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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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Im Betrieb von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen erfolgt die Versorgung des Fahrzeugs bzw. von Komponenten des Fahrzeugs mit elektrischer Energie üblicherweise über ein Bordnetz des Fahrzeugs, das über eine Lichtmaschine gespeist wird, die mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden ist. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine kann die Versorgung mit elektrischer Energie mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems realisiert werden, das häufig auch als APU bezeichnet wird, wobei APU für Auxiliary Power Unit steht. Ein Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug zur Anwendung kommt, umfasst üblicherweise einen Reformer zum Erzeugen eines Reformatgases aus einem Brennstoff. Beim Brennstoff handelt es sich bevorzugt um denselben Brennstoff, mit dem auch die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs versorgt wird. Der Reformer arbeitet üblicherweise mit katalytischer Reformierung, um mittels partieller Oxidation ein wasserstoffhaltiges Reformatgas generieren zu können. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle zum Verstromen des anodenseitigen Reformatgases mit kathodenseitiger Brennstoffzellenluft. Zweckmäßig kommen dabei Festkörper-Brennstoffzellen bzw. Hochtemperatur-Brennstoffzellen zum Einsatz, sogenannte SOFC, wobei SOFC für Solid Oxide Fuel Cell steht. Der Begriff „Verstromen“ bzw. „Verstromung“ steht dabei für den Brennstoffzellenprozess, bei dem elektrischer Strom während der Umsetzung des Wasserstoffs im Reformatgas mit dem Sauerstoff in der Reformerluft entsteht.
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Zum Abführen von Brennstoffzellenabgas ist das Brennstoffzellensystem zweckmäßig mit einer eigenen Abgasanlage ausgestattet, die beispielsweise einen Oxidationskatalysator enthalten kann.
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Um ein Fahrzeug bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine beheizen zu können, kann das Fahrzeug mit einer Standheizungsanlage ausgestattet sein, die einen Brenner umfasst, der zweckmäßig mit demselben Brennstoff betrieben wird, mit dem auch die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs betrieben wird. Die Standheizungsanlage kann dabei als sogenannter „Zuheizer“ ausgestaltet sein, so dass ein Standheizungswärmetauscher einerseits in einen Kühlkreis der Brennkraftmaschine und andererseits in einen Abgasstrang des Standheizungsbrenners eingebunden ist. Zum Beheizen eines Luftstroms, mit dem ein Passagierraum des Fahrzeugs beheizt werden soll, kann in den Kühlkreis der Brennkraftmaschine ein entsprechender Wärmetauscher integriert sein, der einerseits in den Kühlkreis und andererseits in einen Heizungsluftpfad eingebunden ist. Ebenso ist es möglich, die Standheizungsanlage speziell zum Aufheizen dieses Heizungsluftstroms auszugestalten, wobei dann ein Standheizungswärmetauscher einerseits in den Abgasstrang des Standheizungsbrenners und andererseits in den Heizungsluftpfad eingebunden ist. Eine derartige Zuheizfunktion kann zum einen dafür genutzt werden, um bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine diese rascher auf Betriebstemperatur zu bringen. Zum anderen lässt sich eine derartige Zuheizfunktion dazu nutzen, den Kühlkreis für Betriebszustände der Brennkraftmaschine Wärme zuzuführen, in denen die Brennkraftmaschine nicht genügend Abwärme erzeugt, beispielsweise um eine hinreichende Beheizung des Fahrgastraums des Fahrzeugs zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Funktionalität auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Fahrzeugbrennstoffzellensystem mit einer Standheizungsfunktion auszustatten. Dabei soll Abwärme des Brennstoffzellensystems zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums und/oder des Kühlkreises der Brennkraftmaschine genutzt werden. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Zusatzfunktion für das Brennstoffzellensystem, die es insbesondere ermöglicht, in einem Fahrzeug, das mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, auf eine herkömmliche Standheizungsanlage zu verzichten.
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Zur Realisierung der Standheizungsfunktion wird das Fahrzeugbrennstoffzellensystem mit einem Standheizungswärmetauscher ausgestattet, mit dessen Hilfe Wärme des Brennstoffzellenabgases auf ein Heizmedium einer Standheizungsanlage übertragen werden kann. Hierzu ist der Standheizungswärmetauscher einerseits in die Brennstoffzellenabgasanlage und andererseits in einen Heizmediumpfad eingebunden. Der Heizmediumpfad kann dabei entweder unmittelbar ein Heizungsluftpfad sein, in dem die Heizungsluft zum Beheizen des Fahrgastraums geführt wird. Alternativ kann es sich beim Heizmediumpfad auch um einen Abschnitt eines Motorkühlkreises handeln, in dem sich ein zusätzlicher Wärmetauscher zum Beheizen des Heizungsluftstroms befindet. Sofern es sich beim Heizmediumpfad um einen Abschnitt des Motorkühlkreises handelt, kann mit Hilfe des hier vorgestellten Fahrzeugbrennstoffzellensystems außerdem die Funktion eines Zuheizers übernommen werden, mit dessen Hilfe beispielsweise eine Kaltstartphase der Brennkraftmaschine reduziert werden kann.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle besitzen die Brennstoffzellenabgase vergleichsweise hohe Temperaturen, so dass im Standheizungswärmetauscher vergleichsweise viel Wärme auf das Heizmedium übertragen werden kann. Selbst für den Fall, dass die Brennstoffzelle nicht oder noch nicht im Betrieb sein sollte, besitzt das vom Reformer erzeugte Reformatgas eine vergleichsweise hohe Temperatur, die ebenfalls ausreicht, vergleichsweise viel Wärme auf das Heizmedium übertragen zu können. Falls eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelle selbst nicht erforderlich sein sollte, kann ein Bypass zur Umgehung der Anodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen sein, so dass das Reformatgas unter Umgehung der Brennstoffzelle den Standheizungswärmetauscher oder – falls vorhanden – einem weiter unten erläuterten Restgasbrenner zugeführt werden kann.
