DE102008022808A1

DE102008022808A1 - Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008022808A1
Application number: DE102008022808A
Authority: DE
Inventors: Noureddine Khelifa; Manfred Pfalzgraf
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) für ein Fahrzeug, insbesondere für einen LKW, wobei das Brennstoffzellensystem im Betrieb thermische Energie zur Verfügung stellen kann und einen ersten Wärmeübertrager (14) umfasst, über den die thermische Energie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Verbrennungsmotors (34) des Fahrzeugs abführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein zweiter Wärmeübertrager (16) dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, über den thermische Restenergie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs abführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere für einen LKW beziehungsweise Lastkraftwagen, wobei das Brennstoffzellensystem im Betrieb thermische Energie zur Verfügung stellen kann und einen ersten Wärmeübertrager umfasst, über den die thermische Energie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs abführbar ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise aus den dem Stand der Technik angehörenden Dokumenten DE 100 07 244 A1 und DE 10 2004 008 133 A1 bekannt.
Bei dem aus der DE 100 07 422 A1 bekannten Brennstoffzellensystem wird die thermische Energie eines Brennstoffzellensystems zur Vorwärmung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs verwendet. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem gemäß der DE 100 07 422 A1 derart ausgebildet, dass die thermische Energie eines heißen Abgases des Brennstoffzellensystems zur Erwärmung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verwendet wird. Zu diesem Zweck ist insbesondere ein Wärmeübertrager vorgesehen, der eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem heißen Abgas des Brennstoffzellensystems und einer Kühlflüssigkeit eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors herstellt.
In dem aus der DE 10 2004 008 133 A1 bekannten Brennstoffzellensystem ist ein Brennstoffzellenwärmetauscher mit einem Kühlkreis eines Kraftfahrzeugs unmittelbar gekoppelt, wodurch Abwärme des Brennstoffzellenstapels auf eine Kühlflüssigkeit des Kühlkreises übertragbar ist. Weiterhin umfasst der Kühlkreis des Verbrennungsmotors einen dem Verbrennungsmotor zugeordneten Verbrennungsmotorwärmetauscher sowie einen einer Heizung zugeordneten Heizungswärmetauscher, über die unter Nutzung der Abwärme des Brennstoffzellensystems eine Motorvorwärmung und eine Erwärmung eines Innenraums des Fahrzeugs ermöglicht werden kann. Da der Verbrennungsmotorwärmetauscher und der Heizungswärmetauscher gemäß der DE 10 2004 008 133 A1 über mehrere Ventileinrichtungen parallel geschaltet sind, ist es nicht möglich, zunächst die Vorwärmung des Verbrennungsmotors sicherzustellen und gleichzeitig dem Innenraum des Fahrzeugs Wärme zuzuführen.
Insbesondere in Klimazonen, wie beispielsweise in Sibirien, mit extrem kalten Wintern, bei denen insbesondere Temperaturen zwischen –70°C und –50°C herrschen können, kann zumindest in einigen Fällen eine nur kurzzeitige Motorvorwärmung unzureichend sein, da der Verbrennungsmotor nach erfolgter Vorwärmung aufgrund der kalten Umgebungsbedingungen rasch abkühlen kann. Insbesondere ist es bei derartigen Klimazonen mit extrem kalten Wintern notwendig, den Motor vorzuwärmen und gleichzeitig eine ausreichende Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs zu ermöglichen, sofern sich ein Insasse in dem Fahrzeug befindet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Brennstoffzellensysteme und Verfahren derart weiterzubilden, dass die Nutzung der thermischen Energie des Brennstoffzellensystems gezielt zur Erwärmung eines Verbrennungsmotors und eines Fahrzeuginnenraums abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass ein zweiter Wärmeübertrager dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, über den thermische Restenergie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Innenraums des Fahrzeugs abführbar ist. Insbesondere wird der Innenraum des Fahrzeugs durch eine Kabine ausgebildet, beispielsweise eine Schlafkabine eines LKW beziehungsweise Lastkraftwagens. Dadurch, dass der zweite Wärmeübertrager dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet beziehungsweise in Reihe geschaltet ist, kann gezielt die thermische Restenergie des Brennstoffzellensystems verwendet werden, um den Innenraum des Fahrzeugs zu beheizen. Insbesondere kann die Einstellung des Wärmeeintrags in den Innenraum mittels des zweiten Wärmeübertragers durch Ansteuerung eines dem zweiten Wärmeübertrager zugeordneten Gebläses vorgenommen werden. In diesem Fall ist der zweite Wärmeübertrager dann beispielsweise dazu vorgesehen, eine wärmeübertragende Beziehung zwischen Abgas des Brennstoffzellensystems und der Luft, welche beispielsweise Umgebungsluft sein kann, herzustellen. Ebenso ist jedoch auch denkbar, dass zur Einstellung des Wärmeeintrags in den Innenraum des Fahrzeugs das Abgas, das den ersten Wärmeübertrager bereits durchströmt hat, zumindest teilweise und dosiert an dem zweiten Wärmeübertrager vorbeigeleitet wird.