DE10107596A1

DE10107596A1 - Niedertemperatur-Brennstoffzelleneinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere PEM (Proton-Exchange Membrane)-Brennstoffzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE10107596A1
Application number: DE10107596A
Authority: DE
Inventors: Karl Viktor Schaller; Christian Gruber; Peter Delinsky
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2001-02-17
Filing date: 2001-02-17
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-02-18
Also published as: DE10107596B4

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

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnungen

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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

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.