DE102016115626A1

DE102016115626A1 - Standklimatisiereinrichtung sowie Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle

Info

Publication number: DE102016115626A1
Application number: DE102016115626.4A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Schröder; Friedrich Wilhelm
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Standklimatisiereinrichtung (100) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend eine elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle (70) des Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Standklimatisiereinrichtung (100) ist eingerichtet, bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand (SoCh) einer Batterie (50) des Brennstoffzellenfahrzeugs die elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) durch die Batterie (50) und bei einem geringeren Ladezustand (SoCn) der Batterie (50) durch ein Brennstoffzellenaggregat (1) des Brennstoffzellenfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Standklimatisiereinrichtung (100) oder eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100) kann einen in einen Heizkreis (46) einer Kühlmediumversorgung (40) des/eines Brennstoffzellenaggregats (1) wärmeübertragend einbindbaren oder eingebundenen Konditionierkreislauf (60) der/einer Fahrgastzelle (70) aufweisen, wobei der/ein elektrische/r Wärmeerzeuger (61, 62) in den Heizkreis (46) wärmeübertragend eingebunden ist. In die Standklimatisiereinrichtung (100) oder in eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100) kann der/ein elektrische/r Kälteerzeuger (61, 64) in den/einen Konditionierkreislauf (60) der/einer Fahrgastzelle (70) kälteübertragend einbindbar oder eingebunden sein, wofür der Konditionierkreislauf (60) vom Heizkreis (46) abkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Standklimatisiereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug, eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung, eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung sowie ein Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H₂) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O₂) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA, Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung der Brennstoffzelle dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilig elektrisch leitende elektrische Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet (H₂ ⇒ 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über elektrische Leitungen und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et cetera) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– ⇒ O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ ⇒ H₂O).
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zu einem großen Teil durch eine elektrische Energie einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats des Fahrzeugs betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Optional kann ein Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, das Brennstoffzellenaggregat unterstützen, um einen Elektromotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, welcher seinerseits ein Drehmoment für einen Antrieb des Fahrzeugs generiert. Mit zunehmender Serientauglichkeit der Brennstoffzellenfahrzeuge rücken die allgemeinen Fragen eines Komforts für die Fahrgäste in einen Vordergrund.
Die DE 103 01 609 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Hilfsenergieversorgungseinrichtung in Form einer Brennstoffzelle. Die Energieströme und/oder die Stoffströme des Verbrennungsmotors und der Brennstoffzelle sind miteinander gekoppelt, wobei ein Kühlheizkreislauf vorgesehen ist. Der Kühlheizkreislauf umfasst einen ersten Teilkreislauf und einen zweiten Teilkreislauf, wobei der erste Teilkreislauf dem Verbrennungsmotor und der zweite Teilkreislauf der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Im zweiten Teilkreislauf sind ein Heizungswärmetauscher und ein Heizungsgebläse angeordnet.
Die DE 100 54 007 A1 lehrt ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sowie einer Stromversorgungseinrichtung zur Versorgung der elektrischen Verbraucher an Bord des Fahrzeugs, wobei die Stromversorgungseinrichtung ein Brennstoffzellensystem sowie eine damit gekoppelte Batterie umfasst. Die Energieströme und/oder die Stoffströme des Verbrennungsmotors und des Brennstoffzellensystems sind miteinander gekoppelt. Das Brennstoffzellensystem dient einer Versorgung der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel einer Klimaanlage.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Standklimatisiereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug beziehungsweise eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung und/oder eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung, sowie ein Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzugeben, wobei eine Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs konditionierbar sein soll. Hierbei soll eine Standheizung und/oder eine Standkühlung für das Brennstoffzellenfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Standklimatisiereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug; mittels einer Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung; mittels einer Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung; durch ein Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs und mittels eines Brennstoffzellenfahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Standklimatisiereinrichtung umfasst eine elektrische Klimaeinrichtung zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs und ist eingerichtet, die elektrische Klimaeinrichtung bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand einer Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs durch die Batterie und bei einem geringeren Ladezustand der Batterie durch ein Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellenfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Unter einem Standklimatisieren soll ein Standheizen und/oder Standkühlen, also ein Konditionieren (gegebenenfalls inklusive einem Entfeuchten beziehungsweise Befeuchten), der Fahrgastzelle verstanden sein, wobei das Brennstoffzellenfahrzeug still steht, das heißt, es liegt kein Fahrerwunsch nach einem Antritt oder Fortsetzen einer Fahrt vor.
In Ausführungsformen ist ein Batteriebetrieb der elektrischen Klimaeinrichtung priorisiert, wobei bei einem Brennstoffzellenbetrieb der elektrischen Klimaeinrichtung eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat der Batterie zuführbar ist. Das heißt auch, dass das Brennstoffzellenaggregat anhaltbar ist, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
In einer Ausführungsform ist die elektrische Klimaeinrichtung für eine Standheizung des Brennstoffzellenfahrzeugs als ein elektrischer Wärmeerzeuger, zum Beispiel ein elektrischer Zuheizer, und für eine Standkühlung des Brennstoffzellenfahrzeugs als ein elektrischer Kälteerzeuger, zum Beispiel ein elektrisches Klimatisierungsmodul, ausgebildet. In einer Ausführungsform beträgt der vergleichsweise hohe Ladezustand der Batterie zwischen ca. 30% und ca. 70%, zwischen ca. 40% und ca. 70%, zwischen ca. 50% und ca. 70% oder zwischen ca. 60% und ca. 70% von einem Höchstladezustand der Batterie.
