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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, in dessen Kühlmittelleitung eine Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und welchem eine Bypassleitung zugeordnet ist, welche von der Kühlmittelleitung stromab der Brennstoffzelle an einer Abzweigung abzweigt und stromauf der Brennstoffzelle an mindestens einer Mündung wieder in die Kühlmittelleitung mündet, sowie mit einem Bremswiderstand des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in dieser elektrochemischen Reaktion neben der Generierung von elektrischer Energie und Produktwasser auch Wärme in der Brennstoffzelle anfällt. Die Brennstoffzelle arbeitet in einem bestimmten Temperaturintervall am effizientesten, so dass die entstehende Wärme mittels des Kühlmittelkreislaufes durch den Kühler abgeführt wird. Beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug sind die baulichen Gegebenheiten limitiert, so dass die Kühlmittelpumpe des Kühlkreislaufs ebenfalls einer Begrenzung hinsichtlich ihrer Abmessung unterliegt und deshalb auch in ihrer Leistung begrenzt ist.
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Ein Brennstoffzellesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise der
DE 10 2007 054 246 A1 zu entnehmen, welches in einem Nutzfahrzeug, insbesondere in einem Omnibus Einsatz findet. Hierbei weist das Brennstoffzellensystem zwei voneinander unabhängige Brennstoffzelleneinheiten auf, die jeweils einen eigenständigen Kühlkreislauf umfassen. Jeder der Kühlkreisläufe ist thermisch mit einem Bremswiderstand des Omnibusses verbunden, womit also die Bremse des Omnibusses gekühlt werden kann. Auch der
KR 100 862 474 B1 ist ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs zu entnehmen, bei dem ein Bremswiderstand mit einem zusätzlichen Kühlkreislauf gekühlt wird. In der
US 2005/0241865 A1 sind ebenfalls zwei unabhängige Kühlkreisläufe mit jeweils einer eigenständigen Kühlmittelpumpe gezeigt, die bei einem Kraftfahrzeug Einsatz finden.
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Bei Nutzfahrzeugen, insbesondere bei Lastkraftwagen wird bei der Integration eines Bremswiderstandes in den Kühlmittelkreislauf der Einsatz einer zweiten Kühlmittelpumpe erforderlich, was einen großen Zusatzaufwand zur Folge hat, der zur Kostenerhöhung und zu einem erhöhten Aufwand für die Ansteuerung und die Regelung der Mehrzahl an Kühlmittelpumpen führt. Außerdem müssen die einzelnen Kühlmittelpumpen dann sehr genau angesteuert werden, wozu Zusatzsensoren, wie Thermoelemente erforderlich werden. Alle weiteren Sensoren und Konstituenten führen zu einem insgesamt sehr großen Zusatzpackage mit eventuell erforderlichen, weiteren Leitungen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, die eine verringerte Bauteilkomplexität aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der Bremswiderstand mittels eines thermischen Kontakts in die bereits vorhandene Bypassleitung eingebunden, was zu unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems führt. Die Flexibilität des Brennstoffzellensystems im Betrieb ist dadurch verbessert und durch die Einsparung von Bauteilen liegen geringere parasitäre Verluste vor, was zu einem Effizienzgewinn des Brennstoffzellensystems führt.
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Eine verbesserte Anpassung an die vorhandenen Bauraumbedingungen lässt sich dadurch erzielen, dass die Bypassleitung stromab des Bremswiderstands eine Bypassabzweigung aufweist, die die Bypassleitung in einen austrittseitig an einer ersten Mündung mit der Kühlmittelleitung verbundenen ersten Teilzweig und in einen austrittseitig an einer zweiten Mündung mit der Kühlmittelleitung verbundenen zweiten Teilzweig unterteilt. Der erste Teilzweig mündet stromab des Kühlers und sowohl stromauf der Brennstoffzelle als auch stromauf der Kühlmittelpumpe in die Kühlmittelleitung. Der zweite Teilzweig mündet sowohl stromab des Kühlers als auch stromab der Kühlmittelpumpe und stromauf der Brennstoffzelle in die Kühlmittelleitung.
