Brennstoffzellenanordnung und Verwendung einer solchen Brennstoffzellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung und eine Verwendung einer solchen Brennstoffzellenanordnung.

Aus DE 10 2007 054 246 A1 ist ein Brennstoffzellenantrieb für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, bekannt, welcher eine Brennstoffzellenanlage als Energiequelle und eine Brennstoffzellenkühlanlage zur lastabhängig regelbaren Kühlung der Brennstoffzellenanlage aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die

Brennstoffzellenanlage wenigstens zwei unabhängig voneinander ansteuerbare

Brennstoffzelleneinheiten mit jeweils einer Anzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfasst und dass die Brennstoffzellenkühlanlage für jede dieser Brennstoffzelleneinheiten eine eigene Brennstoffzellenkühleinheit umfasst, mittels derer die Brennstoffzellen der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit in Abhängigkeit von wenigstens einer Regelgröße kühlbar sind.

Weiterhin ist aus der DE 10 2014 017 300 A1 ein Baukastensystem für eine

Brennstoffzelleneinrichtung eines Kraftwagens bekannt, welche eine zur Halterung wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Tragstruktur umfasst, die eine Mehrzahl von Tragstrukturbereichen aufweist, über welche die Tragstruktur mittels von jeweiligen Befestigungselementen an einer Rohbaustruktur des Kraftwagens festlegbar ist, wobei die Tragstruktur wenigstens ein Tragstrukturelement für eine zugehörige Brennstoffzelleneinheit umfasst, welches in Abhängigkeit von der Anzahl der

Brennstoffzelleneinheiten um weitere Tragstrukturelemente für jeweils zugehörige

Brennstoffzelleneinheiten modular erweiterbar ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung, ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung sowie eine Verwendung einer solchen

Brennstoffzellenanordnung anzugeben.

Hinsichtlich der Brennstoffzellenanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die

Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.

Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffzellen- Temperierkreislauf mit zumindest einem Heizelement und eine Mehrzahl von thermisch miteinander verbundenen Brennstoffzelleneinheiten sowie einen Batterie- Temperierkreislauf zur Temperierung zumindest einer elektrischen Batterie. Dabei ist das Heizelement thermisch mit einer unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten

Brennstoffzelleneinheit der Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten verbindbar und der Batterie-Temperierkreislauf ist in Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie thermisch mit dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf verbindbar.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung weist gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Gefrierstartvermögen auf und ist zudem kostengünstiger ausführbar. Dadurch, dass zumindest ein Heizelement vorgesehen ist, kann bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine der Brennstoffzelleneinheiten vorgewärmt werden, bis diese gestartet wird. Die Brennstoffzelleneinheiten werden vorzugsweise zeitlich nacheinander erwärmt. Eine Erwärmung der Brennstoffzelleneinheiten ist somit wesentlich schneller möglich, als beispielweise bei einem solitären

Brennstoffzellensystem. Zudem werden hierbei keine elektrisch beheizbaren Leitungen für die Brennstoffzellenanordnung sowie keine oder zumindest weniger reversal tolerante Katalysatoren für die in der Brennstoffzellenanordnung angeordneten Brennstoffzellen benötigt. Aufgrund der Erwärmung der elektrischen Batterie über eine Abwärme der zuvor erwärmten Brennstoffzelleneinheit wird die elektrische Batterie innerhalb kurzer Zeit in einen Zustand versetzt, in welchem diese aufladbar ist, ohne dabei beschädigt zu werden. Des Weiteren ist aufgrund der Anordnung einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten ein modulartiger Aufbau der Brennstoffzellenanordnung möglich, so dass

Leistungsanforderungen gegenüber dem Stand der Technik einfacher umsetzbar sind. Der modulartige Aufbau ermöglicht zudem eine Kostenverringerung der

Brennstoffzellenanordnung gegenüber dem Stand der Technik. Darüber hinaus können aufgrund der verbesserten Gefrierstartfähigkeit die Brennstoffzelleneinheiten auch mit hoher Feuchtigkeit betrieben werden, wodurch eine verbesserte Leistungsfähigkeit und eine erhöhte Lebensdauer erreicht und eine Degradation vermindert werden kann.

