmittelkreislauf(16) vorgesehen ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that a temperature sensor ( 122 ) in the coolant circuit ( 16 ) is provided.
[8]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Temperaturfühler (122)im ersten Zweig (102) zwischen der T-Verbindung und demHauptkreislauf (70) vorgesehen ist.Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the temperature sensor ( 122 ) in the first branch ( 102 ) between the T-connection and the main circuit ( 70 ) is provided.
[9]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104)ein Brenner ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 104 ) is a burner.
[10]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (104) ein katalytischerBrenner ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the burner ( 104 ) is a catalytic burner.
[11]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein mit Flammenverbrennung(104) arbeitender Brenner ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the burner with a flame combustion ( 104 ) working burner.
[12]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104)mit den Abdampfverlusten eines Tieftemperaturspeichers (18)für einen alsFlüssigkeitvorliegenden gasförmigenBrennstoff, insbesondere Wasserstoff, speisbar ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 104 ) with the evaporation losses of a low-temperature storage ( 18 ) can be fed for a gaseous fuel, in particular hydrogen, present as a liquid.
[13]
Brennstoffzellensystem nach einem Anspruch 12, dadurchgekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (104) an einerLeitung angeschlossen ist, die zu einem Dampfdruckentlastungsventil(133) des Tieftemperaturspeichers (18) führt, dasggf. in einen Speicherbehälter(132) mündet,an den die Leitung angeschlossen ist.Fuel cell system according to claim 12, characterized in that the heating device ( 104 ) is connected to a line leading to a vapor pressure relief valve ( 133 ) of the low temperature storage ( 18 ), which may lead to a storage container ( 132 ) leads to which the line connected.
[14]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100)ein Wärmeisolierter Wärmespeicherist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat accumulator ( 100 ) is a heat insulated heat accumulator.
[15]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100)ein Latentwärmespeicherist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat accumulator ( 100 ) is a latent heat storage.
[16]
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (100)durch eine Kombination eines Wärmeisolierten Wärmespeichersund eines Latentwärmespeichersgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat accumulator ( 100 ) is formed by a combination of a heat-insulated heat store and a latent heat store.
[17]
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystemsmit Kühlkanäle aufweisendenBrennstoffzellen (26), die zu einem Brennstoffzellenstapel(10) zusammengesetzt sind, mit einem Kühlmittelkreislauf (16),bei dem Kühlmittelvon einer Pumpe (72) in einem Hauptkreislauf (70),der die Kühlkanäle und einenKühler(74) umfasst, umwälzbarist sowie mit einem Wärmespeicher(100) und einer Heizein richtung (104), wobei derWärmespeicherin einem ersten zum Kühler(74) parallelen Zweig (102) des Kühlmittelkreislaufs(16) angeordnet ist, ein von der Heizeinrichtung (104)erwärmbarerWärmetauscher(106) in einem zweiten, parallel zum Wärmespeicher (100) angeordnetenZweig (108) angeordnet ist, eine zweite Pumpe (110)im ersten Zweig (102) vor dem Wärmespeicher (100)angeordnet ist, ein Zweiweg-Umschaltventil (112) vorgesehenist, das einen ersten Anschluss (114), der im ersten Zweig(102) vor der zweiten Pumpe (110), einen zweitenAnschluss (116), der im ersten Zweig (102) nachder zweiten Pumpe (110) und einen dritten Anschluss (118),der im zweiten Zweig (108) vor dem Wärmetauscher (106)angeordnet ist, aufweist und eine T-Verbindung (120) zwischendem ersten Zweig (102), dem zweiten Zweig (108)und dem Hauptkreislauf (70) vorgesehen ist, gekennzeichnetdurch die folgenden Schritte: a) dass bei Inbetriebnahme desBrennstoffzellensystems bei Temperaturen unter 0°C oder im Bereich von 0°C die zweitePumpe (110) eingeschaltet wird, um Kühlmittel durch den Wärmespeicher(100) zu fördernund in den Brennstoffzellenstapel (10) einzuführen, umdiesen zu erwärmen, b)dass bei nicht ausreichender Wärmezufuhrdurch den Wärmespeicher(100) eine Durchströmungdes Wärmetauschers(106) bei eingeschalteter Heizeinrichtung (104)durch die Schaltstellung des ersten Umschaltventils (112)ermöglichtwird, c) dass bei Leistungsbetrieb des Brennstoffzellensystems,ggf. mit