Die Standklimatisiereinrichtung umfasst in einer Ausführungsform oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung umfasst einen in einen Heizkreis einer Kühlmediumversorgung des/eines Brennstoffzellenaggregats wärmeübertragend einbindbaren oder eingebundenen Konditionierkreislauf der/einer Fahrgastzelle, wobei der/ein elektrische/r Wärmeerzeuger in den Heizkreis wärmeübertragend eingebunden ist.
Für einen Betrieb der Standklimatisiereinrichtung und/oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung: ist ein Kühlmedium mittels einer Kühlmediumpumpe des Heizkreises förderbar; ist ein Stellmittel des Heizkreises derart stellbar, dass ein Fahrzeugkühler nicht durchströmbar ist; und/oder ist bei einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat der Batterie zuführbar. In einer Ausführungsform der Standklimatisiereinrichtung oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung ist durch diese Aufzählung ein Aufzählungspunkt, ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
In einer Ausführungsform der Standklimatisiereinrichtung oder in die erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung ist der/ein elektrische/r Kälteerzeuger in den/einen Konditionierkreislauf der/einer Fahrgastzelle kälteübertragend einbindbar oder eingebunden, wofür der Konditionierkreislauf vom Heizkreis abkoppelbar ist.
Für einen Betrieb der Standklimatisiereinrichtung und/oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung: ist ein Wärmeübertrager-Bypass im Konditionierkreislauf einrichtbar, welcher einen Wärmeübertrager im Konditionierkreislauf umgeht; ist die/eine Kühlmediumpumpe abgestellt oder ist das/ein Kühlmedium mittels der Kühlmediumpumpe des Heizkreises förderbar; ist das/ein Stellmittel des Heizkreises derart gestellt, dass der Fahrzeugkühler durchströmbar oder nicht durchströmbar ist; und/oder ist bei einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat der Batterie zuführbar. In einer Ausführungsform der Standklimatisiereinrichtung oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung ist durch diese Aufzählung ein Aufzählungspunkt, ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
In einer Ausführungsform ist die Standklimatisiereinrichtung, ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung und/oder ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung derart eingerichtet, dass durch sie ein erfindungsgemäßes Klimatisierverfahren (Standheizverfahren und/oder Standkühlverfahren, gegebenenfalls inklusive einem Entfeuchten beziehungsweise Befeuchten) durchführbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt das Standklimatisieren durch eine elektrische Klimaeinrichtung einer Standklimatisiereinrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei eine elektrische Energie für die elektrische Klimaeinrichtung entweder von der Batterie oder von einem Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellenfahrzeugs erhalten wird. In einer Ausführungsform wird durch ein Kühlmedium oder ein Kältemittel die Fahrgastzelle konditioniert. In einer Ausführungsform wird durch das Kühlmedium des Brennstoffzellenaggregats oder das Kältemittel der elektrischen Klimaeinrichtung eine Umgebungsluft und/oder eine Luft der Fahrgastzelle konditioniert und der Fahrgastzelle zur Verfügung gestellt.
Das Kühlmedium ist bevorzugt ein von dem Brennstoffzellenaggregat abströmendes Kühlmedium, welches zum Erwärmen der angesaugten Umgebungsluft und/oder der angesaugten Luft der Fahrgastzelle dient. Das Kältemittel ist ein von der elektrischen Klimaeinrichtung in einen Kälteübertrager einströmendes Kältemittel, welches zum Kühlen der angesaugten Umgebungsluft und/oder der angesaugten Luft der Fahrgastzelle dient. In einer Ausführungsform wird für das Standklimatisieren der Fahrgastzelle durch die elektrische Klimaeinrichtung das Kühlmedium erwärmt oder das Kältemittel abgekühlt. In einer Ausführungsform wird mittels einer elektrischen Klimaeinrichtung für ein Standheizen der Fahrgastzelle das Kühlmedium des Brennstoffzellenaggregats erwärmt beziehungsweise mittels einer elektrischen Klimaeinrichtung für ein Standkühlen der Fahrgastzelle das Kühlmittel der elektrischen Klimaeinrichtung abgekühlt.
In einer Ausführungsform wird bei einem Betrieb der elektrischen Klimaeinrichtung (elektrischer Wärmeerzeuger, elektrischer Zuheizer oder elektrischer Kälteerzeuger, elektrisches Klimatisierungsmodul) durch das Brennstoffzellenaggregat: eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat der Batterie zugeführt; und/oder bei im Wesentlichen voll geladener Batterie das Brennstoffzellenaggregat abgestellt, wobei ein weiterer Betrieb der elektrischen Klimaeinrichtung durch die Batterie erfolgt; und/oder bei einer Soll-Konditionierung der Fahrgastzelle das Brennstoffzellenaggregat heruntergefahren oder abgestellt.