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Für eine größtmögliche Flexibilität und für die Realisierung mehrerer Einstellmöglichkeiten des Brennstoffzellensystems hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn austrittseitig des ersten Teilzweigs ein erstes Ventil angeordnet ist, und wenn austrittseitig des zweiten Teilzweigs ein zweites Ventil angeordnet ist.
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Für die Realisierung unterschiedlicher Einstellmöglichkeiten hat es sich zudem als sinnvoll erwiesen, wenn die Ventile derart schaltbar sind, dass ein von der Kühlmittelpumpe geförderter Kühlmittelstrom im Kühlkreislauf wahlweise
- - durch die Brennstoffzelle und den Kühler unter Umgehung des Bremswiderstands strömt,
- - durch die Brennstoffzelle und den Bremswiderstand unter Umgehung des Kühlers strömt,
- - durch den Kühler und den Bremswiderstand unter Umgehung der Brennstoffzelle strömt.
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Auf diese Weise lässt sich also eine Unterscheidung vornehmen zwischen einem Normalbetrieb, einem Betrieb zur Erwärmung des Brennstoffzellenstapels mittels der Abwärme des Bremswiderstands und einem Betrieb zum Kühlen des Bremswiderstands mittels des Kühlers.
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Eine zuverlässige Verstellmöglichkeit, eine verbesserte Möglichkeit der Baugruppenbildung und eine verringerte Komplexität gegenüber dem Einsatz einer weiteren Kühlmittelpumpe bietet der Einsatz der Ventile, die vorzugsweise dann als Thermostatventile gebildet sind. In diesem Zusammenhang hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kühlkreislauf frei von weiteren Kühlmittelpumpen ist.
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Die Vorteile und vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gelten auch für und entfalten sich bei seinem Einsatz in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug, welches vorzugsweise als ein Nutzfahrzeug, insbesondere als ein Lastkraftwagen gebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit an den Mündungen angeordneten Ventilen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - für den Fall eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems das erste Ventil einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels vom ersten Teilzweig zumindest teilweise, insbesondere vollständig blockiert und den kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe gewährt, wobei das zweite Ventil den pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle gewährt;
- - für den Fall eines Betriebs des Brennstoffzellensystems zur Erwärmung der Brennstoffzelle mit der Abnahme des Bremswiderstands das erste Ventil einen kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels blockiert und den bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels vom ersten Teilzweig gewährt, wobei das zweite Ventil den pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle gewährt;
- - für den Fall eines Betriebs des Brennstoffzellensystems zur Kühlung des Bremswiderstands das erste Ventil einen kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe gewährt, wobei das zweite Ventil einen pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle zumindest teilweise, insbesondere vollständig blockiert und einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum zweiten Teilzweig gewährt.
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Auf diese Weise sind also drei unterschiedliche Betriebsmodi realisierbar, nämlich ein Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, bei dem der Bypass nicht oder nur zu einem geringen Teil vom Kühlmittel durchströmt wird. Darüber hinaus lässt sich ein Aufwärmbetrieb für die Brennstoffzelle realisieren, bei dem die Abwärme des im Bypass angeordneten Bremswiderstands zur Erwärmung der Brennstoffzelle genutzt wird, wobei eine Erwärmung bereits durch den kleiner gebildeten Kreis hervorgerufen wird. Letztlich lässt sich auch der Bremswiderstand mittels des Kühlers des Kühlkreislaufs kühlen in einem Kühlbetrieb.
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Im Normalbetrieb ist beispielsweise der Volumenstrom durch die Temperatur (dT) am Brennstoffzellenstapel vorgegeben, wobei - rein beispielhaft - die Solltemperatur 70 Grad Celsius beträgt. Hat der vom Kühler kommende Volumenstrom - rein beispielhaft - 55 Grad Celsius, so wird ein Teil des warmen Kühlmittels über die Bypassleitung über das erste (Thermostat-)Ventil zugemischt, damit die geforderten 70 Grad Celsius am Brennstoffzellenstapel anliegen.