Vorzugsweise weisen die Brennstoffzelleneinheiten jeweils eine Nennleistung im Bereich von 50 Kilowatt und 70 Kilowatt auf. Damit kann eine in Abhängigkeit einer gewünschten oder erforderlichen Leistung die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten einfacher angepasst werden als bei höheren Leistungsbereichen, z. B. Nennleistungen über 100 Kilowatt. Zudem können hierbei die Brennstoffzelleneinheiten ideal an einen Leistungsbedarf von Nutzfahrzeugen, insbesondere Omnibussen, angepasst werden. In Kombination mit entsprechend modularisierbaren elektrischen Batterien, z. B. einem Erweiterungsmodul, kann eine Leistung idealerweise an den wirklichen Bedarf des Nutzfahrzeugs angepasst werden.

In Abhängigkeit einer Temperatur der unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit ist das Heizelement elektrisch mit der zumindest einen

elektrischen Batterie verbindbar. Das Heizelement kann somit über die elektrische

Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bevor die Brennstoffzelleneinheit gestartet wird.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement dabei elektrisch mit der zumindest einen elektrischen Batterie verbunden, bis die unmittelbar dem Heizelement nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit die vorgegebene Temperatur aufweist. Ist die Brennstoffzelleneinheit so weit erwärmt, dass diese die vorgegebene Temperatur aufweist, kann diese gestartet werden und das Heizelement mit elektrischer Energie versorgen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Batterie-Temperierkreislauf und der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf über ein Wärmetauschelement thermisch miteinander verbindbar. Durch das Wärmetauschelement strömt somit auf einer Seite ein Temperiermedium des Brennstoffzellen-Temperierkreislaufs und auf der anderen Seite ein Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs, wobei innerhalb des Wärmetauschelements thermische Energie von einem Temperiermedium auf das andere Temperiermedium übertragen wird.

Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf weist des Weiteren mindestens ein Kühlelement auf, wobei dem mindestens einen Kühlelement und dem mindestens einen Heizelement gemeinsam ein Thermostatventil vorgeschaltet ist. Mittels des Thermostatventils ist dabei eine thermische Regelung des Brennstoffzellen-Temperierkreislaufs möglich, wobei in Abhängigkeit einer Stellung des Thermostatventils das Temperiermedium durch das mindestens eine Kühlelement oder durch das mindestens eine Heizelement strömt.

Im Batterie-Temperierkreislauf ist die zumindest eine elektrische Batterie über mindestens ein Dreiwegeventil thermisch mit dem Wärmetauschelement koppelbar. Damit kann die elektrische Batterie bei Bedarf über den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf temperiert werden. Insbesondere wird die elektrische Batterie über den Brennstoffzellen- Temperierkreislauf erwärmt, wenn die dem Heizelement unmittelbar nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit erwärmt und gestartet ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung wird beim Start der Brennstoffzellenanordnung die unmittelbar dem Heizelement nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit durch das Heizelement bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur erwärmt und anschließend gestartet. In Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie wird der Batterie- Temperierkreislauf thermisch mit dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf verbunden. Nach dem Start der unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten

Brennstoffzelleneinheit werden die weiteren Brennstoffzelleneinheiten zeitlich versetzt zueinander erwärmt und gestartet.

Das Verfahren ermöglicht einen zuverlässigen und kostengünstigen Betrieb der

Brennstoffzellenanordnung, da insbesondere bei einem Gefrierstart aufgrund der

Vorerwärmung der Brennstoffzelleinheit und der elektrischen Batterie diese vor

Beschädigungen, insbesondere durch Laden der elektrischen Batterie bei niedrigen Temperaturen, geschützt werden.

Ferner ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung für eine Antriebseinheit eines Nutzfahrzeugs vorgesehen. Die erfindungsgemäße

Brennstoffzellenanordnung ist dabei insbesondere für einen Antrieb eines Omnibusses vorteilhaft. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung in einer

vereinfachten Ausführungsform für eine Antriebseinheit eines

Nutzfahrzeugs und

Fig.2 bis Fig.6 thermische Ersatzschaltbilder verschiedener erfindungsgemäßer

Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzellenanordnung für eine

Antriebseinheit eines Nutzfahrzeugs.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 in einer vereinfachten Ausführungsform für eine Antriebseinheit eines nicht näher dargestellten Nutzfahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses.

Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 2.1 , einen

Brennstoffbehälter 3 und einen Verdichter 4.

Die Brennstoffzelleneinheit 2.1 umfasst eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Brennstoffzellen (nicht näher dargestellt), welche jeweils eine Membran-Elektroden- Einheit aufweisen, bei der eine Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit 2.1 einen Anodenraum A und einen Kathodenraum K aufweist.

Zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 2.1 wird dem Anodenraum A Brennstoff, z. B. Wasserstoff, vom Brennstoffbehälter 3 zugeführt, wobei dem Brennstoffbehälter 3 ein Dosierventil 5 und eine Strahlpumpe 6, z. B. eine Gasstrahlpumpe, in Richtung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 nachgeschaltet ist. Das Dosierventil 5 dient dabei einer Regelung einer Brennstoffmenge, die der Brennstoffzelleneinheit 2.1 zugeführt wird.

Mittels der Strahlpumpe 6 wird der Brennstoff zum Anodenraum A gefördert. Dem Kathodenraum K der Brennstoffzelleneinheit 2.1 wird Luft über den Verdichter 4 zugeführt, welcher mit einem Antriebelement 7, z. B. einem Elektromotor, verbunden ist. Die Luft wird dabei mittels des Verdichters 4 komprimiert. Hierbei wird die Luft durch die Komprimierung erwärmt. Da die erwärmte Luft nach der Komprimierung eine hohe Temperatur aufweist, ist zusätzlich zwischen dem Verdichter 4 und der

Brennstoffzelleneinheit 2.1 ein Ladeluftkühler 8 angeordnet, mittels welchem die dem Kathodenraum K zuzuführende Luft gekühlt wird.

Dem Verdichter 4 ist ferner ein Luftmassensensor 9 vorgeschaltet, welcher eine dem Kathodenraum K zugeleitete Menge an Luft bestimmt, so dass die

Brennstoffzelleneinheit 2.1 ideal steuerbar und/oder regelbar ist.

Innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 2.1 reagiert der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem Brennstoff, wobei elektrische Energie erzeugt wird, die einem hier nicht dargestellten elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor, zugeführt wird.

Ein nicht umgesetzter Brennstoff kann über eine Rückführleitung zurück zur

Strahlpumpe 6 geleitet werden bzw. wird von dieser angesaugt. Zum Ablassen des Kreislaufgases ist ferner ein Absperrventil 10 vorgesehen.

Des Weiteren ist die Brennstoffzelleneinheit 2.1 in einen Brennstoffzellen- Temperierkreislauf T1 eingebunden, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur vereinfacht dargestellt ist.

Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 dient einer Temperierung der

Brennstoffzelleneinheit 2.1 und ist somit essentiell für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1. Sind die Umgebungstemperaturen sehr niedrig, z. B.

Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sind für einen zuverlässigen Start der Brennstoffzellenanordnung 1 Bedingungen oder Maßnahmen notwendig, die negative Auswirkungen hinsichtlich einer Leistung der Brennstoffzellenanordnung 1 verhindern oder zumindest minimieren.

Zur Lösung des Problems wird eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 vorgeschlagen, die insbesondere für den Einsatz in Omnibussen vorgesehen ist, ein besonders schnelles Gefrierstartvermögen aufweist und kostenoptimiert einsetzbar ist. In den nachfolgenden Figuren 2 bis 6 wird eine Brennstoffzellenanordnung 1 in verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 2 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 für eine Antriebseinheit eines nicht näher dargestellten Nutzfahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses. Eine elektrische Verschaltung der Brennstoffzellenanordnung 1 ist hierbei nicht dargestellt.

Das thermische Ersatzschaltbild zeigt einen Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 und einen Batterie-Temperierkreislauf T2, die thermisch miteinander verbindbar sind. In den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 sind eine Mehrzahl an

Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n, ein Heizelement 1 1 , ein Kühlelement 12.1 und eine Pumpe 13.1 eingebunden. In den Batterie-Temperierkreislauf T2 sind eine elektrische Batterie 14.1 , ein Wärmeübertrager 15, ein Batteriekühler 16 und eine weitere Pumpe 17 eingebunden.

Eine Schnittstelle zur thermischen Verbindung des Brennstoffzellen- Temperierkreislaufs T1 mit dem Batterie-Temperierkreislauf T2 wird durch ein

Wärmetauschelement 18 gebildet. Ferner ist in der Brennstoffzellenanordnung 1 ein Lüfter L angeordnet, welcher Kühlluft hin zu dem Kühlelement 12.1 und zum

Batteriekühler 16 fördert.

Zur Erzeugung elektrischer Energie, die der elektrischen Batterie 14.1 zugeführt und dort einem elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor, zur Verfügung gestellt wird, sind die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n vorgesehen, die elektrisch und thermisch miteinander verbunden sind. Die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n sind dabei, aufgrund ihrer relativ moderaten Leistung von ca. 50 kW bis ca. 70 kW derart kompakt dimensioniert, dass diese in eine Vielzahl verschiedener Fahrzeugbaureihen bzw.

