DE102007006963A1

DE102007006963A1 - Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102007006963A1
Application number: DE102007006963A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dipl.-Ing. Hornburg
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-14
Also published as: US8865360B2; US20100092822A1; WO2008098687A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Brenner (33) zur Erzeugung eines Wärmestroms durch Verbrennung eines mit einem Oxidationsmittel (24) reagierenden Brenngases (13). Erfindungsgemäß ist ein zur Beheizung eines Fahrzeuginsassenraums vorgesehener Heizungswärmetauscher (43) in einem Kühlmittelkreislauf (30, 41, 44) des Brennstoffzellensystems (10) angeordnet, wobei der Heizungswärmetauscher (43) zumindest zeitweise mittels des Brenners (33) fremdbeheizt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brenner zur Erzeugung eines Wärmestroms durch Verbrennung eines mit einem Oxidationsmittel reagierenden Brenngases aufweist.
Bei Fahrzeugen, die mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren ausgestattet sind, erfolgt die Beheizung des Fahrzeuginsassenraums im allgemeinen durch Nutzung der Abwärme eines zur Kühlung des Verbrennungsmotors vorgesehenen Kühlmittelkreislaufs. Die eigentliche Beheizung des Fahrzeuginsassenraums wird dabei mittels eines im Kühlmittelkreislauf angeordneten Heizungswärmetauschers vorgenommen. Nachteilig ist, dass sich der Kühlmittelkreislauf nach Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors nur vergleichsweise langsam erwärmt und eine rasche Aufheizung des Fahrzeuginsassenraums, wie sie insbesondere bei winterlichen Temperaturverhältnissen erwünscht ist, nicht möglich ist.
Im Falle von Antriebskonzepten, die auf der Verwendung von Brennstoffzellen beruhen, ergeben sich weitere Probleme. So besteht bei Außentemperaturen unterhalb von 0°C die Möglichkeit, dass das in der Brennstoffzelle vorhandene Prozesswasser gefriert und die für die Elektrizitätserzeugung notwendigen Gasdiffusionsprozesse innerhalb der Brennstoffzelle behindert werden. Ein Kaltstart des Brennstoffzellensystems ist in diesem Fall nur bedingt möglich.
Aus der DE 103 24 213 A1 geht in diesem Zusammenhang ein Brennstoffzellensystem hervor, bei dem ein Wasserstoffbrenner vorgesehen ist, der durch exotherme Reaktion von Wasserstoff mit Luftsauerstoff einen Wärmestrom erzeugt, der zur Vorheizung einer Brennstoffzelle dient. Gemäß einer dargestellten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems wird der erzeugte Wärmestrom zusätzlich zur Beheizung des Fahrzeuginsassenraums genutzt. Eine Verwendung der beim Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallenden Prozesswärme ist nicht vorgesehen.
Ausgehend von dem bekannten Brennstoffzellensystem stellt sich daher die Aufgabe, die Effizienz sowohl der Vorheizung des Brennstoffzellensystems wie auch der Beheizung des Fahrzeuginsassenraums zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das Brennstoffzellensystem umfasst neben einer Brennstoffzelle herkömmlicher Bauart einen separaten Brenner, der durch Verbrennung eines mit einem Oxidationsmittel reagierenden Brenngases einen Wärmestrom erzeugt, der zur Vorheizung der Brennstoffzelle sowie zur Beheizung des Fahrzeuginsassenraums genutzt wird. Erfindungsgemäß ist zur Beheizung des Fahrzeuginsassenraums ein Heizungswärmetauscher in Gestalt eines Radiators oder dergleichen vorhanden, der in einem zur Kühlung der Brennstoffzelle vorgesehenen Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und zumindest zeitweise mittels des Brenners fremdbeheizt wird.
Die Fremdbeheizung kann nach Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems zumindest solange erfolgen, bis das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel seine normale Betriebstemperatur erreicht hat. Anschließend wird der Heizungswärmetauscher in gewohnter Weise durch Nutzung der beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallenden und über den Kühlmittelkreislauf abgeführten Prozesswärme beheizt.
Durch die Fremdbeheizung des Heizungswärmetauschers ist es somit möglich, den Heizungswärmetauscher (und damit den Fahrzeuginsassenraum) unabhängig vom aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zu betreiben. Andererseits kann durch die thermische Kopplung zwischen Heizungswärmetauscher und Kühlmittelkreislauf in umgekehrter Richtung eine Vorheizung der Brennstoffzelle erfolgen. Dies ist insbesondere für den Fall eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems bei Außentemperaturen nahe dem Gefrierpunkt von Bedeutung.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur Fremdbeheizung des Heizungswärmetauschers gibt es verschiedene Möglichkeiten.
