DE102007054299A1

DE102007054299A1 - Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges

Info

Publication number: DE102007054299A1
Application number: DE102007054299A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berger; Sven Dr. Schmitz; Torsten Schwarz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (100) für eine Brennstoffzelle (12) eines Brennstoffzellenfahrzeuges, mit einem Kühlkreislauf (10), der die Brennstoffzelle (12), eine ein Kühlmittel fördernde Kühlmittelpumpe (16) sowie einen Kühler (18) einschließt. Erfindungsgemäß ist in den Kühlkreislauf (10) ferner eine elektrische Heizeinrichtung (24) zur Erwärmung des Kühlmittels eingeschlossen. Eine elektrische Lastanforderung der Heizeinrichtung (24) kann erfindungsgemäß einerseits zum beschleunigten Aufheizen der Brennstoffzelle (12) eingesetzt werden oder zur Erzeugung eines Bremsmomentes bei Gefällen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges, das heißt eines mit der Brennstoffzelle als alleinige oder ergänzende Traktionseinheit angetriebenen Kraftfahrzeuges. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Heizen der Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Bremsmomentes für ein solches Brennstoffzellenfahrzeug.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente – die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die einen Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode darstellt. Die Elektroden weisen eine katalytische Schicht auf, die entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist oder direkt auf der Membran. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum im Wege der Diffusion. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von Sauerstoff zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den Protonen unter Entstehung von Wasser. In der Regel umfasst eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten in Stapeln (Stacks), wobei üblicherweise außen an den Elektroden jeweils eine poröse Gasdiffusionsschicht zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase zu den Elektroden angeordnet ist. Durch die direkte Umsetzung chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber Wärmekraftmaschinen aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polyelektrolyt besteht. Die verbreiteteste PEM ist eine Membran aus sulfoniertem Polytetrafluorethylen (Handelsname: Nafion^®). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist und die Betriebstemperatur derartiger Zellen bei Normdruck auf unter 100°C limitiert ist. Ferner kann im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich sein, was einen hohen Systemaufwand bedeutet.
Zur Überwindung dieser Probleme sind Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen entwickelt worden, die bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180°C arbeiten und die keine oder nur geringe Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit der in diesen Brennstoffzellen der zweiten Generation eingesetzten Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten, insbesondere Säuren oder Basen, die auch bei vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise sind Hochtemperaturmembrane aus Polybenzimidazol (PBI) bekannt, die mit Säuren, wie etwa Trifluoressigsäure, Phosphorsäure und anderen, komplexiert werden.
Sowohl Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen als auch Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (kurz: HTPEM-Brennstoffzellen) weisen damit Temperaturfenster auf, innerhalb derer optimale Wirkungsgrade vorliegen. Normalerweise erzeugt die in der Brennstoffzelle während des Betriebs ablaufende Reaktion ausreichend Wärme, um das System auf entsprechende Temperaturen zu bringen. Gerade bei dem Einsatz der Brennstoffzelle in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen kann jedoch, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, dieser Selbsterwärmungsvorgang eine gewisse Zeit dauern, was zu einem eingeschränkten Betrieb in der Startphase führt. Bei der Anwendung von Brennstoffzellen für den Kraftfahrzeugsantrieb ist ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur bei Umgebungstemperaturen idealerweise bis zu –40°C wünschenswert. Des weiteren müssen Brennstoffzellen und zugehörige Systemkomponenten bei Überschreiten einer Grenztemperatur gekühlt werden, um irreversible Schädigungen zu verhindern. Hierfür ist üblicherweise im Brennstoffzellensystem ein Kühlkreislauf mit Kühler und Kühlmittel vorgesehen.
Neben der mangelnden Kaltstartfähigkeit von Brennstoffzellen ist ein weiteres Problem von Brennstoffzellenfahrzeugen in dem geringen Bremsmoment der Elektromotoren dieser Fahrzeuge zu sehen. Während Verbrennungsmotoren ein signifikantes Schleppmoment bei eingekuppeltem Motor aufweisen (die sogenannte "Motorbremse"), das für die Fahrzeugverzögerung genutzt werden kann, ist ein solches Moment bei Elektromotoren nur sehr gering ausgeprägt. Somit muss bei Brennstoffzellenfahrzeugen insbesondere bei Gefällestrecken die Bremskraft fast ausschließlich über die Fahrzeugbremse aufgebracht werden, wodurch ein verhältnismäßig hoher Bremsverschleiß auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen eine schnelle, zuverlässige und möglichst kosteneffiziente Aufheizung von Brennstoffzellen, insbesondere beim Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf, der die Brennstoffzelle, eine Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels sowie einen Kühler einschließt. Dadurch, dass das Kühlsystem ferner eine elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung des Kühlmittels einschließt, kann einerseits eine schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle, insbesondere bei einem Kaltstart des Fahrzeuges erzielt werden und andererseits bedarfsweise, das heißt bei Vorliegen eines Bremswunsches, ein Bremsmoment erzeugt werden, das insbesondere bei Bergabfahrten alleinig oder zusätzlich zu einem durch den Fahrer betätigten Bremspedal eine Verzögerungswirkung auf das Fahrzeug ausübt. Beide Funktionsweisen werden später näher erläutert.