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Beim erfindungsgemäßen Fahrzeugbrennstoffzellensystem ist außerdem in der Brennstoffzellenabgasanlage ein Bypass zur Umgehung des Standheizungswärmetauschers vorgesehen. Auf diese Weise kann in Betriebsphasen des Brennstoffzellensystems, in denen die Standheizungsfunktion nicht benötigt wird, das Brennstoffzellenabgas am Standheizungswärmetauscher vorbeigeführt werden, um einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Heizmediumpfad zu vermeiden.
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Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Fahrzeugbrennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung ausgestattet, die so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine Strömung des Brennstoffzellenabgases durch den Standheizungswärmetauscher und/oder durch den Bypass gesteuert werden kann. Insbesondere kann die Steuereinrichtung entweder den gesamten Brennstoffzellenabgasstrom durch den Standheizungswärmetauscher oder durch den Bypass führen. Ebenso ist für die Steuereinrichtung eine Ausgestaltung möglich, bei der sie wenigstens eine Zwischenstellung realisieren kann, bei der die Brennstoffzellenabgasströmung auf den Standheizungswärmetauscher und auf den Bypass aufgeteilt wird. Insbesondere ist eine Ausführungsform denkbar, bei der mehrere, vorzugsweise beliebige, verschiedene Aufteilungen des Brennstoffzellenabgasstroms auf den Standheizungswärmetauscher und auf den Bypass möglich sind.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeugbrennstoffzellensystem kann insbesondere mit einer Reformerbrennstoffleitung ausgestattet sein, die den Reformer mit Brennstoff versorgt. Ferner kann eine Reformerluftleitung vorgesehen sein, die den Reformer mit Reformerluft versorgt, die zum Erzeugen des Reformatgases mit dem Brennstoff umgesetzt wird. Ferner kann eine Reformatgasleitung vorgesehen sein, die den Reformer mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbindet, um das Reformatgas der Anode der Brennstoffzelle zuführen zu können. Ebenso kann eine Brennstoffzellenluftleitung vorgesehen sein, die an die Kathodenseite der Brennstoffzelle angeschlossen ist, um deren Kathode mit Brennstoffzellenluft zu versorgen.
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Als Brennstoff zum Betreiben des Reformers wird Diesel bzw. Biodiesel bevorzugt, wobei andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, wie z.B. Benzin bzw. Biobenzin und Erdgas, ebenso möglich sind.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein in der Abgasanlage stromauf des Standheizungswärmetauschers angeordneter Restgasbrenner vorgesehen sein, mit dessen Hilfe Anodenabgas der Brennstoffzelle mit Kathodenabgas der Brennstoffzelle umgesetzt werden kann. Je nach Strombedarf und je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle kann das aus der Brennstoffzelle anodenseitig austretende Anodenabgas mehr oder weniger noch nicht umgesetzten, hochreaktiven Wasserstoff enthalten, der mit restlichem Sauerstoff des Kathodenabgases umgesetzt werden kann. Optional kann an den Restgasbrenner eine Restgasbrennerluftleitung angeschlossen sein, um bedarfsabhängig zusätzlich Luft zuzuführen. In der Regel dient jedoch die Restgasbrennerluft nicht zur Bereitstellung von Oxidator, sondern zur Verdünnung des Kathodenabgases und/oder zur Kühlung des Verbrennungsprozesses im Restgasbrenner.
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Mit Hilfe der Umsetzung des Anodenabgases im Restgasbrenner wird ein Restgasbrennerabgas erzeugt, das vom Restgasbrenner abgeführt wird und aufgrund der Positionierung des Restgasbrenners stromauf des Standheizungswärmetauschers nachfolgend dem Standheizungswärmetauscher zugeführt wird. Somit kann vergleichsweise viel Wärme bereitgestellt werden, um das jeweilige Heizmedium aufzuheizen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Fahrzeugbrennstoffzellensystem mit einem Startbrenner ausgestattet sein, mit dessen Hilfe ein geeigneter Brennstoff, vorzugsweise derselbe Brennstoff, der auch vom Reformer bzw. von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs verwendet wird, mit Startbrennerluft umgesetzt werden kann. Eine Startbrennerabgasleitung kann nun das bei der Umsetzung von Brennstoff mit Startbrennerluft entstehende Startbrennerabgas in die Brennstoffzellenabgasanlage einleiten, und zwar stromauf des Standheizungswärmetauschers. Üblicherweise kann ein derartiger Startbrenner für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems dazu genutzt werden, den Reformer und/oder die Brennstoffzelle vorzuheizen. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, die Startbrennerabgasleitung an die Abgasanlage des Brennstoffzellensystems stromauf des Standheizungswärmetauschers anzuschließen, kann über den Startbrenner auch dann hinreichend Wärme auf der Abgasseite dem Standheizungswärmetauscher zugeführt werden, wenn sowohl die Brennstoffzelle als auch der Reformer nicht oder noch nicht im Betrieb sind. Somit lässt sich das hier vorgestellte Fahrzeugbrennstoffzellensystem auch gezielt nur als Standheizung betreiben, indem nur der Startbrenner aktiviert wird.