So ist es möglich, dass ein dem Brenner nachgeschalteter Wärmetauscher im Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Aufgrund der Zirkulation des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf wird zumindest ein Teil der vom Brenner erzeugten Verbrennungswärme vom Wärmetauscher zum Heizungswärmetauscher transportiert.
Alternativ kann dem Brenner ein Wärmetauscher nachgeschaltet sein, der entweder unmittelbar oder aber über einen eigenen Kühlmittelkreislauf an den Heizungswärmetauscher angeschlossen ist. In diesem Fall lässt sich der Heizungswärmetauscher unabhängig von einem Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des der Brennstoffzelle zugeordneten Kühlmittelkreislaufs beheizen.
Zur Verwirklichung einer derartigen „Standheizung" ist dem Brenner eine eigene Oxidationsmittel- und/oder Brenngasversorgung zugeordnet.
Bei der Oxidationsmittelversorgung handelt es sich insbesondere um ein elektrisches Kleingebläse, das mittels einer im Fahrzeug befindlichen Starterbatterie betrieben wird. Ferner ist zur Brenngasversorgung ein Reservoir vorgesehen, das während des Betriebs des Brennstoffzellensystems mit Brenngas aus einem Hochdrucktank oder einem Reformer befüllt wird, um nach Abschalten des Brennstoffzellensystems eine kontinuierliche Weiterversorgung des Brenners mit Brenngas zu ermöglichen.
Üblicherweise werden im Kraftfahrzeugbereich Brennstoffzellen eingesetzt, die elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas erzeugen. Dazu gehören insbesondere die bei vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen im Bereich von 70 bis 200°C arbeitenden Brennstoffzellen mit Polymermembran (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell bzw. Polymer Electrolyte Fuel Cell). Im Sinne eines möglichst geringen Mehraufwands erfolgt der Betrieb des Brenners durch Mitverwendung des gleichen sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und/oder des gleichen wasserstoffhaltigen Gases.
Bei dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel handelt es sich typischerweise um Luft, die über ein Luftfiltersystem, das neben einem mechanischen und/oder chemischen Partikelfilter einen Schalldämpfer aufweist, der Außenatmosphäre des Fahrzeugs entnommen wird.
Darüberhinaus ist es vorstellbar, dass dem Brenner das beim Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallende sauerstoffhaltige Kathodenabgas als Oxidationsmittel zugeführt wird. Eine separate Versorgung mit Oxidationsmittel kann in diesem Fall unterbleiben und ausschließlich für den Fall eines Standheizungsbetriebs vorgesehen sein.
Der Brenner selbst kann entweder als katalytischer Brenner oder aber als Flamm- bzw. Porenbrenner ausgebildet sein. Ein Flamm- bzw. Porenbrenner bietet den Vorteil einer besonders hohen Heizleistung, während sich ein katalytischer Brenner durch eine kontrollierte und rückstandsfreie Verbrennung auszeichnet.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 11, die elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brenngas erzeugt. Die Brennstoffzelle 11 ist im vorliegenden Fall vom Typ einer sogenannten PEMC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) bzw. einer sogenannten PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell).
Beispielsgemäß weist die Brennstoffzelle 11 einen Anodenraum 11a und einen Kathodenraum 11b auf, wobei die beiden Räume durch einen Elektrolyten in Gestalt einer Polymermembran voneinander getrennt sind. Die Polymermembran ist auf beiden Seiten mit einem katalytisch aktiven Elektrodenmaterial beschichtet, das vorwiegend aus Graphit mit Beimischungen von Platin und/oder Ruthenium besteht.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle 11 wird dem Anodenraum 11a über eine Versorgungsleitung 12 ein wasserstoffhaltiges Brenngas 13 zugeführt, das von Seiten eines Hochdrucktanks oder eines Reformers zur Verfügung gestellt wird. Bei dem wasserstoffhaltigen Brenngas 13 kann es sich um reines Wasserstoffgas handeln. Ist das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet, so wird die Versorgungsleitung 12 mittels eines elektromagnetischen Ventils 14 abgesperrt, um eine unerwünschte Freisetzung von Wasserstoffgas in die Umgebung auszuschließen.
