DE102010052703A1 - Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle, Kraftwagen mit einer Vorrichtung sowie Verfahren zum Einstellen einer Temperatur - Google Patents

Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle, Kraftwagen mit einer Vorrichtung sowie Verfahren zum Einstellen einer Temperatur Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle (10) eines Kraftwagens (1) mit einem primären Heizmittelkreislauf (2), welcher Komponenten (4, 6, 7, 8) einer Innenraumheizanlage des Kraftwagens (1) und eine elektrisch betreibbare Heizanlage (12) zum Temperieren und Umwälzen eines Heizmittels umfasst, und mit einem sekundären Heizmittelkreislauf (3), welcher thermisch mit dem primären Heizmittelkreislauf (2) und der Brennstoffzelle (10) gekoppelt (8, 9) ist, wobei die Heizanlage (12) über eine zum Kraftwagen (1) externe elektrische Energiequelle (13) betreibbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle (10) eines Kraftwagens (1) mit einer solchen Vorrichtung sowie einen Kraftwagen (1) mit einer solchen Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle eines Kraftwagens mit einem primären Heizmittelkreislauf, welcher Komponenten einer Innenraumheizanlage des Kraftwagens und eine elektrisch betreibbare Heizanlage zum Temperieren und Umwälzen eines Heizmittels umfasst, und mit einem sekundären Heizmittelkreislauf, welcher thermisch mit dem primären Heizmittelkreislauf und der Brennstoffzelle gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Kraftwagen mit einer solchen Vorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle eines Kraftwagens.
  • Bei Kraftwägen, die für den Antrieb Brennstoffzellen verwenden, muss sichergestellt werden, dass diese auf einer geeigneten Betriebstemperatur gehalten werden. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Anlage in einem Omnibus 1, mit der sich ein Brennstoffzellenverbund 10 auf einer günstigen Betriebstemperatur halten lässt. Für die Temperierung des Brennstoffzellenverbunds 10 ist ein Brennstoffzellenheizkreis 3 vorgesehen, welcher eine Wasserleitung 5 und eine Pumpe 11 umfasst. Der Brennstoffzellenheizkreis 3 ist geschlossen, so dass über die Pumpe 11 Wasser in der Wasserleitung 5 umgewälzt wird. Das Wasser in der Wasserleitung 5 wird über einen Wärmetauscher 9 erhitzt, welcher thermisch mit einem zweiten Wärmetauscher 8 gekoppelt ist.
  • Der Wärmetauscher 8 ist Teil eines Innenraumheizkreises 2 des Omnibusses 1. Der Innenraumheizkreis 2 ist ein primärer Heizmittelkreislauf, welcher Komponenten einer Innenraumheizanlage des Omnibusses 1 umfasst. Dies sind beispielsweise ein Bordnetzheizgerät 6 (z. B. das elektrische Heizgerät „Rampe” der Firma UWE Verken) durch welches eine Heizung 7 (z. B. Dach-, Wand- oder Fahrerheizung im Innenraum des Omnibusses 1) mit Wärme versorgt wird. Dies erfolgt über eine Wasserleitung 4, welche ebenfalls Teil des Innenraumheizkreises 2 ist.
  • Ein Problem entsteht dann, wenn der Omnibus 1 und damit auch das Bordnetzheizgerät 6 nicht betrieben werden. Befindet sich also z. B. der Omnibus 1 ausgeschaltet im Stillstand, erfolgt in der Regel auch keine Heizung des Brennstoffzellenverbundes 10. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen kann dies beispielsweise zum Einfrieren des Brennstoffzellenverbundes 10 führen.
  • Aus der DE 11 2006 000 343 T5 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer in einem beweglichen Körper angebrachten Brennstoffzelle bekannt, wobei eine externe Verbindungseinrichtung den beweglichen Körper mit einer externen Energiequelle, welche außerhalb des beweglichen Körpers bereitgestellt ist, verbindet. Es ist eine Heizung zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems vorgesehen, welche von der externen Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Temperatureinstellung einer Brennstoffzelle zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, einen Kraftwagen, welcher die Merkmale des Patentanspruchs 6 aufweist und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle eines Kraftwagens mit einem primären Heizmittelkreislauf, welcher Komponenten einer Innenraumheizanlage des Kraftwagens und eine elektrisch betreibbare Heizanlage zum Temperieren und Umwälzen eines Heizmittels umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch einen sekundären Heizmittelkreislauf, welcher thermisch mit dem primären Heizmittelkreislauf und der Brennstoffzelle gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Heizanlage über eine zum Kraftwagen externe elektrische Energiequelle betreibbar ist. Bei der Heizanlage kann es sich insbesondere um ein Fremdheizsystem handeln, welches durch ein Anschließen an ein vom Kraftwagen externes Stromnetz mit elektrischer Energie versorgbar ist. Auch bei abgestelltem und ausgeschaltetem Kraftwagen ist ein zuverlässiger Betrieb der Heizanlage und damit eine Temperierung der Brennstoffzelle sichergestellt. Es ist gewährleistet, dass auch bei sehr geringen Umgebungstemperaturen ein Einfrieren der Brennstoffzelle verhindert wird. Die Temperatureinstellung der Brennstoffzelle kann von kraftwageninternen Komponenten weitestgehend unabhängig erfolgen.