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Zur Versorgung mit Brennstoff kann eine Startbrennerbrennstoffleitung vorgesehen sein, die auf geeignete Weise an den Startbrenner angeschlossen ist. Um dem Startbrenner die benötigte Startbrennerluft zuführen zu können, ist ferner zweckmäßig eine Startbrennerluftleitung vorgesehen, die auf geeignete Weise an den Startbrenner angeschlossen ist. Die Startbrennerabgasleitung ist bevorzugt stromab des zuvor genannten Restgasbrenners an die Brennstoffzellenabgasanlage angeschlossen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Reformer einen den Reformer zumindest teilweise umschließenden Reformerheizmantel aufweisen, der über einen Heizungsvorlauf an die Startbrennerabgasleitung angeschlossen ist und der über einen Heizungsrücklauf entweder an die Startbrennerabgasleitung oder direkt an die Brennstoffzellenabgasanlage angeschlossen ist. Hierdurch ist es mit Hilfe des Startbrenners möglich, den Reformer zur Verkürzung der Warmstartphase während eines Kaltstarts vorzuheizen. Dabei kann der Reformerheizmantel bevorzugt einen Bereich des Reformers umschließen, in dem sich ein Katalysator des Reformers befindet, mit dessen Hilfe die katalytische partielle Oxidation des Brennstoff-Luft-Gemischs im Reformer durchgeführt werden soll.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann die Brennstoffzelle einen die Brennstoffzelle zumindest teilweise umschließenden Brennstoffzellenheizmantel aufweisen, der über einen Heizungsvorlauf an die Startbrennerabgasleitung angeschlossen ist und der über einen Heizungsrücklauf entweder an die Startbrennerabgasleitung oder direkt an die Brennstoffzellenabgasanlage angeschlossen ist. Hierdurch ist es mit Hilfe des Startbrenners möglich, die Brennstoffzelle im Rahmen eines Kaltstarts vorzuheizen, um die Warmlaufphase zu verkürzen. Üblicherweise besteht die Brennstoffzelle aus einem Stapel mehrerer, in einer Stapelrichtung aufeinander geschichteter Brennstoffzellenelemente, die jeweils einen Elektrolyten und jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweisen. Zur Realisierung von Eduktanschlüssen sind üblicherweise Endplatten vorgesehen, die den Stapel aus Brennstoffzellenelementen stirnseitig bezüglich der Stapelrichtung begrenzen. Der Brennstoffzellenheizmantel kann nun zumindest innerhalb dieser Endplatten ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, einen in der Umfangsrichtung geschlossenen Brennstoffzellenheizmantel bereitzustellen.
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Zusätzlich oder alternativ kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform ein gemeinsamer Heizungsvorlauf vorgesehen sein, um den Reformerheizmantel und den Brennstoffzellenheizmantel mit heißem Startbrennerabgas zu versorgen. Ebenso kann ein gemeinsamer Heizungsrücklauf vorgesehen sein, der das Startbrennerabgas vom Reformerheizmantel und vom Brennstoffzellenheizmantel entweder zur Startbrennerabgasleitung oder zur Brennstoffzellenabgasanlage führt. Dabei können der Reformerheizmantel und der Brennstoffzellenheizmantel entweder in Reihe geschaltet sein, um beispielsweise zuerst den Reformerheizmantel und anschließend den Brennstoffzellenheizmantel mit dem heißen Startbrennerabgas zu beaufschlagen. Bevorzugt ist jedoch eine Parallelschaltung, so dass der Reformerheizmantel und der Brennstoffzellenheizmantel mit separaten Teilströmen des Startbrennerabgases beaufschlagt werden. Sofern ein gemeinsamer Heizungsvorlauf vorgesehen ist, zweigt dieser dann entsprechend ab, so dass separate Vorlaufzweige zum Reformerheizmantel und zum Brennstoffzellenheizmantel führen. Sofern ein gemeinsamer Heizungsrücklauf vorgesehen ist, werden dann entsprechende Rücklaufzweige, die vom Reformerheizmantel und vom Brennstoffzellenheizmantel kommen, zusammengeführt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Teil der Brennstoffzellenluft durch einen Restgaswärmetauscher geführt werden, der zur Durchströmung mit Restgasbrennerabgas in der Brennstoffzellenabgasanlage angeordnet ist, und zwar vorzugsweise stromauf des Standheizungswärmetauschers. Auf diese Weise kann heiße Brennstoffzellenluft erzeugt werden, um die Warmlaufzeit zu verkürzen bzw. um den Brennstoffzellenprozess zu verbessern.
