Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

WO2001003217A1 - Assembly for heating/cooling a fuel cell and a fuel cell system - Google Patents

Assembly for heating/cooling a fuel cell and a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
WO2001003217A1
WO2001003217A1 PCT/DE2000/002156 DE0002156W WO0103217A1 WO 2001003217 A1 WO2001003217 A1 WO 2001003217A1 DE 0002156 W DE0002156 W DE 0002156W WO 0103217 A1 WO0103217 A1 WO 0103217A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
heating
fuel
flow line
heat sink
Prior art date
Application number
PCT/DE2000/002156
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen HABRICH
Original Assignee
Atecs Mannesmann Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Atecs Mannesmann Ag filed Critical Atecs Mannesmann Ag
Publication of WO2001003217A1 publication Critical patent/WO2001003217A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for heating / cooling a fuel cell.
  • the invention further relates to a fuel cell system.
  • Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
  • fuel cells generate electrical energy chemically, with the individual reactants being fed continuously and the reaction product being continuously discharged.
  • the fuel cells generate electrical energy chemically, with the individual reactants being fed continuously and the reaction product being continuously discharged.
  • Hydrogen is used as fuel and oxygen as oxidant. If one wants to operate the fuel cells with a readily available or storable fuel such as natural gas, methanol or the like, the respective hydrocarbons must first be converted into a hydrogen-rich gas.
  • the fuel cells are ideally operated in a narrow temperature range. In the case of fuel cells with a proton-conducting polymer membrane (PEM fuel cells), which are preferably used in mobile applications, for example in vehicles or the like, this temperature range is approximately between 60 ° C. and 90 ° C. Heat energy is usually generated in the fuel cells during operation and has to be dissipated. In order to avoid thermal overloading of the fuel cell, the components and materials surrounding the hot installation space must be cooled intensively.
  • PEM fuel cells proton-conducting polymer membrane
  • the present invention has for its object an arrangement for
  • this object is achieved by a
  • Arrangement for heating / cooling a fuel cell with a flow line for a heating / cooling medium, which is connected or connectable to the fuel cell in such a way that a thermal exchange between the fuel cell and the heating / cooling medium takes place or can take place in the flow line and with at least one heat sink provided in the flow line, which is / can be connected to a supply line for the fuel and / or a supply line for the oxidizing agent of the fuel cell, such that a thermal exchange between the at least one heat sink and the fuel and / or the oxidizing agent for the fuel cell takes place or can take place.
  • the arrangement according to the invention allows a fuel cell, or a gas stream supplied to the fuel cell, to be quickly and easily heated to the ideal temperature range. Furthermore, the excess heat loss generated during the operation of the fuel cell can be obtained and further used.
  • the flow line for the heating / cooling medium is connected or connectable to the fuel cell in such a way that a thermal exchange takes place or can take place between the fuel cell and the heating / cooling medium in the flow line.
  • the flow line is led through the fuel cell at least in regions, for example.
  • the fuel cell can be configured, for example, as a coil or the like.
  • the flow line is flowed through by the heating / cooling medium, whereby a
  • Heat exchange takes place between the heating / cooling medium and the fuel cell.
  • the heating / cooling medium is used to cool the fuel cell, that is to say to dissipate the heat loss from the fuel cell, the heating / cooling medium which flows through the flow line can initially be cooled. When flowing through that area of the flow line that is in the
  • Fuel cell is located, the waste heat generated by the fuel cell is given off to the heating / cooling medium located in the flow line.
  • the heating / cooling medium in the flow line can also be used to heat the fuel cell.
  • the heating / cooling medium in the flow line can also be used to heat the fuel cell.
  • Heating / cooling medium that flows through the flow line is heated before entering the fuel cell.
  • the arrangement according to the invention brings about a preheating of the fuel or oxidizing agent flowing through a corresponding supply line to the fuel cell.
  • the at least one heat sink is provided, which can be designed, for example, as a heat exchanger or the like.
  • the at least one heat sink is thermally connected or connectable to the supply line for the fuel and / or the supply line for the oxidizing agent.
  • the at least one heat sink is preferably provided downstream of the fuel cell in the flow direction of the heating / cooling medium. In this way, the heat loss absorbed by the heating / cooling medium while flowing through the fuel cell can be transported to the at least one heat sink and in this to the gas stream flowing through the feed line, that is to say to the fuel or the Oxidizing agents are released.
  • the pre-temperature control of the gas stream or the gas streams can ensure stable operation of the fuel cell by heating the gas stream or the gas streams to an optimal operating temperature. Since the heat generated in the fuel cell can be used by the arrangement according to the invention, it can be separated
  • Heat sources for heating the gas stream or the gas streams are dispensed with, which not least leads to energy savings and thus to a cost reduction.
  • Hydrogen is advantageously used as fuel and oxygen, which is obtained, for example, from the ambient air, is used as the oxidizing agent.
  • two heat sinks are provided, one heat sink being connected or connectable to the supply line for the fuel and the other heat sink being connected to the supply line for the oxidizing agent.
  • Flow line may be arranged. This configuration divides the flow of the heating / cooling medium flowing through the flow line into two volume flows. A correspondingly suitable valve can be provided to regulate the individual volume flows.
  • a temperature sensor is advantageously provided in the flow line.
  • the temperature sensor is advantageously arranged in the flow direction of the heating / cooling medium after the fuel cell and before the heat sinks described above. In this way, the heat loss of the fuel cell dissipated through the flow line can be measured via the temperature sensor.
  • the flow line can advantageously be designed as a closed heating / cooling circuit. In this way, the amount of the heating / cooling medium circulating in the flow line can be reduced, since no heating / cooling medium can escape from the flow line during a circulation cycle. Furthermore, at In such a closed circuit, the addition of further substances in the heating / cooling medium, for example protective agents against corrosion, freezing or the like, is possible without problems.
  • the amount of heat dissipated by the fuel cell via the flow line is first measured via the temperature sensor.
  • the flow of the heating / cooling medium is divided into two volume flows. These convey the amount of heat to two heat sinks connected in parallel, which are designed, for example, as gas / liquid heat exchangers. These two heat sinks are either in thermal connection with the supply line for the fuel or the supply line for the oxidant of the fuel cell. With these heat sinks functioning as heat exchangers, both the process gas - for example hydrogen - and the oxidizing agent - for example ambient air which acts as an oxygen supplier - are heated to an optimal operating temperature. The two flows of the heating / cooling medium can then be brought together again and made available to other consumers in the further course.
  • a heating device can be provided, the heating device being thermally connected or connectable to the fuel cell and / or the at least one heat sink.
  • a heating device can be used, for example, to heat the fuel cell during a cold start.
  • the heating device can be connected either directly or indirectly to the fuel cell and / or the at least one heat sink. An indirect connection can be made, for example, via the flow line for the heating / cooling medium. This configuration is described in more detail below.
  • the fuel cell can be preheated by the heating device and thus accelerated to the ideal operating temperature. This means that the fuel cell is ready for use in a very short time. This is particularly desirable when operating fuel cells in vehicles, since the vehicle is generally to be started and moved immediately after boarding. Since the heating / cooling medium flowing through the flow line also flows through the heating device can be heated via this, the at least one heat sink can also be supplied with heat, so that the fuel and / or the oxidizing agent for the fuel cell can also be preheated in a suitable manner via the heating device during the cold start of the fuel cell.
  • the heating device can advantageously be designed as a burner or an electrical heating element.
  • the heating device is designed as a burner, in particular as a catalytic burner, it can, for example, from a partial flow of the fuel for the
  • Fuel cell operated If the fuel of the fuel cell is generated in an upstream module from another energy source, such as methanol, gasoline, natural gas, methane, coal gas, biogas or another hydrocarbon, the heating device can also be operated directly with these hydrocarbons. Finally, it is also conceivable that
  • the heating device is designed as an electrical heating element
  • the required electrical energy can be made available by a battery, in particular in the first time, that is to say when the fuel cell is started up.
  • the battery for the vehicle electrical system can be used as the battery.
  • the electrical heating element can be designed, for example, but not exclusively, as a heating wire, heating coil or the like.
  • the heating device can be arranged in the flow line. This allows the heat to be transferred via the heating / cooling circuit of the fuel cell.
  • Heating device with the fuel cell and / or the heat sink (s) is achieved on the one hand that the fuel cell and / or the gas streams supplied to the fuel cell can be preheated and accelerated to the ideal operating temperature.
  • the heating device in such a Arrangement take on other functions, which are described in more detail below.
  • a conveyor is advantageously arranged in the flow line.
  • the flow rate of the heating / cooling medium within the flow line can be set via such a conveying device.
  • the flow rate of the heating / cooling medium also influences the heat exchange rate between the heating / cooling medium and the fuel cell and between the heating / cooling medium and the gas flow (s) supplied via the feed line.
  • the conveyor can be designed differently. If, for example, a liquid heating / cooling medium such as water, oil or the like is used, the delivery device is preferably designed as a pump. If, for example, a gas such as air or the like is used as the heating / cooling medium, the conveying device is preferably designed as a blower. The invention is not limited to the conveyor devices mentioned.
  • a further heat sink is arranged in the flow line.
  • This heat sink can be designed, for example, as a cooler. In steady-state operation at the nominal temperature of the fuel cell, the waste heat from the fuel cell can be transferred to the heat sink via the heating / cooling medium flowing through the flow line. If the heat sink is designed as an air-cooled cooler, the heat can be released into the ambient air via this.
  • this heat sink can be connected to the flow line via a valve, in particular a three-way valve.
  • the valve is switched in such a way that the heating / cooling medium can be led past the heat sink, for example via a suitable bypass line.
  • the heating device is arranged within the flow line, the fuel cell and / or a gas stream supplied to the fuel cell can first be brought to the desired temperature in this way.
  • the valve can be switched so that the heat absorbed by the heating / cooling medium is released to the heat sink.
  • a precisely defined amount of heat can be removed from the cooling circuit and supplied to the heat sink via an appropriate position of the valve and a possible bypass control. This is particularly advantageous if the heat sink is used to air-condition a passenger compartment for a vehicle.
  • an additional heat sink can be arranged in the flow line. This functions, for example, as a heater for a device outside the fuel cell system and can be used, for example, to air-condition the passenger cell of a vehicle.
  • the heat sink can be designed, for example, as a heat exchanger. The heat loss generated in the fuel cell can thus be dissipated from the heating / cooling medium flowing through the flow line and transported to the heat exchanger. In the heat exchanger, heat is extracted from the heating / cooling medium so that it can subsequently be used for air conditioning the passenger compartment.
  • the components and materials surrounding the hot installation space can initially be intensively cooled using the arrangement according to the invention.
  • water has a high specific heat capacity and good heat transfer to or from an object to be cooled or heated
  • water is advantageously used as the heating / cooling medium for the arrangement according to the invention.
  • Such cooling is also used in today's internal combustion engines, so that the arrangement according to the invention is particularly suitable for use in vehicles.
  • the arrangement according to the invention advantageously permits so-called air-water circulation cooling. This has a closed water circuit, which also allows, for example, the addition of protective agents against corrosion, freezing or the like.
  • the cooling water is pumped through the fuel cell with a water pump, where it absorbs the heat loss generated in the fuel cell.
  • the heat loss stored in the cooling water is then via the heat sink or the heat sinks for heating the Fuelselle supplied fuel and / or oxidizing agent used. Subsequently, the residual heat remaining in the heating / cooling medium can be used further via the additional heat sinks in the heating / cooling circuit. If one of these heat sinks is designed, for example, as a cooler, the heat can be removed by the wind (when the fuel cell is in a vehicle) and / or an additional fan. Cooling air is introduced into the heat sink by the airstream or by the additional fan, which absorbs the residual heat remaining in the heating / cooling medium. The heat absorbed in this way can be dissipated or used to air-condition the passenger compartment. The now cooled heating / cooling medium is again fed into the
  • the heating device described above can initially - for example when the fuel cell system is cold started
  • the heating device can also be used to heat the passenger compartment - for example as additional heating or auxiliary heating. This is particularly useful when the fuel cell is operated in the low power range, where it generates little waste heat and the heat sink or heat sink is large, for example at low outside temperatures.
