DE102020101294A1

DE102020101294A1 - Kraftfahrzeug und Kombinationen mit einem solchen

Info

Publication number: DE102020101294A1
Application number: DE102020101294.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Fladung
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1) mit einer einen ersten Kühlmittelkreislauf (7) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (2), bei der eine thermische Schnittstelle (6) dem ersten Kühlmittelkreislauf (7) zur thermischen Kopplung an einen fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem mehrere Kombinationen mit einem solchen Kraftfahrzeug (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer einen ersten Kühlmittelkreislauf aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, bei der eine thermische Schnittstelle dem ersten Kühlmittelkreislauf zur thermischen Kopplung an einen fahrzeugexternen Wärmespeicher zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem verschiedene Kombinationen mit einem solchen Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellenvorrichtungen erzeugen durch chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser elektrische Energie. Diese Energie kann zum Betreiben von Maschinen verwendet werden, daher sind Brennstoffzellenvorrichtungen besonders ihm Rahmen der E-Mobilität interessant. In Kraftfahrzeugen verbaute Brennstoffzellenvorrichtungen bieten eine Alternative zur konventionellen Nutzung endlicher Ressourcen zur Energiegewinnung. Solche Brennstoffzellenvorrichtung bestehen aus Brennstoffzellen, die als Kernkomponenten die sog. Membran-Elektroden-Einheit enthalten, ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordnete Elektroden (Anode und Kathode). Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum dies Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Bei der beschriebenen Brennstoffzellenreaktion endet allerdings 50 Prozent der eingesetzten Energie als Wärme. Eine Vorrichtung, die es erlaubt, die bei der Reaktion anfallende Abwärme zu nutzen, ist daher von großem Interesse.
In der DE 10 2014 202 663 A1 wird eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der die Abwärme einem der Brennstoffzellenvorrichtung zugeordneten Wärmespeicher zugeführt wird.
In der US 2006/0144625 A1 wird ein System aus einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung und beweglicher Einheit beschrieben, bei der in der beweglichen Einheit das bei der Brennstoffzellenreaktion entstandene Produktwasser und die dabei aufgenommene Abwärme gespeichert wird.
In der KR 100750057 B1 wird eine einem Gebäude zugeordnete Brennstoffzellenvorrichtung angegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit verbesserter Ausnutzung des Energiegehalts des Brennstoffes anzugeben. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Kombination umfassend ein solches Kraftfahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Kombination mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch eine Kombination mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das eingangs genannte Kraftfahrzeug liefert eine thermische Schnittstelle zur thermischen Kopplung des Kraftfahrzeugs an einen fahrzeugexternen Wärmespeicher. Da die Brennstoffzellenvorrichtungen aufgrund der Wärmeproduktion gekühlt werden, was mittels eines Kühlmittelkreislaufes bewirkt wird, kann dieser bereits vorliegende Kühlmittelkreislauf als Abwärme-Bezugsquelle verwendet werden. Die Erfindung nutzt diese Abwärmequelle in Form einer angeschlossenen thermischen Schnittstelle zur Abwärmeausbringung.
Die Nutzung der Abwärme-Energie ist dabei nicht auf das jeweilige Kraftfahrzeug beschränkt und somit fahrzeugassoziiert, sondern es kann auch eine fahrzeugexterne, also eine ein Brennstoffzellenvorrichtung aufweisendes Fahrzeug ausschließende Nutzung betreffen. Eine solche fahrzeugexterne Nutzung wurde nun in Überlegungen einbezogen, die eine quasistationäre Hausenergieversorgung bei Fahrzeugstillstand einschließt.
Dies wird mittels eines zweiten Kühlmittelkreislaufes bewerkstelligt, der die thermische Schnittstelle an den fahrzeugexternen Wärmespeicher anschließt und einem Energietransfer dient. Der thermischen Schnittstelle selbst und/oder dem fahrzeugexternen Wärmespeicher ist dabei ein Wärmetauscher zugeordnet.
Die thermische Kopplung lässt das Einspeisen thermischer Energie in den Speicher zu und kann anschließend bei einer fahrzeugexternen thermischen Nutzung verwendet werden. Des Weiteren kann der der thermischen Schnittstelle zugeordnete Wärmetauscher vom fahrzeugexternen Wärmespeicher beheizt werden zur fahrzeugassoziierten Nutzung, also der Wärmestrom auch umgekehrt werden, um beispielsweise bei Froststartbedingungen die Brennstoffzellenvorrichtung oder das Kraftfahrzeug im Sinne einer Standheizung zu erwärmen.
Wird das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug in einer Kombination mit einer Immobilie verwendet, wobei der Immobilie der fahrzeugexterne Wärmespeicher zugeordnet ist, kann die thermische Energie zur Hausversorgung herangezogen werden. Liegt bei dieser Kombination eine elektrische Schnittstelle zur elektrischen Kopplung mit einem Hausanschluss der Immobilie vor, kann der durch die Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Strom zur Versorgung elektrischer Verbraucher in dem Haus wie Kühlschränke und Fernseher verwendet werden. Dies ermöglicht bspw. die Ergänzung einer der Immobilie zugeordneten Photovoltaik-Anlage in der Nacht.
Wird das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug in einer Kombination mit einem Fernwärmenetz verwendet, wobei dem Fernwärmenetz der fahrzeugexterne Wärmespeicher zugeordnet ist, ergibt sich eine vielfältige Verwendungsmöglichkeit, die sowohl die thermische Versorgung von mehreren Haushalten, als auch eine mögliche Rückverstromung umfasst.
Durch die Rückverstromung, beispielsweise durch Organic Rankine Cycle Turbinen (kurz: ORC-Turbine) oder durch thermoelektrische Generatoren, besteht das Potential zur Regelleistungsbereitstellung durch thermische Verwertung, die zwar auch ohne externe thermische Verwertung möglich ist, aber deutlich effizienter ausfällt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 ein Kraftfahrzeug mit einer thermischen Schnittstelle zur Abwärmeausbringung.