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Zusätzlich oder alternativ kann bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform zumindest ein Teil der Brennstoffzellenluft durch einen Startbrennerwärmetauscher geführt werden, der zur Durchströmung mit Startbrennerabgas in der Startbrennerabgasleitung angeordnet ist, und zwar vorzugsweise stromauf des Standheizungswärmetauschers. Auf diese Weise lässt sich auch mit Hilfe des Startbrenners die Brennstoffzellenluft vorheizen, um die Warmlaufzeit zu verkürzen bzw. um den Brennstoffzellenprozess zu verbessern.
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Zweckmäßig können ein durch den Restgaswärmetauscher geführter Zweig der Brennstoffzellenluftleitung und ein durch den Startbrennerwärmetauscher geführter Zweig der Brennstoffzellenluftleitung stromauf der Brennstoffzelle zusammengeführt sein, um eine gemeinsame Zuleitung der vorgeheizten Brennstoffzellenluft zur Brennstoffzelle zu ermöglichen. Des Weiteren kann ein weiterer Zweig der Brennstoffzellenluftleitung vorgesehen sein, der unter Umgehung des Restgaswärmetauschers und des Startbrennerwärmetauschers an den gemeinsamen Abschnitt der Brennstoffzellenluftleitung angeschlossen ist. Dies kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn die Brennstoffzelle bei hoher Leistungsabgabe keine vorgeheizte Brennstoffzellenluft benötigt und/oder mit Hilfe der Brennstoffzellenluft gekühlt werden soll.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Anodenabgasrückführung zum Rückführen von Anodenabgas zum Reformer vorgesehen sein. Mit Hilfe einer derartigen Anodenabgasrückführung lässt sich gegebenenfalls im Anodenabgas enthaltener Restwasserstoff im Reformer zum Verbessern des Reformerprozesses nutzen. Zweckmäßig kann die Anodenabgasrückführleitung an die Reformerluftleitung angeschlossen sein, so dass dem Reformer ein Gemisch aus Reformerluft und rückgeführtem Anodenabgas zugeführt wird.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Luftversorgungseinrichtung zum Versorgen zumindest des Reformers mit Reformerluft und der Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenluft vorgesehen sein. Insbesondere kann eine derartige Luftversorgungseinrichtung somit eine einzige bzw. gemeinsame Fördereinrichtung, beispielsweise ein Gebläse oder eine Pumpe, zum Antreiben der Luft nutzen, wobei mit Hilfe einer geeigneten Verteilereinrichtung, z.B. in Form einer Verteilerleiste mit integrierten Ventilen, die Luft in erforderlicher Weise auf den Reformer sowie die Brennstoffzelle aufgeteilt werden kann. Des Weiteren kann die Luftversorgungseinrichtung auch zum Versorgen des Restgasbrenners mit Restgasbrennerluft und/oder des Startbrenners mit Startbrennerluft dienen. Entsprechende Luftversorgungsleitungen gehen dann von besagter Verteilereinrichtung ab, wobei mit Hilfe einer geeigneten Ventileinrichtung die jeweils gewünschte Aufteilung des Luftstroms auf die einzelnen Luftverbraucher erfolgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Heizmedium Heizungsluft zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums sein, wobei dann zweckmäßig im Heizmediumpfad ein Gebläse zum Antreiben des Heizmediums angeordnet ist. Dabei kann es sich um ein spezielles Gebläse der Standheizungsanlage oder aber um ein Gebläse einer Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeuges handeln, die ohnehin bereits im Fahrzeug vorhanden ist. In diesem ersten Fall ermöglicht das hier vorgestellte Fahrzeugbrennstoffzellensystem einen reinen Standheizungsbetrieb zum Beheizen des Fahrgastraums.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Heizmedium ein Kühlmittel eines Kühlkreises einer Brennkraftmaschine sein, wobei der Kühlkreis eine Kühlmittelpumpe zum Antreiben des Kühlmittels im Kühlkreis aufweist und wobei der Kühlkreis außerdem einen Heizungswärmetauscher zum Erwärmen von Heizungsluft zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums enthält, die hierzu insbesondere mit Hilfe eines Gebläses angetrieben sein kann. In diesem zweiten Fall kann das Fahrzeugbrennstoffzellensystem als Standheizung und außerdem als Zuheizer genutzt werden, um die Brennkraftmaschine vorzuheizen bzw. um die Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine zu verkürzen.
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Für den jeweiligen Heizauftrag des Brennstoffzellensystems als Zuheizer und/oder als Standheizung kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle hierzu nicht aktiviert wird. Sofern ein Startbrenner vorhanden ist, kann außerdem vorgesehen sein, dass auch der Reformer nicht aktiviert wird. Elektrischer Strom zum Antreiben des jeweiligen Gebläses bzw. der Kühlmittelpumpe kann dann über ein Bordnetz des Fahrzeugs mittels einer Batterie bereitgestellt werden. Ist dagegen auch ein Strombedarf gegeben, der mit Hilfe des Brennstoffzellensystems gedeckt werden soll, werden Reformer und Brennstoffzelle aktiviert. Über den steuerbaren Bypass kann dabei stets die Wärmezufuhr zum Standheizungswärmetauscher reguliert werden.