eingeschalteter erster Pumpe (72) und Wärmeabgabevom Hauptkreislauf (70) über den Kühler, die zweite Pumpe (110) zurAufladung des Wärmespeichers(100) mit mindestens einem Teilstrom des im Brennstoffzellenstapel(10) erwärmten Kühlmittelseingeschaltet wird, und d) dass beim Abschalten des Brennstoffzellensystemsoder im Leerlaufbetrieb bei kühlenUmgebungstemperaturen die zweite Pumpe (110) bei eingeschalteterHeizeinrichtung (104) und ausgeschalteter erster Pumpe(72) betrieben wird, um den Wärmespeicher (100)aufzuladen, wobei das erste Umschaltventil (112) und dieT-Verbindung füreine Umwälzungdes Kühlmittelsin einem durch den ersten (102) und den zweiten Zweig (108)gebildeten Kreislauf geschaltet ist.Method for operating a fuel cell system with fuel cells having cooling channels ( 26 ) leading to a fuel cell stack ( 10 ) are assembled with a coolant circuit ( 16 ), with the coolant from a pump ( 72 ) in a main circuit ( 70 ), the cooling channels and a cooler ( 74 ) includes, can be circulated and with a heat accumulator ( 100 ) and a heater ( 104 ), the heat storage in a first to the cooler ( 74 ) parallel branch ( 102 ) of the coolant circuit ( 16 ) is arranged, one of the heating device ( 104 ) heatable heat exchanger ( 106 ) in a second, parallel to the heat storage ( 100 ) arranged branch ( 108 ) is arranged, a second pump ( 110 ) in the first branch ( 102 ) in front of the heat storage ( 100 ) is arranged, a two-way switch valve ( 112 ) is provided which has a first connection ( 114 ) in the first branch ( 102 ) before the second pump ( 110 ), a second connection ( 116 ) in the first branch ( 102 ) after the second pump ( 110 ) and a third connection ( 118 ) in the second branch ( 108 ) in front of the heat exchanger ( 106 ) is arranged, and has a T-connection ( 120 ) between the first branch ( 102 ), the second branch ( 108 ) and the main circuit ( 70 ) is provided, characterized by the following steps: a) that when the fuel cell system is started up at temperatures below 0 ° C or in the range of 0 ° C, the second pump ( 110 ) is turned on to coolant through the heat accumulator ( 100 ) promote and in the fuel cell stack ( 10 ) to warm it up, b) that if there is insufficient heat input from the heat accumulator ( 100 ) a flow through the heat exchanger ( 106 ) with heating device switched on ( 104 ) by the switching position of the first changeover valve ( 112 ) is made possible, c) that when the fuel cell system is operating at power, possibly with the first pump switched on ( 72 ) and heat emission from the main circuit ( 70 ) via the cooler, the second pump ( 110 ) for charging the heat accumulator ( 100 ) with at least one partial flow of the fuel cell stack ( 10 ) heated coolant is switched on, and d) that when switching off the fuel cell system or in idle mode with cool ambient temperatures, the second pump ( 110 ) with heating device switched on ( 104 ) and the first pump switched off ( 72 ) is operated to the heat accumulator ( 100 ) with the first changeover valve ( 112 ) and the T-connection for a circulation of the coolant in one by the first ( 102 ) and the second branch ( 108 ) formed circuit is switched.
[18]
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass die Heizeinrichtung (104) mindestens zum Teil durchdie Abdampfverluste eines Tieftemperaturspeichers (18)für einenals Flüssigkeit vorliegendengasförmigenBrennstoff, insbesondere Wasserstoff, gespeist wird.A method according to claim 17, characterized in that the heating device ( 104 ) at least in part due to the evaporation losses of a low-temperature storage ( 18 ) for a gaseous fuel, in particular hydrogen, which is present as a liquid.
[19]
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,dass bei Schritt a) das erste Umschaltventil (112) denersten Anschluss (114) mit dem dritten Anschluss (118)verbindet und daher eine Kühlmittelströmung durchden zweiten Anschluss (116) in den zweiten Zweig (108)hinein unterbindet.Method according to claim 17 or 18, characterized in that in step a) the first changeover valve ( 112 ) the first connection ( 114 ) with the third connection ( 118 ) connects and therefore a coolant flow through the second connection ( 116 ) in the second branch ( 108 ) prevents it.
[20]
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dassbei Schritt b) das erste Umschaltventil (112) den zweitenAnschluss (116) mit dem dritten Anschluss (118)verbindet.Method according to one of claims 17 to 19, characterized in that in step b) the first changeover valve ( 112 ) the second connection ( 116 ) with the third connection ( 118 ) connects.