Fahrzeugmodellen einsetzbar sind. In Bezug auf das vorliegende Ausführungsbeispiel können die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n somit modulartig in einem Omnibus eingesetzt werden.

Eine jeweilige Nennleistung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n liegt hierbei in einem Bereich von z. B. 50 kW bis 70 kW. Damit kann eine in Abhängigkeit einer gewünschten oder erforderlichen Antriebsleistung des Fahrzeugs die Anzahl der

Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n bestimmt werden. Zur unabhängigen thermischen Beeinflussung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2 n ist diesen jeweils eingangsseitig ein Dreiwegeventil 19.1 bis 19.n vorgeschaltet, so dass eine Zufuhr eines durch den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 strömenden

Temperiermediums, z. B. ein Kühlmittel, in Abhängigkeit einer Stellung der

Dreiwegeventile 19.1 bis 19.n erfolgt.

Das Heizelement 11 ist elektrisch mit der elektrischen Batterie 14.1 und den

Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n verbunden und zur Erwärmung einer dem

Heizelement 1 1 thermisch direkt nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1

vorgesehen. Eine Erwärmung dieser Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist insbesondere bei einem Gefrierstart vorteilhaft, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.

Das Heizelement 11 kann bei einem Betriebsstart der Brennstoffzellenanordnung 1 elektrische Energie aus der elektrischen Batterie 14.1 beziehen, da diese elektrisch miteinander verbunden sind. Beim Betriebsstart der Brennstoffzellenanordnung 1 wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 durch das Heizelement 1 1 solange erwärmt bis diese eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, die einen sicheren Betriebsstart der

Brennstoffzelleneinheit 2.1 ermöglicht.

Um sicherzustellen, dass nur diese Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt wird, sind die Dreiwegeventile 19.2 bis 19.n der anderen Brennstoffzelleneinheiten 2.2 bis 2 n geschlossen und das Dreiwegeventil 19.1 der zu erwärmenden

Brennstoffzelleneinheit 2.1 geöffnet. Aufgrund der Aufwärm ung nur dieser

Brennstoffzelleneinheit 2.1 und einer daraus resultierenden geringen thermischen Masse, erfolgt die Aufwärmung entsprechend schnell.

Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 ist durch die Pumpe 13.1 , welche

beispielsweise eine Umwälzpumpe ist, antreibbar. Dadurch, dass für den

Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 nur eine Pumpe 13.1 vorgesehen ist, ist diese mit einer entsprechenden Leistung auszubilden. Zwischen der Pumpe 13.1 und dem

Heizelement 1 1 ist ein Thermostatventil 20 angeordnet, in Abhängigkeit dessen Stellung das Temperiermedium im Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 von der Pumpe 13.1 durch das Heizelement 11 oder durch das Kühlelement 12.1 strömt.

Zum Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist das Thermostatventil 20 dabei so eingestellt, dass das Temperiermedium nur durch das Heizelement 11 und nicht durch das Kühlelement 12.1 strömt, so dass eine Wärmeenergie nicht an die Umgebung abgeführt, sondern der Brennstoffzelleneinheit 2.1 zugeführt wird.

Zum Zeitpunkt der Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist die elektrische

Batterie 14.1 noch kalt, da die elektrische Batterie 14.1 aufgrund der Leistungsentnahme zur Versorgung des Heizelements 1 1 mit elektrischer Energie und aufgrund eines

Innenwiderstandes der elektrischen Batterie 14.1 nur leicht erwärmt wird. Dies bedeutet, dass die elektrische Batterie 14.1 zwar eine bestimmte elektrische Energie abgeben, aber keine elektrische Energie aufnehmen kann, ohne dass diese beschädigt wird. Da die elektrische Batterie14.1 jedoch für einen Fahrbetrieb des Omnibusses, insbesondere zur Abdeckung einer maximalen elektrischen Leistung, zwingend benötigt wird, ist ein Laden der elektrischen Batterie 14.1 erforderlich. Dies kann jedoch nur dann erfolgen, wenn die elektrische Batterie 14.1 eine entsprechend zum Laden geeignete Temperatur aufweist.

Dadurch, dass das Heizelement 1 1 zum Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit 2.1 elektrische Energie aus der elektrischen Batterie 14.1 bezieht, verringert sich ein

Ladezustand der elektrischen Batterie 14.1 während des Erwärmungsprozesses der Brennstoffzelleneinheit 2.1 entsprechend.

