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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 8.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.
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Die Abwärme des Brennstoffzellenstacks wird in mobilen Anwendungen typischerweise über einen Kühlkreis mit einer Kühlflüssigkeit aus einem Wasser-Glykol- Gemisch aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt und mit Hilfe eines Wärmetauschers oder Kühlers an die Umgebung abgegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass die Performance des Brennstoffzellensystems gesteigert werden kann, da der Wärmeübergang aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung erhöht werden kann.
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Die typische Betriebstemperatur von Brennstoffzellensystemen beträgt 60 °C. Mit diesem Temperaturniveau ist es jedoch normalerweise nicht möglich Hochlastpunkte des Brennstoffzellensystems hinsichtlich der Kühlung unter warmen bis heißen Umgebungsbedingungen (Umgebungstemperaturen über 20°C) umzusetzen. Die abführbare Wärmemenge des Fahrzeugkühlers hängt im Wesentlichen von seinem Kühlvermögen und dem Temperaturgefälle zur Umgebung ab. Bei gleicher abzugebender Wärmemenge müssen bei erhöhter Umgebungstemperatur folglich auch erhöhte Systemtemperaturen eingestellt werden.
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Hohe Systemtemperaturen führen zu einem erhöhten Druckbedarf im Luftsystem und damit zu erhöhten Anforderungen an das Leistungsvermögen des elektrischen Verdichters und des Systems.
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In realen anspruchsvollen Fahrsituationen tritt das Kühlungsdefizit meist nur über kurze Zeit auf. Eine thermische dauerfeste Systemdimensionierung um diese Fahrsituationen auszugleichen, führt zu einer Überdimensionierung mit entsprechenden Mehrkosten des Brennstoffzellensystems.
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Gemäß der vorgeschlagenen Erfindung wird im Kühlgrenzfall eine thermische Masse temporär in den Kühlkreis eingekoppelt, so dass keine Überdimensionierung des Brennstoffzellensystems benötigt wird, um auch bei erhöhten Leistungsbedarf die entsprechende Kühlleistung bereitzustellen.
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Durch die Einkopplung der thermische Masse steigt die Kühlmitteltemperatur im Kühlkreis langsamer an, da die überschüssige Wärme nicht nur über den Fahrzeugkühler, sondern auch an die thermische Masse abgegeben werden kann. Auf diese Weise kann das Auftreten von Derating verhindert oder deutlich verzögert werden.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Kühlen angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn als thermische Masse ein Tanksystem der Brennstoffversorgung in den Kühlkreis eingekoppelt wird, da dieses bereits im Brennstoffzellensystem vorhanden ist.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Tanksystem mindestens zwei Stahlflaschen aufweist, da diese bei Temperaturen unterhalb von 100°C als sehr robust gegenüber Temperaturwechseln eingeschätzt werden und Stahl eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Eine Bypassleitung, welche einen Leitungsabschnitt des Kühlkreises umgeht und im thermischen Austausch mit der thermischen Masse ist, ist aufgrund der flexiblen Positionierung der thermischen Massen, auch weiter entfernt vom Kühlkreis, vorteilhaft.
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Eine Anordnung der Bypassleitung zwischen mindestens zwei Stahlflaschen ist von Vorteil, da auf diese Weise ein guter Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittel und den Stahlflaschen erreicht wird.
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Durch ein Bypassventil kann die Verbindung zur Bypassleitung besonders flexible geöffnet oder geschlossen werden, so dass die thermische Masse nur bei Bedarf in das Kühlsystem eingekoppelt werden kann.
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Um den Wärmetaucher bzw. den Fahrzeugkühler auf einem möglichst hohen Temperaturniveau gegenüber der Umwelt zu betreiben, ist das Bypassventil auf vorteilhafte Weise in Strömungsrichtung zwischen dem Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenstack angeordnet.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Bypassventil geöffnet wird, wenn die Wärmeproduktion des Brennstoffzellenstacks die Wärmeabfuhr über den Wärmetauscher übersteigt, da auch diese Weise ein thermisches Derating vermieden werden kann.
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Um den nächsten Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Einkopplung der thermischen Masse optimal vorzubereiten, sollte das Bypassventil geschlossen werden, wenn nach einer Leistungsrücknahme die thermische Masse wieder eine untere Beharrungstemperatur erreicht hat.
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Um möglichst schnell nach einem Betankungsvorgang gute Randbedingungen für das Verfahren zur Kühlung bereitzustellen, sollte das Tanksystem nach einem Betankungsvorgang wieder auf die Umgebungstemperatur, welche der unteren Beharrungstemperatur entspricht, gekühlt werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Brennstoffzellensystems mit eingekoppelter thermischer Masse.