  • the heating device can be used in the described operating mode not only for preheating when starting the fuel cell, but also in stationary operation of the fuel cell, where it cools the fuel cell below the minimum value of the ideal range of
  • Operating temperature of the fuel cell can counteract. This can be necessary for systems with and without a heat sink if the fuel cell is operated at a low power output and the outside temperatures are extremely low.
  • a fuel cell system with at least one fuel cell which has a feed line and a discharge line for a fuel, and a feed line and a discharge line for an oxidizing agent, the fuel cell system according to the invention being characterized in that for heating / Cooling the Fuel cell an inventive arrangement as described above is provided.
  • Oxidizing agent connected to the at least one heat sink provided in the flow line of the arrangement such that a thermal exchange takes place or can take place between the heat sink and the fuel and / or the oxidizing agent.
  • the heating device for supplying fuel is connected to the supply line for the fuel of the fuel cell.
  • the heating device if it is designed as a burner, can be operated from a partial flow of the fuel gas of the fuel cell.
  • the heating device can be connected to an arrangement for generating / processing the fuel for the fuel cell.
  • a heating device designed as a burner can be operated directly with substances from which the fuel for the fuel cell is produced or processed.
  • the heating device can be connected to the discharge line for the fuel and / or the discharge line for the oxidizing agent.
  • the exhaust gas streams emerging from the fuel cell are very hot, so that this heat for heating the heating / cooling medium within the
  • the heating device can be connected to the discharge line for the oxidizing agent or the discharge line for the fuel or also to both discharge lines. Such a connection is particularly advantageous whenever there is a lot of heat in the exhaust gas flow. However, it must be ensured that the heat from the exhaust gas stream is returned no harmful components that could damage the fuel cell are removed. In an advantageous embodiment, the heating device is therefore connected to the discharge line for the oxidizing agent, in particular when pure oxygen is used as the oxidizing agent.
  • the fuel cell system can have two or more fuel cells. Usually more than two fuel cells are used in a fuel cell system, which then form a so-called fuel cell stack. The number of fuel cells combined in such a fuel cell stack results from the performance requirements for the fuel cell system.
  • An arrangement according to the invention as described above and / or a fuel cell system according to the invention as described above can advantageously be used in or for a vehicle.
  • fuel cell technology Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use offers particularly good applications. However, other possible uses are also conceivable. Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or the like, right up to power plants. Here the fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.
  • PEM polymer membranes
  • the figure shows a fuel cell system 10 for a vehicle, which has a number of fuel cells 20 that form a fuel cell stack are summarized. For the sake of clarity, only a single fuel cell 20 is shown in the figure.
  • the fuel cell 20 has a supply line 21 and a discharge line 22 for a fuel, in the present case hydrogen, and a supply line 23 and one
  • the arrangement 30 has a flow line 31 designed as a closed heating / cooling circuit 32, through which a liquid heating / cooling medium, in the present case water, flows.
  • a partial area 33 of the flow line 31 is connected to the fuel cell 20 in such a way that a thermal exchange takes place or can take place between the fuel cell 20 and the heating / cooling medium in the flow line 31.
  • the fuel cell 20 is penetrated by the partial area 33 of the flow line 31.
  • the flow line 31 is preferably designed as a coil.
  • the partial area 33 of the flow line 31 is connected to the flow line 31 via a valve 34.
  • the amount of the heating / cooling medium flowing through the fuel cell 20 can be adjusted via a corresponding setting of the valve and thus the amount of the heat loss dissipated from the fuel cell 20 can be regulated.
  • a pump 47 is also provided, via which the flow rate of the heating / cooling medium is set and regulated.
  • the temperature of the heating / cooling medium leaving the fuel cell 20 is measured via a temperature sensor 41 connected to the flow line 31.
  • the temperature sensor 41 is provided downstream of the fuel cell 20 in the flow direction of the heating / cooling medium.
  • Two heat sinks 35, 36 designed as indirect heat exchangers are connected to the flow line 31 via two valves 39, 40 and two partial areas 37, 38 of the flow line 31.
  • the heat sink 35 is connected to the supply line 23 for the oxidizing agent
  • the heat sink 36 is connected to the supply line 21 for the fuel such that between the heat sinks 35, 36 and the
  • the heat sinks 35, 36 are connected to the flow line 31 via the corresponding partial areas 37, 38 of the flow line 31 and the valves 39, 40, the heating / cooling medium flow is divided into two volume flows. The two partial volume flows each flow through one of the heat sinks 35 and 36.
  • the heat loss stored in the heating / cooling medium can be transferred from the fuel cell 20 via the heat sinks 35, 36 to the gas flow of the fuel and the oxidizing agent supplied to the fuel cell 20, whereby these gas flows are brought to the optimum operating temperature for fuel cell operation.
  • the heat sinks 35, 36 are advantageously arranged in parallel within the flow line 31.
  • the partial volume flows of the heating / cooling medium flowing through the subregions 37, 38 of the flow line 31 are brought together again, so that they can be used by other consumers within the arrangement
  • the flow rate of the heating / cooling medium can be regulated via a corresponding position of the valves 39, 40.
  • Heating / cooling medium are flowed through. Furthermore, the flow rate of the heating / cooling medium through the heat sinks 35, 36 can be set precisely by a corresponding position of the valves 39, 40. In this way, an accurate and defined heating of the gas flows supplied to the fuel cell is possible.
  • a heating device 42 designed as a catalytic burner, as well as a heat sink 43 designed as an indirect heat exchanger is provided, which serves as regular heating and is used for air conditioning the passenger compartment of the vehicle.
  • a heat sink 44 designed as an air-cooled cooler is also provided, which is connected to the flow line 31 via a three-way valve 45.
  • a bypass line 46 is also provided, which is connected to the flow line 31 via the valve 45.
  • the fuel cell system 10 When the fuel cell system 10 is used to operate a vehicle, it is desirable that the fuel cell system be operated immediately after the start of the
  • the heating device 42 is provided in the flow line 31 and is designed, for example, as a catalytic burner.
  • the heating / cooling circuit 32 is the of
  • the heating device 42 transports heat transferred to the heating / cooling medium through the flow line 31 to the fuel cell 20 and releases it there.
  • the fuel cell 20 is thus preheated via the heating device 42 and accelerated to the ideal operating temperature.
  • the fuel cell system 10 can be started.
  • the residual heat remaining in the heating / cooling medium after leaving the fuel cell 20 is used to bring the inflow of fuel and oxidizing agent to the fuel cell to the optimum operating temperature required for operation via the heat sinks 35, 36.
  • valve 45 is switched in the starting phase of the fuel cell 20 in such a way that the heating / cooling medium via the bypass line 46 on the Heat sink 44 is passed.
  • the excess heat loss generated in the fuel cell 20 must be dissipated. This is done via the heating / cooling medium flowing through the flow line 31.
  • the heat loss generated in the fuel cell 20 is based on the heat / Cooling circuit 32 moving heating / cooling medium.
  • the temperature of the heating / cooling medium is measured via the temperature sensor 41.
  • the valves 39, 40 are set accordingly, so that a defined volume flow of the heating / cooling medium can flow through the heat sinks 35, 36. Inside the heat sinks 35, 36 the stored in the heating / cooling medium
  • Partial volume flows of the heating / cooling medium flowing through the flow line 31 are once again combined into a single volume flow and passed further through the flow line 31 of the closed heating / cooling circuit 32.
  • the residual heat remaining in the heating / cooling medium after flowing through the heat sinks 35, 36 can now be transferred to the heat sink 44, which in the present case is designed as an air-cooled cooler.
  • the valve 45 is first switched over such that the heating / cooling medium now flows through the heat sink 44.
  • the heat sink 44 absorbs the heat stored in the heating / cooling medium and thus heats one, for example
  • Airflow that can be generated by the airstream and / or an additional fan If the fuel cell 20 is in the steady state and the waste heat is removed from the fuel cell 20 via the heating / cooling medium, the heating device 42 is generally switched off in order to prevent additional heating of the heating / cooling medium.
  • the heating device can 42 can be used as additional heating or as auxiliary heating for the passenger compartment. Via the heating device 42, the heating / cooling medium in the flow line 31, which has already absorbed the small amount of waste heat from the fuel cell 20, is further heated, so that a sufficient heat potential is generated in the heating / cooling medium, which is released to the heat sink 42 can.
  • the current of the heating / cooling medium is then bypassed past the heat sink 44 via the bypass line 46 via a corresponding actuation of the valve 45 to avoid undesired heat losses.
  • the valve 45 can be switched so that the heating / cooling medium is avoided in order to avoid an excessive drop in temperature temporarily or only with a partial flow over the bypass line.
  • the heat sink 43 designed as a heating heat exchanger is sufficient to prevent the
  • the heating device 42 can be used not only for preheating when the fuel cell system 10 is started, but also in the stationary operation of the heating device 42
  • Fuel cell system 10 where it can counteract a cooling of the fuel cell 20 below the minimum value of the ideal range of the operating temperature.
  • valve 35 heat sink (heat exchanger)

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (10), comprising a fuel cell (20) and an assembly (30) for heating/cooling said fuel cell (20). The assembly (30) enables the fuel cell (20) and the streams of gas which are fed to the fuel cell (20) to be preheated and to be rapidly brought up to the ideal operating temperature, in particular, during a rapid start-up of the fuel cell system (10). A flow line (31) for a heating/cooling medium is provided for this purpose which is connected or can be connected to the fuel cell (20) in such a way that a thermal exchange occurs or can occur between the fuel cell (20) and the heating/cooling medium. At least one heat sink (35; 36) is also provided in the flow line (31) which is/can be connected to a supply line for the fuel (21) and/or a supply line for the oxidation agent (23) for the fuel cell (20) in such a way that a thermal exchange occurs/can occur between the heat sink(s) (35; 36) and the fuel and/or the oxidation agent for the fuel cell (20). The inventive assembly (30) also enables the waste heat which is generated in the fuel cell (20) to be used to heat the fuel and/or the oxidation agent. A heating device (42), configured as a burner, is also provided for the additional heating of the heating/cooling medium, for example during a cold-start of the fuel cell system (10).