Die folgenden Ausführungen betreffen zunächst das Standheizen und in einem Anschluss daran das Standkühlen der Fahrgastzelle bei einem Betrieb der elektrischen Klimaeinrichtung durch die Batterie beziehungsweise das Brennstoffzellenaggregat. Hierbei läuft jeweils ein Lüfter in einem Konditionierkreislauf für die Fahrgastzelle.
In einer Ausführungsform wird beim Standheizen der Fahrgastzelle durch die Batterie: die elektrische Klimaeinrichtung (elektrischer Wärmeerzeuger, elektrischer Zuheizer) von der Batterie elektrisch gespeist (hierbei ist das Brennstoffzellenaggregat bevorzugt abgestellt); das Kühlmedium durch eine Kühlmediumpumpe in einer Kühlmediumversorgung des Brennstoffzellenaggregats gefördert; beziehungsweise ist ein Stellmittel in der Kühlmediumversorgung derart gestellt, dass ein Fahrzeugkühler nicht durchströmt wird; ein Wärmeübertrager in einem Konditionierkreislauf der Fahrgastzelle durch die elektrische Klimaeinrichtung und die Kühlmediumpumpe mit dem vergleichsweise warmen Kühlmedium versorgt; und/oder das Brennstoffzellenaggregat gestartet, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert unterschreitet. Durch diese Aufzählung ist wiederum ein Aufzählungspunkt, ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
In einer Ausführungsform wird beim Standheizen der Fahrgastzelle durch das Brennstoffzellenaggregat: die elektrische Klimaeinrichtung von dem Brennstoffzellenaggregat elektrisch gespeist (hierbei bezieht die elektrische Klimaeinrichtung bevorzugt keinen elektrischen Strom aus der Batterie); das Kühlmedium durch die Kühlmediumpumpe in der Kühlmediumversorgung gefördert; beziehungsweise ist das Stellmittel in der Kühlmediumversorgung derart gestellt, dass ein Fahrzeugkühler nicht durchströmt wird; der Wärmeübertrager im Konditionierkreislauf durch die elektrische Klimaeinrichtung und die Kühlmediumpumpe mit dem vergleichsweise warmen Kühlmedium versorgt; ein elektrischer Wirkungsgrad beziehungsweise ein Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellenaggregats durch eine unterstöchiometrische Luftzufuhr reduziert (wärmegeführter Betrieb des Brennstoffzellenaggregats); und/oder das Brennstoffzellenaggregat angehalten, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Durch diese Aufzählung ist wiederum ein Aufzählungspunkt, ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
Bei den folgenden Ausführungen zum Standkühlen ist natürlicherweise die oben genannte elektrische Klimaeinrichtung, also der elektrische Wärmeerzeuger beziehungsweise der elektrischer Zuheizer, abgestellt.
In einer Ausführungsform wird beim Standkühlen der Fahrgastzelle durch die Batterie: die elektrische Klimaeinrichtung (elektrischer Kälteerzeuger, elektrisches Klimatisierungsmodul) von der Batterie elektrisch gespeist (hierbei ist das Brennstoffzellenaggregat bevorzugt abgestellt); ein Kälteübertrager im Konditionierkreislauf durch die elektrische Klimaeinrichtung mit vergleichsweise kaltem Kältemittel versorgt; ein Wärmeübertrager-Bypass im Konditionierkreislauf eingerichtet, welcher den Wärmeübertrager im Konditionierkreislauf umgeht; beziehungsweise ist die Kühlmediumpumpe abgestellt; beziehungsweise sind das Stellmittel in der Kühlmediumversorgung derart gestellt, dass der Fahrzeugkühler durchströmt oder nicht durchströmt werden kann; und/oder das Brennstoffzellenaggregat gestartet, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert unterschreitet. Durch diese Aufzählung ist wiederum ein Aufzählungspunkt, sind eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
In einer Ausführungsform wird beim Standkühlen der Fahrgastzelle durch das Brennstoffzellenaggregat: die elektrische Klimaeinrichtung von dem Brennstoffzellenaggregat elektrisch gespeist; der Kälteübertrager im Konditionierkreislauf durch die elektrische Klimaeinrichtung mit vergleichsweise kaltem Kältemittel versorgt; beziehungsweise sind der Wärmeübertrager-Bypass im Konditionierkreislauf eingerichtet, welcher den Wärmeübertrager im Konditionierkreislauf umgeht; das Kühlmedium durch die Kühlmediumpumpe in der Kühlmediumversorgung des Brennstoffzellenaggregats gefördert; beziehungsweise ist das Stellmittel in der Kühlmediumversorgung derart gestellt, dass der Fahrzeugkühler durchströmt oder nicht durchströmt wird; beziehungsweise sind ein elektrischer Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellenaggregats auf einen Normalbetrieb des Brennstoffzellenaggregats eingestellt; und/oder das Brennstoffzellenaggregat angehalten, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Wiederum ist durch diese Aufzählung ein Aufzählungspunkt, ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
In einer Ausführungsform ist die Standklimatisiereinrichtung als eine erfindungsgemäße Standklimatisiereinrichtung, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung oder eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung ausgebildet. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Standklimatisiereinrichtung, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung und/oder eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung auf. Ferner ist zusätzlich oder alternativ durch das Brennstoffzellenfahrzeug ein Klimatisierverfahren durchführbar oder wird durchgeführt.