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In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist eine Sauerstoffversorgung 10, einen Abgaspfad 12, eine Brennstoffversorgung 20 und einen Kühlkreislauf 30 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Die Sauerstoffversorgung 10 dient als Zuluftleitung zum Brennstoffzellenstack 101. In der Sauerstoffversorgung 10 können weitere Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb der Brennstoffzelle 101 benötigt werden. Es können in der Sauerstoffversorgung 10 beispielsweise ein Filter und/oder ein Kompressor und/oder ein Luftverdichter und/oder ein Luftbefeuchter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über die Sauerstoffversorgung 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Abluftleitung 12 auf, in welcher Luft der Sauerstoffversorgung 10 nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 beinhaltet ist.
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Im Eingang der Brennstoffversorgung 20 befinden sich ein Tank 21 und ein Absperrventil 22. Durch das Absperrventil 22 kann die benötigte Brennstoffmenge aus dem Tank 21 geregelt werden. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffversorgung angeordnet sein, um die Brennstoffzelle 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist des Weiteren einen Kühlkreislauf 30 auf, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Die Versorgung des Brennstoffzellenstacks 101 mit Kühlmittel, welches sich im Kühlkreislauf 30 befindet, sorgt dafür, dass der Brennstoffzellenstack 101 während des Betriebes auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur temperiert wird.
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Der Kühlkreislauf 30 umfasst einen Wärmetauscher 32, sowie eine Kühlmittelpumpe 31, welche in Strömungsrichtung bevorzugt nach dem Wärmetauscher 32 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 32 kann beispielsweise mit einem weiteren Kühlkreislauf des Fahrzeuges in Verbindung stehen oder direkt der Fahrzeugkühler selbst sein.
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Als ein Kühlmittel kann im Kühlkreislauf 30 ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt werden, welches Wärme aus dem Brennstoffzellenstack 101 abführt und mit Hilfe des Wärmetauschers 32 an die Umgebung abgibt.
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Um im Kühlgrenzfall nicht nur Wärme über den Wärmetauscher 32 an die Umgebung abzugeben, kann eine thermische Masse 35 in den Kühlkreislauf 30 eingekoppelt werden. Die thermische Masse 35 kann ein Tanksystem 21 der Brennstoffversorgung 20 sein. Das Tanksystem 21 weist bevorzugt einen Tank oder mehrere Tanks auf, welche aufgrund ihrer äußeren Beschaffenheit eine große Wärmekapazität aufweisen.
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Alternativ kann aber auch eine andere thermische Masse 35, welche im Fahrzeug vorhanden ist und aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität Wärme aus der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes 30 aufnehmen kann, in den Kühlkreislauf 30 eingekoppelt werden.
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Der Kühlkreislauf 30 weist eine Bypassleitung 40 auf, welche einen Leitungsabschnitt 41 des Kühlkreises 30 umgeht und im thermischen Austausch mit der thermischen Masse 35 ist.
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Die Bypassleitung 40 ist über ein Bypassventil 42 mit dem Kühlkreislauf 30 verbunden. Abhängig von der Stellung des Bypassventils 42, kann die Kühlflüssigkeit vollständig oder nur teilweise durch die Bypassleitung 40 strömen, so dass der Leitungsabschnitt 41 nicht mehr oder nur teilweise von Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Alternativ kann aber auch die gesamte Kühlflüssigkeit durch den Leitungsabschnitt 41 strömen, so dass die Bypassleitung 40 nicht mehr von Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Über das Bypassventil 42 die Verbindung zur Bypassleitung 40 geöffnet oder geschlossen werden kann, so dass die thermische Masse 35 in den Kühlkreislauf 30 eingekoppelt wird.
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In einer Ausführungsform ist das Bypassventil 42 in Strömungsrichtung zwischen dem Wärmetauscher 32 und dem Brennstoffzellenstack 101 angeordnet, so dass das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstack 101 durch den Bypass 40 geleitet werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Fahrzeugkühler 32, als Wärmetauscher 32, auf einem möglichst hohen Temperaturniveau gegenüber der Umgebungstemperatur betrieben werden kann.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem das Tanksystem 21 aus drei Stahlflaschen 23 gebildet wird. Die Bypasssleitung 40 verzweigt hier an einem erstem Verzweigungspunkt 24 in zwei Kühlleitungen 43, welche jeweils zwischen zwei Stahlflaschen 23 angeordnet sind. An einem zweiten Verzweigungspunkt 25 treffen die zwei Kühlleitungen 43 wieder aufeinander.
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In alternativen Ausführungsformen kann das Tanksystem 21 auch aus zwei oder mehr Stahlflaschen 23 gebildet werden, wobei Kühlleitungen 43 immer zwischen mindestens zwei Stahlflaschen 23 angeordnet sein können.
