DE102015002151A1

DE102015002151A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102015002151A1
Application number: DE102015002151.6A
Authority: DE
Inventors: Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2) mit einer Brennstoffzelle (3), mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4), und mit einem Tank (5) für flüssigen Wasserstoff (6). Verdampfender Wasserstoff (7) aus dem Tank (5) wird dabei der Brennstoffzelle (3) zugeführt, welche damit elektrische Leistung zum Laden der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) erzeugt. Erfindungsgemäß ist es so, dass zusätzlich eine Klimaanlage (11) vorhanden ist. Die Klimaanlage wird mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle (3) und/oder der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) zur Kühlung des Tanks (5) betrieben, und zwar immer dann, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) keine weitere elektrische Leistung mehr speichern kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung und mit einem Tank für flüssigen Wasserstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem nächstliegenden Stand der Technik in Form der KR 2009 0108200 A ist ein Aufbau und ein Verfahren zum Laden einer Batterie bekannt. Dabei wird in einem Brennstoffzellensystem Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert. Da der in flüssiger Form gespeicherte Wasserstoff, sich insbesondere im Stillstand des Fahrzeugs, unweigerlich erwärmt, wird ein Teil des Wasserstoffs verdampfen. Dieser unvermeidlich verdampfte Wasserstoff aus dem Tank für flüssigen Wasserstoff wird gemäß der koreanischen Schrift aufgefangen und der Brennstoffzelle zugeführt. Die erzeugte elektrische Leistung wird dann in eine Batterie eingespeist, um diese zu laden.
Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht nur insbesondere darin, dass Wasserstoff aus dem Tank für flüssigen Wasserstoff auch dann noch verdampfen wird, wenn die Batterie bereits vollgeladen ist. In diesem Fall wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle nicht in elektrische Leistung umgesetzt werden, da diese nicht mehr gespeichert werden kann. Der Wasserstoff gelangt dann gegebenenfalls unverbraucht in die Umgebung, was einerseits eine Verschwendung des Wasserstoffs und andererseits eine Belastung für die Umwelt darstellt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein entsprechendes Verfahren zu verbessern und eine bessere Ausnutzung des Wasserstoffs sowie eine Entlastung der Umwelt zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorfallhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist es ergänzend zu dem gattungsgemäßen Verfahren aus der oben genannten koreanischen Schrift vorgesehen, dass zusätzlich eine Klimaanlage in dem Brennstoffzellensystem vorhanden ist. Immer dann, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung keine weitere Leistung mehr speichern kann, wird diese Klimaanlage mit elektrischer Leistung direkt aus der Brennstoffzelle und/oder aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung betrieben, um mittels der Klimaanlage den Tank für den flüssigen Wasserstoff zu kühlen. Durch diese Kühlung des Tanks für den flüssigen Wasserstoff über die Klimaanlage, wird dessen Temperatur weiter reduziert, sodass der Tank auch bei warmer Umgebung weiter abgekühlt wird. Die Menge an verdampfendem Wasserstoff wird gegenüber einem Betrieb ohne Kühlung reduziert, sodass kein Wasserstoff mehr an die Umgebung abgegeben werden muss. Hierdurch wird einerseits Wasserstoff gespart und andererseits die anfallende elektrische Leistung sinnvoll eingesetzt, nämlich zur Kühlung des Tanks für den flüssigen Wasserstoff. Nach einer gewissen Zeit der Kühlung und der damit einhergehenden Reduzierung der Menge an verdampften Wasserstoff kann dann der Betrieb der Brennstoffzelle eingestellt werden. Sobald sich verdampfter Wasserstoff wieder bis zu einem gewissen Druckniveau sammelt, ab dem dieser nicht mehr in dem Tank gespeichert werden kann. Er kann dann erneut zur Brennstoffzelle abgeführt werden, um in elektrische Leistung umgesetzt zu werden. Diese elektrische Leistung kann dann wieder in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert werden, da diese zuvor zumindest um einen gewissen Betrag entladen worden ist, um die Klimaanlage alternativ oder ergänzend zu der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle anzutreiben.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die Brennstoffzelle und die elektrische Energiespeichereinrichtung auf demselben Spannungsniveau betrieben werden. Ein solcher Aufbau bei dem die Brennstoffzelle und die elektrische Energiespeichereinrichtung auf demselben Spannungsniveau betrieben werden, beispielsweise einem Hochvolt-Niveau mit einer Spannung in der Größenordnung zwischen 100 und 500 V ist besonders effizient, da keine Umsetzung der Spannung zwischen der Brennstoffzelle und der elektrischen Energiespeichereinrichtung erfolgen muss, was den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern würde.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass über das Brennstoffzellensystem elektrische Antriebsleistung für ein Fahrzeug bereitgestellt wird. Ein solcher Einsatz in einem Fahrzeug ist für das erfindungsgemäße Verfahren von besonderem Vorteil. Insbesondere bei Fahrzeugen kommt es immer wieder vor, dass diese im abgestellten Zustand einer starken Sonneneinstrahlung oder dergleichen ausgesetzt sind und sich damit erwärmen. Eine solche Erwärmung, welche unerwünscht aber unvermeidlich ist, führt immer auch zu einem Verdampfen von Wasserstoff in dem Tank für den flüssigen Wasserstoff. Dieser Wasserstoff, welcher ab einem gewissen Druckniveau in dem Tank abgelassen werden muss, kann dann in der Brennstoffzelle umgesetzt werden, um einerseits die Batterie zu laden und falls diese vollgeladen ist, die Klimaanlage zur Abkühlung des Tanks anzutreiben. So kann über das Verfahren insgesamt Wasserstoff in dem Fahrzeug eingespart werden und es entstehen keine unerwünschten Wasserstoffemissionen an die Umgebung.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindergemäßen Verfahrens kann außerdem vorsehen, dass als elektrische Energiespeichereinrichtung die Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs genutzt wird. Typischerweise ist in einem über die Brennstoffzelle elektrisch angetriebenen Fahrzeug immer eine Hochvolt-Batterie vorhanden. Diese dient der Dynamisierung der Bereitstellung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle einerseits und der Speicherung von bei der Rekuperation beim Abbremsen anfallender Energie andererseits. Diese kann nun ideal für das erfindungsgemäße Verfahren mitgenutzt werden, sodass keine weitere Batterie in dem Brennstoffzellensystem notwendig wird.