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Beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren, mit dem das vorstehend betriebene Fahrzeugbrennstoffzellensystem betrieben werden kann, kann für einen reinen Standheizungsbetrieb vorgesehen sein, dass hierzu der Startbrenner aktiviert wird, während der Reformer und somit auch die Brennstoffzelle deaktiviert bleiben. Für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems kann vorgesehen sein, dass zuerst der Startbrenner aktiviert wird, um den Reformer mittels Startbrennerabgas vorzuheizen. Ferner kann der Reformer aktiviert werden, sobald dieser hinreichend vorgeheizt ist. Des Weiteren kann der Restgasbrenner aktiviert werden, sobald der Reformer Reformatgas erzeugt. Des Weiteren ist es möglich, die Brennstoffzelle über Brennstoffzellenluft, die mittels dem Startbrenner bzw. mittels dem Restgasbrenner vorgeheizt ist, aufzuheizen. Zusätzlich oder alternativ lässt sich die Brennstoffzelle auch über Startbrennerabgas und/oder über das Reformatgas aufheizen. Schließlich wird die Brennstoffzelle aktiviert, sobald sie hinreichend aufgeheizt ist. Sobald die Brennstoffzelle aktiv ist, übernimmt sie bei ausgeschalteter Brennstoffmaschine die Stromversorgung sämtlicher elektrischen Verbraucher des Brennstoffzellensystems und des Fahrzeugs.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems.
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Entsprechend 1 umfasst ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem 1 einen Reformer 2, eine Brennstoffzelle 3, eine Brennstoffzellenabgasanlage 4, einen Standheizungswärmetauscher 5, einen Bypass 6 und eine Steuereinrichtung 7. Der Reformer 2 dient zum Erzeugen eines Reformatgases aus einem Brennstoff. Hierzu wird dem Reformer 2 über eine Reformerbrennstoffleitung 8, in der eine entsprechende Fördereinrichtung 9 angeordnet ist, Brennstoff zugeführt. Der Brennstoff wird dabei aus einem Reservoir 10 angesaugt. Zweckmäßig dient das Reservoir 10 außerdem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine 11 mit Kraftstoff. Eine entsprechende Motorbrennstoffleitung 12 dient zur Versorgung der Brennkraftmaschine 11 mit Brennstoff und kann ebenfalls eine geeignete Fördereinrichtung 13 enthalten. Zur Versorgung des Reformers 2 mit Reformerluft ist eine Reformerluftleitung 14 vorgesehen, die durch einen Zweig einer Luftversorgungseinrichtung 15 gebildet ist, die eine gemeinsame Fördereinrichtung 16 und eine Verteilereinrichtung, hier in Form einer Verteilerleiste 17, umfasst. Die Reformerluftleitung 14 zweigt von der Verteilerleiste 17 ab. Ventilmittel zum Einstellen eines Brennstoffzellenluftstroms sind hier nicht dargestellt und können beispielsweise in die Verteilleiste 17 integriert sein.
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Die Brennstoffzelle 3 dient zum Verstromen des Reformatgases mit Brennstoffzellenluft. Hierzu wird das Reformatgas über eine Reformatgasleitung 18 einer Anode bzw. Anodenseite 19 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Mit Hilfe einer Brennstoffzellenluftleitung 20 wird eine Kathode bzw. Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenluft versorgt. Im Beispiel ist die Brennstoffzellenluftleitung 20 ebenfalls ein Zweig der Luftversorgungseinrichtung 15 und zweigt von der Verteilerleiste 17 ab. In der Brennstoffzelle 3 trennt ein Elektrolyt 22 die Anodenseite 19 von der Kathodenseite 21. Am Elektrolyten 22 sind entsprechende, hier nicht gezeigte Elektroden angeordnet, über welche der mit Hilfe der Brennstoffzelle 3 generierte Strom bzw. die daran anliegende elektrische Spannung abgegriffen werden kann.
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Die Brennstoffzellenabgasanlage 4 umfasst eine Brennstoffzellenabgasleitung 23 und dient zum Abführen von Brennstoffzellenabgas. Der Standheizungswärmetauscher 5 ist in die Brennstoffzellenabgasanlage 4 bzw. in deren Abgasleitung 23 eingebunden. Außerdem ist der Standheizungswärmetauscher 5 in einen Heizmediumpfad 24 eingebunden, der im hier gezeigten Beispiel durch einen Kühlkreis 25 gebildet ist. Beim Kühlkreis 25 handelt es sich um einen Motorkühlkreis, der zum Kühlen der Brennkraftmaschine 11 dient und dementsprechend auf geeignete Weise durch einen Motorblock 26 der Brennkraftmaschine 11 hindurchgeführt ist. Der Kühlkreis 25 enthält eine Kühlmittelpumpe 27 zum Antreiben des Kühlmittels. Ferner ist ein Bypass 28 vorgesehen, der den Motorblock 26 umgeht. Des Weiteren enthält der Kühlkreis 25 zumindest einen Heizungswärmetauscher 29, mit dessen Hilfe ein Heizungsluftstrom 30 beheizt werden kann. Dieser Heizungsluftstrom 30 wird mit einem Gebläse 31 angetrieben und wird einem Fahrzeuginnenraum 32 zugeführt, um diesen beheizen zu können. Der im Kühlkreis 25 vorgesehene Bypass 28 zur Umgehung des Motorblocks 26 wird im Folgenden als Motorbypass 28 bezeichnet.