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In der 3 ist ein Temperatur-Zeit-Diagramm, welches die Auswirkungen der thermischen Masse 35 auf das Temperaturverhalten des Brennstoffzellenstacks 101 zeigt, dargestellt. Auf der x-Achse ist die Zeit dargestellt, die y-Achse zeigt die Temperatur des Kühlmittels.
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Die dünne Linie/Kurve zeigt den Verlauf der Temperatur ohne die Einkopplung der thermischen Masse 25. Die dicke Linie/Kurve zeigt den Verlauf der Temperatur mit Einkopplung der thermischen Masse 35.
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Zum Zeitpunkt t_0 wird das Brennstoffzellensystem 100 gestartet und erreicht zum Zeitpunkt t_1 die Normalbetriebstemperatur, welche typischerweise bei ungefähr 60°C liegt.
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Zum Zeitpunkt t_2 übersteigt die Wärmeproduktion des Brennstoffzellenstacks 101 und die Wärmeproduktion weiterer Komponenten im Brennstoffzellensystem 100, welche aber im Folgenden vernachlässigt werden, die aktuelle Wärmeabfuhr des Kühlkreislaufes 30 über den Wärmetauscher 32, so dass die Temperatur des Kühlmittels weiter ansteigt.
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Zum Zeitpunkt t_4 erreicht die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf 30 (ohne die Einkopplung der thermischen Masse 35) die maximale Betriebstemperatur T_max des Brennstoffzellensystems 100. Der Wärmetauscher 32 bzw. Fahrzeugkühler kann auf diesem Temperaturniveau die maximale Kühlleistung an die Umgebung abführen. Im Fall, dass die Wärmeproduktion durch den Brennstoffzellenstack 101 weiterhin die über den Wärmetauscher 32 abführbare Wärmemenge übertrifft, muss ab dem Zeitpunkt t_4 Leistung zurückgenommen werden. Es kommt folglich zu einem thermischen Derating.
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Die dicke Kurve beschreibt das Verhalten der Temperatur, wenn eine thermische Masse 35 eingekoppelt wird. Zum Zeitpunkt t_3 wird das Bypassventil 42 geöffnet und die thermische Masse 35 eingekoppelt. Der Zeitpunkt t_3 entspricht dabei einem Temperaturschwellwert T_S, wobei der Temperaturschwellwert T_S abhängig vom Typ des Stacks und von der Topologie des Brennstoffzellensystems gewählt wird. Die durch das Kühlmittel aufgenommene Wärme wird ab dem Zeitpunkt t_3 nicht mehr nur über den Wärmetauscher abgegeben, sondern auch an die thermische Masse, so dass die dicke Linie eine geringere Steigung aufweist, als die dünne Linie. Der Aufheizgradient des Kühlkreises 30 mit eingekoppelter thermischer Masse 35 ist geringer als der Aufheizgradient des Kühlkreises 30 ohne eingekoppelte thermische Masse 35.
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Zum Zeitpunkt t_6 erreicht auch der Kühlkreislauf 30 mit eingekoppelter thermischer Masse 35 die maximale Betriebstemperatur T_max. Der Zeitpunkt t_6 wird jedoch später erreicht als der Zeitpunkt t_4 des Kühlkreises 30 ohne eingekoppelte thermische Masse 35. Das thermische Derating bei einem Kühlkreis 30 mit eingekoppelter thermischer Masse 35 folglich später eintreten.
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Im Zeitpunkt t_5 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei einem Kühlkreis 30 mit eingekoppelter thermischen Masse 35 noch unterhalb der maximalen Betriebstemperatur T_max. Die dicke Linie mit negativen Gradienten für Zeitpunkte t>t_5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem 100, bei dem eine Leistungsrücknahme vorgenommen wurde. Die dicke Linie weist ab dem Zeitpunkt t_5 eine negative Steigung auf, da das Kühlvermögen durch den Wärmetauscher 32 und die eingekoppelte thermische Masse 35 die Wärmeproduktion übersteigt.
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Eine hohe Effizienz des Kühlkreislaufs 30 kann erreicht werden, wenn die thermische Masse 35 erst wieder aus dem Kühlkreislaufs 30 entkoppelt wird, nachdem die thermische Masse 35 auf ein geringes Temperaturniveau zurückgekühlt wurde. Die minimal erreichbare Beharrungstemperatur entspricht dabei der Umgebungstemperatur.
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Ist die Temperatur des Tanksystems 21 nach einem Betankungsvorgang höher als die Umgebungstemperatur sollte das Tanksystem 21, wenn es der Betrieb bzw. das Kühlvermögen des Fahrzeuges es zulässt, auf die minimal erreichbare Beharrungstemperatur zurückgekühlt werden.