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Abschnitte, Elemente, Bauteile, Einheiten, Schemata und/oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung (siehe unten), der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine mögliche, in der Beschreibung (Erfindungsbeschreibung (siehe oben), Figurenbeschreibung) nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternative, eine statische und/oder kinematische Umkehrung, eine Kombination et cetera zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einer Komponente, einem Schema, einer Einheit, einem Bauteil, einem Element oder einem Abschnitt davon, können ferner der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Bei der Erfindung kann ein Merkmal (Einheit, Komponente, Abschnitt, Element, Bauteil, Funktion et cetera) positiv, das heißt vorhanden, oder negativ, das heißt abwesend, ausgestaltet sein, wobei ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert ist, wenn nicht Wert darauf gelegt ist, dass es abwesend ist. Ein Merkmal dieser Spezifikation kann nicht nur in einer angegebenen Art und/oder Weise, sondern auch in einer anderen Art und/oder Weise angewendet sein (Isolierung, Zusammenfassung, Ersetzung, Hinzufügung, Alleinstellung, Weglassung et cetera). Insbesondere ist es möglich, anhand eines Bezugszeichens und einem diesen zugeordneten Merkmal, beziehungsweise vice versa, in der Beschreibung, der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und/oder der Zeichnung, ein Merkmal in den Patentansprüchen und/oder der Beschreibung zu ersetzen, hinzuzufügen oder wegzulassen. Darüber hinaus kann dadurch ein Merkmal in einem Patentanspruch ausgelegt und/oder näher spezifiziert werden.
Die Merkmale dieser Spezifikation sind (angesichts des (meist unbekannten) Stands der Technik) auch als optionale Merkmale interpretierbar; das heißt jedes Merkmal kann als ein fakultatives, arbiträres oder bevorzugtes, also als ein nicht verbindliches, Merkmal aufgefasst werden. So ist eine Herauslösung eines Merkmals, gegebenenfalls inklusive seiner Peripherie, aus einem Ausführungsbeispiel möglich, wobei dieses Merkmal dann auf einen verallgemeinerten Erfindungsgedanken übertragbar ist. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal in Bezug auf die Erfindung optional ist. Ferner ist bei einem Artbegriff für ein Merkmal auch ein Gattungsbegriff für das Merkmal mitlesbar (gegebenenfalls weitere hierarchische Gliederung in Untergattung, Sektion et cetera), wodurch, zum Beispiel unter Beachtung von Gleichwirkung und/oder Gleichwertigkeit, eine Verallgemeinerung eines oder diesen Merkmals möglich ist. – In den lediglich beispielhaften Figuren zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Standheizung für ein Brennstoffzellenfahrzeug in Form einer Standheizung; und
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Standkühlung für ein Brennstoffzellenfahrzeug in Form einer Standkühlung;
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen einer Standheizung und einer Standkühlung (Standklimatisierung gegebenenfalls inklusive Entfeuchtung und/oder Befeuchtung) sowie von Ausführungsformen von Verfahren zum Standheizen und Standkühlen für ein Brennstoffzellenfahrzeug (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) näher erläutert.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats 1 des Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellenaggregat 1 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenaggregats 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom Brennstoffzellenaggregat 1 insbesondere durch nicht dargestellte leistungselektrische, elektrische und elektronische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter et cetera), ein Motorsteuergerät (englisch ECU, Engine Control Unit) et cetera, welche das Brennstoffzellenaggregat 1 nicht mitumfasst.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 100, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel 100 in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt).
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen flächig begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion (siehe oben) einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer vergleichsweise großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine Bipolarplatte 15 angeordnet (in der 1 wiederum lediglich angedeutet), welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 einer Einzelzelle 11 (Anodenraum-Kathodenraum-Paar 12/13) ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel 100 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 100).
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 100 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise das Brennstoffzellensystem einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein Kathoden-Betriebsmedium 5 beispielsweise Sauerstoff 5 oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt wenigstens ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist.
Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC, Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder einem Getriebe (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads Brennstoffzelle 10).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 (, 45, 69 (siehe unten)) des Brennstoffzellenaggregats 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Für eine Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 oder eine anderweitige Aufgabe kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) in der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30, zum Beispiel an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22, und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist ferner bevorzugt einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 39 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 ist dabei im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt stromabwärts des Kathodenverdichters 33 und stromaufwärts eines Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der im Kathoden-Abgaspfad 32 vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern, gegebenenfalls als ein Hohlfaserkörper, ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10/des Brennstoffzellenstapels 100, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels eines Bypasses umgangen werden (Stellmittel). Es kann ferner ein Turbinen-Bypass seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welcher die Kathodenturbine 134 umgeht (Stellmittel).
