DE102018205555A1 - Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums und Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums und Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs von einem niedrigen Temperaturwert zu einem erhöhten Temperaturwert, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2) sowie mit einem kathodenseitig mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbundenen Verdichter (3) aufweist, umfassend die Schritte: Ansaugen von Kathodengas mittels des Verdichters (3) sowie Verdichten und Erwärmen des angesaugten Kathodengases. Dabei wird zumindest ein Anteil eines Kathodengasmassenstroms des erwärmten Kathodengases in den Fahrzeuginnenraum geführt und die Temperatur des Fahrzeuginnenraums wird zum erhöhten Temperaturwert angehoben. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs von einem niedrigen Temperaturwert zu einem erhöhten Temperaturwert, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel sowie mit einem kathodenseitig mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Verdichter aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ansaugen von Kathodengas mittels des Verdichters sowie Verdichten und Erwärmen des angesaugten Kathodengases.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens mit einer Batterie, mit einem einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystem und mit einem mit dem Brennstoffzellenstapel kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung strömungsverbundenen Verdichter.
  • Die DE 10 101 914 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Brennstoffzellenanlagenfahrzeug mit einem Verdichter, der Umgebungsluft ansaugt, verdichtet und diese erwärmte Umgebungsluft einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder Kaltluftprozess-Wärmepumpe zuführt zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraums. Somit wird zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums die zuvor durch den Verdichter erwärmte Umgebungsluft mittels eines Expanders wieder abgekühlt.
  • Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik PTC-Heizer zum Heizen des Fahrzeuginnenraums bekannt. Für das Heizen mittels PTC-Heizer wird allerdings ein zusätzliches Bauteil und zusätzlicher Bauraum im Fahrzeug benötigt. Dies verursacht eine Kostensteigerung in der Herstellung des Fahrzeugs.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein energieeffizienteres Verfahren und ein Fahrzeug bereitzustellen, welches energiesparender beheizt werden kann.
  • Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Insbesondere wird die das Verfahren betreffende Aufgabe gelöst, indem zumindest ein Anteil eines Kathodengasmassenstroms des erwärmten Kathodengases in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, und indem die Temperatur des Fahrzeuginnenraums zum erhöhten Temperaturwert angehoben wird. Dadurch wird ein Verfahren zum Heizen des Fahrzeuginnenraums geschaffen, das auf ohnehin im Brennstoffzellensystem vorhandene Bauteile, wie den Verdichter, zurückgreift. Darüber hinaus wird das mittels des Verdichters beim Verdichten erwärmte Kathodengas energieeffizient zum Wärmen des Fahrzeuginnenraums genutzt.
  • Um die Energieeffizienz des Verfahrens weiter zu erhöhen ist es bevorzugt, wenn der Kathodengasmassenstrom nur solange in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert erreicht wird. In einer vorteilhaften Ausbildung ist dazu ein Sensor vorgesehen, der einen Isttemperaturwert ermittelt und an eine Steuereinheit weitergibt, die den Isttemperaturwert mit dem vorgegebenen oder vorgebbaren erhöhten Temperaturwert vergleicht.
  • Um das Fahrzeug auch im Stand heizen zu können, umfasst das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte:
    • - Starten eines Batteriebetriebs, in dem eine Energieversorgung des Fahrzeugs ausschließlich mittels einer Batterie erfolgt und
    • - Betreiben des Verdichters mittels der Batterie.
  • Dies ermöglicht das Erwärmen des Fahrzeuginnenraums, wenn das Fahrzeug nicht oder noch nicht mit dem Brennstoffzellensystem betrieben wird. In einer alternativen Ausführungsform ist es zum Anheben einer Temperatur im Brennstoffzellenstapel vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Kathodengasmassenstroms in den oder zum Brennstoffzellenstapel geführt wird. Dies ermöglicht ein Vorwärmen des Brennstoffzellenstapels bei tiefen oder tieferen Außentemperaturen, d.h. insbesondere bei einem Froststart.
  • Darüber hinaus umfasst das Verfahren den nachfolgenden Schritt: Starten eines Brennstoffzellenbetriebs durch anodenseitiges Zuführen von Brennstoff und kathodenseitiges Zuführen zumindest eines anderen Teils des Kathodengasmassenstroms zum Brennstoffzellenstapel. Das Verfahren schaltet folglich in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen einem Batteriebetrieb, in dem die Energieversorgung des Fahrzeugs ausschließlich mittels der Batterie erfolgt und einem Brennstoffzellenbetrieb, in dem das Fahrzeug mittels des Brennstoffzellensystems betrieben wird.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass, wenn die Temperatur im Fahrzeuginnenraum nicht dem vorgegebenen oder vorgebbaren höheren Temperaturwert entspricht, zumindest ein Anteil des Kathodengasmassenstroms des erwärmten Kathodengases in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, so dass die Temperatur des Fahrzeuginnenraums zum erhöhten Temperaturwert angehoben wird. In einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren auch nur einen Batteriebetrieb oder nur einen Brennstoffzellenbetrieb aufweisen.