Eine besonders günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es darüber hinaus vor, dass die Klimaanlage des Brennstoffzellensystems die Klimaanlage des Fahrzeugs ist. Eine solche Nutzung der typischerweise ohnehin vorhandenen Klimaanlage des Fahrzeugs für das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach und effizient, da keine weitere bzw. zusätzliche Klimaanlage in dem Fahrzeug vorgesehen werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems in einem angedeuteten Fahrzeug.
In der Darstellung der Figur ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. In dem Fahrzeug 1 ist ein mit 2 bezeichnetes Brennstoffzellensystem angedeutet, von welchen nur die für das erfindungsgemäße Verfahren relevanten Bauteile eingezeichnet sind. Dies ist einerseits eine Brennstoffzelle 3, beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack aufgebaut ist. Außerdem ist eine Hochvolt-Batterie 4 zu erkennen, welche alternativ hierzu auch durch einen anderen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise Hochleistungskondensatoren oder eine Kombination aus Hochleistungskondensatoren und Batterie ersetzt werden könnte. Das Brennstoffzellensystem 2 in dem Fahrzeug 1 weist nun außerdem einen mit 5 bezeichneten Tank für flüssigen Wasserstoff auf. Der flüssige Wasserstoff ist in dem Tank prinzipmäßig angedeutet und mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Da der flüssige Wasserstoff 6 eine sehr niedrige Temperatur aufweist, ist es typischerweise immer so, dass sich, insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem 2 sich im Stillstand des Fahrzeugs erwärmt, oberhalb des flüssigen Wasserstoffs 6 ein gasförmiges Wasserstoffpolster ansammelt, welches hier beispielhaft mit dem Bezugszeichen 7 versehen ist. Dieses gasförmige Wasserstoffpolster muss oberhalb eines bestimmten in dem Tank 5 auftretenden Drucks an die Umgebung oder in einen anderen Bereich abgegeben werden, um einen sicherheitskritischen Anstieg des Drucks in dem Tank 5 zu vermeiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es nun so, dass über eine prinzipmäßig angedeutete Leitung 8 dieser verdampfte Wasserstoff der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. In der Brennstoffzeile 3 wird aus diesem Wasserstoff zusammen mit Luft, welche durch die Brennstoffzelle 3 beispielsweise selbst ”geatmet” oder über ein Gebläse zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt. Diese elektrische Leistung wird wie es durch den strichpunktierten mit 9 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, in die Batterie 4 eingespeichert. Immer dann, wenn die Batterie 4 vollgeladen ist, sodass keine elektrische Energie mehr gespeichert werden könnte, wird vorzugsweise mit elektrischer Leistung aus der Batterie 4, wie es durch den punktierten mit 10 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, eine mit 11 bezeichnete Klimaanlage mit der elektrischen Leistung aus der Batterie 4 und damit mittelbar aus der Brennstoffzelle 3 betrieben. Über die Klimaanlage 11 wird Kälte erzeugt, welche gemäß dem mit 12 bezeichneten Pfeil dem Tank 5 zugeführt wird. Der Tank 5 lässt sich hierdurch weiter abkühlen, sodass der Druck in dem Tank 5 für den flüssigen Wasserstoff 6 abfällt und insbesondere kein weiterer flüssiger Wasserstoff 6 mehr verdampft wird. Hierdurch kann die Speicherung des Wasserstoffs in dem Tank 5 verbessert werden und gleichzeitig wird die vollgeladene Batterie 4 bis zu einem gewissen Grad wieder entladen, sodass im Falle einer erneuten Erwärmung des Tanks 5 und einer erneuten Notwendigkeit verdampften Wasserstoff 7 über die Leitung 8 zur Brennstoffzelle 3 zu leiten, die dann entstehende elektrische Energie wieder in der Batterie 4 gespeichert werden kann. Der Aufbau, welcher sich insbesondere auch für Nutzfahrzeuge, wie bevorzugt Omnibusse, eignet erlaubt so eine sehr effiziente Nutzung des in dem Tank 5 gespeicherten flüssigen Wasserstoffs 6.
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

KR 20090108200 A [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2) mit einer Brennstoffzelle (3), mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) und mit einem Tank (5) für flüssigen Wasserstoff (6), wobei verdampfender Wasserstoff (7) aus dem Tank (5) der Brennstoffzelle (3) zugeführt wird und wobei die damit von der Brennstoffzelle (3) erzeugte elektrische Leistung zum Laden der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Klimaanlage (11) vorhanden ist, welche immer dann mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle (3) und/oder der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) zur Kühlung des Tanks (5) betrieben wird, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) keine weitere Leistung mehr speichern kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) und die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) auf demselben Spannungsniveau betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über das Brennstoffzellensystem (2) elektrische Antriebsleistung für ein Fahrzeug (1) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Energiespeichereinrichtung (4) eine Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Klimaanlage (11) eine Klimaanlage des Fahrzeugs (1) genutzt wird.