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler zum Speichern ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst eine in der 1 beispielhaft und stark vereinfacht sowie in den 2 und 3 dargestellte Kühlmediumversorgung 40, welche einen Kühlkreislauf 40 umfasst, in welchen die Brennstoffzelle 10 wärmeübertragend eingebunden ist. Der Kühlkreislauf 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41, welcher der Brennstoffzelle 10 ein vergleichsweise kühles Kühlmedium 7 zuführt, und ferner einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42, welcher von der Brennstoffzelle 10 ein vergleichsweise warmes Kühlmedium 8 abführt. Eine Förderung des im Kühlkreislauf 40 zirkulierenden Kühlmediums 7/8 erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer elektromotorisch betriebenen Kühlmediumpumpe 43 im Kühlkreislauf 40. Das Kühlmedium 7/8, insbesondere Wasser 7/8, ein Wasser-Alkohol-Gemisch 7/8 oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch 7/8, ist von einem Kühler 44 beziehungsweise Fahrzeughauptkühler 44 im Kühlkreislauf 40 kühlbar, welcher üblicherweise ein Luftgebläse aufweist.
Der Kühler 44 kann mittels eines Kühler-Bypasses 59 umgangen werden (2), wobei ein Stellmittel 45, insbesondere ein Thermostatventil 45, die Massenströme des Kühlmediums 8 durch den Kühler 44 und den Kühler-Bypass 59 steuert oder regelt. Hierdurch ist ein Heizkreis 46 des Kühlkreislaufs 40 aus dem Kühlkreislauf 40 auskoppelbar beziehungsweise dieser gegebenenfalls ausschließlich in den Heizkreis 46 überführbar, mittels welchem eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung 100 (2) gegebenenfalls einer Standklimatisierungseinrichtung 100 gegebenenfalls einer Klimaanlage realisierbar ist. Hierfür weist der Heizkreis 46 bevorzugt abseits von Pfaden, welche er gemeinsam mit dem Kühlkreislauf 40 besitzt, eine elektrische Klimaeinrichtung 61, 62 auf, die als ein elektrischer Wärmeerzeuger 62 beziehungsweise Zuheizer 62 ausgebildet ist.
In den Heizkreis 46 ist bevorzugt abseits von Pfaden, welche er gemeinsam mit dem Kühlkreislauf 40 besitzt, ein Konditionierkreislauf 60 einer Fahrgastzelle 70 des Brennstoffzellenfahrzeugs wärmeübertragend eingebunden. Hierfür weisen der Heizkreis 46 und der Konditionierkreislauf 60 einen gemeinsamen Wärmeübertrager 63 beziehungsweise Fahrgastzellen-Wärmeübertrager 63 auf. Durch den Wärmeübertrager 63 kann heizkreisseitig ein Massenstrom des Kühlmediums 8 und konditionierkreisseitig ein Massenstrom einer Umgebungsluft 5 und/oder einer angesaugten Luft der Fahrgastzelle 70 hindurch strömen. Damit der Konditionierkreislauf 60 von der Umgebungsluft 5 und/oder der Luft der Fahrgastzelle 70 durchströmt werden kann, weist der Konditionierkreislauf 60 einen Fahrgastzellenlüfter 67 bevorzugt stromaufwärts des Wärmeübertragers 63 auf, mittels welchem eine konditionierte Umgebungsluft 5 und/oder eine konditionierte Luft der Fahrgastzelle 70 in die Fahrgastzelle 70 transportiert werden kann.
Die elektrische Klimaeinrichtung 61, 62 kann von einer Batterie 50 oder der Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellensystems mit elektrischer Energie versorgt werden. So ist es zum Beispiel möglich, den elektrischen Wärmeerzeuger 62 bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand SoC_h (englisch State of Charge) der Batterie 50 von der Batterie 50, und bei einem geringeren beziehungsweise vergleichsweise geringen Ladezustand SoC_n der Batterie 50 vom Brennstoffzellenaggregat 1 mit elektrischer Energie zu versorgen. Der vergleichsweise hohe Ladezustand SoC_h ist kleiner oder gleich einem aktuell möglichen Höchstladezustand SOC_max der Batterie 50. Der Index h bei SoC bezeichnet dabei einen vergleichsweise hohen Ladezustand, der Index n einen vergleichsweise niedrigen Ladezustand und der Index max einen Höchstladezustand.
Im Folgenden ist ein bevorzugter Betrieb der Standheizung 100 näher erläutert, wobei zwischen einem Betrieb der Standheizung 100 bei im Wesentlichen voll geladener Batterie 50 (Ladezustand SoC_h) und einem Betrieb der Standheizung 100 bei nicht voll geladener Batterie (Ladezustand SoC_n) 50 unterschieden wird.
