DE102015215066A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem weist mindestens eine Brennstoffzelle, einen kryogenen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff, eine Kühlvorrichtung 103 zur Kühlung des Druckbehälters 100, und einen Hochvoltspeicher 300 auf. Der Hochvoltspeicher 300 ist ausgebildet, von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zu speichern. Das Verfahren umfasst die Schritte: 1) Kühlen des kryogenen Druckbehälters 100, wobei die Energie zum Kühlen von der Hochvoltspeicher 300 bereitgestellt wird, und 2) Aktivieren der mindestens einen Brennstoffzelle 100 während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges, wenn der Ladezustand der Hochvoltspeicher unterhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert liegt.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehältersystem. Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen) Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Brennstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck bzw. Auslösedruck überschritten, so muss der Brennstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um eine Schädigung des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kann beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz kommen. Ein BMS kann einen katalytischen Konverter aufweisen, der Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser synthetisiert, um die Freisetzung von explosiven Gasgemischen zu vermeiden.
  • Die DE 10 2012 218 857 A1 und die DE 10 2012 218 856 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zum Befüllen einer Kraftstoffspeicheranlage eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffspeicheranlage weist einen Haupttank und einen Hilfsspeicher auf. Vom Haupttank führt eine Versorgungsleitung zu einer Brennstoffzelle. Bei nicht betriebener Brennstoffzelle kann ein insbesondere aus einem Wärmeeintrag in den Haupttank resultierender Druckaufbau im Haupttank in den Hilfsspeicher hinein ohne Verlust von gespeichertem Kraftstoff abgebaut werden, indem aus dem Haupttank sicherheitshalber abgeführter Kraftstoff in den Hilfsspeicher gelangt und dort solange zwischengespeichert wird, bis die Brennstoffzelle aus dem Hilfsspeicher mit Kraftstoff versorgt wird. Bei langen Standzeiten des Kraftfahrzeugs kann auch dieser Hilfsspeicher gefüllt sein.
  • Aus der DE 302 28 02 A1 ist ferner ein Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer bekannt, bei dem abzulassendes. Gas genutzt wird, um eine kleine Brennstoffzelle anzutreiben, die elektrische Energie für ein Kühlaggregat zur Kühlung eines Flüssigwasserstofftanks erzeugt.
  • Die DE 102 021 72 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Boil-off Gas in einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeuges einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Die während der Nichtbenutzung vom Brennstoffzellensystem umgewandelte Energie kann in einer Batterie gespeichert werden.
  • Die Brennstoffzellen in Fahrzeugen, die für den Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgelegt sind, erfordern eine gewisse Mindestmenge an Brennstoff, damit sie ohne nennenswerte Degradationserscheinungen dauerhaft betrieben werden können. Vorteilhaft sollten daher die Brennstoffzellen eine gewisse Mindestleistung abgeben. Ein Brennstoffzellensystem benötigt zudem eine ausreichende Startphase, bis es den normalen Betriebszustand einnehmen kann. Der Druckbehälter, das Entlastungsventil und das BMS sind so ausgelegt, dass der Grenzdruck des Entlastungsventils nur relativ knapp über dem max. zulässigen Betriebsdruck des Behälters nach einer vollen Betankung liegt. Die Mengen bzw. Volumina an Brennstoff, die üblicherweise aufgrund von unvermeidlichen Wärmeeintrag abgelassen werden müssen, sind daher vergleichsweise gering. Vorbekannte mechanische Entlastungsventile öffnen die Ablassleitung, wenn der Grenzdruck überschritten ist, und schließen später wieder. Wird nun der abzulassende Brennstoff direkt in die Brennstoffzellen gespeist, so muss das Brennstoffzellensystem oft gestartet und wieder heruntergefahren werden. Ferner wird das System nur im ungünstigen Teillastbereich betrieben. Dieser für die Brennstoffzellen nachteilige „Blow-Off-Betrieb” kann die Lebensdauer der Brennstoffzellen degradieren.