Description

Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle und BrennstoffzellensystemArrangement for heating / cooling a fuel cell and fuel cell system
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.The present invention relates to an arrangement for heating / cooling a fuel cell. The invention further relates to a fuel cell system.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und das Reaktionsprodukt kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den BrennstoffzellenSimilar to battery systems, fuel cells generate electrical energy chemically, with the individual reactants being fed continuously and the reaction product being continuously discharged. The fuel cells
Funktionsprinzip zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt, was beispielsweise über eine Membran erfolgt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.Functional principle that electrically neutral molecules or atoms combine with each other and exchange electrons. This process is called the redox process. In the fuel cell, the oxidation and reduction processes are spatially separated, which is done for example via a membrane. Such membranes have the property of exchanging protons but retaining gases. The electrons released during the reduction can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweiseAs gaseous reactants for the fuel cell, for example
Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Wll man die Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muß man die jeweiligen Kohlenwasserstoffe zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Die Brennstoffzellen werden idealerweise in einem engen Temperaturbereich betrieben. Bei Brennstoffzellen mit protonenleitender Polymermembran (PEM- Brennstoffzellen), die bevorzugt in mobilen Anwendungen, beispielsweise in Fahrzeugen oder dergleichen, eingesetzt werden, liegt dieser Temperaturbereich etwa zwischen 60 °C und 90 °C. Üblicherweise entsteht in den Brennstoffzellen während des Betriebs Verlustwärme, die abgeführt werden muß. Um eine thermische Überbeanspruchung der Brennstoffzelle zu vermeiden, müssen die den heißen Bauraum umgebenden Bauelemente und Werkstoffe intensiv gekühlt werden.Hydrogen is used as fuel and oxygen as oxidant. If one wants to operate the fuel cells with a readily available or storable fuel such as natural gas, methanol or the like, the respective hydrocarbons must first be converted into a hydrogen-rich gas. The fuel cells are ideally operated in a narrow temperature range. In the case of fuel cells with a proton-conducting polymer membrane (PEM fuel cells), which are preferably used in mobile applications, for example in vehicles or the like, this temperature range is approximately between 60 ° C. and 90 ° C. Heat energy is usually generated in the fuel cells during operation and has to be dissipated. In order to avoid thermal overloading of the fuel cell, the components and materials surrounding the hot installation space must be cooled intensively.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zumThe present invention has for its object an arrangement for
Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle zu schaffen, mit der die Brennstoffzelle im idealen Temperaturbereich betrieben werden kann. Insbesondere soll eine Anordnung bereitgestellt werden, mit der die Brennstoffzelle, etwa zum Start eines Brennstoffzellensystems, beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden kann. Darüber hinaus soll überschüssige Verlustwärme auf einfache Weise abgeführt werden können. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.To create heating / cooling of a fuel cell with which the fuel cell can be operated in the ideal temperature range. In particular, an arrangement is to be provided with which the fuel cell can be brought to the ideal operating temperature in an accelerated manner, for example at the start of a fuel cell system. In addition, it should be possible to dissipate excess heat loss in a simple manner. Furthermore, a correspondingly improved fuel cell system and a vehicle with such a fuel cell system are to be provided.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eineAccording to the first aspect of the invention, this object is achieved by a
Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffeelle, mit einer Strömungsleitung für ein Heiz-/ Kühlmedium, die derart mit der Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar ist, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Heiz- /Kühlmedium in der Strömungsieitung stattfindet oder stattfinden kann und mit wenigstens einer in der Strömungsleitung vorgesehenen Wärmesenke, die derart mit einer Zuleitung für den Brennstoff und/oder einer Zuleitung für das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar ist/sind, daß ein thermischer Austausch zwischen der wenigstens einen Wärmesenke und dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle stattfindet oder stattfinden kann.Arrangement for heating / cooling a fuel cell, with a flow line for a heating / cooling medium, which is connected or connectable to the fuel cell in such a way that a thermal exchange between the fuel cell and the heating / cooling medium takes place or can take place in the flow line and with at least one heat sink provided in the flow line, which is / can be connected to a supply line for the fuel and / or a supply line for the oxidizing agent of the fuel cell, such that a thermal exchange between the at least one heat sink and the fuel and / or the oxidizing agent for the fuel cell takes place or can take place.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann eine Brennstoffzelle, beziehungsweise ein der Brennstoffzelle zugeführter Gasstrom, auf einfache Weise schnell auf den idealen Temperaturbereich erwärmt werden. Weiterhin kann die während des Betriebs der Brennstoffzelle entstehende überschüssige Verlustwärme gewonnen und weiter verwertet werden. Zunächst ist die Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium derart mit der Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung stattfindet oder stattfinden kann. Dazu wird die Strömungsleitung beispielsweise zumindest bereichsweise durch die Brennstoffzelle hindurchgeführt. In demjenigen Bereich der Strömungsleitung, der sich innerhalb der Brennstoffzelle befindet, kann diese beispielsweise als Rohrschlange oder dergleichen ausgebildet sein.The arrangement according to the invention allows a fuel cell, or a gas stream supplied to the fuel cell, to be quickly and easily heated to the ideal temperature range. Furthermore, the excess heat loss generated during the operation of the fuel cell can be obtained and further used. First of all, the flow line for the heating / cooling medium is connected or connectable to the fuel cell in such a way that a thermal exchange takes place or can take place between the fuel cell and the heating / cooling medium in the flow line. For this purpose, the flow line is led through the fuel cell at least in regions, for example. In the area of the flow line that is located within the fuel cell, the fuel cell can be configured, for example, as a coil or the like.
Die Strömungsleitung wird von dem Heiz-/Kühlmedium durchströmt, wodurch einThe flow line is flowed through by the heating / cooling medium, whereby a
Wärmeausstausch zwischen dem Heiz-/ Kühlmedium und der Brennstoffzelle erfolgt. Insbesondere, wenn das Heiz-/Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelle, das heißt zur Abfuhr der Verlustwärme aus der Brennstoffzelle, dient, kann das Heiz- /Kühlmedium, das die Strömungsleitung durchströmt, zunächst noch gekühlt werden. Beim Durchströmen desjenigen Bereichs der Strömungsleitung, der sich in derHeat exchange takes place between the heating / cooling medium and the fuel cell. In particular, if the heating / cooling medium is used to cool the fuel cell, that is to say to dissipate the heat loss from the fuel cell, the heating / cooling medium which flows through the flow line can initially be cooled. When flowing through that area of the flow line that is in the
Brennstoffzelle befindet, wird die von der Brennstoffzelle erzeugte Verlustwärme an das in der Strömungsleitung befindliche Heiz-/Kühlmedium abgegeben.Fuel cell is located, the waste heat generated by the fuel cell is given off to the heating / cooling medium located in the flow line.
Auf der anderen Seite kann das in der Strömungsleitung befindliche Heiz-/Kühlmedium auch zum Beheizen der Brennstoffzelle herangezogen werden. In diesem Fall wird dasOn the other hand, the heating / cooling medium in the flow line can also be used to heat the fuel cell. In this case
Heiz-/Kühlmedium, das die Strömungsleitung durchströmt, vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle erwärmt. Eine solche Ausgestaltungsform wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher beschrieben.Heating / cooling medium that flows through the flow line is heated before entering the fuel cell. Such an embodiment is described in the further course of the description.
Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt eine Vortemperierung des eine entsprechende Zuleitung zur Brennstoffzelle durchströmenden Brennstoffs oder Oxidationsmittels. Dazu ist die wenigstens eine Wärmesenke vorgesehen, die beispielsweise als Wärmetauscher oder dergleichen ausgebildet sein kann. Die wenigstens eine Wärmesenke ist mit der Zuleitung für den Brennstoff und/oder der Zuleitung für das Oxidationsmittel thermisch verbunden oder verbindbar. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Wärmesenke in Strömungsrichtung des Heiz-/Kühlmediums nach der Brennstoffzelle vorgesehen. Auf diese Weise kann die vom Heiz- /Kühlmedium während des Durchströmens der Brennstoffzelle aufgenommene Verlustwärme zu der wenigstens einen Wärmesenke transportiert und in dieser an den die Zuleitung durchströmenden Gasstrom, also an den Brennstoff oder das Oxidationsmittel, abgeben werden. Durch die Vortemperierung des Gasstroms bzw. der Gasströme kann ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden, indem der Gasstrom bzw. die Gasströme auf eine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt wird/werden. Da durch die erfindungsgemäße Anordnung die in der Brennstoffzelle entstehende Verlustwärme genutzt werden kann, kann auf separateThe arrangement according to the invention brings about a preheating of the fuel or oxidizing agent flowing through a corresponding supply line to the fuel cell. For this purpose, the at least one heat sink is provided, which can be designed, for example, as a heat exchanger or the like. The at least one heat sink is thermally connected or connectable to the supply line for the fuel and / or the supply line for the oxidizing agent. The at least one heat sink is preferably provided downstream of the fuel cell in the flow direction of the heating / cooling medium. In this way, the heat loss absorbed by the heating / cooling medium while flowing through the fuel cell can be transported to the at least one heat sink and in this to the gas stream flowing through the feed line, that is to say to the fuel or the Oxidizing agents are released. The pre-temperature control of the gas stream or the gas streams can ensure stable operation of the fuel cell by heating the gas stream or the gas streams to an optimal operating temperature. Since the heat generated in the fuel cell can be used by the arrangement according to the invention, it can be separated
Wärmequellen zur Erwärmung des Gasstroms bzw. der Gasströme verzichtet werden, was nicht zuletzt zu Energieeinsparungen und damit zu einer Kostenreduktion führt.Heat sources for heating the gas stream or the gas streams are dispensed with, which not least leads to energy savings and thus to a cost reduction.
Vorteilhaft wird als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff, der beispielsweise aus der Umgebungsluft bezogen wird, verwendet.Hydrogen is advantageously used as fuel and oxygen, which is obtained, for example, from the ambient air, is used as the oxidizing agent.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the arrangement according to the invention result from the subclaims.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind zwei Wärmesenken vorgesehen, wobei die eine Wärmesenke mit der Zuleitung für den Brennstoff und die andere Wärmesenke mit der Zuleitung für das Oxidationsmittel verbunden oder verbindbar ist.In an advantageous embodiment, two heat sinks are provided, one heat sink being connected or connectable to the supply line for the fuel and the other heat sink being connected to the supply line for the oxidizing agent.
Vorteilhaft können die beiden Wärmesenken in Parallelschaltung in derThe two heat sinks can advantageously be connected in parallel in the
Strömungsleitung angeordnet sein. Durch diese Ausgestaltung wird der die Strömungsleitung durchströmende Strom des Heiz-/Kühlmediums in zwei Volumenströme aufgeteilt. Zur Regelung der einzelnen Volumenströme kann ein entsprechend geeignetes Ventii vorgesehen sein.Flow line may be arranged. This configuration divides the flow of the heating / cooling medium flowing through the flow line into two volume flows. A correspondingly suitable valve can be provided to regulate the individual volume flows.
Vorteilhaft ist in der Strömungsleitung ein Temperatursensor vorgesehen. Der Temperatursensor ist vorteilhaft in Strömungsrichtung des Heiz-/Kühlmediums nach der Brennstoffzelle und vor den weiter oben beschriebenen Wärmesenken angeordnet. Auf diese Weise kann über den Temperatursensor die durch die Strömungsleitung abgeführte Verlustwärme der Brennstoffzelle gemessen werden.A temperature sensor is advantageously provided in the flow line. The temperature sensor is advantageously arranged in the flow direction of the heating / cooling medium after the fuel cell and before the heat sinks described above. In this way, the heat loss of the fuel cell dissipated through the flow line can be measured via the temperature sensor.
Vorteilhaft kann die Strömungsleitung als geschlossener Heiz-/ Kühlkreislauf ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Menge des in der Strömungsleitung zirkulierenden Heiz-/Kühlmediums reduziert werden, da während eines Umlaufzyklus kein Heiz-/ Kühlmedium aus der Strömungsleitung entweichen kann. Weiterhin ist bei einem derart geschlossenen Kreislauf der Zusatz von weiteren Stoffen im Heiz- /Kühlmedium, beispielsweise von Schutzmitteln gegen Korrosion, Gefrieren oder dergleichen, problemlos möglich.The flow line can advantageously be designed as a closed heating / cooling circuit. In this way, the amount of the heating / cooling medium circulating in the flow line can be reduced, since no heating / cooling medium can escape from the flow line during a circulation cycle. Furthermore, at In such a closed circuit, the addition of further substances in the heating / cooling medium, for example protective agents against corrosion, freezing or the like, is possible without problems.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird die über die Strömungsleitung abgeführte Wärmemenge der Brennstoffzelle zunächst über den Temperatursensor gemessen. Nach dieser Temperaturkontrolle teilt sich der Strom des Heiz-/Kühlmediums in zwei Volumenströme. Diese fördern die Wärmemenge zu zwei parallel geschalteten Wärmesenken, die beispielsweise als Gas-/ Flüssigkeitswärmetauscher ausgebildet sind. Diese beiden Wärmesenken stehen jeweils entweder mit der Zuleitung für den Brennstoff oder der Zuleitung für das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle in thermischer Verbindung. Mit diesen als Wärmeübertrager fungierenden Wärmesenken wird sowohl das Prozeßgas - beispielsweise Wasserstoff - als auch das Oxidationsmittel - beispielsweise als Sauerstofflieferant fungierende Umgebungsluft - auf eine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt. Anschließend können die beiden Ströme des Heiz-/ Kühlmediums wieder zusammengeführt und im weiteren Verlauf anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.In an advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, the amount of heat dissipated by the fuel cell via the flow line is first measured via the temperature sensor. After this temperature control, the flow of the heating / cooling medium is divided into two volume flows. These convey the amount of heat to two heat sinks connected in parallel, which are designed, for example, as gas / liquid heat exchangers. These two heat sinks are either in thermal connection with the supply line for the fuel or the supply line for the oxidant of the fuel cell. With these heat sinks functioning as heat exchangers, both the process gas - for example hydrogen - and the oxidizing agent - for example ambient air which acts as an oxygen supplier - are heated to an optimal operating temperature. The two flows of the heating / cooling medium can then be brought together again and made available to other consumers in the further course.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, wobei die Heizeinrichtung mit der Brennstoffzelle und/oder der wenigstens einen Wärmesenke thermisch verbunden oder verbindbar ist. Eine solche Heizeinrichtung kann beispielsweise zum Aufheizen der Brennstoffzelle beim Kaltstart dienen. Dabei kann die Heizeinrichtung entweder direkt oder indirekt mit der Brennstoffzelle und/oder der wenigstens einen Wärmesenke verbunden sein. Eine indirekte Verbindung kann beispielsweise über die Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium erfolgen. Diese Ausgestaltung wird weiter unten näher beschrieben.In a further embodiment of the invention, a heating device can be provided, the heating device being thermally connected or connectable to the fuel cell and / or the at least one heat sink. Such a heating device can be used, for example, to heat the fuel cell during a cold start. The heating device can be connected either directly or indirectly to the fuel cell and / or the at least one heat sink. An indirect connection can be made, for example, via the flow line for the heating / cooling medium. This configuration is described in more detail below.