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass der erste Wärmeübertrager eine wärmeübertragende Beziehung zwischen heißem Abgas des Brennstoffzellensystems und einem Wärmeträgermedium zur Erwärmung eines Kühlkreises des Verbrennungsmotors herstellt und/oder der zweite Wärmeübertrager eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem heißen Abgas des Brennstoffzellensystems und einer dem Innenraum zuzuführenden Luft herstellt. Vorzugsweise wird das Wärmeträgermedium in einen separaten Wärmeträgermediumkreis aufgenommen, der wiederum mit dem Kühlkreis des Verbrennungsmotors über einen weiteren Wärmeübertrager in einer wärmeübertragenden Beziehung steht.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem so ausgestaltet werden, dass ein dem zweiten Wärmeübertrager zugeordnetes Gebläse vorgesehen ist, durch dessen Ansteuerung die Wärmeübertragung auf die dem Innenraum zuzuführende Luft einstellbar ist. Insbesondere kann der Wärmeeintrag in den Wärmeträgermediumkreis in Abhängigkeit von einer für den Innenraum erforderlichen Heizleistung eingestellt werden. Dadurch wird beispielsweise ermöglicht, dem Kühlkreis des Fahrzeugs eine Wärmemenge zuzuführen, die so bemessen ist, dass eine ausreichende Wärmemenge zur Beheizung der Schlafkabine über den zweiten Wärmeübertrager abgeführt werden kann.
Ferner kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem so verwirklicht werden, dass ein das Wärmeträgermedium umfassender Wärmeträgermediumkreis vorgesehen ist, der den ersten Wärmeübertrager und weiterhin einen Wärmeübertrager teilweise umfasst, über den eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem Wärmeträgermedium und einer Kühlflüssigkeit des Kühlkreises herstellbar ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den ersten Wärmeübertrager so auszubilden, dass der erste Wärmeübertrager eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem Abgas des Brennstoffzellensystems und der Kühlflüssigkeit herstellt, d. h. der Wärme trägermediumkreis kann auch entfallen. In diesem Fall ist dann zur Steuerung des Wärmeeintrags in den Kühlkreis anstelle einer Pumpe des Wärmeträgermediumkreises eine Kühlkreispumpe anzusteuern.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem so umgesetzt werden, dass der Kühlkreis zur Erwärmung des Verbrennungsmotors und zur Abkühlung des Verbrennungsmotors betreibbar ist.
In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in vorteilhafter Weise so ausgebildet werden, dass der Kühlkreis eine Fördereinrichtung, die betreibbar ist, um den Verbrennungsmotor zu erwärmen, und/oder eine weitere Fördereinrichtung aufweist, die betreibbar ist, um den Verbrennungsmotor abzukühlen.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass ein zweiter Wärmeübertrager dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, über den thermische Restenergie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs abgeführt wird. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verwiesen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass die Wärmeabfuhr über den ersten Wärmeübertrager in Abhängigkeit von einer erforderlichen Wärmeabfuhr über den zweiten Wärmeübertrager eingestellt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ausreichend Wärmeenergie zur Beheizung des Innenraums zur Verfügung gestellt werden kann, die dem Innenraum über den zweiten Wärmeübertrager zuführbar ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12, das einer nachstehend näher erläuterten Anordnung 10 zugeordnet ist. In diesem Fall ist das Brennstoffzellensystem 12 ein dem Fachmann bekanntes Brennstoffzellensystem 12, das insbesondere eine Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen, beispielsweise SOFC-Brennstoffzellen, einen der Brennstoffzellenanordnung vorgeschalteten und nicht näher interessierenden Reformer sowie einen der Brennstoffzellenanordnung nachgeschalteten und nicht näher interessierenden Nachbrenner aufweist. Abgasleitungen des Brennstoffzellensystems 12, insbesondere eine von dem Nachbrenner stammende Abgasleitung des Brennstoffzellensystems 12, führen durch einen Wärmeübertrager 14 und anschließend durch einen weiteren Wärmeübertrager 16. Der Wärmeübertrager 14 wird weiterhin von einem einem Wärmeträgermediumkreis 44 zugeordneten Wärmeträgermedium durchströmt, so dass das von dem Brennstoffzellensystem 12 stammende Abgas und das Wärmeträgermedium über den Wärmeübertrager 14 in einer wärmeübertragenden Beziehung stehen. Dem Wärmeübertrager 16 ist ein Gebläse 18 zugeordnet, über das Umgebungsluft angesaugt werden und dem Wärmeübertrager 16 zugeführt werden kann, so dass die Umgebungsluft und das von dem Brennstoffzellensystem 12 stammende Abgas in eine wärmeübertragende Beziehung gebracht werden können.