Bei im Wesentlichen voll geladener Batterie 50 wird der elektrische Wärmeerzeuger 62 durch die Batterie 50 gespeist, wobei das Kühlmedium 7/8 mittels der Kühlmediumpumpe 43 gefördert wird. Das Stellmittel 45 ist derart gestellt, dass der Wärmeübertrager 44 nicht durchströmt wird, wobei der Fahrgastzellenlüfter 67 läuft. Sobald der Ladezustand SoC der Batterie 50 unter einen bestimmten Wert kleiner x fällt, startet das Brennstoffzellensystem. Hierbei beträgt x bevorzugt zwischen 30% und 70% des aktuell möglichen Höchstladezustands SoC_max der Batterie 50. Wenn das Brennstoffzellensystem gestartet ist, erfolgt ein Betrieb des elektrischen Wärmeerzeugers 62 wie direkt nachfolgend beschrieben.
Bei im Wesentlichen nicht voll geladener Batterie 50 wird das Brennstoffzellensystem gestartet, wobei wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) des Brennstoffzellensystems die Betriebsmedien 3, 5 zugeführt werden. Das Kühlmedium 7/8 wird mittels der Kühlmediumpumpe 43 gefördert, wobei der elektrische Wärmeerzeuger 62 durch den Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) gespeist wird. Das Stellmittel 45 ist derart gestellt, dass der Wärmeübertrager 44 nicht durchströmt wird. Der Fahrgastzellenlüfter 67 läuft.
Ein elektrischer Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird bevorzugt durch eine unterstöchiometrische Zufuhr des Kathoden-Betriebsmediums 5 aktiv reduziert (wärmegeführter Betrieb des Brennstoffzellensystems). Eine gegebenenfalls überschüssige elektrische Energie aus dem Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) wird bevorzugt der Batterie 50 zugeführt. Sobald die Batterie 50 im Wesentlichen vollständig geladen ist, eine elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels nicht mehr abgenommen werden kann und/oder die Konditionierung der Fahrgastzelle 70 einen Sollzustand erreicht, schaltet das Brennstoffzellensystem ab oder fährt herunter, und gegebenenfalls die Batterie 50 versorgt die Standheizung 100 wie oben beschrieben.
Der Fahrgastzellen-Wärmeübertrager 63 kann mittels eines Wärmeübertrager-Bypasses 66 umgangen werden (3), wobei ein Stellmittel 69, insbesondere ein Bypassventil 69, im Konditionierkreislauf 60 und am Wärmeübertrager-Bypass 66, einen Massenstrom einer Umgebungsluft 5 und/oder einer angesaugten Luft der Fahrgastzelle 70 durch den Konditionierkreislauf 60 hindurch steuert oder regelt. Hierdurch ist ein Kältekreis 60, 66 des Konditionierkreislaufs 60 aus dem Konditionierkreislauf 60 auskoppelbar beziehungsweise dieser gegebenenfalls ausschließlich in den Kältekreis 60, 66 überführbar, mittels welchem eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung 100 (3) gegebenenfalls der/einer Standklimatisierungseinrichtung 100 gegebenenfalls der/einer Klimaanlage realisierbar ist. Hierfür weist der Kältekreis 60, 66 eine elektrische Klimaeinrichtung 61, 64 auf, die als ein elektrischer Kälteerzeuger 64 beziehungsweise elektrisches Klimatisierungsmodul 64 ausgebildet ist.
Der Kältekreis 60, 66 weist bevorzugt stromabwärts des Stellmittels 69, das elektrische Klimatisierungsmodul 64 auf, wobei das elektrische Klimatisierungsmodul 64 in den Konditionierkreislauf 60 beziehungsweise Kältekreis 60, 66 mittels eines Kälteübertragers 65 beziehungsweise Fahrgastzellen-Kälteübertragers 65 kälteübertragend eingebunden ist. Das elektrische Klimatisierungsmodul 64 erzeugt in einem Kältemittel 68 Kälte, welche im Kälteübertrager 65 an die im Kältekreis 60, 66 strömende Umgebungsluft 5 und/oder Luft der Fahrgastzelle 70 übertragen werden kann.
Die elektrische Klimaeinrichtung 61, 64 kann von der/einer Batterie 50 oder der/einer Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellensystems mit elektrischer Energie versorgt werden. So ist es zum Beispiel möglich, den elektrischen Kälteerzeuger 64 bei dem/einem vergleichsweise hohen Ladezustand SoC_h (englisch State of Charge) der Batterie 50 von der Batterie 50, und bei dem/einem geringeren beziehungsweise vergleichsweise geringen Ladezustand SoC_n der Batterie 50 vom Brennstoffzellenaggregat 1 mit elektrischer Energie zu versorgen. Der vergleichsweise hohe Ladezustand SoC_h ist wiederum kleiner oder gleich dem/einem aktuell möglichen Höchstladezustand SoC_max der Batterie 50. Der Index h bei SoC bezeichnet dabei wiederum den/einen vergleichsweise hohen Ladezustand, der Index n den/einen vergleichsweise niedrigen Ladezustand und der Index max den/einen Höchstladezustand.
Im Folgenden ist ein bevorzugter Betrieb der Standkühlung 100 näher erläutert, wobei zwischen einem Betrieb der Standkühlung 100 bei im Wesentlichen voll geladener Batterie 50 (Ladezustand SoC_h) und einem Betrieb der Standkühlung 100 bei nicht voll geladener Batterie (Ladezustand SoC_n) 50 unterschieden wird.
