DE102012202243A1

DE102012202243A1 - Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter

Info

Publication number: DE102012202243A1
Application number: DE201210202243
Authority: DE
Inventors: Klaus SZOUCSEK; Tobias Brunner; Jesse Michael Schneider; Klaas Kunze
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Bei einer Vorrichtung, insbesondere einer Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, bei der die Brennstoffzelle mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und der Speicherbehälter mit einer Wärmeinrichtung zum Wärmen von zu entnehmendem Druckgas versehen sind, ist gemäß der Erfindung die Kühleinrichtung mit der Wärmeinrichtung wärmeübertragend gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, bei der die Brennstoffzelle mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle gestaltet ist.
Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, werden verstärkt Bemühungen unternommen, diese mittels einer Brennstoffzelle anzutreiben. Die Brennstoffzelle wird in der Regel mit Wasserstoff betrieben, das in einem Speicherbehälter im Fahrzeug vorgehalten wird. Als Speicherbehälter sind inzwischen solche bekannt, in denen der Wasserstoff als kryogenes Druckgas (CcH2 cryocompressed H2) gespeichert wird.
Die Brennstoffzellen müssen unter bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere bei hoher Last, gekühlt werden. Jedoch ist bei Kraftfahrzeugen die verfügbare Kühlleistung für das Kühlen der Brennstoffzelle begrenzt. Daher kann es unter ungünstigen Außenbedingungen vorkommen, dass die Brennstoffzelle nicht die maximale Leistung erbringen kann, weil sie nicht ausreichend gekühlt werden kann. Zusätzliche Kühlfläche ist bei Kraftfahrzeugen aufgrund von Bauraum-Randbedingungen nur schwer oder gar nicht integrierbar. Ferner muss eine Brennstoffzelle bei Kaltstart elektrische Energie abgeben, um die Betriebstemperatur zu erreichen. Dazu wird an die Brennstoffzelle ein elektrischer Widerstand als zusätzlicher Verbraucher angeschlossen.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter von kryogenem Druckgas geschaffen, bei der die Brennstoffzelle mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und der Speicherbehälter mit einer Wärmeeinrichtung zum Wärmen von zu entnehmendem Druckgas versehen sind und bei der die Kühleinrichtung mit der Wärmeeinrichtung wärmeübertragend gekoppelt ist.
In Speicherbehältern für kryogenes Druckgas heutiger Kraftfahrzeuge wird das tiefkalte Gas unter hohem Druck (13 bar bis 350 bar) gasförmig gespeichert. Beim Entnehmen des Gases aus dem Speicherbehälter muss dieses erwärmt und dessen Temperatur an die Betriebstemperatur des Antriebsaggregats angepasst werden. Dazu benötigt der Speicherbehälter eine von der Entnahmemenge abhängige Wärmemenge. Der Speicherbehälter muss also von außen mit Wärme versorgt werden. Je kälter die Umgebungstemperatur ist, desto schwieriger wird es, diese Wärme bereitzustellen. Diese Situation ergibt sich insbesondere bei einem Kaltstart des zugehörigen Fahrzeugs.
Zugleich wird derzeit die während eines Warmlaufs einer Brennstoffzelle abgegebene, überschüssige elektrische Energie über einen elektrischen Widerstand als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Energie geht dem Gesamtsystem Fahrzeug derzeit also verloren.
Gemäß der Erfindung ist eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle vorgesehen, die mit einer Wärmeeinrichtung zum Wärmen von zu entnehmendem Druckgas aus einem Kryodruckspeichersystem wärmeweiterleitend bzw. wärmeübertragend gekoppelt ist. Dadurch erfolgt gemäß der Erfindung die Wärmezufuhr zum Kryodruckspeicher unter bestimmten Betriebsbedingungen aus dem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Zugleich wird die überschüssige elektrische Energie des Brennstoffzellensystems statt an die Umgebung, direkt als Wärme an das Kryodruckspeichersystem abgegeben. Die Wärme kann an dem Kryodruckspeichersystem genutzt werden, um das Druckgas während der Entnahme zu Erwärmen und auf Betriebstemperatur der restlichen Einrichtung zu bringen. Es kann also auch notwendig sein, das Druckgas im Speicherbehälter selbst zu erwärmen.