Der durch den Wärmeübertrager 14 führende Wärmeträgermediumkreis 44 umfasst wiederum einen weiteren Wärmeübertrager 22, über den eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem Wärmeträgermedium und einer Kühlflüssigkeit eines Kühlkreises 42 eines Verbrennungsmotors 34 hergestellt werden kann. Zur Zirkulation des Wärmeträgermediums, welches ein beliebiges Wärmeträgerfluid sein kann, ist eine Fördereinrichtung 20, beispielsweise eine dem Fachmann bekannte Fluidpumpe, in dem Wärmeträgermediumkreis 44 vorgesehen.
Der Kühlkreis 42 des Verbrennungsmotors 34 ist in diesem Fall zum Erwärmen des Verbrennungsmotors 34 sowie zum Abkühlen des Verbrennungsmotors 34 ausgebildet. Zu diesem Zweck wird die Kühlflüssigkeit des Kühlkreises 42 in zumindest zwei Teilkreisläufen zum Zirkulieren gebracht. Der erste Teilkreislauf dient dabei insbesondere zur Kühlung des Verbrennungsmotors 34 und durchläuft im dargestellten Fall in dieser Reihenfolge, ausgehend von einer Fördereinrichtung 32, den Verbrennungsmotor 34, ein dem Verbrennungsmotor nachgeschaltetes Thermostat 36 und einen Verbrennungsmotorkühler beziehungsweise Kühlerwärmetauscher 40, dem ein Gebläse 38 zugeordnet ist.
Der zweite Teilkreislauf dient zum Erwärmen des Verbrennungsmotors 34 und durchläuft in dieser Reihenfolge, ausgehend von einer Fördereinrichtung 26, ein in Richtung der Fördereinrichtung 26 schließendes federvorgespanntes Rückschlagventil 30, die Fördereinrichtung 32, den Verbrennungsmotor 34, eine Ventileinrichtung 28, den Wärmeübertrager 22 sowie einen Heizungswärmeübertrager 24, der wiederum der Fördereinrichtung 26 vorgeschaltet ist. Die Ventileinrichtung 28 kann derart geschalten werden, dass die Kühlflüssigkeit entweder den Wärmeübertrager 22 durchströmen kann oder unter Umgehung des Wärmeübertragers 22, des Heizungswärmeübertragers 24 sowie der Fördereinrichtung 26 das Rückschlagventil 30 durchströmen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich wie folgt. Zum Erwärmen des Verbrennungsmotors 34 in extrem kalten Umgebungsbedingungen wird das Brennstoffzellensystem 12 betrieben, dessen thermische Energie über die Wärmeübertrager 14 sowie durch Betreiben der Fördereinrichtung 20 über den Wärmeübertrager 22 dem Kühlkreis 42 des Verbrennungsmotors 34 zugeführt wird. Weiterhin wird die Fördereinrichtung 26 betrieben und die Ventileinrichtung 28 derart geschaltet, dass die Kühlflüssigkeit des Kühlkreises ausgehend von der Fördereinrichtung 26 das Rückschlagventil 30, die Fördereinrichtung 32, den Verbrennungsmotor 34 (insbesondere das Kühlsystem des Verbrennungsmotors 34), die Ventileinrichtung 28, den Wärmeübertrager 22 und den Heizungswärmeübertrager 24 durchströmt. In diesem Fall wird das Gebläse 38 des Kühlers 40 nicht betrieben, so dass an dem Kühler 40 keine thermische Energie der Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Dadurch wird der Verbrennungsmotor 34 erwärmt bis er eine bestimmte Verbrennungsmotormindesttemperatur erreicht, die zum Starten beziehungsweise Anlassen des Verbrennungsmotors 34 mindestens erforderlich ist. Die Fördereinrichtung 26 wird dabei permanent während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 12 betrieben, so dass die Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors 34 mindestens eine Temperatur von 0°C aufweist und der Verbrennungsmotor 34 dessen Verbrennungsmotormindesttemperatur aufrechterhält. Dadurch wird der Verbrennungsmotor 34 über die Kühlflüssigkeit zunächst erwärmt. Insbesondere wird die Fördereinrichtung 26 zur Aufrechterhaltung der Verbrennungsmotormindesttemperatur permanent betrieben. Weist der Verbrennungsmotor 34 seine Verbrennungsmotormindesttemperatur auf und wird gestartet beziehungsweise angelassen, so wird die Fördereinrichtung 26 vorzugsweise abgeschaltet. Ebenso ist jedoch denkbar, dass die Fördereinrichtung 26 weiterhin betrieben wird, wenn der Verbrennungsmotor 34 seine Verbrennungsmotormindesttemperatur erreicht hat und gestartet wird, wenn die Umgebungsbedingungen des Fahrzeugs dies erfordern.