Bei im Wesentlichen voll geladener Batterie 50 versorgt der elektrische Kälteerzeuger 64 den Kälteübertrager 65 mit kaltem Kältemittel 68, wobei der elektrische Kälteerzeuger 64 über die Batterie 50 gespeist wird. Das Stellmittel 69 ist derart gestellt, dass der Wärmeübertrager 63 des Konditionierkreislaufs 60 nicht durchströmt wird. Hierbei ist die Kühlmediumpumpe 43 aus und das Stellmittel 45 derart gestellt, dass der Wärmeübertrager 44 in der Kühlmediumversorgung 40 nicht durchströmt wird. Ferner ist der elektrische Wärmeerzeuger 62, der bevorzugt in den Kühler-Bypass 59 eingekoppelt ist, aus. Der Fahrgastzellenlüfter 67 läuft. Sobald der Ladezustand SoC der Batterie 50 unter einen bestimmten Wert kleiner y fällt, startet das Brennstoffzellensystem. Hierbei beträgt y bevorzugt zwischen 30% und 70% des aktuell möglichen Höchstladezustands SoC_max der Batterie 50. Wenn das Brennstoffzellensystem gestartet ist, erfolgt ein Betrieb des elektrischen Kälteerzeugers 64 wie direkt nachfolgend beschrieben.
Bei im Wesentlichen nicht voll geladener Batterie 50 wird das Brennstoffzellensystem gestartet, wobei wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) des Brennstoffzellensystems die Betriebsmedien 3, 5 zugeführt werden. Der elektrische Kälteerzeuger 64 versorgt den Kälteübertrager 65 mit kaltem Kältemittel 68, wobei der elektrische Kälteerzeuger 64 über den Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) gespeist wird. Das Stellmittel 69 ist derart gestellt, dass der Wärmeübertrager 63 des Konditionierkreislaufs 60 nicht durchströmt wird. Hierbei ist die Kühlmediumpumpe 43 an und fördert Kühlmittel 7/8, wobei das Stellmittel 45 bevorzugt derart gestellt ist, dass der Wärmeübertrager 44 in der Kühlmediumversorgung 40 nicht durchströmt wird. Es ist möglich, das Stellmittel 45 derart zu stellten, dass der Wärmeübertrager 44 durchströmt wird. Ferner ist der elektrische Wärmeerzeuger 62, der bevorzugt in den Kühler-Bypass 59 eingekoppelt ist, aus. Der Fahrgastzellenlüfter 67 läuft.
Ein elektrischer Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird bevorzugt auf einen Normalbetrieb eingestellt. Eine gegebenenfalls überschüssige elektrische Energie aus dem Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle 10) wird bevorzugt der Batterie 50 zugeführt. Sobald die Batterie 50 im Wesentlichen vollständig geladen ist, eine elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels nicht mehr abgenommen werden kann und/oder die Konditionierung der Fahrgastzelle 70 einen Sollzustand erreicht, schaltet das Brennstoffzellensystem ab oder fährt herunter, und gegebenenfalls die Batterie 50 versorgt die Standkühlung 100 wie oben beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems
2: Umgebung, Luft
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch, hinströmend
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas, abströmend
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt (Umgebungs-)Luft, hinströmend
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft, abströmend
7: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch), hinströmend
8: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, abströmend
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum einer Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: (zweite) Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 34
34: Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
39: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger
40: Brennstoffzellen-Versorgung, Kühlmediumversorgung, Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
41: Pfad, Zulaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Zulaufpfad
42: Pfad, Ablaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Ablaufpfad
43: Kühlmediumpumpe
44: Wärmeübertrager, Kühler, Fahrzeughauptkühler
45: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Thermostatventil
46: Heizkreis
50: Batterie
59: Kühler-Bypass
60: Konditionierkreislauf der Fahrgastzelle 70
61: elektrische Klimaeinrichtung
62: elektrischer Wärmeerzeuger, elektrischer Zuheizer
63: Wärmeübertrager, Fahrgastzellen-Wärmeübertrager
64: elektrischer Kälteerzeuger, elektrisches Klimatisierungsmodul
65: Kälteübertrager, Fahrgastzellen-Kälteübertrager
66: Wärmeübertrager-Bypass
67: Fahrgastzellenlüfter
68: Kältemittel
69: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Bypassventil
70: Fahrgastzelle
100: Standklimatisierungseinrichtung, Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung, Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung
SoC: Ladezustand der Batterie 50, Index h für vergleichsweise hohen Ladezustand, Index n für vergleichsweise niedrigen Ladezustand, Index max für (aktuell möglichen) Höchstladezustand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10301609 A1 [0007]
DE 10054007 A1 [0008]

Claims

