DE10107596A1 - Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere PEM (Proton-Exchange Membrane)-Brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents
Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere PEM (Proton-Exchange Membrane)-BrennstoffzelleneinrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung (1) für Fahrzeuge, insbesondere eine PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelleneinrichtung, in welcher gefriergefährdete Stoffe wie ein flüssiges Kühlmedium einer Brennstoffzellen (2) kühlenden Kühleinrichtung und/oder während der Reaktion als Reaktionsprodukt entstehendes Produktwasser vorhanden sind. Die Erfindung sieht vor, dass die Brennstoffzelleneinrichtung wenigstens eine Heizeinrichtung (16) zur Erzeugung von Wärmeenergie und/oder wenigstens einen Wärmespeicher zur Speicherung wenigstens eines Teils der während einer vorangehenden Betriebsphase von den Brennstoffzellen (2) erzeugten Wärmeenergie und/oder wenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung (16) erzeugten Wäremeenergie umfasst, wobei die erzeugte oder gespeicherte Wärmeenergie zur mittelbaren oder unmittelbaren Beheizung wenigstens eines der gefriergefährdeten Stoffe zumindest bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere bei Frost vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung für Fahr
zeuge, insbesondere von einer PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoff
zelleneinrichtung gemäß der Gattung von Patentanspruch 1.
Eine derartige Brennstoffzelleneinrichtung ist aus der WO 00/04600 bekannt. Bei der
Brennstoffzelleneinrichtung handelt es sich um eine sogenannte Niedertemperatur-
Brennstoffzelleneinrichtung für mobile Anwendungen mit einer Prozesstemperatur im Be
reich von ca. 60 bis 90 Grad Celsius. Die Brennstoffzellen solcher Brennstoffzellenein
richtungen werden meist durch ein innerhalb eines Kühlkreislaufs strömendes, flüssiges
Kühlmittel gekühlt. Übliche frostsichere Kühlmittel wie beispielsweise Glysantin können
zur Kühlung von Brennstoffzellen nicht verwendet werden, da sie stromleitend sind und
deshalb die in den Brennstoffzellen ablaufenden Reaktionen beeinträchtigen würden. Aus
diesem Grund wird als Kühlmittel ausschließlich nicht-stromleitendes Deionat verwendet,
welches außer zu Kühlzwecken auch zum Anfeuchten der Prozessluft in die Brennstoff
zellen geleitet wird. Deionat gefriert jedoch bei niedrigen Temperaturen unter Volumenzu
nahme, so dass der Kühlkreislauf und die Brennstoffzellen beschädigt werden können.
Eine weitere gefriergefährdete Flüssigkeit stellt das während der Reaktion in den Brenn
stoffzellen als Reaktionsprodukt entstehende Produktwasser dar, welches meist in einem
fahrzeugfesten Tank gesammelt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoff
zelleneinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche gegen Frostschäden
geschützt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von An
spruch 1 gelöst.
Wegen der Beheizung des Kühlmittels und/oder des Produktwassers werden Gefrier
schäden an der Brennstoffzelleneinrichtung zuverlässig verhindert. Die hierfür notwendige
Wärmeenergie wird von einer Heizeinrichtung erzeugt oder stammt aus einem Wärme
speicher, der wenigstens einen Teil der während einer vorangehenden Betriebsphase von
den Brennstoffzellen erzeugten Wärmeenergie speichert und bei Frost an die gefrierge
fährdeten Flüssigkeiten abgibt. Das durch Beheizung erwärmte Kühlmittel bewirkt außer
dem, dass die von ihm durchströmten Brennstoffzellen vor dem Start vorgewärmt sind,
was die Hochlaufphase der Brennstoffzelleneinrichtung verkürzt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbil
dungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme ist die Heizeinrichtung in einen
das Kühlmedium führenden Primär-Kühlkreislauf der Kühleinrichtung integriert und wird
vorzugsweise durch einen mit Wasserstoff betreibbaren Brenner, eine elektrische Hei
zung oder eine nach katalytischem Prinzip betriebene Heizung gebildet. Der vorzugswei
se verwendete Brenner kann bei abgeschalteter Brennstoffzelleneinrichtung betrieben
werden, da sein Brennstoff aus dem im Fahrzeug mitgeführten Wasserstoffvorrat bezo
gen wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, durch welchen im Kühl
mittel des Primär-Kühlkreislaufs geführte Wärmeenergie auf ein frostsicheres Kühlmittel
eines Sekundär-Kühlkreislauf übertragbar ist. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustausch
zwischen dem deionatführenden Primär-Kühlkreislauf auf den frostsicheren Sekundär-
Kühlkreislauf stattfinden, ohne dass stromleitendes, die Brennstoffzellen schädigendes
Kühlmittel in den Primär-Kühlkreislauf gelangt.