Insbesondere dann, wenn ein schneller Start oder ein Kaltstart der Brennstoffzelle erforderlich ist, kann die Brennstoffzelle durch die Heizeinrichtung vorgeheizt und somit beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden. Damit ist die Brennstoffzelle bereits nach kürzester Zeit einsatzbereit. Dies ist insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wünschenswert, da das Fahrzeug in der Regel direkt nach dem Einsteigen gestartet und bewegt werden soll. Da über die Heizeinrichtung auch das die Strömungsleitung durchströmende Heiz-/Kühlmedium erwärmt werden kann, kann über diese auch die wenigstens eine Wärmesenke mit Wärme versorgt werden, so daß über die Heizeinrichtung während des Kaltstarts der Brennstoffzelle auch der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle auf geeignete Weise vorgewärmt werden kann.In particular, if a quick start or a cold start of the fuel cell is required, the fuel cell can be preheated by the heating device and thus accelerated to the ideal operating temperature. This means that the fuel cell is ready for use in a very short time. This is particularly desirable when operating fuel cells in vehicles, since the vehicle is generally to be started and moved immediately after boarding. Since the heating / cooling medium flowing through the flow line also flows through the heating device can be heated via this, the at least one heat sink can also be supplied with heat, so that the fuel and / or the oxidizing agent for the fuel cell can also be preheated in a suitable manner via the heating device during the cold start of the fuel cell.
Vorteilhaft kann die Heizeinrichtung als Brenner oder elektrisches Heizelement ausgebildet sein.The heating device can advantageously be designed as a burner or an electrical heating element.
Wenn die Heizeinrichtung als Brenner, insbesondere als katalytischer Brenner, ausgebildet ist, kann sie beispielsweise aus einem Teilstrom des Brennstoffs für dieIf the heating device is designed as a burner, in particular as a catalytic burner, it can, for example, from a partial flow of the fuel for the
Brennstoffzelle betrieben werden. Wird der Brennstoff der Brennstoffzelle in einer vorgeschalteten Baugruppe aus einem anderen Energieträger erzeugt, wie zum Beispiel Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas, Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff, so kann die Heizeinrichtung auch direkt mit diesen Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Schließlich ist es auch denkbar, dieFuel cell operated. If the fuel of the fuel cell is generated in an upstream module from another energy source, such as methanol, gasoline, natural gas, methane, coal gas, biogas or another hydrocarbon, the heating device can also be operated directly with these hydrocarbons. Finally, it is also conceivable that
Heizeinrichtung durch den Abgasstrom des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zu betreiben. In diesem Fall ist jedoch ein Betrieb mit reinem Wasserstoff als Brennstoff der Brennstoffzelle erforderlich.To operate the heating device through the exhaust gas flow of the fuel and / or the oxidizing agent from the fuel cell. In this case, however, operation with pure hydrogen as fuel for the fuel cell is required.
Wenn die Heizeinrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet ist, kann die benötigte elektrische Energie insbesondere in der ersten Zeit, das heißt in der Zeit des Anfahrens der Brennstoffzelle, durch eine Batterie zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Brennstoffzelle in einem Fahrzeug verwendet wird, kann als Batterie die Batterie für das Bordnetz des Fahrzeugs verwendet werden. Das elektrische Heizelement kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als Heizdraht, Heizspule oder dergleichen ausgebildet sein.If the heating device is designed as an electrical heating element, the required electrical energy can be made available by a battery, in particular in the first time, that is to say when the fuel cell is started up. If the fuel cell is used in a vehicle, the battery for the vehicle electrical system can be used as the battery. The electrical heating element can be designed, for example, but not exclusively, as a heating wire, heating coil or the like.
In weiterer Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung in der Strömungsleitung angeordnet sein. Dadurch kann die Übertragung der Wärme über den Heiz- /Kühlkreislauf der Brennstoffzelle erfolgen. Durch diese indirekte Verbindung derIn a further embodiment, the heating device can be arranged in the flow line. This allows the heat to be transferred via the heating / cooling circuit of the fuel cell. Through this indirect connection of the
Heizeinrichtung mit der Brennstoffzelle und/oder der/den Wärmesenke/Wärmesenken wird zum einen erreicht, daß die Brennstoffzelle und/oder die der Brennstoffzelle zugeführten Gasströme vorgeheizt und beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden können. Zum anderen kann die Heizeinrichtung bei einer derartigen Anordnung noch weitere Funktionen übernehmen, die weiter unten näher beschrieben werden.Heating device with the fuel cell and / or the heat sink (s) is achieved on the one hand that the fuel cell and / or the gas streams supplied to the fuel cell can be preheated and accelerated to the ideal operating temperature. On the other hand, the heating device in such a Arrangement take on other functions, which are described in more detail below.
Vorteilhaft ist in der Strömungsleitung eine Fördereinrichtung angeordnet. Über eine solche Fördereinrichtung kann die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/ Kühlmediums innerhalb der Strömungsleitung eingestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/Kühlmediums beeinflußt gleichzeitig auch die Wärmeaustauschrate zwischen dem Heiz-/ Kühlmedium und der Brennstoffzelle sowie zwischen dem Heiz- /Kühlmedium und dem/den über die Zuleitung zugeführten Gasstrom/Gasströmen.A conveyor is advantageously arranged in the flow line. The flow rate of the heating / cooling medium within the flow line can be set via such a conveying device. The flow rate of the heating / cooling medium also influences the heat exchange rate between the heating / cooling medium and the fuel cell and between the heating / cooling medium and the gas flow (s) supplied via the feed line.
Je nach Art des verwendeten Heiz-/Kühlmediums kann die Fördereinrichtung unterschiedlich ausgebildet sein. Wenn beispielsweise ein flüssiges Heiz-/Kühlmedium wie Wasser, Öl oder dergleichen verwendet wird, ist die Fördereinrichtung vorzugsweise als Pumpe ausgebildet. Wird als Heiz-/Kühlmedium beispielsweise ein Gas wie Luft oder dergleichen verwendet, ist die Fördereinrichtung vorzugsweise als Gebläse ausgebildet. Die Erfindung ist nicht auf die genannten Fördereinrichtungen beschränkt.Depending on the type of heating / cooling medium used, the conveyor can be designed differently. If, for example, a liquid heating / cooling medium such as water, oil or the like is used, the delivery device is preferably designed as a pump. If, for example, a gas such as air or the like is used as the heating / cooling medium, the conveying device is preferably designed as a blower. The invention is not limited to the conveyor devices mentioned.
In weiterer Ausgestaltung ist in der Strömungsleitung eine weitere Wärmesenke angeordnet. Diese Wärmesenke kann beispielsweise als Kühler ausgebildet sein. Im eingeschwungenen Betrieb bei Nenntemperatur der Brennstoffzelle kann über das die Strömungsleitung durchströmende Heiz-/Küh!medium die Verlustwärme der Brennstoffzelle an die Wärmesenkeübertragen werden. Ist die Wärmesenke als luftgekühlter Kühler ausgebildet, kann über diesen die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden.In a further embodiment, a further heat sink is arranged in the flow line. This heat sink can be designed, for example, as a cooler. In steady-state operation at the nominal temperature of the fuel cell, the waste heat from the fuel cell can be transferred to the heat sink via the heating / cooling medium flowing through the flow line. If the heat sink is designed as an air-cooled cooler, the heat can be released into the ambient air via this.
In weiterer Ausgestaltung kann diese Wärmesenke über ein Ventil, insbesondere ein Drei-Wege-Ventil, mit der Strömungsleitung verbunden sein. Insbesondere zum Start der Brennstoffzelle wird das Ventil derart geschaltet, daß das Heiz-/Kühlmedium - etwa über eine geeignete Bypass-Leitung - an der Wärmesenke vorbeigeführt werden kann. Wenn die Heizeinrichtung innerhalb der Strömungsleitung angeordnet ist, kann auf diese Weise zunächst die Brennstoffzelle und/oder ein der Brennstoffzelle zugeführter Gasstrom auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Wenn die Brennstoffzelle die ideale Betriebstemperatur erreicht hat und nunmehr die Veriustwärme abgeführt werden muß, kann das Ventil so umgestellt werden, daß die vom Heiz-/ Kühlmedium aufgenommenen Wärme an die Wärmesenke abgegeben wird. Über eine entsprechende Stellung des Ventils und eine eventuelle Bypass- Regelung kann eine genau definierte Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf entnommen und der Wärmesenke zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Wärmesenke zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle für ein Fahrzeug verwendet wird.In a further embodiment, this heat sink can be connected to the flow line via a valve, in particular a three-way valve. In particular at the start of the fuel cell, the valve is switched in such a way that the heating / cooling medium can be led past the heat sink, for example via a suitable bypass line. If the heating device is arranged within the flow line, the fuel cell and / or a gas stream supplied to the fuel cell can first be brought to the desired temperature in this way. When the fuel cell has reached the ideal operating temperature and the heat of loss must now be dissipated, the valve can be switched so that the heat absorbed by the heating / cooling medium is released to the heat sink. A precisely defined amount of heat can be removed from the cooling circuit and supplied to the heat sink via an appropriate position of the valve and a possible bypass control. This is particularly advantageous if the heat sink is used to air-condition a passenger compartment for a vehicle.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Strömungsleitung noch eine zusätzliche Wärmesenke angeordnet sein. Diese fungiert beispielsweise als Heizung für eine Einrichtung außerhalb des Brennstoffzellensystems und kann etwa zur Klimatisierung der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs dienen. Dazu kann die Wärmesenke beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Die in der Brennstoffzelle entstehende Verlustwärme kann somit über das die Strömungsleitung durchströmende Heiz- /Kühlmedium aus dieser abgeführt und zum Wärmetauscher transportiert werden. Im Wärmetauscher wird dem Heiz-/Kühlmedium Wärme entzogen, so daß diese anschließend zur Klimatisierung der Fahrgastzelle verwendet werden kann.In a further embodiment, an additional heat sink can be arranged in the flow line. This functions, for example, as a heater for a device outside the fuel cell system and can be used, for example, to air-condition the passenger cell of a vehicle. For this purpose, the heat sink can be designed, for example, as a heat exchanger. The heat loss generated in the fuel cell can thus be dissipated from the heating / cooling medium flowing through the flow line and transported to the heat exchanger. In the heat exchanger, heat is extracted from the heating / cooling medium so that it can subsequently be used for air conditioning the passenger compartment.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann diese auf besonders geeignete Weise zur Wärmerückführung im Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems verwendet werden. Um eine thermischeIn a particularly advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, it can be used in a particularly suitable manner for heat recirculation in the cooling circuit of a fuel cell system. To a thermal
Überbeanspruchung der Brennstoffzelle zu vermeiden, können die den heißen Bauraum umgebenden Bauelemente und Werkstoffe über die erfindungsgemäße Anordnung zunächst intensiv gekühlt werden. Da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität und einen guten Wärmeübergang zu oder von einem zu kühlenden oder zu beheizenden Gegenstand aufweist, wird für die erfindungsgemäße Anordnung als Heiz-/Kühlmedium vorteilhaft Wasser verwendet. Eine derartige Kühlung wird auch bei den heutigen Verbrennungsmotoren eingesetzt, so daß die erfindungsgemäße Anordnung besonders für eine Verwendung in Fahrzeugen geeignet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet vorteilhaft eine sogenannte Luft-Wasser- Umlaufkühlung. Diese weist einen geschlossenen Wasser-Kreislauf auf, der beispielsweise auch den Zusatz von Schutzmitteln gegen Korrosion, Gefrieren oder dergleichen erlaubt. Das Kühlwasser wird mit einer Wasserpumpe durch die Brennstoffzelle gepumpt, wo es die in der Brennstoffzelle entstehende Verlustwärme aufnimmt. Die im Kühlwasser gespeicherte Verlustwärme wird anschließend über die Wärmesenke beziehungsweise die Wärmesenken zur Erwärmung des der Brennstoffeelle zugeführten Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels verwendet. Anschließend kann die im Heiz-/ Kühlmedium verbliebene Restwärme über die im Heiz-/ Kühlkreislauf befindlichen zusätzlichen Wärmesenken weiter verwertet werden. Wenn eine dieser Wärmesenken beispielsweise als Kühler ausgebildet ist, kann die Wärmeabfuhr durch den Fahrtwind (wenn sich die Brennstoffeelle in einem Fahrzeug befindet) und/oder einen Zusatzlüfter realisiert werden. Durch den Fahrtwind oder durch den Zusatzlüfter wird Kühlluft in die Wärmesenke eingebracht, die die im Heiz- /Kühlmedium verbliebene Restwärme aufnimmt. Die so aufgenommene Wärme kann abgeführt oder zur Klimatisierung der Fahrgastzelle verwendet werden. Das nunmehr abgekühlte Heiz-/Kühlmedium wird über die Fördereinrichtung erneut in dieTo avoid overloading the fuel cell, the components and materials surrounding the hot installation space can initially be intensively cooled using the arrangement according to the invention. Since water has a high specific heat capacity and good heat transfer to or from an object to be cooled or heated, water is advantageously used as the heating / cooling medium for the arrangement according to the invention. Such cooling is also used in today's internal combustion engines, so that the arrangement according to the invention is particularly suitable for use in vehicles. The arrangement according to the invention advantageously permits so-called air-water circulation cooling. This has a closed water circuit, which also allows, for example, the addition of protective agents against corrosion, freezing or the like. The cooling water is pumped through the fuel cell with a water pump, where it absorbs the heat loss generated in the fuel cell. The heat loss stored in the cooling water is then via the heat sink or the heat sinks for heating the Fuelselle supplied fuel and / or oxidizing agent used. Subsequently, the residual heat remaining in the heating / cooling medium can be used further via the additional heat sinks in the heating / cooling circuit. If one of these heat sinks is designed, for example, as a cooler, the heat can be removed by the wind (when the fuel cell is in a vehicle) and / or an additional fan. Cooling air is introduced into the heat sink by the airstream or by the additional fan, which absorbs the residual heat remaining in the heating / cooling medium. The heat absorbed in this way can be dissipated or used to air-condition the passenger compartment. The now cooled heating / cooling medium is again fed into the
Brennstoffzelle gepumpt, wo es wiederum in der Brennstoffzelle produzierte Verlustwärme aufnimmt.Pumped fuel cell, where it in turn absorbs waste heat produced in the fuel cell.