Im Rahmen der Erfindung wird unter der Terminologie 'Einschluss einer Komponente durch den Kühlkreislauf' ein thermischer Kontakt zwischen der jeweiligen Komponente und dem Kühlkreislauf verstanden, der zu einer Temperaturangleichung beider führt. Ferner kann die Erfindung sowohl im Zusammenhang mit konventionellen PEM-Brennstoffzellen (z. B. mit Nafion^®-Membranen) als auch mit HTM-Brennstoffzellen (z. B. mit PBI-Membranen) oder anderen eingesetzt werden. In diesem Sinne umfasst vorliegend der Begriff 'Brennstoffzelle' beliebige Brennstoffzellensysteme. Ferner versteht sich der Begriff 'Brennstoffzelle' in der Regel als ein Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen einer in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem integrierten Brennstoffzelle, wobei bei einer Temperatur der Brennstoffzelle, die unterhalb einer Solltemperatur der Brennstoffzelle liegt, die Brennstoffzelle mit einem geringen Wirkungsgrad betrieben wird und eine durch die Brennstoffzelle dabei erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung eingesetzt wird. Der geringe elektrische Wirkungsgrad ist bei kalter Brennstoffzelle und unter Lastabnahme automatisch gegeben und führt dazu, dass gegenüber einer geringen erzeugten elektrischen Leistung verhältnismäßig viel Wärme durch die Brennstoffzelle freigesetzt wird. Während diese Wärme bereits zu einer Eigenerwärmung der Brennstoffzelle führt, kommt es infolge des Betriebs der elektrischen Heizeinrichtung zu einer Erwärmung des Kühlmittels und somit zu einer weiteren Aufheizung der Brennstoffzelle. Auf diese Weise ist eine schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle ermöglicht.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bremsmomentes für ein das erfindungsgemäße Kühlsystem aufweisendes Brennstoffzellenfahrzeug, insbesondere auf Gefällestrecken. Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Antriebsmotor des Brennstoffzellenfahrzeuges generatorisch betrieben und die elektrische Heizeinrichtung mit der generatorisch erzeugten elektrischen Energie unter Erzeugung von Wärme betrieben. Dabei kann der Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung direkt über den generatorisch arbeitenden Elektromotor erfolgen oder indirekt über einen optionalen Energiespeicher des Fahrzeugs, der durch den Elektromotor geladen wird. Die bei diesem Betrieb durch die elektrische Heizeinrichtung in den Kühlkreislauf eingebrachte Wärme kann bedarfsweise entweder über einen Wärmeaustauscher dem Fahrzeuginnenraum oder der Brennstoffzelle zugeführt werden. Falls weder eine Heizung der Brennstoffzelle noch des Innenraums gewünscht ist, kann die Wärme auch über den Kühler an die Umgebung abgegeben werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Brennstoffzellen-Kühlsystem nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung und
2 ein Brennstoffzellen-Kühlsystem nach einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Kühlsystem, das ein aus einem Leitungssystem aufgebauten Kühlkreislauf 10, in dem eine Brennstoffzelle 12 integriert ist, aufweist. Der Kühlkreislauf 10 umfasst einen Hauptkreislauf 14, in welchem ein Kühlmittel mittels einer vorzugsweise elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe 16 gefördert wird. Ein ebenfalls im Hauptkreislauf 14 integrierter Kühler 18 dient der Kühlung des durch die laufende Brennstoffzelle 12 erwärmten Kühlmittels.
Der Kühlkreislauf 10 umfasst ferner eine Bypassleitung 20, welche den Kühler 18 umgeht. An einer Zusammenführungsstelle der Bypassleitung 20 und einem Kühlmittelvorlauf des Kühlers 18 ist ein Thermostatventil 22 in dem Kühlkreislauf 10 angeordnet, wodurch der Kühlmittelfluss wahlweise durch den Kühler 18 oder durch die Bypassleitung 20 geleitet werden kann. Zur Beschleunigung des Aufheizens der Brennstoffzelle 12 nach einem Kaltstart erfolgt der Kühlmittelfluss ausschließlich über die Bypassleitung 20 unter Umgehung des Kühlers 18. Erst nach Erwärmung der Brennstoffzelle 12 wird das Kühlmittel über den Kühler 18 geleitet, um die Brennstoffzelle 12 auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Vorzugsweise ist das Thermostatventil 22 stufenlos steuer- oder regelbar, so dass in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle 12 diese mit einem beliebigen Mischungsverhältnis aus gekühltem und warmer Kühlmittel beaufschlagt werden kann.