  • Die US 2009 176135 A zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem Boil-off-Gas in einer Brennstoffzelle umgesetzt wird, wobei das System so geregelt werden soll, dass Brennstoffzellenspannungen von über 0,85 Volt und Stromdichten von über 10% vermieden werden sollen.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug.
  • Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für die mindestens Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 30 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle und dem mindestens einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff ferner mindestens eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Druckbehälters, beispielsweise ein Peltier-Element.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens einen Hochvoltspeicher bzw. eine Batterie, der bzw. die ausgebildet sein kann, von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zu speichern.
  • Bevorzugt handelt es sich um eine Hochvolt-Batterie. Der Hochvoltspeicher kann eine Speicherkapazität aufweisen, die ausreicht um die elektrische Energie zu speichern, die bei den elektrochemischen Reaktionen der mindestens einen Brennstoffzelle während einer Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters anfällt. Diese Speicherkapazität hängt vom Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und von der Menge an abzulassenden Brennstoff ab. Die Menge an abzulassenden Brennstoff wiederum ist abhängig von den Betriebsparametern und der Auslegung des kryogenen Druckbehälters. Diese Parameter sind bekannt oder bestimmbar. Bevorzugt sind der Mindestmassenstrom an Brennstoff und die Größe des Hochvoltspeichers und/oder die obere und untere Ladezustandsgrenze(n) so gewählt, dass die mindestens eine Brennstoffzelle nach der Aktivierung im Fahrbetriebsmodus betrieben werden kann.
  • Bevorzugt handelt es sich um ein Plug-In Fuel Cell Vehicle, also einem brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeug, bei dem der Hochvoltspeicher zusätzlich über das Stromnetz geladen werden kann.
  • Das hier offenbarte Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Kühlen des kryogenen Druckbehälters, wobei die Energie zum Kühlen von dem Hochvoltspeicher bereitgestellt wird, und
    • – Aktivieren der mindestens einen Brennstoffzelle, insbesondere während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges, wenn der Ladezustand des Hochvoltspeichers unterhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert liegt.
  • Unter dem Begriff „inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges” ist eine Phase der Nichtbenutzung anzusehen, insbesondere ein längeres Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Fahrzeugführer aktiv keine Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle erfordert. Eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges ist beispielsweise das Parken des Kraftfahrzeuges über einen längeren Zeitraum. Mit anderen Worten ist eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges eine Phase, in der keine Fahrzeugkomponente – außer den Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des kryogenen Druckbehältersystems – Energie von der Brennstoffzelle aktiv anfordert. Anders ausgedrückt handelt es dabei um Phasen, in denen das Brennstoffzellensystem mit Blick auf andere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges ausgeschaltet bleiben könnte, wenn nicht abzulassender Brennstoff zu entsorgen wäre. Gemeint sind nicht-fahrende Betriebszustände des Kraftfahrzeuges.
  • Die mindestens eine Brennstoffzelle ist mit dem Hochvoltspeicher elektrisch verbunden. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem derart ausgebildet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle den Hochvoltspeicher laden kann.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges der mindestens einen Brennstoffzelle eine Massenstrom bzw. Volumenstrom an Brennstoff zugeführt werden kann, der so bemessen ist, dass die Brennstoffzelle nicht in einem ungünstigen Teillastbereich betrieben wird. Somit lässt sich die Degradation der mindestens einen Brennstoffzelle verringern bzw. vermeiden. Bevorzugt wird die mindestens eine Brennstoffzelle so betrieben, dass die Zellspannung der Brennstoffzelle unterhalb von 0,85 Volt liegt.
  • Die hier offenbarte Technologie kann ein Verfahren umfassen, wonach der kryogene Druckbehälter gekühlt werden kann, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb von einem Druck-Grenzwert und/oder der Druckgradient oberhalb von einem Druckgradienten-Grenzwert liegen. Bevorzugt ist der Druck-Grenzwert ein Druckwert, der über dem max. Betankungsdruck und unterhalb des maximalen Drucks liegt, für den der kryogene Druckbehälter ausgelegt ist.