Insbesondere, wenn die weiter oben beschriebene Heizeinrichtung vorgesehen ist, kann diese -etwa beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems- zunächst zurIn particular, if the heating device described above is provided, it can initially - for example when the fuel cell system is cold started
Vortemperierung der Brennstoffzelle und/oder des/der der Brennstoffeelle zugeführten Gasstroms/Gasströme verwendet werden. Weiterhin kann die Heizeinrichtung auch zur Beheizung der Fahrgastzelle - etwa als Zusatzheizung oder Standheizung - benutzt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Brennstoffeelle im niedrigen Leistungsbereich betrieben wird, wo sie nur wenig Abwärme erzeugt, und die Wärmeabnahme an der Wärmesenke oder den Wärmesenken groß ist, zum Beispiel bei niedrigen Außentemperaturen. Die Heizeinrichtung kann in der beschriebenen Betriebsart nicht nur zum Vorheizen beim Anfahren der Brennstoffzelle benutzt werden, sondern auch im stationären Betrieb der Brennstoffzelle, wo sie einer Abkühlung der Brennstoffzelle unter den Minimalwert des idealen Bereichs derPre-temperature control of the fuel cell and / or of the gas flow / gas flows supplied to the fuel cell are used. Furthermore, the heating device can also be used to heat the passenger compartment - for example as additional heating or auxiliary heating. This is particularly useful when the fuel cell is operated in the low power range, where it generates little waste heat and the heat sink or heat sink is large, for example at low outside temperatures. The heating device can be used in the described operating mode not only for preheating when starting the fuel cell, but also in stationary operation of the fuel cell, where it cools the fuel cell below the minimum value of the ideal range of
Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entgegenwirken kann. Dies kann sowohl bei Systemen mit und ohne Wärmesenke notwendig sein, wenn die Brennstoffzelle bei niedriger Leistungsabgabe betrieben wird und die Außentemperaturen extrem niedrig sind.Operating temperature of the fuel cell can counteract. This can be necessary for systems with and without a heat sink if the fuel cell is operated at a low power output and the outside temperatures are extremely low.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffeellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Zuleitung und eine Ableitung für einen Brennstoff, sowie eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist, wobei das Brennstoffeellensystem erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen ist. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des Brennstoffzellensystems wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.According to the second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system with at least one fuel cell which has a feed line and a discharge line for a fuel, and a feed line and a discharge line for an oxidizing agent, the fuel cell system according to the invention being characterized in that for heating / Cooling the Fuel cell an inventive arrangement as described above is provided. With regard to the advantages, effects, effects and the mode of operation of the fuel cell system, reference is made in full to the above statements regarding the arrangement according to the invention for heating / cooling the fuel cell and reference is hereby made.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the fuel cell system result from the subclaims.
Vorzugsweise ist die Zuleitung für den Brennstoff und/oder die Zuleitung für dasThe feed line for the fuel and / or the feed line for the
Oxidationsmittel derart mit der in der Strömungsleitung der Anordnung vorgesehenen wenigstens einen Wärmesenke verbunden, daß ein thermischer Austausch zwischen der Wärmesenke und dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel stattfindet oder stattfinden kann.Oxidizing agent connected to the at least one heat sink provided in the flow line of the arrangement such that a thermal exchange takes place or can take place between the heat sink and the fuel and / or the oxidizing agent.
In weiterer Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung zur Versorgung mit Brennstoff mit der Zuleitung für den Brennstoff der Brennstoffeelle verbunden. Dadurch kann die Heizeinrichtung, wenn diese als Brenner ausgebildet ist, aus einem Teilstrom des Brenngases der Brennstoffzelle betrieben werden.In a further embodiment, the heating device for supplying fuel is connected to the supply line for the fuel of the fuel cell. As a result, the heating device, if it is designed as a burner, can be operated from a partial flow of the fuel gas of the fuel cell.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Heizeinrichtung mit einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs für die Brennstoffzelle verbunden sein. In diese Ausgestaltung kann eine als Brenner ausgebildete Heizeinrichtung direkt mit solchen Stoffen betrieben werden, aus denen der Brennstoff für die Brennstoffzelle erzeugt beziehungsweise aufbereitet wird.In a further embodiment of the invention, the heating device can be connected to an arrangement for generating / processing the fuel for the fuel cell. In this configuration, a heating device designed as a burner can be operated directly with substances from which the fuel for the fuel cell is produced or processed.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung kann die Heizeinrichtung mit der Ableitung für den Brennstoff und/oder der Ableitung für das Oxidationsmittel verbunden sein. Üblicherweise sind die aus der Brennstoffeelle austretenden Abgasströme sehr heiß, so daß diese Wärme zur Erwärmung des Heiz-/Kühlmediums innerhalb derIn another embodiment of the invention, the heating device can be connected to the discharge line for the fuel and / or the discharge line for the oxidizing agent. Usually, the exhaust gas streams emerging from the fuel cell are very hot, so that this heat for heating the heating / cooling medium within the
Strömungsleitung verwendet werden kann. Die Heizeinrichtung kann mit der Ableitung für das Oxidationsmittel oder der Ableitung für den Brennstoff oder auch mit beiden Ableitungen verbunden sein. Eine solche Verbindung ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn sich im Abgasstrom sehr viel Wärme befindet. Allerdings muß gewährleistet werden, daß bei der Rückführung der Wärme aus dem Abgasstrom keine schädlichen Bestandteile, die die Brennstoffzelle beschädigen könnten, mit ausgetragen werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung deshalb mit der Ableitung für das Oxidationsmittel verbunden, insbesondere dann, wenn als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff verwendet wird.Flow line can be used. The heating device can be connected to the discharge line for the oxidizing agent or the discharge line for the fuel or also to both discharge lines. Such a connection is particularly advantageous whenever there is a lot of heat in the exhaust gas flow. However, it must be ensured that the heat from the exhaust gas stream is returned no harmful components that could damage the fuel cell are removed. In an advantageous embodiment, the heating device is therefore connected to the discharge line for the oxidizing agent, in particular when pure oxygen is used as the oxidizing agent.
In weiterer Ausgestaltung kann das Brennstoffeellensystem zwei oder mehr Brennstoffzellen aufweisen. Üblicherweise werden in einem Brennstoffeellensystem mehr als zwei Brennstoffzellen verwendet, die dann einen sogenannten Brennstoffzellen-Stack bilden. Die Anzahl der in einem solchen Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßten Brennstoffzellen ergibt sich aus den Leistungsanforderungen an das Brennstoffeellensystem.In a further embodiment, the fuel cell system can have two or more fuel cells. Usually more than two fuel cells are used in a fuel cell system, which then form a so-called fuel cell stack. The number of fuel cells combined in such a fuel cell stack results from the performance requirements for the fuel cell system.
Vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffeellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden.An arrangement according to the invention as described above and / or a fuel cell system according to the invention as described above can advantageously be used in or for a vehicle.
Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffeellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffeellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use offers particularly good applications. However, other possible uses are also conceivable. Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or the like, right up to power plants. Here the fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.The present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Brennstoffeellensystem.The invention will now be explained in more detail by way of example using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. The sole figure shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention.
In der Figur ist ein Brennstoffeellensystem 10 für ein Fahrzeug dargestellt, das eine Reihe von Brennstoffzellen 20 aufweist, die zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßt sind. Der besseren Übersicht halber ist in der Figur nur eine einzige Brennstoffzelle 20 dargestellt.The figure shows a fuel cell system 10 for a vehicle, which has a number of fuel cells 20 that form a fuel cell stack are summarized. For the sake of clarity, only a single fuel cell 20 is shown in the figure.
Die Brennstoffzelle 20 ist mit einer Zuleitung 21 sowie einer Ableitung 22 für einen Brennstoff, im voriiegenden Fall Wasserstoff, und einer Zuleitung 23 und einerThe fuel cell 20 has a supply line 21 and a discharge line 22 for a fuel, in the present case hydrogen, and a supply line 23 and one
Ableitung 24 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall reiner Sauerstoff, verbunden.Derivation 24 for an oxidizing agent, in the present case pure oxygen, connected.
Weiterhin ist eine Anordnung 30 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Die Anordnung 30 weist eine als geschlossener Heiz-/Kühlkreislauf 32 ausgebildete Strömungsleitung 31 auf, die von einem flüssigen Heiz-/ Kühlmedium, im vorliegenden Fall Wasser, durchströmt wird. Zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 20 ist ein Teilbereich 33 der Strömungsleitung 31 derart mit der Brennstoffeelle 20 verbunden, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle 20 und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung 31 stattfindet oder stattfinden kann. Dazu ist die Brennstoffzelle 20 vom Teilbereich 33 der Strömungsleitung 31 durchsetzt. In diesem Teilbereich 33 ist die Strömungsleitung 31 vorzugsweise als Rohrschlange ausgebildet.Furthermore, an arrangement 30 for heating / cooling the fuel cell 20 is provided. The arrangement 30 has a flow line 31 designed as a closed heating / cooling circuit 32, through which a liquid heating / cooling medium, in the present case water, flows. For heating / cooling the fuel cell 20, a partial area 33 of the flow line 31 is connected to the fuel cell 20 in such a way that a thermal exchange takes place or can take place between the fuel cell 20 and the heating / cooling medium in the flow line 31. For this purpose, the fuel cell 20 is penetrated by the partial area 33 of the flow line 31. In this partial area 33, the flow line 31 is preferably designed as a coil.