Erfindungsgemäß weist der Kühlkreislauf 10 eine elektrische Heizvorrichtung 24 auf, die in das Leitungssystem integriert ist und während ihres Betriebs das Kühlmittel aufheizt. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 24 in den Hauptkreislauf 14 integriert und in Reihe mit dem Kühler 18 geschaltet. Andere Positionen der Heizeinrichtung 24, beispielsweise stromab des Kühlers 18 oder stromab der Kühlmittelpumpe 16, sind ebenfalls denkbar.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Heizeinrichtung 24 in der Bypassleitung 20 und damit parallel zu dem Kühler 18 geschaltet. Sofern der Kühlkreislauf 10 über eine Bypassleitung 20 verfügt, ist die Anordnung der Heizeinrichtung 24 parallel zu dem Kühler 18 zu bevorzugen.
Alle übrigen Komponenten des Kühlsystems 100 aus 2 entsprechen denen der 1 und werden nicht nochmals erläutert.
Die elektrische Heizeinrichtung 24 gemäß 1 oder 2 ist bevorzugt mit einer Leistungssteuerung ausgestattet, mit welcher insbesondere stufenlos die Heizleistung der Heizeinrichtung 24 steuer- oder regelbar ist.
Die Brennstoffzelle 12 der 1 oder 2 dient dem Antrieb eines in den Figuren nicht dargestellten Fahrzeuges. Hierfür ist sie elektrisch mit einem ebenfalls nicht dargestellten Elektromotor gekoppelt, welcher dem Antrieb des Fahrzeugs dient. Ferner kann optional ein Energiespeicher vorgesehen sein, der bei Energieüberschuss der Brennstoffzelle 12 oder einem Bremsvorgang des Fahrzeugs aufgeladen wird.
Das in den 1 und 2 dargestellte Kühlsystem 100 ermöglicht die Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzelle 12, insbesondere die Froststartfähigkeit. Hierbei muss die Temperatur der Brennstoffzelle 12 in einem möglichst kurzen Zeitraum über den Gefrierpunkt von Wasser gebracht werden, um die Brennstoffzellenreaktion nicht durch Eisbildung zu verhindern. Eine mögliche Betriebsstrategie beim Kaltstart ist, die Brennstoffzelle 12 in einem hohen Lastpunkt mit einem niedrigen elektrischen Wirkungsgrad zu betreiben und somit durch die anfallende Reaktionswärme aufzuheizen. Der hierfür notwendige hohe elektrische Leistungsabgriff kann über den Elektromotor des Fahrzeugs an die Fahrzeugräder übertragen und zum Fahrzeugantrieb genutzt werden. In Betriebspunkten jedoch, in denen eine entsprechende Lastanforderung nicht vorliegt, beispielsweise bei Stau- oder Ampelphasen, ist diese Vorgehensweise nicht möglich. In solchen Situationen wird erfindungsgemäß zum Aufheizen der Brennstoffzelle 12, d. h. wenn eine Isttemperatur der Brennstoffzelle unterhalb ihrer Solltemperatur liegt, die Brennstoffzelle 12 unter elektrischer Last der Heizeinrichtung 24 betrieben, wobei sie mit einem geringen Wirkungsgrad arbeitet und daher den Hauptanteil des zugeführten Brennstoffs (Wasserstoff) in Wärme umsetzt. Auf diese Weise kommt es zu einer Eigenerwärmung der Brennstoffzelle 12. Auf der anderen Seite wird der relativ geringe Anteil der erzeugten elektrischen Energie durch die elektrische Heizeinrichtung 24 in Wärme umgesetzt, das über das Kühlmittel wiederum der Brennstoffzellenerwärmung dient. Mit anderen Worten wird in Betriebssituationen, in denen keine Antriebslastanforderung vorliegt, die elektrische Last durch die Heizeinrichtung 24 abgegriffen, wodurch ein Froststart der Brennstoffzelle 12 ermöglicht wird.
Ein weiterer Vorteil des in den Kühlkreislauf eingebundenen Zuheizers 24 ist, dass durch ein beschleunigtes Aufheizen des Kühlmittels die über einen nicht dargestellten Heizungswärmetauscher in den Fahrgastraum übertragbare Wärmemenge erhöht wird. Auf diese Weise kommt es zu einer schnellen Erwärmung des Fahrzeuginnenraums, wodurch der sonst bei Brennstoffzellenfahrzeugen erforderliche Luftheizer eingespart werden kann.