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Eine verbesserte Führung der Kühlmittelströmung im Normalbetrieb liegt vor, wenn im Fall des Normalbetriebs das zweite Ventil außerdem einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels vom zweiten Teilzweig blockiert Eine verbesserte Führung der Kühlmittelströmung im Erwärmungsbetrieb liegt vor, wenn im Fall eines Betriebs zur Erwärmung der Brennstoffzelle das zweite Ventil außerdem einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum zweiten Teilzweig blockiert. Eine verbesserte Führung der Kühlmittelströmung imden Betrieb zur Kühlung des Bremswiderstands liegt vor, wenn im Fall eines Betriebs zur Kühlung des Bremswiderstands das erste Ventil außerdem einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum ersten Teilzweig blockiert.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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 den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung eines einen Kühlmittelkreislauf umfassenden Brennstoffzellensystems,
- 2 das Brennstoffzellensystem nach 1 mit einer Ventilstellung im Normalbetrieb,
- 3 das Brennstoffzellensystem nach 1 mit einer Ventilstellung zur Erwärmung der Brennstoffzelle mit der Abwärme eines Bremswiderstands, und
- 4 das Brennstoffzellensystem nach 1 mit einer Ventilstellung zur Kühlung des Bremswiderstands.
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In 1 ist von einem Brennstoffzellensystem 100 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei das Brennstoffzellensystem 100 einen Kühlmittelkreislauf 102 umfasst, in welchen ein Kühler 104 eingebunden ist und welcher eine erste Kühlmittelpumpe 108 zur Zirkulation eines Kühlmittels aufweist. Im Kühlmittelkreislauf 102 ist zudem eine Brennstoffzelle 106, insbesondere eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 106 zusammengefasst zu einem Brennstoffzellenstapel, eingebunden.
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Jede der Brennstoffzellen 106 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 106 dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden, in einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über einen Kathodenraum kann der Katode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Um die Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
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Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen 106 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter.
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In der 1 ist rein exemplarisch eine einzelne Brennstoffzelle 106 gezeigt, welcher Reaktanten zugeführt wird, damit in der Brennstoffzelle 106 kontrolliert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ablaufen kann. Zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle 106, und insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme, ist der Brennstoffzelle 106 der Kühlmittelkreislauf 102 mit dem Kühler 104 zugeordnet, so dass durch den Kühler 104 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle 106 den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren der Brennstoffzelle 106 oder des Brennstoffzellenstapels erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt.
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Der Kühlmittelkreislauf 102 weist eine Bypassleitung 110 auf, welche von einer Kühlmittelleitung 114 des Kühlmittelkreislaufs 102 stromab der Brennstoffzelle 106 an einer Abzweigung 116 abzweigt und stromauf der Brennstoffzelle 106, vorliegend einer ersten Mündung und einer zweiten Mündung, wieder in die Kühlmittelleitung 114 mündet. In diese Bypassleitung 110 ist vorliegend ein Bremswiderstand 112 mittels eines thermischen Kontakts eingebunden.
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Stromab des Bremswiderstands 112 weist die Bypassleitung 110 eine Bypassabzweigung 122 auf, die die Bypassleitung 110 in einen austrittsseitig an der ersten Mündung mit der Kühlmittelleitung 114 verbundenen ersten Teilzweig 118 und in einen austrittsseitig an einer zweiten Mündung mit der Kühlmittelleitung 114 verbundenen zweiten Teilzweig 120 unterteilt.
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Die beiden Teilzweige 118,120 sind stromab des Kühlers 104 und stromauf der Brennstoffzelle 106 mit der Kühlmittelleitung 114 verbunden. Zwischen den beiden Mündungen ist vorliegend die Kühlmittelpumpe 108 zur Zirkulation des Kühlmittels in der Kühlmittelleitung 114 angeordnet. Mit anderen Worten mündet also der erste Teilzweig 118 stromauf der Kühlmittelpumpe 108 in die Kühlmittelleitung 114. Der zweite Teilzweig 120 mündet stromab der Kühlmittelpumpe 108 in die Kühlmittelleitung 114.