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Der in der Abgasanlage 4 vorgesehene Bypass 6 dient zur abgasseitigen Umgehung des Standheizungswärmetauschers 5 und wird im Folgenden als Standheizungsbypass 6 bezeichnet. Die Steuereinrichtung 7 ist im Beispiel der 1 im Standheizungsbypass 6 angeordnet und kann dementsprechend den Durchfluss durch den Bypass 6 bzw. durch den Standheizungswärmetauscher 5 regulieren. Alternativ kann die Steuereinrichtung 7 auch im Standheizungswärmetauscher 5 oder in dem von Standheizungsbypass 6 umgangenen Abschnitt der Brennstoffzellenabgasleitung 23 angeordnet sein. Die Steuereinrichtung 7 kann dabei nach Art eines Ventils, vorzugsweise nach Art einer Abgasklappe, konzipiert sein. Die Steuereinrichtung 7 kann den Standheizungsbypass 6 vollständig sperren, so dass das gesamte in der Abgasanlage 4 transportierte Brennstoffzellenabgas durch den Standheizungswärmetauscher 5 strömt, wodurch eine maximale Wärmemenge auf das im Heizmediumpfad 24 strömende Heizmedium übertragen werden kann, bei dem es sich im gezeigten Beispiel um das Kühlmittel des Kühlkreises 25 handelt. Bei einer anderen Ausführungsform kann mit Hilfe des Standheizungswärmetauschers 5 auch unmittelbar der Heizungsluftstrom 30 beheizt werden, so dass dann das Heizmedium durch die Heizungsluft gebildet ist. Ebenso kann die Steuereinrichtung 7 den Standheizungsbypass 6 maximal öffnen, so dass aufgrund des erhöhten Strömungswiderstandes im Standheizungswärmetauscher 5 im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom der Brennstoffzelle 3 durch den Standheizungsbypass 6 strömt. In diesem Fall ist der Wärmeeintrag vom Brennstoffzellenabgas in das Heizmedium bzw. das Kühlmittel minimiert. Des weiteren sind grundsätzlich beliebige Zwischenstellungen für die Steuereinrichtung 7 denkbar, um eine beliebige Strömungsaufteilung des Brennstoffzellenabgasstroms auf den Standheizungsbypass 6 und auf den Standheizungswärmetauscher 5 einstellen zu können, wodurch eine quasi beliebig feine Regulierung des Wärmeeintrags in das Heizmedium bzw. das Kühlmittel realisierbar ist.
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Die Abgasanlage 4 enthält im gezeigten Beispiel stromauf des Standheizungswärmetauschers 5 einen Restgasbrenner 33, mit dessen Hilfe Anodenabgas der Brennstoffzelle 3 mit Kathodenabgas der Brennstoffzelle 3 thermisch umgesetzt werden kann. Eine Anodenabgasleitung 34 führt von der Anodenseite 19 der Brennstoffzelle 3 zum Restgasbrenner 33. Eine Kathodenabgasleitung 35 führt von der Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle 3 zum Restgasbrenner 33. Die Brennstoffzellenabgasleitung 23 ist an den Restgasbrenner 33 angeschlossen, so dass Restgasbrennerabgas, das bei der Umsetzung von Anodenabgas mit Kathodenabgas im Restgasbrenner 33 entsteht, über die Abgasleitung 23 abgeführt wird. Die Abgasanlage 4 enthält stromab des Restgasbrenners 3 außerdem einen Restgaswärmetauscher 36, durch den ein erster Zweig 37 der Brennstoffzellenluftleitung 20 hindurchgeführt ist, um die Brennstoffzellenluft vorheizen zu können. Der Restgaswärmetauscher 36 ist dabei stromauf des Standheizungswärmetauschers 5 in der Abgasanlage 4 angeordnet. Die Abgasanlage 4 enthält außerdem zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, die im Beispiel stromauf des Standheizungswärmetauschers 5 angeordnet ist und bei der es sich beispielsweise um einen Oxidationskatalysator handeln kann.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist hier außerdem einen Startbrenner 39 auf, mit dessen Hilfe Brennstoff mit Startbrennerluft thermisch umgesetzt werden kann, wobei heißes Startbrennerabgas entsteht, das mit Hilfe einer Startbrennerabgasleitung 40 vom Startbrenner 39 abgeführt und bei 41 der Abgasanlage 4 zugeführt wird. Diese Einleitstelle 41 befindet sich dabei stromauf des Standheizungswärmetauschers 5. Zur Versorgung des Startbrenners 39 mit Brennstoff ist eine Startbrennerbrennstoffleitung 42 vorgesehen, die eine geeignete Fördereinrichtung 43 enthält und die ebenfalls an das Reservoir 10 angeschlossen ist. Somit werden die Brennkraftmaschine 11, der Reformer 2 und der Startbrenner 39 mit