[21]
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass bei Realisierung der T-Verbindung als Umschaltventil (120)dieses geschaltet wird, um eine Durchströmung des Wärmetauschers (106) zuerzwingen.Method according to claim 20, characterized in that when the T-connection is implemented as a changeover valve ( 120 ) this is switched to flow through the heat exchanger ( 106 ) to force.
[22]
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass bei Realisierung der T-Verbindung als Regelventil dieses eingestelltwird, um ein erwünschtesStrömungsverhältnis durchden Wärmespeicher(100) im ersten Zweig (102) und dem Wärmetauscher(106) im zweiten Zweig (108) zu erzeugen.Method according to claim 20, characterized in that when the T-connection is implemented as a control valve, this is set in order to achieve a desired flow ratio through the heat accumulator ( 100 ) in the first branch ( 102 ) and the heat exchanger ( 106 ) in the second branch ( 108 ) to create.
[23]
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet,dass bei Schritt c) das erste Umschaltventil (112) denersten Anschluss (114) mit dem dritten Anschluss verbindetund daher eine Kühlmittelströmung durchden zweiten Anschluss (116) in den zweiten Zweig hineinverhindert.Method according to one of claims 17 to 22, characterized in that in step c) the first changeover valve ( 112 ) the first connection ( 114 ) connects to the third connection and therefore a coolant flow through the second connection ( 116 ) prevented in the second branch.
[24]
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis23, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt d) das erste Umschaltventil(112) den ersten Anschluss (114) mit dem drittenAnschluss (118) verbindet und daher eine Kühlmittelströmung aus demzweiten Zweig (108) und über den ersten Anschluss (114)in die zweite Pumpe (110) und durch den Wärmespeicher(100) ermöglicht.Method according to one of the preceding claims 17 to 23, characterized in that in step d) the first changeover valve ( 112 ) the first connection ( 114 ) with the third connection ( 118 ) connects and therefore a coolant flow from the second branch ( 108 ) and via the first connection ( 114 ) in the second pump ( 110 ) and through the heat accumulator ( 100 ) enables.
[25]
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,dass bei Realisierung der T-Verbindung als Umschaltventil (120)dieses den Ausgang des Wärmespeichers(100) mit dem Eingang des Wärmetauschers (106)verbindet.Method according to claim 24, characterized in that when the T-connection is implemented as a changeover valve ( 120 ) this the output of the heat accumulator ( 100 ) with the entrance of the heat exchanger ( 106 ) connects.
[26]
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis25, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlichem oder diskontinuierlichemAblassen wenigstens eines Teils der anodenseitig anfallenden Abgase über dasVentil (60) diese der Heizeinrichtung (104) zurVerbrennung zugeführtwerden.Method according to one of the preceding claims 17 to 25, characterized in that in the case of continuous or discontinuous discharge of at least some of the exhaust gases produced on the anode side via the valve ( 60 ) this of the heating device ( 104 ) are fed for combustion.
[27]
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis16, wobei ein Ventil (60) zum kontinuierlichem oder diskontinuierlichemAblassen wenigstens eines Teils der anodenseitig anfallenden Abgase vorgesehenist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Ventils (60)direkt oder indirekt an den Eingang der Heizeinrichtung (104)angeschlossen ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 16, wherein a valve ( 60 ) is provided for the continuous or discontinuous discharge of at least some of the exhaust gases produced on the anode side, characterized in that the outlet of the valve ( 60 ) directly or indirectly to the entrance of the heating device ( 104 ) connected.
[28]
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis16, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Wärmetauscher (200)vorgesehen ist, wobei der weitere Wärmetauscher (200)erste Kanäle (202),um eine Luftströ mungzu leiten, und zweite Kanäle(204) umfasst, die in dem Kühlmittelkreislauf (70)für denDurchfluss von Kühlmitteldurch diese angeordnet sind, wobei ein Kompressor (28)zur Lieferung komprimierter Luft an die Brennstoffzellen (14) über eineLeitung (30) vorgesehen ist und die ersten Kanäle (202)einen Teil der Leitung (30) bilden.Fuel cell system according to one of claims 1 to 16, characterized in that a further heat exchanger ( 200 ) is provided, the further heat exchanger ( 200 ) first channels ( 202 ) to direct air flow and second channels ( 204 ) which in the coolant circuit ( 70 ) are arranged for the flow of coolant through this, a compressor ( 28 ) to supply compressed air to the fuel cells ( 14 ) via a line ( 30 ) is provided and the first channels ( 202 ) part of the line ( 30 ) form.