Gemäß einer weiteren Maßnahme ist im Sekundär-Kühlkreislauf ein weiterer Wärmetau
scher vorgesehen, dessen abgegebene Wärmeenergie zur Beheizung des Fahrzeugs
verwendbar ist. Auf diese Weise kann die von der Heizeinrichtung oder den Wärmespei
cher in den Primär-Kühlkreislauf eingebrachte Wärmeenergie zugleich zum Heizen des
Fahrzeugs dienen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Sekundär-Kühlkreislauf eine einen Vorlauf mit ei
nem Rücklauf des weiteren Wärmetauschers verbindende Kühlmittelleitung vorgesehen
ist, in welche eine weitere, vorzugsweise mit von den Brennstoffzellen erzeugtem Strom
betreibbare Heizeinrichtung integriert ist und welche zusammen mit dem weiteren Wär
metauscher einen zusätzlichen, separaten Kühlkreislauf bildet, in welchem von der weite
ren Heizeinrichtung erwärmtes Kühlmittel des Sekundär-Kühlkreislaufs umwälzbar ist,
wenn die Ist-Temperatur des Kühlmittels kleiner ist als eine untere Grenztemperatur. Die
zusätzliche Heizeinrichtung sorgt dann für eine Beheizung des Fahrzeugs, wenn bei
spielsweise während einer Warmlaufphase der Brennstoffzellen die im Sekundär-
Kühlkreislauf vorhandene Wärmeenergie hierfür noch nicht ausreicht.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine stark
schematisierte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Niedertemperatur
brennstoffzelleneinrichtung gemäß der Erfindung mit einem Primär- und einem Sekundär-
Kühlkreislauf.
In der Figur ist schematisch eine Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung 1 eines
Linienbusses dargestellt, mit einem mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoff
zellenblock 2. Die Prozesstemperatur solcher Niedertemperatur-Brennstoffzellenein
richtungen 1 liegt bei ca. 60 bis 90 Grad Celsius. Die beim Reaktionsprozess der Brenn
stoffzellen entstehende Wärme wird auf ein innerhalb eines Primär-Kühlkreislaufs 4 um
gewälztes Kühlmittel übertragen. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um
nicht-stromleitendes Deionat (destilliertes Wasser). Der Primär-Kühlkreislauf 4 hat eine
sich von einem Vorlauf 6 zu einem Rücklauf 8 des Brennstoffzellenblocks 2 erstrecken
de Kühlmittelleitung 10, entlang welcher in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen
eine Pumpe 12, ein Umschaltventil 14, eine Heizeinrichtung 16, ein weiteres Umschalt
ventil 18 sowie ein Wärmetauscher 20 angeordnet sind.