  • Zur Verbesserung der Energieeffizienz des Verfahrens ist es bevorzugt, wenn kein Kathodengasmassenstrom mehr in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, sobald der Batteriebetrieb oder der Brennstoffzellenbetrieb beendet wird. Der Batteriebetrieb kann beendet werden durch Abstellen des Fahrzeugs d.h. durch Unterbrechung der Spannungsversorgung durch die Batterie, oder indem der Brennstoffzellenbetrieb gestartet wird, d.h. vorzugsweise durch Zuführen von Brennstoff in die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenbetrieb kann wiederum durch Abstellen des Fahrzeugs, d.h. durch Unterbrechung des anodenseitigen Zuführens von Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel erfolgen und/oder durch Starten des Batteriebetriebs, in dem die Energieversorgung des Fahrzeugs ausschließlich mittels der Batterie erfolgt.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der andere Teil des Kathodengasmassenstroms komplementär ist zu dem dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Anteil des Kathodengasmassenstroms. Im Brennstoffzellenbetrieb ist es somit bevorzugt, wenn ein Anteil des Kathodengasmassenstroms zum Fahrzeuginnenraum geführt wird und ein anderer dazu komplementäre Teil des Kathodengasmassenstroms zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels geführt wird. Dabei sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Anteil und der andere Teil des Kathodengasmassenstroms variabel und werden mittels einer Steuereinheit derart gesteuert, dass das Brennstoffzellensystem eine vorgegebene oder vorgebbare Spannung erzeugt und/oder dass die Temperatur des Fahrzeuginnenraums auf den vorgegebenen oder vorgebbaren erhöhten Temperaturwert angehoben wird.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Durchsatz des Verdichters auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert angepasst, d.h. erhöht oder erniedrigt wird. Insbesondere im Brennstoffzellenbetrieb kann eine Erhöhung des Durchsatzes notwendig sein. Bei Erreichen des erhöhten Temperaturwerts kann der Durchsatz des Verdichters wiederum möglicherweise reduziert werden.
  • Darüber hinaus ist es zum Erreichen eines bestimmten erhöhten Temperaturwerts bevorzugt, wenn mit dem Kathodengasmassenstrom ein Zusatzmassenstrom vermischt wird solange, bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert im Fahrzeuginnenraum erreicht ist.
  • Die das Fahrzeug betreffende Aufgabe wird durch den Merkmalsbestand des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Fahrzeugs sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass stromabwärts des Verdichters eine in einen Fahrzeuginnenraum führende, mit der Kathodenzufuhrleitung strömungsverbundene Innenraumleitung vorhanden ist zur Zuführung von zumindest einem Anteil eines erwärmten Kathodengasmassenstroms in den Fahrzeuginnenraum. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung von im Brennstoffzellensystem ohnehin vorhandenen Bauteilen zum Heizen des Fahrzeuginnenraums. Zudem kann auf Bauteile wie beispielsweise einen PTC-Heizer verzichtet werden, und so Kosten und Bauraum eingespart werden.
  • Zur Steuerung oder zur Einstellung des dem Innenraum zugeführten Anteils des Kathodengasmassenstroms ist es bevorzugt, wenn der Innenraumleitung ein Steuerglied zugeordnet ist. Das Steuerglied kann vorzugsweise als ein Ventil oder als eine Klappe gebildet sein. Das Steuerglied ist darüber hinaus bevorzugt über eine Steuereinheit steuerbar. Die Steuereinheit steuert dabei bevorzugt einen Durchsatz des Verdichters und/oder einen Anteil des Kathodengasmassenstroms in die Innenraumleitung und/oder einen Anteil des Kathodengasmassenstroms in die Kathodenzufuhrleitung.