Sobald die Brennstoffzelleneinheit 2.1 die vorgegebene Temperatur erreicht hat und damit startbereit ist, wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 gestartet und das Heizelement 1 1 kann elektrische Energie aus der nun gestarteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 beziehen. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, da sich die zu erwärmende Brennstoffzelleneinheit 2.1 nach dem Start selbst erwärmt und das Heizelement 1 1 mit elektrischer Energie versorgt, welches zusätzliche Wärmeenergie in den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 einbringt, so dass die Brennstoffzelleneinheit 2.1 innerhalb kurzer Zeit eine optimale Betriebstemperatur erreicht.

Zu dem Zeitpunkt, an dem die elektrische Versorgung des Heizelements 1 1 über die Brennstoffzelleneinheit 2.1 erfolgt, wird die im Batterie-Temperierkreislauf T2 angeordnete weitere Pumpe 17 aktiviert und ein zwischen der weiteren Pumpe 17 und dem

Wärmetauschelement 18 angeordnetes weiteres Dreiwegeventil 21 .1 , welches derart eingestellt ist, dass ein Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs T2 durch das Wärmetauschelement 18 strömt und das Temperiermedium die Wärmeenergie des Temperiermediums aus dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 aufnimmt und sich dadurch die elektrische Batterie 14.1 erwärmt, bis diese eine zum Laden optimale

Betriebstemperatur erreicht hat. Das Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs T2 wird hierbei nicht durch den Batteriekühler 16, sondern durch das Wärmetauschelement 18 und einen Leitungszweig des Wärmeübertragers 15 geführt. Der Wärmeübertrager 15 ist ferner mit einem nicht dargestellten Klimakreislauf des Omnibusses koppelbar, so dass im Falle einer erhöhten Umgebungstemperatur, welche höher ist als eine Betriebstemperatur der elektrischen Batterie 14.1 , eine Abwärme an den Klimakreislauf des Omnibusses abgegeben werden kann.

Hat die elektrische Batterie 14.1 die optimale Betriebstemperatur erreicht und kann dementsprechend ohne Beschädigung geladen werden, ist eine weitere Erwärmung der elektrischen Batterie 14.1 nicht mehr erforderlich, so dass das weitere

Dreiwegeventil 21.1 geschlossen wird und das Temperiermedium durch den

Batteriekühler 16 strömen kann.

Im Anschluss an die Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 und der elektrischen Batterie 14.1 erfolgt eine stufenweise Erwärmung der weiteren

Brennstoffzelleneinheiten 2.2 bis 2.n, die zeitlich nacheinander durch eine entsprechende Stellung der Dreiwegeventile 19.2 bis 19.n erwärmt werden. D. h., die der bereits erwärmten Brennstoffzelleneinheit 2.1 nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit 2.2 wird durch die Abwärme der zuvor erwärmten Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt und kann nach Erreichen einer bestimmten Temperatur gestartet werden. Die nachfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 2.3 bis 2.n werden anschließend auf die gleiche Art und Weise erwärmt und gestartet.

Figur 3 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenanordnung 1.

Die gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 ist ähnlich aufgebaut wie die in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 , jedoch mit dem Unterschied, dass jede

Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n einen eigenen Kühlkreislauf aufweist. In die

Kühlkreisläufe sind dabei jeweils eine Pumpe 13.1 bis 13. n, ein weiterer

Wärmeübertrager 22.1 bis 22. n und ein Kühlelement 12.1 bis 12.n eingebunden, wobei zwischen den Kühlelementen 12.2 bis 12.n und den Pumpen 13.2 bis 13.n jeweils ein weiteres Thermostatventil 23.1 bis 23.n-1 angeordnet ist, welches die Zuführung des Temperiermediums entweder durch das Kühlelement 12.2 bis 12.n oder durch den Wärmeübertrager 22.2 bis 22n regelt. Zwischen den weiteren Wärmeübertragern 22.1 bis 22. n und den Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n sind Zwischendreiwegeventile 24.1 bis 24.n-1 angeordnet, in Abhängigkeit deren Stellung die Erwärmung der jeweils nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.2 bis 2.n erfolgt.

