DE102014214691A1 - Fahrzeug-Tank zur Speicherung von Wasserstoff oder dergleichen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeug-Tank zur Speicherung von Wasserstoff oder eines anderen für eine im Fahrzeug vorgesehene Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsstoffs unter Druck und/oder im tiefkalten Zustand, wobei zumindest ein Abschnitt der Außenwand des Tanks mit einem zu kühlenden Abschnitt der Brennstoffzelle in wärmeübertragender Verbindung steht. Vorzugsweise ist ein Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle durch oder über den Abschnitt der Tank-Außenwand geführt. Ferner kann eine die mit der Umgebungsluft in Kontakt stehende Oberfläche der Tank-Außenwand vergrößernde Maßnahme vorgesehen sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fahrzeug-Tank zur Speicherung von Wasserstoff oder eines anderen für eine im Fahrzeug vorgesehene Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsstoffs unter Druck und/oder im tiefkalten Zustand. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 100 55 106 B4 oder die DE 10 2012 202 243 A1 verwiesen.
  • Im Automobilbereich werden verstärkt elektrisch betriebene Antriebssysteme zum Einsatz kommen, deren elektrische Energie bspw. mittels Brennstoffzellen erzeugt wird. Zum Betreiben der Brennstoffzellen wird Wasserstoff genutzt werden, der bspw. als tiefkalter Wasserstoff auch unter Druck stehend in Form von kryogenem Druckgas bevorratet sein. Alternativ kann zur Speicherung von Wasserstoff in einem Kraftfahrzeug ein „einfacher” Drucktank verwendet werden.
  • Vorliegend wird der Begriff „Brennstoffzelle” für ein Brennstoffzellensystem verwendet, welches bekanntlich aus einer Mehrzahl von Einzelbrennstoffzellen sowie der zugehörigen Peripherie besteht, welche üblicherweise auch ein irgendwie geartetes Kühlsystem für die Brennstoffzelle umfasst. Zum Erreichen einer guten Brennstoffzellen-Effizienz ist es nämlich erforderlich, die Einzelbrennstoffzellen in einem möglichst optimalen Betriebstemperaturbereich zu betreiben. Jedoch unterliegt ein Brennstoffzellensystem bzw. eine „Brennstoffzelle” in einem Kraftfahrzeug relativ stark schwankenden Betriebsbedingungen. Beispielsweise bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs soll die Brennstoffzelle schnell einen günstigen Betriebstemperaturbereich erreichen. Ferner muss die Brennstoffzelle im Betrieb, speziell unter hoher Last, ausreichend gekühlt werden, um zu vermeiden, dass der genannte günstige Betriebstemperaturbereich verlassen wird. Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme für eine Betriebstemperatur-Regelung einer Fahrzeug-Brennstoffzelle bekannt.
  • So zeigt die DE 100 55 106 A1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Reservoir zum Bevorraten von kryogenen Medien, bei welchem die Brennstoffzelle mit Brennmittel aus dem Reservoir versorgt werden kann. Das aus dem Reservoir entnommene Brennmittel kann mittels eines Wärmetauschers erwärmt bzw. verdampft werden, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird. Der Wärmetauscher ist dazu an einem Heizkreislauf angeschlossen, welcher bedarfsweise mit einem Kühlkreislauf zum Kühlen der Brennstoffzelle zusammengeschaltet werden kann. Insofern können der Heiz- und der Kühlkreislauf mit einem einzigen Wärmeträgermedium gemeinsam betrieben werden. In dem Heizkreislauf kann noch eine Kühleinrichtung angeordnet sein, welche zur Kühlung insbesondere der Leistungselektronik der Brennstoffzelle vorgesehen ist.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2012 202 243 A1 eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter von kryogenem Druckgas bekannt, bei welcher die Brennstoffzelle mit einer Kühleinrichtung mit einem Kühlkreislauf zum Kühlen dieser Brennstoffzelle und der Speicherbehälter mit einer Wärmeeinrichtung mit einem Heizkreislauf zum Erwärmen von zu entnehmenden Druckgas ausgerüstet sind. Dabei ist die Kühleinrichtung mit der Wärmeeinrichtung wärmeübertragend derart gekoppelt, dass eine Wärmezufuhr zum Speicherbehälter unter bestimmten Betriebsbedingungen aus der Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle erfolgen kann.
  • Schließlich zeigt die völlig gattungsfremde EP 2 461 406 B1 eine mobile elektronische Vorrichtung (bspw. in Form eines Smartphones) mit einer Batterie und einer Brennstoffzelle mit einem Brennstofftank, welcher geformt ist, zumindest drei äußere Oberflächen der Batterie zu umgeben, so dass der Brennstofftank und die Batterie in thermischem Kontakt sind, wodurch eine Kühlung der Batterie ermöglicht werden soll.