  • Um den vorgegebenen oder vorgebbaren erhöhten Temperaturwert im Fahrzeuginnenraum besser einstellen oder erreichen zu können ist es bevorzugt, wenn eine Luftzufuhrleitung vorhanden ist, die mit der Innenraumleitung strömungsverbunden ist, und die ausgestaltet ist, dem Anteil des Kathodengasmassenstroms einen Zusatzmassenstrom aus Umgebungsluft beizumischen. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Teile des Kathodengasmassenstroms an der Mischung mittels der Steuereinheit gesteuert.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug zum Anheben einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 für ein Fahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem 1 zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums von einem niedrigen Temperaturwert zu einem erhöhtem Temperaturwert und zum Antreiben des Fahrzeugs geeignet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 weist dabei einen Brennstoffzellenstapel 2 auf, dessen Kathodenräume kathodeneintrittsseitig 8 mittels eines als eine erste Absperrklappe gebildeten ersten Stellglieds 9 verschließbar und über eine Kathodenzufuhrleitung 4 mit einem Befeuchter 10 verbunden sind. Die Kathodenräume sind kathodenaustrittsseitig 11 mittels eines als eine zweite Absperrklappe gebildeten zweiten Stellglieds 12 verschließbar und über eine Abfuhrleitung 13 mit dem Befeuchter 10 verbunden. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen über ein Antriebsmittel 22 antreibbaren Verdichter 3, durch welchen dem Befeuchter 10 trockenes Kathodengas als Kathodengasmassenstrom zuführbar ist. Dem Befeuchter 10 ist weiterhin eine Abgasleitung 14 zugeordnet, wobei die Kathodenzufuhrleitung 4 zwischen dem Befeuchter 10 und dem Verdichter 3 mit der Abgasleitung 14 über eine Systembypassleitung 15 verbunden ist. Der Systembypassleitung 15 ist ein einstellbares oder regelbares Bypassstellglied 16 zugeordnet, dass derart ausgestaltet ist, einen Öffnungsgrad zwischen 5 % und 40 %, insbesondere zwischen 10 % und 30 % aufzuweisen. Das Bypassstellglied 16 ist dabei als eine Bypassklappe gebildet und ist mit der Steuereinheit 18 drahtlos oder drahtgebunden verbunden. Schließlich ist eine Batterie 17 vorgesehen, die neben dem Brennstoffzellensystem 1 das Fahrzeug mit Energie versorgt.
  • Stromabwärts des Verdichters 3 ist eine in einen Fahrzeuginnenraum führende, mit der Kathodenzufuhrleitung 4 strömungsverbundene Innenraumleitung 5 vorhanden zur Zuführung von zumindest einem Anteil eines durch den Verdichter 3 verdichteten und damit erwärmten Kathodengasmassenstroms in den Fahrzeuginnenraum. Der Innenraumleitung 5 ist dabei ein als ein Ventil gebildetes Steuerglied 6 zugeordnet, welches mit der Steuereinheit 18 drahtlos oder drahtgebunden verbunden ist, zur Steuerung oder zur Einstellung des dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Anteils des Kathodengasmassenstroms.
  • Anodenseitig 19 ist dem Brennstoffzellenstapel 2 eine Anodenzufuhrleitung 20 zur Zuführung von Brennstoff und eine Anodenabgasleitung 21 zur Abführung von nicht reagiertem Brennstoff zugeordnet.
  • Um den vorgegebenen oder vorgebbaren erhöhten Temperaturwert im Fahrzeuginnenraum besser einstellen oder erreichen zu können, ist zudem eine mit der Innenraumleitung 5 strömungsverbundene Luftzufuhrleitung 7 vorgesehen, die ausgestaltet ist, dem Anteil des Kathodengasmassenstroms einen Zusatzmassenstrom aus Umgebungsluft beizumischen.
  • Das Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs mit oben beschriebener Vorrichtung umfasst dabei die nachfolgenden Schritte: Zunächst wird ein Batteriebetrieb des Fahrzeugs gestartet, in dem eine Energieversorgung des Fahrzeugs ausschließlich mittels der Batterie 17 erfolgt. Im Batteriebetrieb wird dem Brennstoffzellensystem 1 kein Brennstoff zugeführt. Entspricht die Temperatur im Fahrzeuginnenraum nicht dem vorgegebenen oder dem vorgebbaren erhöhten Temperaturwert, so wird der Verdichter 3 mittels der Batterie 17 betrieben. Kathodengas wird mittels einem nicht dargestellten Ansaugmittel angesaugt und mittels des Verdichters 3 verdichtet und so erwärmt. Zumindest ein Anteil des so erwärmten Kathodengasmassenstroms wird über die Innenraumleitung 5 in den Fahrzeuginnenraum geführt und so die Temperatur des Fahrzeuginnenraums erhöht. Darüber hinaus wird bei Bedarf Umgebungsluft in die Luftzufuhrleitung 7 angesaugt und dem Kathodengasmassenstrom in der Innenraumleitung 5 beigemischt, um den vorgegebenen Temperaturwert besser und/oder genauer erreichen zu können. Das Zuführen des Kathodengasmassenstroms erfolgt solange, bis der Batteriebetrieb beendet wird, beispielsweise durch Abstellen des Fahrzeugs oder durch Starten eines Brennstoffzellenbetriebs, oder solange, bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert erreicht ist.