Standklimatisiereinrichtung (100) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend eine elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei die Standklimatisiereinrichtung (100) so eingerichtet ist, dass bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand (SoC_h) einer Batterie (50) des Brennstoffzellenfahrzeugs die elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) durch die Batterie (50) mit elektrischer Energie versorgt wird und bei einem geringeren Ladezustand (SoC_n) der Batterie (50) die elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) durch ein Brennstoffzellenaggregat (1) des Brennstoffzellenfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriebetrieb der elektrischen Klimaeinrichtung (61; 62, 64) priorisiert ist, wobei bei einem Brennstoffzellenbetrieb der elektrischen Klimaeinrichtung (61; 62, 64) eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat (1) der Batterie (50) zuführbar ist.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) für eine Standheizung des Brennstoffzellenfahrzeugs als ein elektrischer Wärmeerzeuger (61, 62) und für eine Standkühlung des Brennstoffzellenfahrzeugs als ein elektrischer Kälteerzeuger (61, 64) ausgebildet ist; und/oder der vergleichsweise hohe Ladezustand (SoC_h) der Batterie (50) zwischen ca. 30% und ca. 70%, zwischen ca. 40% und ca. 70%, zwischen ca. 50% und ca. 70% oder zwischen ca. 60% und ca. 70% von einem Höchstladezustand (SoC_max) der Batterie (50) beträgt.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, oder Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Standklimatisiereinrichtung (100) oder die Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100) einen in einen Heizkreis (46) einer Kühlmediumversorgung (40) des/eines Brennstoffzellenaggregats (1) wärmeübertragend einbindbaren oder eingebundenen Konditionierkreislauf (60) der/einer Fahrgastzelle (70) aufweist, wobei der/ein elektrische/r Wärmeerzeuger (61, 62) in den Heizkreis (46) wärmeübertragend eingebunden ist.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, oder Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betrieb der Standklimatisiereinrichtung (100) oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100): ein Kühlmedium (7, 8) mittels einer Kühlmediumpumpe (43) des Heizkreises (46) förderbar ist; ein Stellmittel (45) des Heizkreises (46) derart stellbar ist, dass ein Fahrzeugkühler (44) nicht durchströmbar ist; und/oder bei einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats (1) eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat (1) der Batterie (50) zuführbar ist.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, oder Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100), dadurch gekennzeichnet, dass in die Standklimatisiereinrichtung (100) oder in die Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100) der/ein elektrische/r Kälteerzeuger (61, 64) in den/einen Konditionierkreislauf (60) der/einer Fahrgastzelle (70) kälteübertragend einbindbar oder eingebunden ist, wofür der Konditionierkreislauf (60) vom Heizkreis (46) abkoppelbar ist.
Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, oder Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betrieb der Standklimatisiereinrichtung (100) oder der Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100): ein Wärmeübertrager-Bypass (66) im Konditionierkreislauf (60) einrichtbar ist, welcher einen Wärmeübertrager (63) im Konditionierkreislauf (60) umgeht; die Kühlmediumpumpe (43) abgestellt ist oder das/ein Kühlmedium (7, 8) mittels der/einer Kühlmediumpumpe (43) des Heizkreises (46) förderbar ist; das/ein Stellmittel (45) des Heizkreises (46) derart gestellt ist, dass der Fahrzeugkühler (44) durchströmbar oder nicht durchströmbar ist; und/oder bei einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats (1) eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat (1) der Batterie (50) zuführbar ist.
Verfahren zum Standklimatisieren einer Fahrgastzelle (70) eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Standklimatisieren durch eine elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) einer Standklimatisiereinrichtung (100) des Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt, wobei eine elektrische Energie für die elektrische Klimaeinrichtung (61; 62, 64) entweder von der Batterie (50, SoC_h) oder von einem Brennstoffzellenaggregat (1, SoC_n) des Brennstoffzellenfahrzeugs erhalten wird.
Klimatisierverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Kühlmedium (7, 8) oder ein Kältemittel (68) die Fahrgastzelle (70) konditioniert; und/oder durch das Kühlmedium (7, 8) des Brennstoffzellenaggregats (1) oder das Kältemittel (68) der elektrischen Klimaeinrichtung (61, 64) eine Umgebungsluft (5) und/oder eine Luft der Fahrgastzelle (70) konditioniert und der Fahrgastzelle (70) zur Verfügung gestellt wird.
Klimatisierverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb der elektrischen Klimaeinrichtung (61; 62, 64) durch das Brennstoffzellenaggregat (1): eine überschüssige elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellenaggregat (1) der Batterie (50) zugeführt wird; bei im Wesentlichen voll geladener Batterie (50) das Brennstoffzellenaggregat (1) abgestellt wird, wobei ein weiterer Betrieb der elektrischen Klimaeinrichtung (61; 62, 64) durch die Batterie (50) erfolgt; und/oder bei einer Soll-Konditionierung der Fahrgastzelle (70) das Brennstoffzellenaggregat (1) heruntergefahren oder abgestellt wird.
Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug eine Standklimatisiereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist; eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standheizung (100) gemäß Anspruch 4 oder 5 aufweist; eine Brennstoffzellenfahrzeug-Standkühlung (100) gemäß Anspruch 6 oder 7 aufweist; und/oder durch das Brennstoffzellenfahrzeug ein Klimatisierverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 durchführbar ist oder durchgeführt wird.