Hat der Verbrennungsmotor 34 seine Betriebstemperatur erreicht und ist eine Kühlung des Verbrennungsmotors 34 trotz der extrem kalten Umgebungsbedingungen erforderlich, so wird die Fördereinrichtung 26 abgeschaltet und die Ventileinrichtung 28 derart umgeschaltet, dass die Kühlflüssigkeit durch Betreiben der Fördereinrichtung 32, von der Fördereinrichtung 32 ausgehend, den Verbrennungsmotor 34, das Thermostat 36 und den Kühler 40 durchströmt, wobei in die sem Fall das Gebläse 38 betrieben wird, um die von dem Verbrennungsmotor 34 zur Verfügung gestellte thermische Energie über den Kühler 40 abzuführen.
Während der Motorvorwärmung durch den Wärmeträgerkreis 44 und dem Kühlkreis 42 wird weiterhin das dem zweiten Wärmeübertrager 16 zugeordnete Gebläse 18 betrieben, um gleichzeitig den Innenraum des Fahrzeugs, welcher beispielsweise eine Schlafkabine sein kann, zu beheizen. Insbesondere wird eine Förderleistung der Fördereinrichtung 20 des Wärmeträgermediumkreises 44 so festgelegt, dass ausreichend Wärmeenergie zur Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs dem Innenraum über den zweiten Wärmeübertrager 16 zugeführt werden kann. Entsprechend der Förderleistung wird das Gebläse 18 angesteuert, so dass die Gebläseleistung des Gebläses 18 in Abhängigkeit von der Förderleistung der Fördereinrichtung 20 eingestellt wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Anordnung
12: Brennstoffzellensystem
14: Wärmeübertrager
16: Wärmeübertrager
18: Gebläse
20: Fördereinrichtung
22: Wärmeübertrager
24: Heizungswärmeübertrager
26: Fördereinrichtung
28: Ventileinrichtung
30: Rückschlagventil
32: Fördereinrichtung
34: Verbrennungsmotor
36: Thermostat
38: Gebläse
40: Kühler
42: Kühlkreis
44: Wärmeträgerkreis

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 10007244 A1 [0003]
- DE 102004008133 A1 [0003, 0005, 0005]
- DE 10007422 A1 [0004, 0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (10) für ein Fahrzeug, insbesondere für einen LKW, wobei das Brennstoffzellensystem im Betrieb thermische Energie zur Verfügung stellen kann und einen ersten Wärmeübertrager (14) umfasst, über den die thermische Energie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Verbrennungsmotors (34) des Fahrzeugs abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmeübertrager (16) dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, über den thermische Restenergie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs abführbar ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (14) eine wärmeübertragende Beziehung zwischen heißem Abgas des Brennstoffzellensystems (12) und einem Wärmeträgermedium zur Erwärmung eines Kühlkreises des Verbrennungsmotors herstellt und/oder der zweite Wärmeübertrager (16) eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem heißen Abgas des Brennstoffzellensystems und eine dem Innenraum zuzuführenden Luft herstellt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem zweiten Wärmeübertrager (16) zugeordnetes Gebläse (18) vorgesehen ist, durch dessen Ansteuerung die Wärmeübertragung auf die dem Innenraum zuzuführende Luft einstellbar ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Wärmeträgermedium umfassender Wärmeträgermediumkreis vorgesehen ist, der den ersten Wärmeübertrager (14) und weiterhin einen Wärmeübertrager (22) teilweise umfasst, über den eine wärmeübertragende Beziehung zwischen dem Wärmeträgermedium und einer Kühlflüssigkeit des Kühlkreises herstellbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis zur Erwärmung des Verbrennungsmotors und zur Abkühlung des Verbrennungsmotors betreibbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis eine Fördereinrichtung, die betreibbar ist, um den Verbrennungsmotor zu erwärmen, und/oder eine weitere Fördereinrichtung aufweist, die betreibbar ist, um den Verbrennungsmotor abzukühlen.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für ein Fahrzeug, insbesondere für einen LKW, wobei das Brennstoffzellensystem im Betrieb thermische Energie zur Verfügung stellt und einen ersten Wärmeübertrager (14) umfasst, über den die thermische Energie zumindest teilwei se zur Erwärmung eines Verbrennungsmotors (34) des Fahrzeugs abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmeübertrager (16) dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, über den thermische Restenergie zumindest teilweise zur Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr über den ersten Wärmeübertrager (14) in Abhängigkeit von einer erforderlichen Wärmeabfuhr über den zweiten Wärmeübertrager (16) eingestellt wird.