Die thermische Kopplung zwischen der zuerst zu erwärmenden

Brennstoffzelleneinheit 2.1 und dem Batterie-Temperierkreislauf T2 ist hierbei identisch mit dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Ebenso ist ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 mit dem in Figur 1 beschriebenen

Ausführungsbeispiel identisch. D. h., zu Beginn wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 mittels des Heizelements 1 1 erwärmt und anschließend gestartet. Daraufhin wird die elektrische Batterie 14.1 über die erwärmte Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt, so dass die elektrische Batterie 14.1 nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur aufladbar ist. Anschließend wird die nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit 2.2 mit der Abwärme der vorgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt und nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur gestartet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle

Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n erwärmt und gestartet sind.

Ein Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die thermische Kopplung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n untereinander, wobei direkt an einem thermischen Ausgang der jeweils vorgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n-1 der weitere Wärmeübertrager 22.1 bis 22. n angeordnet ist und die Wärmeübertragung darüber erfolgt. Weiterhin wird aufgrund der eigenen Kühlkreisläufe der

Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n ein modulartiger Aufbau der

Brennstoffzellenanordnung 1 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weiter verbessert.

In den Figuren 4 und 5 werden thermische Ersatzschaltbilder weiterer alternativer

Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt.

Die gezeigten Brennstoffzellenanordnungen 1 sind ähnlich aufgebaut wie die in Figur 3 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 , jedoch mit dem Unterschied, dass im Batterie- Temperierkreislauf T2 zwei elektrische Batterien 14.1 , 14.2 eingebunden sind, die gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel gemeinsam über das weitere

Dreiwegeventil 21.1 und gemäß dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel separat über jeweils ein weiteres Dreiwegeventil 21.1 , 21.2 thermisch mit dem

Wärmetauschelement 18 koppelbar sind. Letzteres hat dabei den Vorteil, dass die elektrischen Batterien 14.1 , 14.2 unabhängig voneinander erwärmbar sind. Weiterhin ist im Batterie-Temperierkreislauf T2 ein Bypass B angeordnet, welcher mittels eines weiteren Bypassventils 25 offenbar oder schließbar ist. Mittels des Bypasses B können der Batteriekühler 16 und der Wärmeübertrager 15 vom Batterie- Temperierkreislauf T2 getrennt werden, so dass keine Wärme nach außen verloren geht.

In einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel können auch mehr als zwei elektrische Batterien 14.1 , 14.2 vorgesehen sein, um ein Leistungsangebot für einen oder mehrere elektrische Verbraucher zu erhöhen.

Figur 6 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel.

Die gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 ist mit Ausnahme der

Dreiwegeventile 19.1 bis 19 n identisch mit der in Figur 2 gezeigten

Brennstoffzellenanordnung 1. Anstelle der Dreiwegeventile 19.1 bis 19.n sind hierbei kostengünstige Proportionalventile 26.1 bis 26. n angeordnet.

Die zuvor beschriebene Brennstoffzellenanordnung 1 ist im Rahmen der Erfindung nicht auf den Einsatz in Fahrzeugen beschränkt. Denkbar sind auch Stationäranwendungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1.

Für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in Omnibussen, ist besonders die

Nennleistung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n im Bereich von 50 kW bis 70 kW vorteilhaft. Die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n können hierbei modulartig

ausgebildet und somit Leistungsanforderungen variabler umgesetzt werden als bei Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n mit größeren Nennleistungen oder bei einer als solitäres Brennstoffzellensystem ausgebildeten Brennstoffzellenanordnung 1.

Des Weiteren ist der modulartige Aufbau der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n von besonderem Vorteil, da hierbei die Möglichkeit besteht, nur eine der

Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n zu erwärmen, so dass eine Erwärmung

entsprechend schnell erfolgt. Bei solitären Brennstoffzellensystemen ist die zu

erwärmende thermische Masse entsprechend größer, so dass auch eine Gefrierstartzeit länger ist. Bezugszeichenliste

Brennstoffzellenanordnung

Brennstoffzelleneinheit

Brennstoff behälter

Verdichter

Dosierventil

Strahlpumpe

Antriebselement

Ladeluftkühler

Luftmassensensor

Absperrventil

Heizelement

Kühlelement

Pumpe

elektrische Batterie

Wärmeübertrager

Batteriekühler

Pumpe

Wärmetauschelement

Dreiwegeventil

Thermostatventil

Dreiwegeventil

Wärmeübertrager

Thermostatventil

Zwischendreiwegeventil

Bypassventil

Proportionalventil A Anodenraum

B Bypass

K Kathodenraum

L Lüfter

T1 Brennstoffzellen-Temperierkreislauf

T2 Batterie-Temperierkreislauf