Das im Anodenraum 11a entstehende Anodenabgas wird über eine Abgasleitung 20 entweder unmittelbar in die Umgebung abgelassen oder aber zumindest teilweise über eine Anodenrückführleitung 21, die in die Versorgungsleitung 12 der Brennstoffzelle 11 mündet, dem Anodenraum 11a zugeführt. Die Menge des zurückgeführten Anodenabgases lässt sich mittels eines in der Anodenrückführleitung 21 angeordneten elektrischen Drosselklappenventils 22 steuern.
Gleichzeitig wird dem Kathodenraum 11b über eine Zufuhrleitung 23 ein sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel 24 in Form von komprimierter Luft zugeführt. Die Komprimierung der Luft, die über ein Luftfiltersystem aus der Außenatmosphäre des Fahrzeugs entnommen wird, erfolgt hierbei mittels eines elektrisch betriebenen Kompressors 25a. Das Luftfiltersystem weist unter anderem neben einem chemischen und/oder mechanischen Partikelfilter einen Schalldämpfer zur Verringerung des Kompressorgeräuschs auf.
Zur Kühlung der Brennstoffzelle 11 ist ferner eine Kühleinrichtung 11c vorgesehen. Die Kühleinrichtung 11c ist an einen Kühlmittelkreislauf 30 angeschlossen, der eine elektrisch betriebene Förderpumpe 31 zum Umwälzen eines in dem Kühlmittelkreislauf 30 zirkulierenden Kühlmittels aufweist. Die beim Betrieb der Brennstoffzelle 11 anfallende Prozesswärme wird über einen ebenfalls im Kühlmittelkreislauf 30 befindlichen Radiator 32 an die Umgebung abgegeben.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen separaten Brenner 33, der zum einen über eine erste Versorgungsleitung 34 mit dem Kathodenraum 11b der Brennstoffzelle 11 verbunden ist, um das beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 anfallende sauerstoffhaltige Kathodenabgas als Oxidationsmittel zuzuführen, und der zum anderen über eine zweite Versorgungsleitung 35 mit Brenngas aus dem Hochdrucktank oder Reformer des Brennstoffzellensystems 10 versorgt wird. Ein in der zweiten Versorgungsleitung 35 angeordnetes elektrisches Ventil 36 erlaubt hierbei eine Regulierung des Volumenflusses des zugeführten Brenngases.
Das vorwiegend aus Wasserdampf bestehende Abgas des Brenners 33 wird anschließend über einen mit dem Kompressor 25a verbundenen Expander 25b entspannt und in die Umgebung abgelassen.
Der Brenner 33 erzeugt durch Verbrennung des mit dem Oxidationsmittel reagierenden Brenngases einen Wärmestrom, der zur Vorheizung der Brennstoffzelle 11 sowie zur Beheizung des Fahrzeuginsassenraums genutzt wird. Hierzu ist dem Brenner 33 ein Wärmetauscher 40 nachgeschaltet, der in einer Abzweigung 41 des Kühlmittelkreislaufs 30 angeordnet ist, wobei durch Schließen eines elektrischen Ventils 42 zumindest ein Teil des im Kühlmittelkreislauf 30 zirkulierenden Kühlmittels in die Abzweigung 41 umgeleitet wird.
Zur Beheizung des Fahrzeuginsassenraums ist ein Heizungswärmetauscher 43 in Gestalt eines Radiators oder dergleichen vorhanden. Der Heizungswärmetauscher 43 ist ebenfalls in der Abzweigung 41 des Kühlmittelkreislaufs 30 angeordnet, wobei beim Zirkulieren des Kühlmittels in der Abzweigung 41 zumindest ein Teil der vom Brenner 33 erzeugten Verbrennungswärme vom Wärmetauscher 40 zum Heizungswärmetauscher 43 transportiert wird.