[29]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, dadurchgekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle (204) des weiterenWärmetauschersin dem Hauptkreislauf (70) zwischen den Brennstoffzellen(14) und dem ersten und zweiten Kreislaufzweig (102, 108) angeordnetsind.Fuel cell system according to claim 28, characterized in that the second channels ( 204 ) of the further heat exchanger in the main circuit ( 70 ) between the fuel cells ( 14 ) and the first and second circuit branch ( 102 . 108 ) are arranged.
[30]
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, dadurchgekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle (204) in dem Hauptkreislauf(70) in einer Vorlaufseite (82) der Kühlmittelkanäle angeordnetsind.Fuel cell system according to claim 29, characterized in that the second channels ( 204 ) in the main circuit ( 70 ) in a lead page ( 82 ) the coolant channels are arranged.
[31]
Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen, – Kühlmittelkanälen, diein den Brennstoffzellen (14) vorgesehen sind, wobei dieBrennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel (10) zusammengebautsind, – einemKühlmittelkreislauf,der einen Hauptkreislauf (70) mit den Kühlmittelkanälen sowie eine erste Pumpe(72), um Kühlmittelin dem Hauptkreislauf (70) umzuwälzen, umfasst, – einemKühler(74) in dem Hauptkreislauf (70), – erstenund zweiten Kreislaufzweigen (102, 108), die parallelzu dem Kühlerangeordnet sind, – einemWärmespeicher(100), der in dem ersten Kreislaufzweig (102)angeordnet ist, – einemWärmetauscher(106), der in dem zweiten Kreislaufzweig (108)parallel zu dem Wärmespeicher (100)angeordnet ist, – einerHeizeinrichtung (104), die Wärme an Kühlmittel in dem Wärmetauscher(106) liefert, – einerzweiten Pumpe, die in dem ersten Kreislaufzweig stromauf des Wärmespeichers(100) angeordnet ist, – einer Leitung (70),um komprimierte Luft an die Brennstoffzellen (14) zuzuführen und – einemweiteren Wärmetauscher(200) mit ersten Kanälen(202), um eine Luftströmungzu leiten, und zweiten Kanälen(204), die in dem Kühlmittelkreislauf (70)angeordnet sind, um eine Kühlmittelströmung durchdiese zu führen,wobei die ersten Strömungskanäle (202)einen Teil der Leitung (30) bilden.Fuel cell system with fuel cells, - coolant channels that are in the fuel cells ( 14 ) are provided, the fuel cells being placed in a fuel cell stack ( 10 ) are assembled, - a coolant circuit, which is a main circuit ( 70 ) with the coolant channels and a first pump ( 72 ) to coolant in the main circuit ( 70 ) to circulate includes - a cooler ( 74 ) in the main circuit ( 70 ), - first and second circuit branches ( 102 . 108 ), which are arranged parallel to the cooler, - a heat store ( 100 ), which in the first circuit branch ( 102 ) is arranged, - a heat exchanger ( 106 ), which in the second circuit branch ( 108 ) parallel to the heat accumulator ( 100 ) is arranged, - a heating device ( 104 ), the heat of coolant in the heat exchanger ( 106 ) supplies, - a second pump, which is located in the first circuit branch upstream of the heat accumulator ( 100 ) is arranged, - a line ( 70 ) to compressed air to the fuel cells ( 14 ) and - another heat exchanger ( 200 ) with first channels ( 202 ) to direct an air flow and second channels ( 204 ) in the coolant circuit ( 70 ) are arranged to conduct a coolant flow through the latter, the first flow channels ( 202 ) part of the line ( 30 ) form.

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法律状态:
2009-07-16| 8180| Miscellaneous part 1|Free format text: PFANDRECHT |

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2010-01-07| 8180| Miscellaneous part 1|Free format text: PFANDRECHT AUFGEHOBEN |

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2010-04-01| 8180| Miscellaneous part 1|Free format text: PFANDRECHT |

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DE102004016375.8A|DE102004016375B4|2003-04-03|2004-04-02|Fuel cell system with cooling channels and method for operating a fuel cell system with cooling channels|DE102004016375.8A| DE102004016375B4|2003-04-03|2004-04-02|Fuel cell system with cooling channels and method for operating a fuel cell system with cooling channels|