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An den Mündungen ist jeweils ein Ventil 124,126 angeordnet. Austrittsseitig des ersten Teilzweigs 118 ist also ein erstes Ventil 124 angeordnet, das vorliegend als ein Thermostatventil gebildet ist. Austrittseitig des zweiten Teilzweigs 120 ist ein zweites Ventil 126 angeordnet, das vorliegend ebenfalls als ein Thermostatventil gebildet ist. Ansonsten ist der Kühlmittelkreislauf 102 frei von einer zweiten Kühlmittelpumpe gebildet.
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Durch den Einsatz der Ventile 124,126 kann eine einzig vorhandene Kühlmittelpumpe 108 genutzt werden. Die strichlierte Darstellung offenbart zudem die Möglichkeit einer Parallelschaltung weiteres mit Kühlmittel zu versorgender Konstituenten bezüglich der Brennstoffzellen 106.
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Die unterschiedlichen Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems 100 werden anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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In 2 ist eine Ventilstellung illustriert, die einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 entspricht, wobei das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 106 und den Kühler 104 unter Umgehung des Bremswiderstands 112 strömt. Für diesen Fall des Normalbetriebs blockiert das erste Ventil 124 einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels vom ersten Teilzweig 118 und gewährt den kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe 108. Das zweite Ventil 126 gewährt ebenfalls den pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle 106, wobei zusätzlich der bypassseitige Durchtritt des Kühlmittels vom zweiten Teilzweig 120 durch das zweite Ventil 126 blockiert wird.
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In 3 ist ein Betrieb zum Erwärmen der Brennstoffzelle 106 illustriert, in welchem das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 106 und den Bremswiderstand 112 unter Umgehung des Kühlers 104 strömt. In diesem Fall des Betriebs zur Erwärmung der Brennstoffzelle 106 mit der Abwärme des Bremswiderstands 112 blockiert das erste Ventil 124 einen kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels, wobei es den bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittel vom ersten Teilzweig 118 gewährt. Das zweite Ventil 126 gewährt seinerseits den pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle 106 und blockiert vorliegend den bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum zweiten Teilzweig 120.
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In 4 ist ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zur Kühlung des Bremswiderstands 112 gezeigt, wobei das Kühlmittel durch den Kühler 104 und den Bremswiderstand 112 unter Umgehung der Brennstoffzelle 106 strömt. In diesem Fall des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 zur Kühlung des Bremswiderstands 112 gewährt das erste Ventil 124 einen kühlerseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe 108, wobei das erste Ventil 124 vorliegend außerdem einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum ersten Teilzweig 118 blockiert. Das zweite Ventil 126 blockiert in diesem Fall einen pumpenseitigen Durchtritt des Kühlmittels zur Brennstoffzelle 106, wobei es einen bypassseitigen Durchtritt des Kühlmittels zum zweiten Teilzweig 120 gewährt.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 lassen sich also unterschiedlichste Betriebsmodi realisieren unter Verzicht auf den Einsatz einer weiteren Kühlmittelpumpe. Insgesamt ist aufgrund dieses Verzichts eine verringerte Bauteilkomplexität gegeben, was Kosten senkt und die Flexibilität und Anpassbarkeit an den vorhandenen Bauraum erhöht. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weisen also eine erhöhte Gesamteffizienz auf.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 102
- Kühlmittelkreislauf
- 104
- Kühler (Hauptwasserkühler)
- 106
- Brennstoffzelle
- 108
- Kühlmittelpumpe
- 110
- Bypassleitung
- 112
- Bremswiderstand
- 114
- Kühlmittelleitung
- 116
- Abzweigung
- 118
- erster Teilzweig (Bypassleitung)
- 120
- zweiter Teilzweig (Bypassleitung)
- 122
- Bypassverzweigung (Bypassleitung)
- 124
- erstes Ventil (Mehrwegeventil / Thermostatventil)
- 126
- zweites Ventil (Mehrwegeventil / Thermostatventil)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054246 A1 [0003]
- KR 100862474 B1 [0003]
- US 2005/0241865 A1 [0003]