  • In einem weiteren Schritt, um mit dem Fahrzeug fahren zu können, wird der Brennstoffzellenbetrieb gestartet durch Zuführen von Brennstoff an die Anodenräume 19 und Zuführen an die Kathodenräume 8 zumindest eines anderen Teils des Kathodengasmassenstroms. Entspricht die im Fahrzeuginnenraum vorherrschende Temperatur nicht dem vorgegebenen oder vorgebbaren höheren Temperaturwert, so wird der Anteil des Kathodengasmassenstroms über die Innenraumleitung 5 vom Verdichter 3 in den Fahrzeuginnenraum geführt, während der andere Teil des Kathodengasmassenstroms in die Kathodenräume 8 des Brennstoffzellenstapels 2 geführt wird. Dabei wird der andere Teil des Kathodengasmassenstroms über den Befeuchter 10 geleitet, dort befeuchtet und im Anschluss zu den Kathodenräumen 8 des Brennstoffzellenstapels 2 geführt. Der andere Teil des Kathodengasmassenstroms ist dabei komplementär zu dem dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Anteil des Kathodengasmassenstroms. In diesem Zusammenhang kann es notwendig sein, einen Durchsatz des Verdichters 3 zu erhöhen und bei Erreichen des erhöhten Temperaturwerts wiederrum zu reduzieren.
  • Das Zuführen des Kathodengasmassenstroms in den Fahrzeuginnenraum erfolgt dabei wiederum solange, bis der Brennstoffzellenbetrieb beendet wird oder solange bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert erreicht ist. Der Brennstoffzellenbetrieb wird vorzugsweise durch das Unterbrechen des Zuführens von Brennstoff beendet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Verdichter
    4
    Kathodenzufuhrleitung
    5
    Innenraumleitung
    6
    Steuerglied
    7
    Luftzufuhrleitung
    8
    Kathodenräume
    9
    erstes Stellglied
    10
    Befeuchter
    11
    kathodenaustrittseitig
    12
    zweites Stellglied
    13
    Abfuhrleitung
    14
    Abgasleitung
    15
    Systembypassleitung
    16
    Bypassstellglied
    17
    Batterie
    18
    Steuereinheit
    19
    Anodenräume
    20
    Anodenzufuhrleitung
    21
    Anodenabgasleitung
    22
    Antriebsmittel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10101914 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs von einem niedrigen Temperaturwert zu einem erhöhten Temperaturwert, wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2) sowie mit einem kathodenseitig mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbundenen Verdichter (3) aufweist, umfassend die Schritte: Ansaugen von Kathodengas mittels des Verdichters (3) sowie Verdichten und Erwärmen des angesaugten Kathodengases, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil eines Kathodengasmassenstroms des erwärmten Kathodengases in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, und dass die Temperatur des Fahrzeuginnenraums zum erhöhten Temperaturwert angehoben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengasmassenstrom nur solange in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: - Starten eines Batteriebetriebs, in dem eine Energieversorgung des Fahrzeugs ausschließlich mittels einer Batterie erfolgt und - Betreiben des Verdichters (3) mittels der Batterie.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch: Starten eines Brennstoffzellenbetriebs durch anodenseitiges Zuführen von Brennstoff und kathodenseitiges Zuführen zumindest eines anderen Teils des Kathodengasmassenstroms zum Brennstoffzellenstapel (2).
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass kein Kathodengasmassenstrom mehr in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, sobald der Batteriebetrieb oder der Brennstoffzellenbetrieb beendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Teil des Kathodengasmassenstroms komplementär ist zu dem dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Anteil des Kathodengasmassenstroms.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet, dass mit dem Kathodengasmassenstrom ein Zusatzmassenstrom vermischt wird solange, bis der vorgegebene oder vorgebbare erhöhte Temperaturwert im Fahrzeuginnenraum erreicht ist.
  8. Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Batterie (17), mit einem einen Brennstoffzellenstapel (2) aufweisenden Brennstoffzellensystem (1) und mit einem mit dem Brennstoffzellenstapel (2) kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung (4) strömungsverbundenen Verdichter (3), dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (3) eine in einen Fahrzeuginnenraum führende, mit der Kathodenzufuhrleitung (4) strömungsverbundene Innenraumleitung (5) vorhanden ist zur Zuführung von zumindest einem Anteil eines erwärmten Kathodengasmassenstroms in den Fahrzeuginnenraum.
  9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraumleitung (5) ein Steuerglied (6) zugeordnet ist zur Steuerung oder zur Einstellung des dem Innenraum zugeführten Anteils des Kathodengasmassenstroms.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzufuhrleitung (7) vorhanden ist, die mit der Innenraumleitung (5) strömungsverbunden ist, und die ausgestaltet ist, dem Anteil des Kathodengasmassenstroms einen Zusatzmassenstrom aus Umgebungsluft beizumischen.
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