Darüber hinaus kann die elektrische Heizeinrichtung 24 zur Erzeugung eines Bremsmomentes in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen ebenso wie reine Batteriefahrzeuge, insbesondere bei vollständig geladener Batterie (sofern vorhanden), über ein nur sehr geringes Schleppmoment. Dieses Schleppmoment, das beim Verbrennungsmotor auch als „Motorbremse" bezeichnet wird, sorgt insbesondere bei Geländegefällen (Bergabfahrt) für ein Verzögern des Fahrzeuges, so dass der Fahrer die Fußbremse nur in einem geringen Maße betätigen muss. Demgegenüber muss bei herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeugen jedoch durch starkes Betätigen der Bremse durch den Fahrer der Fahrzeugbeschleunigung entgegen gewirkt werden, was einerseits als unkomfortabel empfunden wird und andererseits zu einem sicherheitsrelevanten Überhitzen der Bremsen führt und langfristig den Bremsverschleiß erhöht.
Erfindungsgemäß wird nunmehr bei Vorliegen einer Verzögerungsanforderung, beispielsweise bei Gefälle, der elektrische Antriebsmotor des Fahrzeuges generatorisch betrieben und die elektrische Heizeinrichtung 24 zugeschaltet, wobei sie mit der generatorisch erzeugten Energie betrieben wird. Der Lastabgriff der Heizeinrichtung 24 führt dabei zur Erzeugung des Bremsmomentes des Elektromotors, welches der Fahrzeugbeschleunigung entgegen wirkt. Die durch den Elektromotor erzeugte Bremsenergie wird somit in der Heizeinrichtung 24 in Wärme umgewandelt, die wiederum an das Kühlmittel abgegeben wird. Die Wärme kann über den Fahrzeugkühler 18 an die Umgebung abgeführt werden oder dem Fahrgastraum zugeführt werden. Im Falle einer noch nicht aufgeheizten Brennstoffzelle 12 kann die Wärmemenge selbstverständlich auch zur Aufheizung derselben verwendet werden. Durch entsprechende Regelung der Wärmeleistung der Heizeinrichtung 24 kann somit bei der Bergabfahrt die Fahrgeschwindigkeit konstant gehalten werden.

100: Kühlsystem
10: Kühlkreislauf
12: Brennstoffzelle
14: Hauptkreislauf
16: Kühlmittelpumpe
18: Kühler
20: Bypassleitung
22: Thermostatventil
24: elektrische Heizeinrichtung

Claims

Kühlsystem (100) für eine Brennstoffzelle (12) eines Brennstoffzellenfahrzeuges, mit einem Kühlkreislauf (10), der die Brennstoffzelle (12), eine ein Kühlmittel fördernde Kühlmittelpumpe (16) sowie einen Kühler (18) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) ferner eine elektrische Heizeinrichtung (24) zur Erwärmung des Kühlmittels einschließt.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) einen, den Kühler (18) einschließenden Hauptkreislauf (14) umfasst und die elektrische Heizeinrichtung (24) in dem Hauptkreislauf (14) in Reihe mit dem Kühler (18) geschaltet ist.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) eine, den Kühler (18) umgehende Bypassleitung (20) umfasst und die elektrische Heizeinrichtung (24) in der Bypassleitung (20) parallel zu dem Kühler (18) oder in dem Hauptkreislauf (14) in Reihe mit dem Kühler (18) geschaltet ist.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) an einer Zusammenführungsstelle der Bypassleitung (20) und einem Kühlmittelvorlauf des Kühlers (18) ein steuer- oder regelbares Thermostatventil (22) aufweist.
Kühlsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (24) eine insbesondere stufenlose Leistungsteuerung aufweist.
Verfahren zum Heizen einer in einem Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 integrierten Brennstoffzelle (12), wobei bei einer Temperatur der Brennstoffzelle (12), die unterhalb einer Solltemperatur der Brennstoffzelle (12) liegt, die Brennstoffzelle (12) mit einem geringen Wirkungsgrad betrieben wird und eine durch die Brennstoffzelle (12) erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung (24) eingesetzt wird.
Verfahren zur Erzeugung eines Bremsmomentes eines ein Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweisenden Brennstoffzellenfahrzeuges, insbesondere bei Gefälle, wobei ein elektrischer Antriebsmotor des Brennstoffzellenfahrzeuges generatorisch betrieben wird und die elektrische Heizeinrichtung (24) mit der generatorisch erzeugten elektrischen Energie unter Erzeugung von Wärmeenergie betrieben wird.
Verfahren zur Erzeugung eines Bremsmomentes nach Anspruch 7, wobei die Wärmeenergie einem Fahrzeuginnenraum oder der Brennstoffzelle (12) zugeführt wird oder an die Umgebung abgeführt wird.