Die Fremdbeheizung des Heizungswärmetauschers 43 mittels des Brenners 33 kann nach Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 10 zumindest solange erfolgen, bis das im Kühlmittelkreislauf 30 zirkulierende Kühlmittel seine normale Betriebstemperatur erreicht hat. Anschließend wird der Fahrzeuginsassenraum in gewohnter Weise mittels des Radiators 32 durch Nutzung der beim Betrieb der Brennstoffzelle 11 anfallenden und über den Kühlmittelkreislauf 30 abgeführten Prozesswärme beheizt. Hierzu wird das zur Regulierung des zugeführten Brenngases vorgesehene Ventil 36 geschlossen sowie das im Kühlmittelkreislauf 30 angeordnete Ventil 42 geöffnet.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßem Brennstoffzellensystems 10. Dieses unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der vom Brenner 33 beheizte Wärmetauscher 40 über einen eigenen Kühlmittelkreislauf 44 an den Heizungswärmetauscher 43 angeschlossen ist, wobei der Kühlmittelkreislauf 44 mittels einer zugehörigen Förderpumpe 45 betrieben wird. In diesem Fall lässt sich der Heizungswärmetauscher 43 unabhängig von einem Betrieb der Brennstoffzelle 11 bzw. des der Brennstoffzelle 11 zugeordneten Kühlmittelkreislaufs 30 beheizen.
Zur Verwirklichung einer derartigen „Standheizung" ist dem Brenner 33 eine eigene Oxidationsmittel- und/oder Brenngasversorgung zugeordnet.
Bei der Oxidationsmittelversorgung handelt es sich beispielsgemäß um ein elektrisches Kleingebläse 50, das mittels einer im Fahrzeug befindlichen Starterbatterie betrieben wird. Ansonsten wird dem Brenner 33 das beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 anfallende sauerstoffhaltige Kathodenabgas als Oxidationsmittel zugeführt.
Zur Brenngasversorgung ist in diesem Zusammenhang ferner ein Reservoir 51 vorgesehen, das während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 über ein Einwegventil 52 mit Brenngas aus dem Hochdrucktank oder Reformer befüllt wird, um nach Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 eine kontinuierliche Weiterversorgung des Brenners 33 mit Brenngas zu ermöglichen.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßem Brennstoffzellensystems 10. Dieses unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dahingehend, dass der Brenner 33 unmittelbar an den Heizungswärmetauscher 43 angeschlossen ist. Dies ermöglicht ebenfalls die Verwirklichung einer Standheizung im Fahrzeug. Bezugszeichenliste

10	Brennstoffzellensystem
11	Brennstoffzelle
11a	Anodenraum
11b	Kathodenraum
11c	Kühleinrichtung
12	Versorgungsleitung
13	wasserstoffhaltiges Brenngas
14	Ventil
20	Abgasleitung
21	Anodenrückführleitung
22	Drosselklappenventil
23	Zufuhrleitung
24	sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel
25a	Kompressor
25b	Expander
30	Kühlmittelkreislauf
31	Förderpumpe
32	Radiator
33	Brenner
34	erste Versorgungsleitung
35	zweite Versorgungsleitung
36	Ventil
40	Wärmetauscher
41	Abzweigung
42	Ventil
43	Heizungswärmetauscher
44	Kühlmittelkreislauf
45	Förderpumpe
50	Gebläse
51	Reservoir
52	Einwegventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10324213 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Brenner (33) zur Erzeugung eines Wärmestroms durch Verbrennung eines mit einem Oxidationsmittel (24) reagierenden Brenngases (13), dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Beheizung eines Fahrzeuginsassenraums vorgesehener Heizungswärmetauscher (43) in einem Kühlmittelkreislauf (30, 41, 44) des Brennstoffzellensystems (10) angeordnet ist, wobei der Heizungswärmetauscher (43) zumindest zeitweise mittels des Brenners (33) fremdbeheizt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung des Heizungswärmetauschers (43) ein dem Brenner (33) nachgeschalteter Wärmetauscher (40) im Kühlmittelkreislauf (30, 41) des Brennstoffzellensystems (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (33) ein Wärmetauscher (40) nachgeschaltet ist, der zur Beheizung des Heizungswärmetauschers (43) über einen eigenen Kühlmittelkreislauf (44) an den Heizungswärmetauscher (43) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (33) zur Beheizung des Heizungswärmetauschers (43) unmittelbar an den Heizungswärmetauscher (43) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (33) eine eigene Oxidationsmittelversorgung zugeordnet ist, die sich unabhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (10) betreiben lässt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Oxidationsmittelversorgung um ein elektrisch betriebenes Gebläse (50) handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Oxidationsmittel (24) um ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere um Luft handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Oxidationsmittel (24) um ein sauerstoffhaltiges Kathodenabgas handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Brenngas (13) um Wasserstoff oder einen gasförmigen Kohlenwasserstoff handelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (33) als katalytischer Brenner ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (33) als Porenbrenner ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (33) als Flammbrenner ausgebildet ist.