Die Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle ist vorzugsweise mit einem Wärmeaufnehmer zum Aufnehmen von Wärme aus der Brennstoffzelle gestaltet. Ferner ist die Wärmeinrichtung zum Wärmen von zu entnehmendem Druckgas vorteilhaft mit einem Wärmeabgeber zum Abgeben von Wärme an das Druckgas gestaltet. Dabei ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, dass der Wärmeaufnehmer mit dem Wärmeabgeber über eine fluidleitende Verbindung in einen Kreisfluss eines Fluids als Wärmeträger bzw. Kühlmittel schaltbar ist. Das Kühlmittel ist besonders bevorzugt eine Flüssigkeit. Mit der derartigen Verschaltung des Wärmeaufnehmers an der Brennstoffzelle mit dem Wärmeabgeber am Kryodrucktank kann mittels einer einfachen fluidleitenden Kopplung die gewünschte Wärmeübertragung in einfacher und gut steuerbarer Weise realisiert werden. Die Steuerung der Fluidströme kann dabei mittels elektromagnetischer Steuerventile und zugehöriger elektronischer Steuergeräte in bewährter Technik realisiert werden.
Der Wärmeaufnehmer ist bevorzugt mit einem Brennstoffzellen-Wärmeübertrager und einer Brennstoffzellen-Kühlmittelpumpe gestaltet, die in einen ersten fluidleitenden Kreislauf geschaltet sind. Für die derartige Gestaltung kann größtenteils die bei bekannten Brennstoffzellensystemen bereits vorhandene Kühltechnik wiederverwendet werden.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise ein Kühler zum Abgeben von Wärme an die Umgebung vorgesehen, der in den ersten fluidleitenden Kreislauf schaltbar ist. Mit dem Kühler kann überschüssige Energie aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben werden. Damit kann die Wärmeabgabe aus der Brennstoffzelle alternativ hin zum Kryodrucktank oder zur Umgebung erfolgen. Es kann bei entsprechender Steuerung nur ein Teil der überschüssigen Wärme der Brennstoffzelle an den Kryodrucktank geleitet werden, während nur der Rest an die Umgebung abgegeben wird.
Vorteilhaft ist ferner der Wärmeabgeber mit mindestens einem Speicherbehälter-Wärmeübertrager und einer Speicherbehälter-Kühlmittelpumpe gestaltet, die in einen zweiten fluidleitenden Kreislauf geschaltet sind. Dieser zweite fluidleitende Kreislauf kann ebenfalls größtenteils mit bereits bestehenden Komponenten des Speicherbehälters und dessen Zusatzkomponenten realisiert werden.
Besonders bevorzugt sind dabei an dem Speicherbehälter ein Hauptstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager und ein Nebenstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager vorgesehen.
In dem zweiten fluidleitenden Kreislauf ist ferner vorzugsweise ein elektrischer Heizer vorgesehen. Mit dem elektrischen Heizer kann dem Speicherbehälter Wärmeenergie mittels der Energieform elektrischer Strom zugeführt werden.
Der Heizer kann auch ausschließlich zum Erwärmen des im zweiten fluidleitenden Kreislaufs strömenden wärmeübertragenden Mediums bzw. Fluids dienen. Diese Art der Erwärmung des Fluids für den Wärmeabgeber am Speicherbehälter ist auch im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung möglich, indem der elektrische Heizer unmittelbar von der Brennstoffzelle angetrieben ist. Darüber hinaus kann der Heizer als Zuheizer dienen, welcher zusätzlich zum Brennstoffzellensystem dem Wärmeabgeber am Speicherbehälter Wärmeenergie zuführt. Auch für diese Funktion ist der Heizer vorteilhaft von der Brennstoffzelle angetrieben.
Besonders bevorzugt ist der Wärmeaufnehmer in den ersten fluidleitenden Kreislauf geschaltet und der Wärmeabgeber in den zweiten fluidleitenden Kreislauf geschaltet und zum Herstellen des Kreisflusses zwischen Speicherbehälter und Brennstoffzelle sind die beiden Kreisläufe sich in einem Abschnitt überdeckend schaltbar. Mit der derartigen Ineinanderschaltung der beiden Kreisläufe von Speicherbehälter und Brennstoffzelle kann eine kompakte Anordnung, mit kurzen Strömungswegen und besonders einfacher Steuertechnik realisiert werden.