Zur Regulierung des die Brennstoffzelle durchströmenden Stroms an Heiz-To regulate the current flowing through the fuel cell at heating
/Kühlmedium ist der Teilbereich 33 der Strömungsleitung 31 über ein Ventil 34 mit der Strömungsleitung 31 verbunden. Über eine entsprechende Einstellung des Ventils kann die Menge des die Brennstoffzelle 20 durchströmenden Heiz-/Kühlmediums eingestellt und damit die Menge der aus der Brennstoffzelle 20 abgeführten Verlustwärme reguliert werden./ Cooling medium, the partial area 33 of the flow line 31 is connected to the flow line 31 via a valve 34. The amount of the heating / cooling medium flowing through the fuel cell 20 can be adjusted via a corresponding setting of the valve and thus the amount of the heat loss dissipated from the fuel cell 20 can be regulated.
In der Strömungsleitung 31 ist weiterhin eine als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 47 vorgesehen, über die die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz- /Kühimediums eingestellt und reguliert wird.In the flow line 31, a pump 47 is also provided, via which the flow rate of the heating / cooling medium is set and regulated.
Die Temperatur des die Brennstoffzelle 20 verlassenden Heiz-/ Kühlmediums wird über einen mit der Strömungsleitung 31 verbundenen Temperatursensor 41 gemessen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 41 in Strömungsrichtung des Heiz-/Kühlmediums nach der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Über zwei Ventile 39, 40 sowie zwei Teilbereiche 37, 38 der Strömungsleitung 31 sind zwei als indirekte Wärmetauscher ausgebildete Wärmesenken 35, 36 mit der Strömungsleitung 31 verbunden. Weiterhin ist die Wärmesenke 35 derart mit der Zuleitung 23 für das Oxidationsmittel, und die Wärmesenke 36 derart mit der Zuleitung 21 für den Brennstoff verbunden, daß zwischen den Wärmesenken 35, 36 und denThe temperature of the heating / cooling medium leaving the fuel cell 20 is measured via a temperature sensor 41 connected to the flow line 31. In the present exemplary embodiment, the temperature sensor 41 is provided downstream of the fuel cell 20 in the flow direction of the heating / cooling medium. Two heat sinks 35, 36 designed as indirect heat exchangers are connected to the flow line 31 via two valves 39, 40 and two partial areas 37, 38 of the flow line 31. Furthermore, the heat sink 35 is connected to the supply line 23 for the oxidizing agent, and the heat sink 36 is connected to the supply line 21 for the fuel such that between the heat sinks 35, 36 and the
Zuleitungen 21 , 23 ein thermischer Austausch stattfindet beziehungsweise stattfinden kann. Da die Wärmesenken 35, 36 über die entsprechenden Teilbereiche 37, 38 der Strömungsleitung 31 und die Ventile 39, 40 mit der Strömungsleitung 31 verbunden sind, wird der Heiz-/Kühlmedium-Strom in zwei Volumenströme aufgeteilt. Die beiden Teil-Volumenströme durchströmen jeweils eine der Wärmesenken 35 und 36. Dabei kann die im Heiz-/Kühlmedium gespeicherte Verlustwärme aus der Brennstoffzelle 20 über die Wärmesenken 35, 36 auf den der Brennstoffeelle 20 zugeführten Gasstrom des Brennstoffs und des Oxidationsmittels übertragen werden, wobei diese Gasströme auf die für den Brennstoffeellenbetrieb optimale Betriebstemperatur gebracht werden. Vorteilhaft sind die Wärmesenken 35, 36 in Parallelschaltung innerhalb der Strömungsleitung 31 angeordnet.Supply lines 21, 23 a thermal exchange takes place or can take place. Since the heat sinks 35, 36 are connected to the flow line 31 via the corresponding partial areas 37, 38 of the flow line 31 and the valves 39, 40, the heating / cooling medium flow is divided into two volume flows. The two partial volume flows each flow through one of the heat sinks 35 and 36. The heat loss stored in the heating / cooling medium can be transferred from the fuel cell 20 via the heat sinks 35, 36 to the gas flow of the fuel and the oxidizing agent supplied to the fuel cell 20, whereby these gas flows are brought to the optimum operating temperature for fuel cell operation. The heat sinks 35, 36 are advantageously arranged in parallel within the flow line 31.
Nach Verlassen der Wärmesenken 35, 36 werden die die Teilbereiche 37, 38 der Strömungsleitung 31 durchströmenden Teil-Volumenströme des Heiz-/Kühlmediums wieder zusammengeführt, so daß sie weiteren Verbrauchern innerhalb der AnordnungAfter leaving the heat sinks 35, 36, the partial volume flows of the heating / cooling medium flowing through the subregions 37, 38 of the flow line 31 are brought together again, so that they can be used by other consumers within the arrangement
30 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 20 zur Verfügung gestellt werden können.30 for heating / cooling the fuel cell 20 can be made available.
Über eine entsprechende Stellung der Ventile 39, 40 kann die Durchflußrate des Heiz- /Kühlmediums reguliert werden. Je nach Bedarf und Anwendungsfall ist es beispielsweise möglich, daß keine, jeweils eine oder beide Wärmesenken 35, 36 vomThe flow rate of the heating / cooling medium can be regulated via a corresponding position of the valves 39, 40. Depending on the need and application, it is possible, for example, that none, one or both heat sinks 35, 36 from
Heiz-/Kühlmedium durchströmt werden. Weiterhin kann durch eine entsprechende Stellung der Ventile 39, 40 auch die Durchflußrate des Heiz-/Kühlmediums durch die Wärmesenken 35, 36 genau eingestellt werden. Auf diese Weise wird eine genaue und definierte Erwärmung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströme möglich.Heating / cooling medium are flowed through. Furthermore, the flow rate of the heating / cooling medium through the heat sinks 35, 36 can be set precisely by a corresponding position of the valves 39, 40. In this way, an accurate and defined heating of the gas flows supplied to the fuel cell is possible.
Im weiteren Verlauf der Strömungsleitung 31 ist in dieser eine als katalytischer Brenner ausgebildete Heizeinrichtung 42, sowie eine als indirekter Wärmetauscher ausgebildete Wärmesenke 43 vorgesehen, die als reguläre Heizung dient und zur Klimatisierung der Fahrgastzelle des Fahrzeugs verwendet wird. Schließlich ist noch eine als luftgekühlter Kühler ausgebildete Wärmesenke 44 vorgesehen, die über ein Drei-Wege-Ventil 45 mit der Strömungsleitung 31 verbunden ist. Zur Umgehung der Wärmesenke 44 ist weiterhin eine Bypass-Leitung 46 vorgesehen, die über das Ventil 45 mit der Strömungsleitung 31 verbunden ist.In the further course of the flow line 31, a heating device 42 designed as a catalytic burner, as well as a heat sink 43 designed as an indirect heat exchanger is provided, which serves as regular heating and is used for air conditioning the passenger compartment of the vehicle. Finally, a heat sink 44 designed as an air-cooled cooler is also provided, which is connected to the flow line 31 via a three-way valve 45. To bypass the heat sink 44, a bypass line 46 is also provided, which is connected to the flow line 31 via the valve 45.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffeellensystems 10 beschrieben.The mode of operation of the fuel cell system 10 will now be described below.
Wenn das Brennstoffzellensystem 10 zum Betreiben eines Fahrzeugs verwendet wird, ist es wünschenswert, daß das Brennstoffeellensystem direkt nach dem Start desWhen the fuel cell system 10 is used to operate a vehicle, it is desirable that the fuel cell system be operated immediately after the start of the
Fahrzeugs eine ausreichende Leistung bereitstellt, damit das Fahrzeug betrieben werden kann. Dazu ist es erforderlich, daß die Brennstoffzelle 20 möglichst schnell auf die ideale Betriebstemperatur gebracht wird. Um dies zu erreichen, ist in der Strömungsleitung 31 die Heizeinrichtung 42 vorgesehen, die beispielsweise als katalytischer Brenner ausgebildet ist. Über den Heiz-/Kühlkreislauf 32 wird die von derProvides sufficient power for the vehicle to operate. This requires that the fuel cell 20 is brought to the ideal operating temperature as quickly as possible. In order to achieve this, the heating device 42 is provided in the flow line 31 and is designed, for example, as a catalytic burner. About the heating / cooling circuit 32 is the of
Heizeinrichtung 42 auf das Heiz-/Kühlmedium übertragene Wärme durch die Strömungsleitung 31 zur Brennstoffeelle 20 transportiert und dort an diese abgegeben. Somit wird die Brennstoffeelle 20 über die Heizeinrichtung 42 vorgeheizt und beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht. Nach Erreichen der Betriebstemperatur kann das Brennstoffeellensystem 10 gestartet werden. Die nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle 20 im Heiz-/Kühlmedium verbleibende Restwärme wird genutzt, um über die Wärmesenken 35, 36 den Zustrom an Brennstoff und Oxidationsmittel zur Brennstoffzelle auf die für den Betrieb erforderliche optimale Betriebstemperatur zu bringen.The heating device 42 transports heat transferred to the heating / cooling medium through the flow line 31 to the fuel cell 20 and releases it there. The fuel cell 20 is thus preheated via the heating device 42 and accelerated to the ideal operating temperature. After the operating temperature has been reached, the fuel cell system 10 can be started. The residual heat remaining in the heating / cooling medium after leaving the fuel cell 20 is used to bring the inflow of fuel and oxidizing agent to the fuel cell to the optimum operating temperature required for operation via the heat sinks 35, 36.
Um die von der Heizeinrichtung 42 im Startbetrieb der Brennstoffeelle 20 erzeugte Wärme nicht an die als Kühler 44 fungierende Wärmesenke abzugeben, ist das Ventil 45 in der Startphase der Brennstoffzelle 20 so geschaltet, daß das Heiz-/Kühlmedium über die Bypass-Leitung 46 an der Wärmesenke 44 vorbeigeleitet wird.In order not to give off the heat generated by the heating device 42 during the starting operation of the fuel cell 20 to the heat sink functioning as a cooler 44, the valve 45 is switched in the starting phase of the fuel cell 20 in such a way that the heating / cooling medium via the bypass line 46 on the Heat sink 44 is passed.
Im eingeschwungenen Betrieb der Brennstoffzelle 20 bei Nenntemperatur muß die in der Brennstoffzelle 20 erzeugte überschüssige Verlustwärme abgeführt werden. Dies geschieht über das die Strömungsleitung 31 durchströmende Heiz-/ Kühlmedium. Dazu wird die in der Brennstoffeelle 20 erzeugte Verlustwärme auf das sich im Heiz- /Kühlkreislauf 32 bewegende Heiz-/Kühlmedium übertragen. Die Temperatur des Heiz- / Kühlmediums wird über den Temperatursensor 41 gemessen. Auf Grund dieser Meßwerte werden die Ventile 39, 40 entsprechend eingestellt, so daß ein definierter Volumenstrom des Heiz-/ Kühlmediums die Wärmesenken 35, 36 durchströmen kann. Innerhalb der Wärmesenken 35, 36 wird die im Heiz-/Kühlmedium gespeicherteDuring steady-state operation of the fuel cell 20 at nominal temperature, the excess heat loss generated in the fuel cell 20 must be dissipated. This is done via the heating / cooling medium flowing through the flow line 31. For this purpose, the heat loss generated in the fuel cell 20 is based on the heat / Cooling circuit 32 moving heating / cooling medium. The temperature of the heating / cooling medium is measured via the temperature sensor 41. On the basis of these measured values, the valves 39, 40 are set accordingly, so that a defined volume flow of the heating / cooling medium can flow through the heat sinks 35, 36. Inside the heat sinks 35, 36 the stored in the heating / cooling medium
Verlustwärme aus der Brennstoffzelle 20 auf den die Zuleitung 21 durchströmenden Brennstoff und das die Zuleitung 23 durchströmende Oxidationsmittel übertragen, so daß diese beiden Gasströme auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt werden. Dabei wird die Wärmeübertragungsrate von dem Heiz-/Kühlmedium auf den Brenngas- beziehungsweise den Oxidationsmittelstrom durch eine entsprechende Einstellung derTransfer heat loss from the fuel cell 20 to the fuel flowing through the feed line 21 and to the oxidizing agent flowing through the feed line 23, so that these two gas streams are heated to their optimum operating temperature. The heat transfer rate from the heating / cooling medium to the fuel gas or oxidant flow is adjusted accordingly
Ventile 34, 39, 40 sowie eine entsprechende Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/Kühlmediums über die Fördereinrichtung 47 beeinflußt.Valves 34, 39, 40 and a corresponding setting of the flow rate of the heating / cooling medium influenced by the conveyor 47.