  • Vorzugsweise umfasst der sekundäre Heizmittelkreislauf eine Pumpe zum Umwälzen eines Heizmittels des sekundären Heizmittelkreislaufs, welche über eine zum Kraftwagen externe elektrische Energiequelle betreibbar ist. Auf diese Art ist nicht nur die Heizanlage über die externe elektrische Energiequelle betreibbar, sondern auch die Pumpe, welche das Heizmittel zur Temperierung der Brennstoffzelle umwälzt. Die gesamte Heizvorrichtung ist so von Systemen im Kraftwagen unabhängiger. Das Bereitstellen einer internen Energieversorgung im Kraftwagen ist nicht mehr erforderlich, um eine bedarfsgerechte Temperierung der Brennstoffzelle zu gewährleisten.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Wandlervorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen Strom und/oder eine Spannung, welcher bzw. welche von einer zum Kraftwagen externen elektrischen Energiequelle bereitgestellt wird, einem zum Betrieb der Pumpe erforderlichen Strom- bzw. Spannungswert anzupassen. In der Regel werden die von der externen Energiequelle bereitgestellte Spannung bzw. der zur Verfügung gestellte Strom nicht mit der von der Pumpe erwarteten Spannung bzw. dem von ihr maximal aufnehmbaren Strom übereinstimmen. Die Wandlervorrichtung erlaubt dann eine zuverlässige Strom bzw. Spannungsanpassung.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Startsperre, welche dazu ausgebildet ist, eine Inbetriebnahme des Kraftwagens zu unterbinden, solange die Heizanlage und/oder die Pumpe über die externe elektrische Energiequelle betrieben werden. Auf diese Art wird verhindert, dass der Kraftwagen in Betrieb genommen werden kann, während er noch mit der externen Energiequelle elektrisch verbunden ist. Unerwünschte Störungen im Stromkreislauf, wie Strom- und Spannungsspitzen, durch die elektrische Komponenten beschädigt werden könnten, werden verhindert.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor, welcher dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Brennstoffzelle zu erfassen. Der Temperatursensor ist zur Signalübergabe an die Heizanlage gekoppelt. Damit wird eine Steuerung bzw. Regelung der Heizanlage in Abhängigkeit von der an der Brennstoffzelle gemessenen Temperatur möglich. Der Betrieb der Heizanlage kann so sehr gut an die gewünschte Temperatur der Brennstoffzelle angepasst werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Kraftwagen umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei dem Kraftwagen kann es sich insbesondere um einen Kraftomnibus handeln.
  • Vorzugsweise umfasst der Kraftwagen ein Bordstromnetz, welches die Brennstoffzelle umfasst, und wobei die Heizanlage von dem Bordstromnetz entkoppelt ist. Die Heizanlage ist insbesondere dann vom Bordstromnetz entkoppelt, wenn sie über eine externe elektrische Energiequelle betrieben wird. Wird die Heizanlage extern betrieben, ist ein Aktivieren des kraftwageninternen Bordstromnetzes nicht erforderlich. Durch die Entkopplung des externen Netzes von dem Bordstromnetz ist ein zuverlässiger Betrieb der Heizanlage gewährleistet, ohne dass die Gefahr besteht, dass Komponenten des Bordstromnetzes (z. B. die Brennstoffzelle) beschädigt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle eines Kraftwagens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Vorzugsweise erfolgt dann eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle dadurch, dass die Heizanlage abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Die so erzeugbare Temperaturhysterese gewährleistet die geforderte Temperierung der Brennstoffzelle. Es handelt sich um eine unkomplizierte und kostengünstige Möglichkeit der Temperatursteuerung bzw. -regelung.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle dadurch, dass der Volumenstrom des Heizmittels des sekundären Heizmittelkreislaufs eingestellt wird. Insbesondere erfolgt dieses Einstellen durch Wahl einer Drehzahl der Pumpe. Die Temperaturregelung der Brennstoffzelle kann auf diese Weise sehr präzise erfolgen.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem primären und einem sekundären Heizmittelkreislauf nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem primären und einem sekundären Heizmittelkreislauf;
  • 3 eine Rückansicht eines Omnibusses; und
  • 4 ein Blockschaltbild für Komponenten in einem Omnibus.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Vorrichtung der 2 umfasst dieselben Komponenten wie die in 1 dargestellten. Der Omnibus 1 befindet sich nun jedoch im Stand und seine Zündung ist ausgeschaltet. Eine Versorgung einzelner elektronischer Komponenten des Omnibusses 1 über sein Bordstromnetz mit elektrischer Energie ist nicht mehr gewährleistet. Insbesondere wird das Bordnetzheizgerät 6 nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt, so dass das Heizmittel Wasser, das sich in der Wasserleitung 4 des Innenraumheizkreises befindet, durch das Bordnetzheizgerät 6 weder aufgeheizt noch umgewälzt wird. Damit wäre auch eine Temperierung des Brennstoffzellenverbundes 10 nicht mehr gewährleistet.