demselben Brennstoff betrieben. Eine Startbrennerluftleitung 44 versorgt den Startbrenner 39 mit Startbrennerluft. Diese Startbrennerluftleitung 44 zweigt zweckmäßig von der Verteilerleiste 17 der Luftfördereinrichtung 15 ab. In der Startbrennerabgasleitung 40 kann ein Startbrennerwärmetauscher 45 angeordnet sein, durch den ein zweiter Zweig 46 der Brennstoffzellenluftleitung 20 hindurchgeführt ist. Dieser zweite Zweig 46 wird bei einer Verbindungsstelle 47 mit dem ersten Zweig 37 zusammengeführt, so dass ein gemeinsamer Leitungsabschnitt 48 zur Kathodenseite 21 führt. Ein dritter Zweig 49 der Brennstoffzellenluftleitung 20 umgeht sowohl den Restgaswärmetauscher 36 als auch den Startbrennerwärmetauscher 45 und ist ebenfalls an die Verbindungsstelle 47 angeschlossen. Diese Verbindungsstelle 47 kann als Ventileinrichtung ausgestaltet sein, um die Luftströmung durch die einzelnen Pfade 37, 46 und 49 zum gemeinsamen Abschnitt 48 bedarfsabhängig zu steuern.
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Anstelle von drei separaten Brennstofffördereinrichtungen 9, 13, 43 kann analog zu der gemeinsamen Luftversorgungseinrichtung 15 eine hier nicht gezeigte gemeinsame Brennstoffversorgungseinrichtung vorgesehen sein, die eine Verteilereinrichtung, z.B. in Form einer Verteilerleiste, aufweist, von der einzelne Zweige zum Reformer 2, zur Brennkraftmaschine 11 und zum Startbrenner 39 abgehen, wobei die jeweilige Brennstoffmenge mittels einer entsprechenden Ventileinrichtung separat steuerbar ist.
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Der Reformer 2 besitzt einen Reformerheizmantel 50, der den Reformer 2 hier in einem Axialabschnitt in der Umfangsrichtung umschließt, indem sich innerhalb des Reformers 2 ein Katalysator 51 befindet, mit dessen Hilfe die partielle Oxidation des Brennstoffs mit der Reformerluft erfolgt, um das Reformatgas generieren zu können. Dieser Reformerheizmantel 50 wird über einen Heizungsvorlauf 52 mit Startbrennerabgas versorgt, der bei 53 an die Startbrennerabgasleitung 40 angeschlossen ist. Ein Heizungsrücklauf 54 führt das Startbrennerabgas vom Reformerheizmantel 50 zurück und ist im Beispiel bei 55 an die Startbrennerabgasleitung 40 angeschlossen. Alternativ kann auch gemäß einer unterbrochenen Linie vorgesehen sein, den Heizungsrücklauf 54 direkt an die Abgasanlage 4, zum Beispiel im Bereich der Anbindungsstelle 41 anzuschließen. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem Startbrennerabgas den Reformer 2 vorzuheizen, beispielsweise für einen Kaltstartbetrieb.
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Auf entsprechende Weise kann auch die Brennstoffzelle 3 mit einem Brennstoffzellenmantel 56 ausgestattet sein, der die Brennstoffzelle 3 zumindest teilweise umschließt. Auch der Brennstoffzellenheizmantel 56 ist über einen Heizungsvorlauf und einen Heizungsrücklauf an die Startbrennerabgasleitung 40 bzw. an die Abgasanlage 4 angeschlossen. Im gezeigten Beispiel sind ein gemeinsamer Heizungsvorlauf 52 und ein gemeinsamer Heizungsrücklauf 54 vorgesehen, um die beiden Heizmäntel 50, 56 gemeinsam mit Startbrennerabgas versorgen zu können. Die Beheizung des Reformers 2 und der Brennstoffzelle 3 mit Startbrennerabgas erfolgt hier mittels einer Parallelschaltung. Zu diesem Zweck ist der gemeinsame Heizungsvorlauf 52 bei 57 aufgezweigt, in einen ersten Vorlaufzweig 58, der zum Reformerheizmantel 50 führt, und einen zweiten Vorlaufzweig 59, der zum Brennstoffzellenheizmantel 56 führt. Auch der gemeinsame Heizungsrücklauf 54 besitzt einen an den Reformerheizmantel 50 angeschlossenen ersten Zweig 61 und einen an den Brennstoffzellenheizmantel 56 angeschlossenen zweiten Zweig 62, die bei 63 zusammengeführt sind. Die Zusammenführung 63 kann als Steuerventil konzipiert sein, um einen Strom des Startbrennerabgases auf die beiden Heizmäntel 50, 56 gezielt aufteilen zu können. Auch die Einleitstelle 55 kann als Steuereinrichtung ausgestaltet sein, um den Anteil des Startbrennerabgasstroms, der durch die Heizmäntel 50, 56 geführt wird, und den Anteil des Startbrennerabgasstroms, der durch den Startbrennerwärmetauscher 45 strömt, gezielt einstellen zu können.