  • Falls beispielsweise ein Wärmestrom in den Innenbehälter eingetragen wird, der höher ist als der Wärmestrom, der bei einer intakten Behälterisolierung in den Innentank eingetragen wird, so steigt der Druck im Innenbehälter des kryogenen Druckbehälters vergleichsweise schnell an. Der Druckgradienten-Grenzwert kann bevorzugt so gewählt sein, dass er indikativ für die Isolationsgüte bzw. für eine Isolationsgütendegradation ist. Wird eine solche Isolationsgütendegradation erkannt, setzt also schon frühzeitig ein präventives Kühlen ein, noch bevor der Druck-Grenzwert erreicht wird.
  • Die hier offenbarte Technologie kann ein Verfahren umfassen, wonach der kryogene Druckbehälter gekühlt werden kann,
    • – wenn die Behälterinnentemperatur oberhalb von einem Behälterinnentemperatur-Grenzwert liegt; und/oder
    • – wenn der Behälterinnentemperaturgradient oberhalb von einem Behälterinnentemperaturgradient-Grenzwert liegt; und/oder
    • – wenn die Temperaturdifferenz zwischen Behälterinnentemperatur und Umgebungstemperatur oberhalb von einem Temperaturdifferenz – Grenzwert liegen.
  • Ist die Isolationsgüte bekannt, kann mit Hilfe der hier gemessenen Temperaturwerte, Temperaturdifferenzen und/oder Gradienten der Wärmestrom in den Druckbehälter und letztendlich der Druckanstieg im Innenbehälter bestimmt werden. Möglichkeiten zur Bestimmung der Isolationsgüte sind beispielsweise in der unveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2015 203 702 offenbart, die hiermit durch Verweis mit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird.
  • Ist beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen dem im Druckbehälter gespeicherten Brenngas und der Umgebung gering, so stellt sich ein vergleichsweise geringer Wärmestrom ein. Folglich steigt der Behälterinnendruck nur langsam an. Ist indes die Temperaturdifferenz zwischen der Behälterinnentemperatur und der Umgebungstemperatur vergleichsweise groß, so stellt sich ein vergleichsweise großer Wärmestrom ein, der wiederum einen schnelleren Druckanstieg bzw. größeren Druckgradienten bewirkt.
  • Die hier offenbarte Technologie kann mit anderen Worten ein Verfahren umfassen, wonach der kryogene Druckbehälter gekühlt werden kann,
    • – wenn der Wärmestrom, der in den Innenbehälter des kryogene Druckbehälters eingetragen wird, oberhalb eines Wärmestrom-Grenzwertes liegt, und/oder
    • – wenn der Wärmestromgradient oberhalb eines Wärmestromgradienten-Grenzwertes liegt.
  • Die hier offenbarte Technologie kann ein Verfahren umfassen, wonach der kryogene Druckbehälter (nur) gekühlt werden kann, wenn die Dichte des Brennstoffs im kryogenen Druckbehälter oberhalb von einer Grenzdichte liegt. Die Dichte bzw. Fluiddichte im Innenbehälter ist der Quotient aus Masse an Fluid im Innenbehälter geteilt durch das Innenbehältervolumen.
  • Beispielsweise kann die Grenzdichte die Dichte sein, die der kryogene Druckbehälter auch bei höchster Tagesmitteltemperatur gerade noch schadensfrei aushalten kann. Liegt die Dichte unterhalb vom Grenzwert, wird der Druck im Druckbehälter nie auf einen Wert oberhalb des Druckgrenzwertes ansteigen. Es muss zur Druckentlastung kein Brenngas aus dem Drucktank abgeführt werden. Folglich kann der Druckbehälter in einem solchen Fall ohne weitere Kühlung warm werden, ohne dass eine Druckentlastung notwendig ist.
  • Die hier offenbarte Technologie kann ein Verfahren umfassen, wonach der kryogene Druckbehälter nur gekühlt wird, wenn das Kraftfahrzeug in einem geschlossenen Raum abgestellt ist. Die Information, ob das Kraftfahrzeug in einem geschlossenen Raum abgestellt ist, kann beispielsweise über eine entsprechende Sensorik und/oder über entsprechende kabellos übermittelte Signale, die das Kraftfahrzeug empfängt, ermittelt werden.