Bei der Heizeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Brenner 16, der mit
Wasserstoff aus einem Wasserstofftank betrieben wird, der gleichzeitig als Brennstoff
der Brennstoffzellen 2 dient. Alternativ könnte die Heizeinrichtung 16 auch durch eine
elektrische Heizung oder durch eine nach katalytischem Prinzip betriebene Heizung ge
bildet sein. Die Heizeinrichtung 16 ist durch eine von der Kühlmittelleitung 10 an einem
Umschaltventil 14 abzweigende Bypassleitung 22 umgehbar, welche stromabwärts der
Heizeinrichtung 16 wieder in die Kühlmittelleitung 10 mündet. Das in seiner Grundstel
lung den Kühlmittelstrom durch die Heizeinrichtung 16 leitende Umschaltventil 14 ist
durch Signale einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung in eine Bypass-
Stellung schaltbar, in welcher das Kühlmittel unter Umgehung der Heizeinrichtung 16 in
die Bypassleitung 22 geleitet wird. Dies erfolgt, wenn die von einem Temperatursensor
gemessene Ist-Temperatur des durch die in den Brennstoffzellen 2 ablaufenden Reakti
onen erwärmten Kühlmittels eine obere Grenztemperatur überschritten hat. In einem
solchen Fall ist keine zusätzliche Beheizung des Kühlmittels zur Vermeidung von Verei
sung nötig. Demgegenüber verbleibt das Umschaltventil 14 in seiner den Kühlmit
telstrom durch die Heizeinrichtung 16 leitenden Grundstellung, wenn die Ist-Temperatur
des Kühlmittels kleiner oder gleich der oberen Grenztemperatur ist. Dann wird die von
der Heizeinrichtung 16 erzeugte Wärmeenergie im Primär-Kühlkreislauf 4 umgewälzt
und verhindert eine Vereisung des Kühlmittels bei Frost und während Zeiten, in welchen
der Brennstoffzellenblock 2 außer Betrieb gesetzt ist oder mit so geringer Last betrieben
wird, dass die produzierte Eigenwärme eine Vereisung des Kühlmittels nicht verhindern
kann. Alternativ oder zusätzlich kann die von der Heizeinrichtung 16 erzeugte Wärme
energie auch zum Vorwärmen des Brennstoffzellenblocks 2 vor dem Start genutzt wer
den. Der Betriebs- und Temperaturzustand des Brennstoffzellenblocks 2 sowie des
Kühlmittels wird von der Steuer- und Regeleinrichtung durch geeignete Aufnehmer de
tektiert, welche daraufhin entsprechende Steuerbefehle an die Heizeinrichtung 16, die
Pumpe 12 und das Umschaltventil 14 aussteuert.
Durch den in der Kühlmittelleitung vorhandenen Wärmetauscher 20 ist im gefriergefähr
deten Kühlmittel des Primär-Kühlkreislaufs 4 geführte Wärme auf ein in einer Ringkühl
mittelleitung 24 eines Sekundär-Kühlkreislaufs 26 mittels einer Pumpe 28 umgewälztes,
frostsicheres Kühlmittel, beispielsweise Glysantin, übertragbar. Dem Wärmetauscher 20
ist das Umschaltventil 18 in Strömungsrichtung gesehen vorgeordnet, das durch die
Steuer- und Regeleinrichtung derart angesteuert ist, dass es den Kühlmittelstrom durch
eine den Wärmetauscher 20 umgehende Bypassleitung 30 führt, wenn die Ist-
Temperatur des Kühlmittels kleiner ist als eine untere Grenztemperatur. In einem sol
chen Fall wird die gesamte im Primär-Kühlkreislauf 4 geführte Wärmeenergie zur Verei
sungsverhinderung oder zum Vorwärmen des Brennstoffzellenblocks 2 vor dem Start
benötigt. Andernfalls wird der Kühlmittelstrom zum Wärmetauscher 20 durchgeschaltet
und durch ihn hindurchgeleitet.
Die Ringkühlmittelleitung 24 des Sekundar-Kühlkreislaufs 26 ist mit einem zweiten
Wärmetauscher 32 versehen, durch welchen zumindest ein Teil der vom Primär-
Kühlkreislauf 4 übertragenen Wärmeenergie zum Aufheizen des Businnenraums genutzt
wird. Die Wärmeübertragung erfolgt durch eine mittels eines Ventilators 34 erzeugte
Luftströmung hauptsächlich konvektiv. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärme
energie auch zur Rückheizung des Primär-Kühlkreislaufs 4 oder zur direkten Beheizung
der Brennstoffzellen 2 verwendet werden.
Im Sekundär-Kühlkreislauf 26 ist außerdem eine einen Vorlauf 36 mit einem Rücklauf 38
des zweiten Wärmetauschers 32 verbindende Kühlmittelleitung 40 vorgesehen, in wel
cher eine weitere Heizeinrichtung 42 integriert ist und welche zusammen mit dem zwei
ten Wärmetauscher 32 einen zusätzlichen, separat betreibbaren Kühlkreislauf 44 bildet.