Gemäß den oben genannten Vorteilen ist die Erfindung entsprechend auch speziell auf eine Verwendung einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Kraftfahrzeug gerichtet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird dem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, durch das Wasserstoff-Kryodruckspeichersystem zusätzliche Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem unter bestimmten Betriebsbedingungen bei höherer Leistung betrieben werden. Die zusätzliche Kühlleistung kann ungeregelt direkt in den Wärmeabgeber des Kryodrucktanks eingespeist werden, oder aber geregelt und zu bestimmten Zeiträumen. Ferner wird gemäß der Erfindung die überschüssige elektrische Energie des Brennstoffzellensystems effizient verwendet, um insbesondere bei besonders niedrigen Außentemperaturen einen zuverlässigen Betrieb des Kryodruckspeichersystems und eine ausreichende und frühzeitige Erwärmung des Wasserstoffs für das Brennstoffzellensystem sicherzustellen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und
2 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die 1 und 2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10, die zum Antreiben eines weiter nicht veranschaulichten Hybridfahrzeugs oder sonstigen Fahrzeugs mit zumindest einem elektrischen Antriebsmotor dient und dazu eine Brennstoffzelle 12 sowie einen Speicherbehältern 14 zum Speichern von komprimiertem Wasserstoffgas (CcH₂, cryocompressed H₂) umfasst. Die Brennstoffzelle 12 weist für Ihre Kühlung eine Kühleinrichtung 16 auf, die mit einem Wärmeaufnehmer 18 gebildet ist. Der Wärmeaufnehmer 18 nimmt Wärmeenergie aus der Brennstoffzelle 12 auf und gibt diese an ein Fluid ab, welches in den Wärmeaufnehmer 18 mittels einer Leitung 20 eingeleitet wird. Das Fluid wird mittels einer in der Leitung 20 angeordneten Pumpe 22 durch den Wärmeaufnehmer 18 hindurchgefördert und gelangt durch eine Leitung 24 aus diesem heraus.
Die Leitung 24 ist dabei mittels einer Leitung 26, einem Ventil 28 und einer Leitung 30 mit der Leitung 20 in einen ersten fluidleitenden Kreislauf 32 schaltbar. Ferner zweigt von der Leitung 24 eine Leitung 34 ab, die zu einem Kühler 36 führt. Durch den Kühler 36 kann mittels eines Ventilators 38 Kühlluft hindurchgeführt werden, um dem durch die Leitung 34 einströmenden Fluid Wärmeenergie zu entziehen. Das Fluid gelangt nachfolgend durch eine Leitung 40 zurück zum Ventil 28.
Auf diese Weise kann mittels des Kühlers 36 eine Kühlung der Brennstoffzelle 12 erzielt werden. Die Kühlleistung des Kühlers 36 ist jedoch durch dessen zur Verfügung stehende Kühlfläche begrenzt. Die Kühlfläche kann aufgrund von Bauraumbeschränkungen am Fahrzeug nicht beliebig vergrößert werden.
An dem Speicherbehälter 14 ist eine Wärmeinrichtung 42 vorgesehen, die zum Wärmen des aus dem Speicherbehälter 14 zu entnehmenden tiefkalten Gases dient und dazu mit einem Wärmeabgeber 44 gestaltet ist. Der Wärmeabgeber 44 ist mit einem Hauptstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager 46 und einem Nebenstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager 48 gebildet, durch die Fluid mittels einer Leitung 50 Fluid hindurchgefördert werden kann. Das Fluid wird dabei mittels einer Pumpe 52 aus einer Leitung 54 zugeführt und aus den Speicherbehälter-Wärmeübertragern 46 und 48 mittels einer Leitung 56 abgeführt.
Der Hauptstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager 46 ist dabei von einer Hauptstrom-Gasleitung 58 und der Nebenstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager 48 von einer Nebenstrom-Gasleitung 60 durchsetzt, durch die jeweils das zu erwärmende Gas aus dem Speicherbehälter 14 geleitet wird.