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Das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Anodenabgasrückführung 64 ausgestattet, die eine Rückführung von Anodenabgas zum Reformer 2 ermöglicht. Hierzu ist die Anodenabgasrückführung 64 an die Reformerluftleitung 14 angeschlossen. Eine entsprechende Anschlussstelle ist dabei mit 65 bezeichnet. Um die Menge des rückzuführenden Anodenabgases steuern zu können, kann in der Anodenabgasrückführung 64 ein entsprechendes Steuerglied 66 angeordnet sein.
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Das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 1 besitzt außerdem einen weiteren Bypass 67 zur anodenseitigen Umgehung der Brennstoffzelle 3, der im Folgenden als Brennstoffzellenbypass 67 bezeichnet wird. Um den Anteil an Reformatgas, der durch die Anodenseite 19 strömt und der durch den Brennstoffzellenbypass 67 strömt, steuern zu können, ist im Brennstoffzellenbypass 67 ein entsprechendes Steuerglied 68 angeordnet. Der Brennstoffzellenbypass 67 kann z.B. dann verwendet werden, wenn der Reformer 2 zum Aufheizen vorübergehend als Brenner betrieben wird, in dem der Brennstoff mit Reformerluft katalytisch umgesetzt wird, wobei Reformerabgas entsteht, das für die Anodenseite 19 toxisch sein kann.
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Das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem lässt sich beispielsweise nach dem nachfolgend beschriebenen Betriebsverfahren betreiben. Falls bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem 1 ein Bedarf entsteht, in das Heizmedium Wärme einzuleiten, beispielsweise um den Fahrgastraum 32 zu erwärmen oder um den Motorblock 26 vorzuwärmen, kann der Startbrenner 39 aktiviert werden. Durch exotherme Umsetzung von Brennstoff und Startbrennerluft entsteht heißes Startbrennerabgas, das über die Startbrennerabgasleitung 40 in die Abgasanlage 4 gelangt und durch den Heizungswärmetauscher 5 strömt. Hierdurch kann das jeweilige Heizmedium erwärmt werden. Im vorliegenden Fall wird das Kühlmittel des Kühlkreises 25 erwärmt, wodurch über den Heizungswärmetauscher 29 die Heizungsluft 30 aufgewärmt werden kann. Ebenso lässt sich über das vorgeheizte Kühlmittel der Motorblock 26 vorheizen. Zu diesem Zweck wird die Kühlmittelpumpe 27 vorzugsweise elektrisch angetrieben. Diese Standheizfunktion ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Brennkraftmaschine 11 ausgeschaltet ist.
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Wenn bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine 11 außerdem ein erhöhter Bedarf an elektrischer Leistung besteht, wird das Brennstoffzellensystem 1 zum Erzeugen von elektrischem Strom eingeschaltet. Hierzu wird zunächst mit Hilfe der heißen Startbrennerabgase der Reformer 2 aufgeheizt. Sobald der Reformer 2 eine ausreichende Temperatur besitzt, kann der Reformer 2 eingeschaltet werden, wodurch der Reformer 2 aus dem Brennstoff und Reformerluft Reformatgas erzeugen kann. Zum Aufheizen des Reformers 2 lässt sich dieser für den Kaltstartbetrieb auch als katalytischer Brenner betreiben. Das im Reformer 2 erzeugte heiße Reformatgas und/oder Reformerabgas kann nun durch die Anodenseite 19 und/oder durch den Brennstoffzellenbypass 67 geführt werden und im Restgasbrenner 33 mittels Kathodenabgas, also mittels Brennstoffzellenluft und/oder mittels Restgasbrennerluft, die über eine einen weiteren Zweig der Luftversorgungseinrichtung 15 bildenden Restgasbrennerluftleitung 69, die ebenfalls an die Verteilerleiste 17 angeschlossen ist, exotherm umgesetzt werden. Die hierbei entstehenden heißen Restgasbrennerabgase können das Temperaturniveau im Brennstoffzellenabgas nochmals deutlich erhöhen.
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Sobald die Brennstoffzelle 3 ausreichend aufgeheizt ist, kann sie aktiviert werden, so dass in der Brennstoffzelle 3 die Umsetzung von Anodengas mit Kathodengas erfolgt, wobei gleichzeitig elektrischer Strom erzeugt wird. Auch dieser Vorgang kann exotherm ablaufen, wodurch heiße Brennstoffzellenabgase, nämlich Anodenabgas und Kathodenabgas entstehen. Somit steht vergleichsweise viel im Abgas der Brennstoffzelle mitgeführte Wärme zum Aufheizen des Heizmediums im Standheizungswärmetauscher 5 zur Verfügung.
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Enthält das Brennstoffzellenabgas zu viel Wärme, kann über die Steuereinrichtung 7 zunehmend Brennstoffzellenabgas durch den Standheizungswärmetauscherbypass 6 geführt werden, um eine Überhitzung des Heizmediums zu vermeiden.