Die weitere Heizeinrichtung 42 ist vorzugsweise eine mit von den Brennstoffzellen des
Brennstoffzellenblocks 2 erzeugtem Strom betreibbare elektrische Heizung. Im separa
ten Kühlkreislauf 44 ist nach Schalten eines dem zweiten Wärmetauscher 32 vorgeord
neten Sperrventils 46 in Sperrstellung von der weiteren Heizeinrichtung 42 erwärmtes
Kühlmittel des Sekundär-Kühlkreislaufs 26 umwälzbar. Das Sperrventil 46 wird durch
Signale der Steuer- und Regeleinrichtung in Sperrstellung geschaltet, wenn die Ist-
Temperatur des innerhalb des Sekundär-Kühlkreislaufs 26 umgewälzten Kühlmittels
kleiner ist als eine untere Grenztemperatur. In diesem Fall reicht die durch das Kühlmit
tel gespeicherte Wärmeenergie nicht zur Beheizung des Businnenraumes aus, so das
die hierfür notwendige Wärmeenergie ausschließlich von der weiteren Heizeinrich
tung 42 erzeugt und durch den zweiten Wärmetauscher 32 übertragen wird. Andernfalls
ist das Sperrventil 46 in Durchlassstellung geschaltet, so dass der Businnenraum durch
die mittels des ersten Wärmetauschers 20 auf den Sekundär-Kühlkreislauf 26 übertra
gene Abwärme der Brennstoffzellen 2 beheizt wird.
Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 32 ist ein dritter Wärmetauscher 48 in der
Ringkühlmittelleitung 24 angeordnet, mit dessen Hilfe überschüssige Wärmeenergie an
die Umgebung abgegeben wird. Der dritte Wärmetauscher 48 ist ebenfalls durch eine
Bypassleitung 50 mit vorgeschaltetem Umschaltventil 52 umgehbar, falls die Ist-
Temperatur des im Sekundär-Kühlkreislauf 26 geführten Kühlmittels beispielsweise wäh
rend einer Hochlaufphase der Brennstoffzellen 2 noch relativ niedrig ist. Die Wärme
übertragung erfolgt wiederum durch eine mittels eines Ventilators 54 erzeugte Luftströ
mung konvektiv.
Zusätzlich oder alternativ zu den Heizeinrichtungen 16, 42 kann ein nicht dargestellter
Wärmespeicher vorgesehen sein, der wenigstens einen Teil der während einer Be
triebsphase des Brennstoffzellenblocks von den Brennstoffzellen 2 oder von den Heiz
einrichtungen 16, 42 erzeugten Wärmeenergie speichert und diese bei Frost und in
Zeiten, in welchen der Brennstoffzellenblock 2 außer Betrieb gesetzt ist, in den Primär-
und/oder Sekundär-Kühlkreislauf 4, 26 in die Brennstoffzellen 2 einträgt. Wärmeenergie
kann alternativ bei generatorischem Betrieb der Fahrmotoren des Linienbusses über
Widerstände erzeugt und im Wärmespeicher gespeichert werden. Hierbei steuert die
Steuer- und Regeleinrichtung die Zu- oder Abfuhr von Wärmeenergie zum oder vom
Wärmespeicher in Abhängigkeit des jeweiligen Speichergrades und/oder in Abhängig
keit des Temperaturzustands des jeweiligen Wärmeerzeugers wie Brennstoffzellen
block 2 oder Heizeinrichtungen 16, 42. Beispielsweise kann die Steuer- und Regelein
richtung die Reaktionen im Brennstoffzellenblock 2 in Gang bringen, wenn der Wärme
speicher die gespeicherte Wärmemenge vollständig abgegeben hat und lädt ihn da
durch auf.
Das aus der Reaktion als Reaktionsprodukt in den Brennstoffzellen 2 entstehende Pro
duktwasser, da ebenfalls deionisiert, kann in den Primär-Kühlkreislauf 4 geleitet und dort
von der Heizeinrichtung 16 aufgeheizt werden. Alternativ kann auch ein Tank, in wel
chem das Produktwasser gesammelt wird, durch die Heizeinrichtung 16 des Primär-
Kühlkreislaufs 4 mittelbar oder unmittelbar beheizt werden. Zusätzlich oder alternativ
kann der Tank mit dem Wärmespeicher in wärmeleitender oder wärmeübertragender
Verbindung stehen, um eine Vereisung des Produktwassers zu verhindern.