  • Hiermit soll nun eine weitere günstige Möglichkeit zur Kühlung einer in einem Fahrzeug verbauten Brennstoffzelle aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Fahrzeug-Tank zur Speicherung von Wasserstoff oder eines anderen für eine im Fahrzeug vorgesehene Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsstoffs unter Druck und/oder im tiefkalten Zustand, wobei zumindest ein Abschnitt der Außenwand des Tanks mit einem zu kühlenden Abschnitt der Brennstoffzelle in wärmeübertragender Verbindung steht. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird Tankaußenfläche, d. h. die der Umgebung zugewandte Oberfläche des Tanks zumindest anteilig als Kühlfläche genutzt, d. h. über diese Oberfläche kann Wärme, die von der Brennstoffzelle abgeleitet und geeignet in diese Oberfläche geleitet wird, an die Umgebungsluft abgegeben werden. Beispielsweise kann diese Oberfläche bzw. Außenwand oder Außenhaut des Tanks unter anderem hierfür durch eine aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Hülle gebildet sein, welche vorteilhaftweise eine Tankstruktur, welche insbesondere in faserverstärktem Kunststoff ausgeführt ist, vor Brand schützen kann. Insbesondere jedoch ist damit eine vorzugsweise zusätzliche Kühlleistung für solche Betriebszustände der Brennstoffzelle geschaffen, in denen deren reguläres Kühlsystem keine ausreichende Kühlleistung bereit stellen kann. (Eine alleinige Kühlung einer Fzg.-Brennstoffzelle über die Oberfläche oder Außenwand des Tanks dürfte in der Regel nämlich nicht darstellbar sein)
  • Grundsätzlich ist es möglich, der Tank-Außenwand die abzuführende Abwärme der Brennstoffzelle durch Konvektion und Wärmestrahlung oder durch „direkte” Wärmeleitung zuzuführen, letzteres indem sich diese beiden Bauteile in einem Flächenabschnitt berühren. Bevorzugt ist jedoch eine Wärmeübertragung mittels eines Wärmeträgermittels, d. h. mittels eines sog. Kühlkreislaufes oder Kühlmittelkreislaufs, der mit der Brennstoffzelle einerseits und mit der Außenwand des Tanks andererseits in wärmeübertragender Verbindung steht, vorgesehen. Dabei kann es sich um den quasi regulären Kühlkreislauf bzw. Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle handeln, der entweder kontinuierlich oder über Ventile geeignet geschaltet bedarfsweise an die Tank-Außenwand heran oder zumindest durch einen Abschnitt derselben hindurch geführt ist.
  • Weiterhin wird (fakultativ) vorgeschlagen, am Tank eine Maßnahme vorzusehen, welche die mit der Umgebungsluft in Kontakt stehende Oberfläche der Tank-Außenwand vergrößert. Beispielsweise können hierfür auf der Tank-Außenwand Kühlrippen oder dgl. vorgesehen sein; ferner kann eine verstärkte Oberflächenrauheit vorgesehen sowie für einen guten Wärmeleitungskoeffizienten und/oder Wärmeübergangskoeffizienten Sorge getragen sein.
  • Eine erfindungsgemäße wärmeübertragende Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der Außenwand des Fahrzeug-Tanks, in welchem ein Betriebsstoff der Brennstoffzelle gespeichert ist, kann weiterhin zum Konditionieren eines solchen Fahrzeug-Tanks im Hinblick auf eine Befüllung desselben genutzt werden, indem die Oberfläche der Tank-Außenwand über die wärmeübertragende Verbindung gezielt gekühlt wird. Unabhängig hiervon stellt sich insbesondere mit einer im vorhergehenden Absatz genannten Maßnahme zur Vergrößerung der mit der Umgebungsluft in Kontakt stehenden Tank-Oberfläche der Vorteil ein, dass die sich in Verbindung mit einer Befüllung des Tanks an bzw. in diesem entwickelnde Wärme besser an die Umgebung abgegeben wird, wodurch sich die Betankungsdichte erhöht und die mechanische Belastung der Tank-Wand verringert.
  • 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 10055106 B4 [0001]
    • DE 102012202243 A1 [0001, 0005]
    • DE 10055106 A1 [0004]
    • EP 2461406 B1 [0006]

Claims (4)

  1. Fahrzeug-Tank zur Speicherung von Wasserstoff oder eines anderen für eine im Fahrzeug vorgesehene Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsstoffs unter Druck und/oder im tiefkalten Zustand, wobei zumindest ein Abschnitt der Außenwand des Tanks mit einem zu kühlenden Abschnitt der Brennstoffzelle in wärmeübertragender Verbindung steht.
  2. Fahrzeug-Tank nach Anspruch 1, wobei ein Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle durch oder über den Abschnitt der Tank-Außenwand geführt ist.
  3. Fahrzeug-Tank nach Anspruch 1 oder 2 mit einer die mit der Umgebungsluft in Kontakt stehende Oberfläche der Tank-Außenwand vergrößernden Maßnahme.
  4. Verfahren zum Konditionieren eines Fahrzeug-Tanks nach einem der vorangegangenen Ansprüche im Hinblick auf eine Befüllung des Tanks, wobei die Oberfläche der Tank-Außenwand über die wärmeübertragende Verbindung gezielt gekühlt wird.
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Title
David WENGER: Metallhydridspeicher zur Wasserstoffversorgung und Kühlung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Technische Universität München, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Thermodynamik. München 2009 *

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