In der 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 2 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 als energieumwandelnde Einheit und einen ersten Kühlmittelkreislauf 7, der den Brennstoffzellen 3 zu deren Temperierung zugeordnet ist. An diesen fahrzeuginternen Kühlmittelkreislauf 7 ist eine thermische Schnittstelle 6 angeschlossen, um die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Abwärme als Bezugsquelle nutzbar zu machen. Die thermische Schnittstelle 7 dient der thermischen Kopplung des Kraftfahrzeugs 1 an einen fahrzeugexternen Wärmespeicher 9. Somit lässt sich über die thermische Schnittstelle 7 die Abwärme ausbringen.
An die thermische Schnittstelle 6 lässt sich ein, weitestgehend fahrzeugexterner, zweiter Kühlmittelkreislauf 8 anschließen, der mit dem fahrzeugexternen Wärmespeicher 9 verknüpft ist. Der Wärmespeicher 9 ist beispielsweise einer Immobilie 5 zugeordnet. Es ist aber alternativ oder ergänzend möglich, dass der fahrzeugexterne Wärmespeicher einem Fernwärmenetz 10 zugeordnet ist, wie dies in 1 ebenfalls illustriert ist.
Der thermischen Schnittstelle 6 und dem fahrzeugexternen Wärmespeicher 9 sind vorliegend jeweils ein nicht näher dargestellter Wärmetauscher zugeordnet. In dieser vorteilhaften Weise ist es möglich, dass der der thermischen Schnittstelle 6 zugeordnete Wärmetauscher vom fahrzeugexternen Wärmespeicher 9 beheizbar ist, um diese Wärme im Fahrzeug nutzen zu können, was sich insbesondere im Falle von Frostbedingungen als vorteilhaft auswirkt, da das Kraftfahrzeug 1 und/oder die dem Kraftfahrzeug 1 zugeordnete Brennstoffzellenvorrichtung 2 vor dem eigentlichen Systemstart mit der Wärme aus dem fahrzeugexternen Wärmespeicher 9 aufgeheizt werden können. Jedoch ist mit dieser Ausgestaltung auch der umgekehrte Fall möglich, in welchem die Abwärme der Brennstoffzellenreaktion in den fahrzeugexternen Wärmespeicher 9 eingespeist und fahrzeugextern genutzt wird.
Da die chemische Reaktion der Brennstoffzellen 3 elektrische Energie bereitstellt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zusätzlich eine elektrische Schnittstelle 4 zur elektrischen Kopplung mit einem Hausanschluss der Immobilie 5 zugeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Brennstoffzelle
4: elektrische Schnittstelle
5: Immobilie
6: Thermische Schnittstelle
7: erster Kühlmittelkreislauf
8: zweiter Kühlmittelkreislauf
9: fahrzeugexterner Wärmespeicher
10: Fernwärmenetz

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 102014202663 A1 [0004]
US 2006/0144625 A1 [0005]
KR 100750057 B1 [0006]

Claims

Kraftfahrzeug mit einer einen ersten Kühlmittelkreislauf (7) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (2), bei der eine thermische Schnittstelle (6) dem ersten Kühlmittelkreislauf (7) zur thermischen Kopplung an einen fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kühlmittelkreislauf (8) die thermische Schnittstelle (6) des Kraftfahrzeugs mit dem fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) verknüpft.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermischen Schnittstelle (6) ein Wärmetauscher zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) ein Wärmetauscher zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Brennstoffzellenreaktion in den fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) einspeisbar ist zur fahrzeugexternen Nutzung.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der der thermischen Schnittstelle (6) zugeordnete Wärmetauscher vom fahrzeugexternen Wärmespeicher (9) beheizbar ist zur fahrzeugassoziierten Nutzung.
Kombination aus einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Immobilie (5), bei der der Immobilie (5) der fahrzeugexterne Wärmespeicher (9) zugeordnet ist.
Kombination nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenvorrichtung (2) eine elektrische Schnittstelle (4) zur elektrischen Kopplung mit einem Hausanschluss der Immobilie (5) zugeordnet ist.
Kombination aus einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Fernwärmenetz (10), bei der dem Fernwärmenetz (10) der fahrzeugexterne Wärmespeicher (9) zugeordnet ist.