Nach Verlassen der Wärmesenken 35, 36 werden die die Teilbereiche 37, 38 derAfter leaving the heat sinks 35, 36, the partial areas 37, 38 of the
Strömungsleitung 31 durchströmenden Teil-Volumenströme des Heiz-/Kühlmediums erneut zu einem einzigen Volumenstrom zusammengefaßt und weiter durch die Strömungsleitung 31 des geschlossenen Heiz-/Kühlkreislaufs 32 geleitet.Partial volume flows of the heating / cooling medium flowing through the flow line 31 are once again combined into a single volume flow and passed further through the flow line 31 of the closed heating / cooling circuit 32.
Die nach dem Durchströmen der Wärmesenken 35, 36 verbleibende Restwärme innerhalb des Heiz-/Kühlmediums kann nunmehr auf die Wärmesenke 44, die im vorliegenden Fall als luftgekühlter Kühler ausgebildet ist, übertragen werden. Dazu wird zunächst das Ventil 45 derart umgeschaltet, daß das Heiz-/Kühlmedium nunmehr durch die Wärmesenke 44 hindurchströmt. Die Wärmesenke 44 nimmt die im Heiz- /Kühlmedium gespeicherte Wärme auf und erwärmt damit beispielsweise einenThe residual heat remaining in the heating / cooling medium after flowing through the heat sinks 35, 36 can now be transferred to the heat sink 44, which in the present case is designed as an air-cooled cooler. For this purpose, the valve 45 is first switched over such that the heating / cooling medium now flows through the heat sink 44. The heat sink 44 absorbs the heat stored in the heating / cooling medium and thus heats one, for example
Luftstrom, der durch den Fahrtwind und/oder einen Zusatzlüfter erzeugt werden kann. Wenn sich die Brennstoffzelle 20 im eingeschwungenen Zustand befindet und die Verlustwärme über das Heiz-/Kühlmedium aus der Brennstoffeelle 20 abgeführt wird, wird die Heizeinrichtung 42 in der Regel abgeschaltet, um eine zusätzliche Erwärmung des Heiz-/Kühimediums zu verhindern.Airflow that can be generated by the airstream and / or an additional fan. If the fuel cell 20 is in the steady state and the waste heat is removed from the fuel cell 20 via the heating / cooling medium, the heating device 42 is generally switched off in order to prevent additional heating of the heating / cooling medium.
Wenn die Brennstoffzelle 20 beispielsweise nur im niedrigen Leistungsbereich betrieben wird, wo sie nur wenig Abwärme erzeugt und wenn die Wärmeabnahme an der Wärmesenke 43, die als reguläre Heizung für die Fahrgastzelle dient, etwa auf Grund von niedrigen Außentemperaturen besonders hoch ist, kann die Heizeinrichtung 42 als Zusatzheizung oder aber auch als Standheizung für die Fahrgastzelle genutzt werden. Über die Heizeinrichtung 42 wird das Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung 31 , das bereits die geringe Abwärme aus der Brennstoffeelle 20 aufgenommen hat, weiter erwärmt, so daß ein ausreichendes Wärmepotential im Heiz- /Kühlmedium erzeugt wird, das an die Wärmesenke 42 abgegeben werden kann.For example, if the fuel cell 20 is only operated in the low power range, where it generates only a little waste heat, and if the heat removal at the heat sink 43, which serves as a regular heater for the passenger cell, is particularly high due to low outside temperatures, the heating device can 42 can be used as additional heating or as auxiliary heating for the passenger compartment. Via the heating device 42, the heating / cooling medium in the flow line 31, which has already absorbed the small amount of waste heat from the fuel cell 20, is further heated, so that a sufficient heat potential is generated in the heating / cooling medium, which is released to the heat sink 42 can.
Zweckmäßigerweise wird über eine entsprechende Betätigung des Ventils 45 der Strom des Heiz-/Kühlmediums zur Vermeidung unerwünschter Wärmeverluste dann über die Bypass-Leitung 46 an der Wärmesenke 44 vorbeigeleitet. In Betriebsphasen, in denen die Brennstoffzelle 20 zwar für den Bedarf der Wärmesenke 43 ausreichend, aber für die normale Kühlleistung der Wärmesenke 44 zu wenig Wärme liefert, kann das Ventil 45 so geschaltet werden, daß zur Vermeidung einer zu starken Temperaturabsenkung das Heiz-/Kühlmedium zeitweilig oder nur mit einem Teilstrom über die Bypass-Leitung geführt wird. Im Normalbetrieb des Fahrzeugs, wenn die Brennstoffeelle 20 genügend Abwärme produziert, reicht die als Heizungswärmetauscher ausgebildete Wärmesenke 43 aus, um die im Heiz-/Expediently, the current of the heating / cooling medium is then bypassed past the heat sink 44 via the bypass line 46 via a corresponding actuation of the valve 45 to avoid undesired heat losses. In operating phases in which the fuel cell 20 supplies sufficient heat for the heat sink 43, but does not provide enough heat for the normal cooling output of the heat sink 44, the valve 45 can be switched so that the heating / cooling medium is avoided in order to avoid an excessive drop in temperature temporarily or only with a partial flow over the bypass line. In normal operation of the vehicle, when the fuel cell 20 produces sufficient waste heat, the heat sink 43 designed as a heating heat exchanger is sufficient to prevent the
Kühlmedium gespeicherte Verlustwärme aus der Brennstoffzelle zur Klimatisierung der Fahrgastzelle zu nutzen.Use heat loss stored in the cooling medium from the fuel cell to air-condition the passenger cell.
Die Heizeinrichtung 42 kann jedoch nicht nur zum Vorheizen beim Start des Brennstoffzellensystems 10 genutzt werden, sondern auch im stationären Betrieb desHowever, the heating device 42 can be used not only for preheating when the fuel cell system 10 is started, but also in the stationary operation of the
Brennstoffeellensystems 10, wo sie einer Abkühlung der Brennstoffeelle 20 unter den Minimalwert des idealen Bereichs der Betriebstemperatur entgegenwirken kann. Fuel cell system 10, where it can counteract a cooling of the fuel cell 20 below the minimum value of the ideal range of the operating temperature.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 = Brennstoffeellensystem10 = fuel cell system
20 = Brennstoffzelle 21 = Zuleitung Brennstoff20 = fuel cell 21 = fuel supply line
22 = Ableitung Brennstoff22 = fuel discharge
23 = Zuleitung Oxidationsmittel23 = supply of oxidizing agent
24 = Ableitung Oxidationsmittel24 = Oxidant discharge
30 = Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle 31 = Strömungsleitung30 = arrangement for heating / cooling a fuel cell 31 = flow line
32 = Heiz-/Kühlkreislauf32 = heating / cooling circuit
33 = in der Brennstoffzelle befindlicher Teilbereich der Strömungsleitung33 = partial area of the flow line located in the fuel cell
34 = Ventil 35 = Wärmesenke (Wärmetauscher)34 = valve 35 = heat sink (heat exchanger)
36 = Wärmesenke (Wärmetauscher)36 = heat sink (heat exchanger)
37 = Teilbereich der Strömungsleitung37 = partial area of the flow line
38 = Teilbereich der Strömungsleitung38 = partial area of the flow line
39 = Ventil 40 = Ventil39 = valve 40 = valve
41 = Temperatursensor41 = temperature sensor
42 = Heizeinrichtung42 = heating device
43 = Wärmesenke (Wärmetauscher)43 = heat sink (heat exchanger)
44 = Wärmesenke (Kühler) 45 = Ventil44 = heat sink (cooler) 45 = valve
46 = Bypass-Leitung46 = bypass line
47 = Fördereinrichtung 47 = conveyor

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle, mit einer Strömungsleitung (31) für ein Heiz-/Kühlmedium, die derart mit der Brennstoffzelle (20) verbunden oder verbindbar ist, daß ein thermischer1. Arrangement for heating / cooling a fuel cell, with a flow line (31) for a heating / cooling medium, which is connected or connectable to the fuel cell (20) such that a thermal
Austausch zwischen der Brennstoffzelle (20) und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung (31) stattfindet oder stattfinden kann und mit wenigstens einer in der Strömungsleitung (31) vorgesehenen Wärmesenke (35; 36), die derart mit einer Zuleitung für den Brennstoff (21) und/oder einer Zuleitung für das Oxidationsmittel (23) der Brennstoffzelle (20) verbunden oder verbindbar ist/sind, daß ein thermischer Austausch zwischen der wenigstens einen Wärmesenke (35; 36) und dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle (20) stattfindet oder stattfinden kann.Exchange takes place or can take place between the fuel cell (20) and the heating / cooling medium in the flow line (31) and with at least one heat sink (35; 36) provided in the flow line (31), which has a feed line for the fuel ( 21) and / or a supply line for the oxidizing agent (23) of the fuel cell (20) is / are connectable, that a thermal exchange between the at least one heat sink (35; 36) and the fuel and / or the oxidizing agent for the fuel cell (20) takes place or can take place.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Wärmesenke (35; 36) in Strömungsrichtung des Heiz- /Kühlmediums nach der Brennstoffzelle (20) in der Strömungsleitung (31) angeordnet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the at least one heat sink (35; 36) is arranged in the flow direction of the heating / cooling medium after the fuel cell (20) in the flow line (31).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wärmesenken (35, 36) vorgesehen sind, von denen die eine Wärmesenke (36) mit der Zuleitung (21 ) für den Brennstoff und die andere Wärmesenke (35) mit der Zuleitung (23) für das Oxidationsmittel verbunden oder verbindbar ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that two heat sinks (35, 36) are provided, of which one heat sink (36) with the feed line (21) for the fuel and the other heat sink (35) with the feed line (23) is connected or connectable for the oxidizing agent.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmesenken (35, 36) in Parallelschaltung in der4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the two heat sinks (35, 36) in parallel in the
Strömungsleitung (31) angeordnet sind.Flow line (31) are arranged.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (41 ) in der Strömungsleitung (31 ) vorgesehen ist. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that a temperature sensor (41) is provided in the flow line (31).
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitung (31 ) als geschlossener Heiz-/Kühlkreislauf (32) ausgebildet ist.6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flow line (31) is designed as a closed heating / cooling circuit (32).
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (42) vorgesehen ist, die mit der Brennstoffzelle (20) und/oder der wenigstens einen Wärmesenke (35; 36) thermisch verbunden oder verbindbar ist.7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that a heating device (42) is provided which is thermally connected or connectable to the fuel cell (20) and / or the at least one heat sink (35; 36).
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42) als Brenner oder elektrisches Heizelement ausgebildet ist.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the heating device (42) is designed as a burner or electrical heating element.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42) in der Strömungsleitung (31 ) angeordnet ist.9. Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the heating device (42) is arranged in the flow line (31).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strömungsleitung (31) eine Fördereinrichtung (47) vorgesehen ist.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that a conveyor (47) is provided in the flow line (31).