  • Das Fahrzeug kann beispielsweise Zustands- und Umgebungsinformationen verwenden, um einen für die mindestens eine Brennstoffzelle günstigen Betriebsmodus zu ermitteln. Bei kalten Temperaturen kann die Brennstoffzelle beispielsweise langsamer hochgefahren werden als bei einem normalen Startvorgang, da keine schnelle Fahrbereitschaft erzielt werden muss.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die mindestens eine Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges betrieben wird, bis der Ladezustand des Hochvoltspeichers oberhalb von einem oberen Ladezustandsgrenzwert (auch „oberer SoC-Grenzwert” genannt) liegt. Der obere Ladezustandsgrenzwert kann beispielsweise mindestens 80% ferner bevorzugt mindestens 90% der maximalen Speicherkapazität des Hochvoltspeichers betragen. Der untere Ladezustandsgrenzwert (auch „unterer SoC-Grenzwert” genannt) kann mindestens 10% bevorzugt mindestens 20% der maximalen Speicherkapazität des Hochvoltspeichers betragen.
  • Bevorzugt weist der Hochvoltspeicher eine Speicherkapazität auf, die ausreicht um die elektrische Energie zu speichern, die bei den elektrochemischen Reaktionen der mindestens einen Brennstoffzelle während einer Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters anfällt. Die Zeitdauer der Druckentlastung ist dabei die Phase, in der der Druck im kryogenen Druckbehälter vom Grenzdruck bzw. Auslösedruck auf den maximalen Betankungsdruck des Druckbehälters abfällt. Insbesondere bevorzugt wird die Brennstoffzelle während dieser Phase der Druckentlastung im normalen Betriebsmodus betrieben. Mit anderen Worten wird die mindestens eine Brennstoffzelle in einem Modus betrieben, in dem die mindestens eine Brennstoffzelle auch in der aktiven Phase des Kraftfahrzeuges betrieben werden würde. Die mindestens eine Brennstoffzelle wird also so betrieben, als ob das Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb wäre.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 erläutert. 1 zeigt das hier offenbarte Brennstoffzellensystem. Der kryogene Druckbehälter 100 umfasst einen Außenbehälter 102 sowie einen Innenbehälter 101, der im Inneren des Außenbehälters 102 angeordnet ist. Ein Vakuum trennt die beiden Behälter 101, 102 voneinander. Am oder im Innenbehälter 101 ist eine Kühlvorrichtung 103 vorgesehen, die den Brennstoff bzw. den Innenbehälter 101 kühlt. Direkt am Ende 110 des Druckbehälters 100 ist hier das Trennventil 120 vorgesehen. Das Trennventil 120 ist hier ein elektrisch betätigbares Ventil. Über eine Fluidleitung 200 ist der kryogene Druckbehälter 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 210 verbunden. Ist das Trennventil 120 geöffnet, so kann Brennstoff in die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels 210 einströmen. Die bei der elektrochemischen Reaktion in Brennstoffzelle umgewandelte Energie wird in der Hochvoltbatterie 300 gespeichert. Bevorzugt kann zunächst einmal geprüft werden, ob aufgrund der gespeicherten Dichte im Tank zu befürchten ist, dass zu einem späteren Zeitpunkt einmal der Druckgrenzwert erreicht werden kann. Ist dies nicht der Fall, kann auf eine aktive Kühlung verzichtet werden. Ist der Brennstoff mit einer höheren Dichte als die Grenzdichte gespeichert, besteht zumindest die Gefahr, dass später einmal eine Druckentlastung stattfinden kann. Bevorzugt kann einer der vorgenannten Parameter Temperatur Druck und/oder Wärmestrom herangezogen werden, um zu bestimmen, ob der kryogene Druckbehälter 100 besser gekühlt werden sollte. Aufgrund der relativ geringen Wärmeverluste benötigt die Kühlvorrichtung 103 vergleichsweise wenig Strom. Die Kühlvorrichtung 103 mit einer Kühlleistung von ca. 3 bis ca. 15 W bei 80 K kann beispielsweise ausreichen, um einen ca. 5 bis ca. 7 kg fassenden kryogenen Druckbehälter zu kühlen. Die Hochvoltbatterien sind vergleichsweise groß, beispielsweise mindestens ca. 10 kWh. Mithin kann die Kühlvorrichtung 103 also über Tage betrieben werden, ohne dass die Batterie sich komplett entlädt. Steigt nun doch aufgrund einer Isolationsstörung der Druck stark an oder ist die Batterie stark entleert, so wird der Magnet des Trennventils 120 bestromt und die mindestens eine Brennstoffzelle aktiviert. Die mindestens eine Brennstoffzelle wird dann nach einer gewissen Startphase im normalen Betriebsmodus betrieben, also als ob das Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb wäre. Die Brennstoffzelle lädt dann den Hochvoltspeicher auf, der wiederum die elektrische Energie an die Kühlvorrichtung 103 abgibt. Weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems sowie des Druckbehältersystems wurden vereinfachend weggelassen.