Claims (11)
1. Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung (1) für Fahrzeuge, insbesondere PEM
(Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelleneinrichtung, in welcher gefriergefähr
dete Stoffe wie ein flüssiges Kühlmedium einer Brennstoffzellen (2) kühlenden Kühl
einrichtung und/oder während der Reaktion als Reaktionsprodukt entstehendes Pro
duktwasser vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine
Heizeinrichtung (16) zur Erzeugung von Wärmeenergie und/oder wenigstens einen
Wärmespeicher zur Speicherung wenigstens eines Teils der während einer vorange
henden Betriebsphase von den Brennstoffzellen (2) erzeugten Wärmeenergie
und/oder wenigstens eines Teils der von der Heizeinrichtung (16) erzeugten Wärme
energie umfasst, wobei die erzeugte oder gespeicherte Wärmeenergie zur mittelba
ren oder unmittelbaren Beheizung wenigstens eines der gefriergefährdeten Stoffe
zumindest bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere bei Frost vorgesehen ist.
2. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Heizeinrichtung (16) in einen das Kühlmedium führenden Primär-Kühlkreislauf (4) der
Kühleinrichtung integriert ist und vorzugsweise einen mit Wasserstoff betreibbaren
Brenner, eine elektrische Heizung oder eine nach katalytischem Prinzip betriebene
Heizung umfasst.
3. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
im Primär-Kühlkreislauf (4) eine Bypassleitung (22) zur Umgehung der Heizeinrich
tung (16) vorgesehen ist, durch welche das Kühlmittel leitbar ist, wenn dessen Ist-
Temperatur eine obere Grenztemperatur überschritten hat.
4. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass ein erster Wärmetauscher (20) vorgesehen ist, durch welchen im
Kühlmittel des Primär-Kühlkreislaufs (4) geführte Wärmeenergie auf ein frostsicheres
Kühlmittel eines Sekundär-Kühlkreislaufs (26) übertragbar ist.
5. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Pri
mär-Kühlkreislauf (4) eine Bypassleitung (30) zur Umgehung des ersten Wärmetau
schers (20) vorgesehen ist, durch welche das Kühlmittel leitbar ist, wenn dessen Ist-
Temperatur kleiner ist als eine untere Grenztemperatur.
6. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass im Sekundär-Kühlkreislauf ein zweiter Wärmetauscher (32) vorgese
hen ist, dessen abgegebene Wärmeenergie zur Beheizung des Fahrzeugs vorgese
hen ist.
7. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Se
kundär-Kühlkreislauf (26) eine einen Vorlauf (36) mit einem Rücklauf (38) des zwei
ten Wärmetauschers (32) verbindende Kühlmittelleitung (40) vorgesehen ist, in wel
che eine weitere, vorzugsweise mit von den Brennstoffzellen (2) erzeugtem Strom
betreibbare Heizeinrichtung (42) integriert ist und welche zusammen mit dem zweiten
Wärmetauscher (32) einen zusätzlichen, separat betreibbaren Kühlkreislauf (44) bil
det, in welchem von der weiteren Heizeinrichtung (42) erwärmtes Kühlmittel des Se
kundär-Kühlkreislaufs (26) umwälzbar ist, wenn die Ist-Temperatur des Kühlmittels
kleiner ist als eine untere Grenztemperatur.
8. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, dass im Sekundär-Kühlkreislauf (26) wenigstens ein dritter Wärmetauscher
(48) zur Abfuhr überschüssiger Wärmeenergie an die Umgebung vorgesehen ist.
9. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
dritte Wärmetauscher (48) durch eine Bypassleitung (50) umgehbar ist, wenn die Ist-
Temperatur des Kühlmittels kleiner ist als eine untere Grenztemperatur.
10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen ist, zur Steue
rung der Zu- oder Abfuhr von Wärmeenergie zum oder vom Wärmespeicher in Ab
hängigkeit des jeweiligen Speichergrades und/oder in Abhängigkeit des Temperatur
zustands des jeweiligen Wärmeenergieerzeugers oder Wärmeenergieverbrauchers.
11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die im Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie in den
Primär- und/oder Sekundär-Kühlkreislauf (4, 26) in die Brennstoffzellen (2) eintragbar
ist.
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