1 1. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strömungsleitung (31 ) eine weitere Wärmesenke (44) angeordnet ist.die vorzugsweise über ein Ventil (45), insbesondere ein Drei-Wege-Ventil, mit der Strömungsleitung (31 ) verbunden ist.1 1. Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that a further heat sink (44) is arranged in the flow line (31). The preferably via a valve (45), in particular a three-way valve, with the Flow line (31) is connected.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß in der Strömungsleitung (31) noch eine zusätzliche Wärmesenke (43) angeordnet ist, die als Heizung für eine Fahrgastzelle in einem Fahrzeug dient. 12. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that an additional heat sink (43) is arranged in the flow line (31), which serves as a heater for a passenger compartment in a vehicle.
13. Brennstoffeellensystem, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (20), die eine Zuleitung (21) und eine Ableitung (22) für einen Brennstoff, sowie eine Zuleitung (23) und eine Ableitung (24) für ein Oxidationsmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffeelle (20) eine13. Fuel cell system, with at least one fuel cell (20) which has a feed line (21) and a discharge line (22) for a fuel, and a feed line (23) and a discharge line (24) for an oxidizing agent, characterized in that Heating / cooling of the fuel cell (20)
Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen ist, wobeidie Zuleitung (21) für den Brennstoff und/oder die Zuleitung (23) für das Oxidationsmittel derart mit der in der Strömungsleitung (31) der Anordnung (30) vorgesehenen wenigstens einen Wärmesenke (35; 36) verbunden ist/sind, daß ein thermischer Austausch zwischen der Wärmesenke (35; 36) und demArrangement (30) according to one of claims 1 to 12 is provided, the feed line (21) for the fuel and / or the feed line (23) for the oxidizing agent being provided with at least one in the flow line (31) of the arrangement (30) Heat sink (35; 36) is / are connected to a thermal exchange between the heat sink (35; 36) and the
Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel stattfindet oder stattfinden kann.Fuel and / or the oxidizing agent takes place or can take place.
14. Brennstoffeellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42) mit der Zuleitung (21) für den Brennstoff der14. Fuel cell system according to claim 13, characterized in that the heating device (42) with the feed line (21) for the fuel
Brennstoffeelle (20) verbunden ist.Fuel cell (20) is connected.
15. Brennstoffeellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42) mit einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs für die Brennstoffeelle (20) verbunden ist.15. Fuel cell system according to claim 13, characterized in that the heating device (42) is connected to a device for generating / processing the fuel for the fuel cell (20).
16. Brennstoffeellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42) mit der Ableitung (22) für den Brennstoff und/oder der Ableitung (24) für das Oxidationsmittel verbunden ist.16. Fuel cell system according to claim 13, characterized in that the heating device (42) is connected to the discharge line (22) for the fuel and / or the discharge line (24) for the oxidizing agent.
17. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Brennstoffzellen (20) vorgesehen sind.17. Fuel cell system according to one of claims 13 to 16, characterized in that two or more fuel cells (20) are provided.
18. Fahrzeug mit einer Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 17. 18. Vehicle with an arrangement (30) according to one of claims 1 to 12 and / or a fuel cell system (10) according to one of claims 13 to 17.
PCT/DE2000/002156 1999-07-01 2000-06-30 Assembly for heating/cooling a fuel cell and a fuel cell system WO2001003217A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19931061A DE19931061A1 (en) 1999-07-01 1999-07-01 Arrangement for heating / cooling a fuel cell and fuel cell system
DE19931061.0 1999-07-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001003217A1 true WO2001003217A1 (en) 2001-01-11

Family

ID=7913756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2000/002156 WO2001003217A1 (en) 1999-07-01 2000-06-30 Assembly for heating/cooling a fuel cell and a fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19931061A1 (en)
WO (1) WO2001003217A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479177B1 (en) 1996-06-07 2002-11-12 Ballard Power Systems Inc. Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
GB2407432A (en) * 2003-10-24 2005-04-27 Bosch Gmbh Robert Fuel cell having a heating and /or cooling circuit
US7482085B2 (en) 1996-06-07 2009-01-27 Bdf Ip Holdings Ltd. Apparatus for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
US9858455B2 (en) 2010-08-27 2018-01-02 Q Street, LLC System and method for interactive user-directed interfacing between handheld devices and RFID media

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10023036A1 (en) * 2000-05-11 2001-11-22 Siemens Ag Process for cold starting fuel cells in a fuel cell arrangement comprises directly converting process gas in a catalytic reaction on a suitable catalyst into thermal energy, and using the thermal energy to heat the fuel cell arrangement
DE10107596B4 (en) * 2001-02-17 2005-11-03 Man Nutzfahrzeuge Ag Low temperature fuel cell device for vehicles, in particular PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell device
DE10107875B4 (en) * 2001-02-20 2012-03-29 Nucellsys Gmbh System for cooling a fuel cell system
DE10139018A1 (en) * 2001-08-08 2003-02-20 Mahle Filtersysteme Gmbh Functional element heating or cooling process involves controlling two heat energy potentials separately
US7179556B2 (en) 2001-08-10 2007-02-20 Denso Corporation Fuel cell system
US6935282B2 (en) 2001-08-16 2005-08-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vehicle having an internal combustion engine and a fuel cell and method of making a vehicle
JP4131110B2 (en) * 2002-02-28 2008-08-13 株式会社エクォス・リサーチ Fuel cell stack
DE10219429B4 (en) * 2002-05-02 2006-04-27 Audi Ag Motor vehicle with a drive device and with a resource memory
JP2004026008A (en) * 2002-06-25 2004-01-29 Honda Motor Co Ltd Fuel cell electric vehicle
DE10301812B4 (en) * 2003-01-20 2007-02-22 Daimlerchrysler Ag Method for operating a fuel cell system
US7135245B2 (en) * 2003-05-16 2006-11-14 General Motors Corporation Apparatus and method for stack temperature control
DE102004013256A1 (en) * 2004-03-18 2005-10-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Operating process for a fuel cell leads heat from a latent heat store to the fuel cell before or during start up
JP4711193B2 (en) 2004-12-15 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
ES2331078T3 (en) 2005-03-16 2009-12-21 TRUMA GERATETECHNIK GMBH & CO. KG FUEL CELL REFORMING SYSTEM WITH OUTDOOR BURNER.
DE102007054299A1 (en) * 2007-11-09 2009-05-14 Volkswagen Ag Cooling system for use in fuel cell vehicle, has coolant pump for conveying coolant, and cooling circuit comprising electrical heater for heating coolant, where cooling circuit includes bypass line for bypassing radiator
DE102008011235A1 (en) 2008-02-26 2009-08-27 Dbk David + Baader Gmbh Temperature control system for fuel cells and method for controlling the temperature of fuel cells
DE102009028648A1 (en) * 2009-08-19 2011-02-24 Robert Bosch Gmbh tempering
DE102016200612A1 (en) 2016-01-19 2017-07-20 Volkswagen Ag Heating and cooling system for a fuel cell stack, hydraulic switch for such and a method for operating the same
DE102017210839A1 (en) 2017-06-27 2018-12-27 Elringklinger Ag heating system
DE102018104602A1 (en) * 2018-02-28 2019-08-29 Elringklinger Ag Heating system and method for its production
CN110832953A (en) 2017-06-27 2020-02-21 爱尔铃克铃尔股份公司 Heating system and method for producing a heating system
DE102018104601A1 (en) 2018-02-28 2019-08-29 Elringklinger Ag Heating system and its use
DE102018133529A1 (en) 2018-12-21 2020-06-25 Siqens Gmbh Burner system and method for providing thermal energy
DE102020207253A1 (en) * 2020-06-10 2021-12-16 Argo Gmbh Valve device, in-tank valve and gas pressure storage system, in particular for fuel cell systems, as well as methods for detecting a leak
WO2022033994A1 (en) 2020-08-14 2022-02-17 Siqens Gmbh Temperature-control device for a stack-like energy store or converter, and a fuel cell stack having a temperature-control device of said type
DE102020212393B3 (en) 2020-09-30 2021-12-30 Siemens Mobility GmbH Vehicle with a catalytic burner for air conditioning a passenger compartment

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3539397A (en) * 1967-05-23 1970-11-10 United Aircraft Corp Fuel cell with temperature control
JPH06333583A (en) * 1993-05-21 1994-12-02 Fuji Electric Co Ltd Solid polyelectrolyte fuel cell generating device
JPH07326376A (en) * 1994-05-31 1995-12-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Temperature control and humidifying system for solid polymeric electrolyte fuel cell
EP0741428A1 (en) * 1995-05-04 1996-11-06 FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO A supply system for fuel cells of the S.P.E. (SOLID POLYMER ELECTROLYTE) type for hybrid vehicles).

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3539397A (en) * 1967-05-23 1970-11-10 United Aircraft Corp Fuel cell with temperature control
JPH06333583A (en) * 1993-05-21 1994-12-02 Fuji Electric Co Ltd Solid polyelectrolyte fuel cell generating device
JPH07326376A (en) * 1994-05-31 1995-12-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Temperature control and humidifying system for solid polymeric electrolyte fuel cell
EP0741428A1 (en) * 1995-05-04 1996-11-06 FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO A supply system for fuel cells of the S.P.E. (SOLID POLYMER ELECTROLYTE) type for hybrid vehicles).

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1995, no. 03 28 April 1995 (1995-04-28) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 04 30 April 1996 (1996-04-30) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479177B1 (en) 1996-06-07 2002-11-12 Ballard Power Systems Inc. Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
US7482085B2 (en) 1996-06-07 2009-01-27 Bdf Ip Holdings Ltd. Apparatus for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
GB2407432A (en) * 2003-10-24 2005-04-27 Bosch Gmbh Robert Fuel cell having a heating and /or cooling circuit
GB2407432B (en) * 2003-10-24 2006-01-18 Bosch Gmbh Robert Fuel cell having a heating and/or cooling circuit
US9858455B2 (en) 2010-08-27 2018-01-02 Q Street, LLC System and method for interactive user-directed interfacing between handheld devices and RFID media

Also Published As

Publication number Publication date
DE19931061A1 (en) 2001-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2001003217A1 (en) Assembly for heating/cooling a fuel cell and a fuel cell system
DE112007002347B4 (en) Climate control system
EP1616361B1 (en) Energy converting device, and reformer unit and fuel cell unit therefor
EP1679757B1 (en) Fuel cell system
DE19701560A1 (en) Fuel cell system
DE10062257B4 (en) Method for operating a fuel cell system
DE10065459A1 (en) Staged ventilation of fuel cell system for rapid switch-off involves venting anode inlet immediately, activating anode/cathode bypass valves for defined period, venting cathode inlet
DE102011088563B4 (en) Arrangement with fuel cell system
DE10065458B4 (en) Method for detecting the switch-off state during shutdown of a fuel cell system with anode pressure control
DE102007039594A1 (en) Energy generation unit with at least one high-temperature fuel cell
EP1557896A1 (en) Energy conversion systerm and process for operating an energy conversion device
DE19931062B4 (en) Arrangement for heating / cooling a fuel cell and fuel cell system and their use
EP3970218A1 (en) Fuel cell system with two fuel cell units which can be operated independently from each other
EP2038951A1 (en) Fuel cell system and method for influencing the thermal balance of a fuel cell system
DE102007006963A1 (en) Fuel cell system for a vehicle
DE10152233A1 (en) Fuel cell system has cooling circuit with heat pump primary side for cooling this circuit, secondary side connected via second cooling circuit to cooling, and temperature control components
WO2014012615A1 (en) Fuel cell system
DE10203311B4 (en) Fuel cell system and method for operating the same
EP2028709B1 (en) Fuel cell system
DE10002942A1 (en) Heating installation has heat source formed by condenser of heat pump in which evaporator is acted upon by fuel cell arrangement
DE102019219824A1 (en) Fuel cell system and method for cooling a fuel cell
DE19931063C2 (en) Fuel cell system and method for cooling and heating reactor elements
EP1845577B1 (en) Fuel cell system
DE102015218751A1 (en) Heat-moisture transmission device for fuel cell, and fuel cell system and vehicle with such
DE102010047523A1 (en) Fuel cell system for use in e.g. ships, has air inlet pipe placed between burner and compressor in flow direction subsequent to compressor components, where hot exhaust gases of burner flow from cathode region of fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WA Withdrawal of international application