  • Deshalb ist eine Fremdheizanlage 12 im Omnibus 1 vorgesehen, welche über zusätzliche Wasserleitungen 23 an die Wasserleitung 4 des Innenraumheizkreises 2 gekoppelt ist. Über einen Bypass 24 kann ein neuer primärer Heizmittelkreislauf ausgebildet werden, welcher im Ausführungsbeispiel auch den Wärmetauscher 8 umfasst. Als Heizmittel wird Wasser verwendet, das entlang der Pfeilrichtungen durch die Wasserleitungen 4 bzw. 23 geleitet wird. Hierfür umfasst die Fremdheizanlage 12 sowohl ein elektrisches Heizgerät als auch eine Pumpe. Die Fremdheizanlage 12 kann über eine zum Omnibus 1 externe elektrische Wechselstromquelle 13 betrieben werden.
  • Der auf diese Weise in Betrieb genommene primäre Heizmittelkreislauf ist wiederum über den Wärmetauscher 8 und den Wärmetauscher 9 mit dem durch den Brennstoffzellenheizkreis 3 gebildeten sekundären Heizmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Um ein Umwälzen des Heizmittels Wasser in der Wasserleitung 5 des Brennstoffzellenheizkreises 3 sicherzustellen, ist ein elektrischer Betrieb der Pumpe 11 erforderlich. Dieser Betrieb soll bei ausgeschalteter Zündung des Omnibusses 1 nicht mehr über das Bordnetz erfolgen. Deshalb ist auch die Pumpe 11 an die Wechselstromquelle 13 elektrisch angeschlossen. Um Strom und Spannung, die von der Wechselstromquelle 13 bereitgestellt werden, an die von der Pumpe 11 erwarteten bauartbedingten Werte anzupassen, ist ein Batterieladegerät 14 zwischengeschaltet. Dieses dient dann als Wandlervorrichtung.
  • Schließlich ist auch ein Temperatursensor 15 am Brennstoffzellenverbund 10 vorgesehen, welcher zur Übergabe von Temperatursignalen an die Fremdheizanlage 12 gekoppelt ist und so eine Temperaturregelung ermöglicht.
  • In 3 ist der Omnibus 1 in Rückansicht dargestellt. Es kann sich bei dem Omnibus 1 beispielsweise um den Citaro Fuelcell Bus handeln. Bereits durch Anlegen einer externen Netzspeisung kann die Temperierung des Brennstoffzellensystems erfolgen. Hierbei ist ein Aktivieren des businternen Steuergeräteverbundes nicht erforderlich. Die Einhaltung des geforderten Temperaturbereichs wird durch eine geschickte Anordnung von verfügbaren Fremdheizsystemen mit einer geeigneten Relaissteuerung erreicht. Das Fremdheizgerät heizt den Innenraumheizkreis durch Anlegen einer Fremdversorgung. Die elektrische Versorgung der Fremdheizanlage 12 und der Pumpe 11 ist durch die elektrische Energieversorgung auch dann sichergestellt, wenn ein Bordnetz 16 des Omnibusses 1 selbst im Falle „Klemme 30 = aus” nicht mit Strom versorgt wird, also bei ausgeschalteter Zündung von der Omnibusbatterie bereitgestellte Leistung nicht verfügbar ist. Durch das vorgestellte Konzept ist sichergestellt, dass die Temperierung des Brennstoffzellenverbundes 10 (Stacktemperierung) auch ohne „Klemme 30” und „Klemme 15” sichergestellt ist.