  • Ist in der Beschreibung von einem Gradienten die Rede, so beschreibt der Gradient immer einen Differentialoperator, der die zeitliche Veränderung der Größe angibt, auf die sich der Gradient bezieht. Ist beispielsweise von einem Druckgradienten die Rede, so bezeichnet der Begriff „Druckgradient” die Veränderung des Druckwertes in einer bestimmten Zeiteinheit. So gesehen könnte voranstehend auch der Wortbestandteil „Gradient” ersetzt werden durch die zeitliche Veränderung des Wertes (hier: Druck, Temperatur, Behälterinnentemperatur, Temperaturdifferenz, Wärmestrom, Dichte, ...).
  • 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
    • EP 1546601 B1 [0001]
    • DE 102012218857 A1 [0003]
    • DE 102012218856 A1 [0003]
    • DE 3022802 A1 [0004]
    • DE 10202172 A1 [0005]
    • US 2009176135 A [0007]
    • DE 102015203702 [0023]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: – mindestens eine Brennstoffzelle, – einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff, – eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Druckbehälters, und – einen Hochvoltspeicher, der ausgebildet ist, von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zu speichern; umfassend die Schritte: – Kühlen des kryogenen Druckbehälters, wobei die Energie zum Kühlen von dem Hochvoltspeicher bereitgestellt wird, und – Aktivieren der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges wenn der Ladezustand des Hochvoltspeichers unterhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der kryogene Druckbehälter gekühlt wird, – wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb von einem Druck-Grenzwert liegt; und/oder – wenn der Druckgradient oberhalb von einem Druckgradienten-Grenzwert liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der kryogene Druckbehälter gekühlt wird, – wenn die Behälterinnentemperatur oberhalb von einem Behälterinnentemperatur-Grenzwert liegt; und/oder – wenn der Behälterinnentemperaturgradient oberhalb von einem Behälterinnentemperaturgradient-Grenzwert liegt; und/oder – wenn die Temperaturdifferenz zwischen Behälterinnentemperatur und Umgebungstemperatur oberhalb von einem Temperaturdifferenz – Grenzwert liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kryogene Druckbehälter gekühlt wird, – wenn der Wärmestrom, der in den kryogenen Druckbehälter eingetragen wird, oberhalb von einem Wärmestrom-Grenzwert liegt; und/oder – wenn der Wärmestromgradient oberhalb von einem Wärmestromgradienten-Grenzwert liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kryogene Druckbehälter gekühlt wird, wenn die Dichte des Brennstoffs im kryogenen Druckbehälter oberhalb von einer Grenzdichte liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der der kryogene Druckbehälter nur gekühlt wird, wenn das Kraftfahrzeug in einem geschlossenen Raum abgestellt ist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Hochvoltspeicher eine Speicherkapazität aufweist, die ausreicht um die elektrische Energie zu speichern, die bei den elektrochemischen Reaktionen der mindestens einen Brennstoffzelle während einer Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters anfällt.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle nach dem Aktivieren betrieben wird wie im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs.
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