Die Leitung 56 ist über die Leitung 26, das Ventil 28 und die Leitung 30 sowie die Leitung 54 in einen zweiten fluidleitenden Kreislauf 62 schaltbar. Dieser zweite fluidleitende Kreislauf 62 überdeckt sich dabei im Bereich der Leitung 26 und der Leitung 30 mit dem ersten fluidleitenden Kreislauf 32. Auf diese Weise ist eine fluidleitende und dabei wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Wärmeaufnehmer 18 und dem Wärmeabgeber 44 geschaffen. Damit ist also die Kühleinrichtung 16 der Brennstoffzelle 12 mit der Wärmeeinrichtung 42 des Speicherbehälters 14 derart gekoppelt, dass Wärmeenergie aus der Brennstoffzelle 12 an das vom Speicherbehälter 14 zu entnehmende und dabei zu erwärmende Druckgas abgegeben werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann Wärmeenergie aus dem Wärmeaufnehmer 18 über den Kühler 36 abgegeben werden. Sämtliche dazu erforderlichen Schaltvorgänge können mit dem Ventil 28 erfüllt werden.
In die Leitung 54 ist ferner ein elektrischer Heizer 64 geschaltet, der mittels zweier elektrischer Leitungsverbindungen 66 direkt aus der Brennstoffzelle 12 mit elektrischem Strom gespeist werden kann. Der Heizer 64 dient dazu, alternativ oder zusätzlich zum Wärmeaufnehmer 18 der Kühleinrichtung 16 das durch die Leitungen 56, 26, 30, 54 und 50 strömende Fluid zu erwärmen, damit dieses die erforderliche Menge an Wärmeenergie an das durch die Speicherbehälter-Wärmeübertrager 46 und 48 strömende Gas abgeben kann.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 veranschaulicht, bei der in dem zweiten fluidleitenden Kreislauf 62 zusätzlich eine Leitung 68 vorgesehen ist. Diese Leitung 68 verbindet als Bypassleitung die Leitung 56 mit der Leitung 54. Dabei mündet die Leitung 68 an einem Ventil 70 in die Leitung 54 und zwar in Strömungsrichtung vor dem elektrischen Heizer 64. Die Leitung 68 dient dazu das zu fördernde und zu erwärmende Fluidvolumen im zweiten fluidleitenden Kreislauf 62 möglichst gering zu halten, wenn die Wärmeenergie für das Erwärmen des Gases am Speicherbehälter 14 allein durch den Heizer 64 zur Verfügung gestellt wird.

Claims

Vorrichtung (10), insbesondere Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle (12) und einem Speicherbehälter (14) von kryogenem Druckgas, bei der die Brennstoffzelle (12) mit einer Kühleinrichtung (16) zum Kühlen der Brennstoffzelle (12) und der Speicherbehälter (14) mit einer Wärmeinrichtung (42) zum Wärmen von zu entnehmendem Druckgas versehen sind und bei der die Kühleinrichtung (16) mit der Wärmeinrichtung (42) wärmeübertragend gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kühleinrichtung (16) mit einem Wärmeaufnehmer (18) zum Aufnehmen von Wärme aus der Brennstoffzelle (12) sowie die Wärmeinrichtung (42) mit einem Wärmeabgeber (44) zum Abgeben von Wärme an das Druckgas gestaltet sind, und der Wärmeaufnehmer (18) mit dem Wärmeabgeber (44) über eine fluidleitende Verbindung (24, 26, 30, 50, 54, 56) in einen Kreisfluss schaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wärmeaufnehmer (18) mit einem Brennstoffzellen-Wärmeübertrager und einer Brennstoffzellen-Kühlmittelpumpe (22) gestaltet ist, die in einen ersten fluidleitenden Kreislauf (32) geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein Kühler (36) zum Abgeben von Wärme an die Umgebung vorgesehen ist, der in den ersten fluidleitenden Kreislauf (32) schaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der der Wärmeabgeber (44) mit mindestens einem Speicherbehälter-Wärmeübertrager (46, 48) und einer Speicherbehälter-Kühlmittelpumpe (52) gestaltet ist, die in einen zweiten fluidleitenden Kreislauf (62) geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der ein Hauptstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager (46) und ein Nebenstrom-Speicherbehälter-Wärmeübertrager (48) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der in dem zweiten fluidleitenden Kreislauf (62) ein elektrischer Heizer (64) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der elektrische Heizer (64) von der Brennstoffzelle (12) angetrieben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Wärmeaufnehmer (18) in einen ersten fluidleitenden Kreislauf (32) geschaltet ist und der Wärmeabgeber (44) in einen zweiten fluidleitenden Kreislauf (62) geschaltet ist und zum Herstellen eines Kreisflusses die beiden Kreisläufe (32, 62) sich in einem Abschnitt (26, 30) überdeckend schaltbar sind.
Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an einem Kraftfahrzeug.