  • 3 zeigt eine mögliche Einbauposition der Fremdheizanlage 12. Bei der Fremdheizanlage 12 kann es sich insbesondere um ein elektrisches Heizgerät mit eingebauter Pumpe vom Typ „Patron” der Firma UWE Verken handeln. Die UWE Patron verfügt auch über einen Schaltkontakt, der eine parametrierte Zeit nach Versorgung des Geräts geschaltet wird. Hierüber werden die Wasserpumpen aktiviert. Empfohlen wird eine Heizleistung von 6 kW (durch Berechnung abgesichert). Über die Fremdheizanlage 12 kann ein enges Temperaturregelband am Brennstoffzellenverbund 10 von 10°C bis 25°C sichergestellt werden.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung insbesondere des Betriebs der Pumpe 11. Es soll von einer internen elektrischen Versorgung über ein Bordnetz 16 auf eine externe elektrische Versorgung über die Wechselstromquelle 13 umgeschaltet werden. Hierzu sind unter anderem auch Schalter 19 und 20 in der Fremdheizanlage 12 bzw. dem Batterieladegerät 14 vorgesehen. Die mit 24 V und 10 A betriebene Pumpe 11 wird über ein Relais 17 und einen Schalter 21 vom 24 V Bordnetz 16 entkoppelt. Sie ist dann über das Batterieladegerät 14 mit der Wechselstromquelle 13 verbunden. Mit dem Batterieladegerät 14 erfolgt eine Anpassung von Strom und Spannung. Wenn auf externe Speisung umgeschaltet wird, wird über ein Relais 18 eine Einschaltsperre 22 aktiviert. Dann kann der Omnibus 1 erst wieder gestartet werden, wenn auf Bordnetzversorgung umgeschaltet ist.
  • Bei der Pumpe 11 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Wasserpumpe der Firma EMP. Die Pumpe 11 verfügt über einen Notlauf mit einer einstellbaren Drehzahl bei 24 V. Der erwartete Strom beträgt circa 2,5 A, um den erforderlichen Kühlmitteldurchfluss in den Brennstoffzellen abzusichern. Für das Batterieladegerät 14 kann das Gerät ABC 2430 CBL der Firma LEAB verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Omnibus
    2
    Innenraumheizkreis
    3
    Brennstoffzellenheizkreis
    4
    Wasserleitung
    5
    Wasserleitung
    6
    Bordnetzheizgerät
    7
    Heizung
    8
    Wärmetauscher
    9
    Wärmetauscher
    10
    Brennstoffzellenverbund
    11
    Pumpe
    12
    Fremdheizanlage
    13
    Wechselstromquelle
    14
    Batterieladegerät
    15
    Temperatursensor
    16
    Bordnetz
    17
    Relais
    18
    Relais
    19
    Schalter
    20
    Schalter
    21
    Schalter
    22
    Einschaltsperre
    23
    Wasserleitung
    24
    Bypass
  • 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 112006000343 T5 [0005]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle (10) eines Kraftwagens (1) mit einem primären Heizmittelkreislauf (2), welcher Komponenten (4, 6, 7, 8) einer Innenraumheizanlage des Kraftwagens (1) und eine elektrisch betreibbare Heizanlage (12) zum Temperieren und Umwälzen eines Heizmittels umfasst, und mit einem sekundären Heizmittelkreislauf (3), welcher thermisch mit dem primären Heizmittelkreislauf (2) und der Brennstoffzelle (10) gekoppelt (8, 9) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanlage (12) über eine zum Kraftwagen (1) externe elektrische Energiequelle (13) betreibbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Heizmittelkreislauf (3) eine Pumpe (11) zum Umwälzen eines Heizmittels des sekundären Heizmittelkreislaufs (3) umfasst, welche über eine zum Kraftwagen (1) externe elektrische Energiequelle (13) betreibbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wandlervorrichtung (14), welche dazu ausgebildet ist, einen Strom und/oder eine Spannung, welcher bzw. welche von einer zum Kraftwagen (1) externen elektrischen Energiequelle (13) bereitgestellt wird, einem zum Betrieb der Pumpe (11) erforderlichen Strom- bzw. Spannungswert anzupassen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Startsperre (22), welche dazu ausgebildet ist, eine Inbetriebnahme des Kraftwagens (1) zu unterbinden, so lange die Heizanlage (12) und/oder die Pumpe (11) über die externe elektrische Energiequelle (13) betrieben wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (15) zum Erfassen der Temperatur der Brennstoffzelle (10), welcher zur Signalübergabe an die Heizanlage (12) gekoppelt ist.
  6. Kraftwagen, insbesondere Kraftomnibus (1), mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Kraftwagen (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Bordstromnetz (16), welches die Brennstoffzelle (10) umfasst, wobei die Heizanlage (12) von dem Bordstromnetz (16) entkoppelt ist.
  8. Verfahren zum Einstellen einer Temperatur einer Brennstoffzelle (10) eines Kraftwagens (1) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle (10) dadurch erfolgt, dass die Heizanlage (12) abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 in Kombination mit einer Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle (10) dadurch erfolgt, dass der Volumenstrom des Heizmittels des sekundären Heizmittelkreislaufs (3), insbesondere durch Wahl einer Drehzahl der Pumpe (11), eingestellt wird.
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