DE102020118376A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug Download PDF

Info

Publication number
DE102020118376A1
DE102020118376A1 DE102020118376.3A DE102020118376A DE102020118376A1 DE 102020118376 A1 DE102020118376 A1 DE 102020118376A1 DE 102020118376 A DE102020118376 A DE 102020118376A DE 102020118376 A1 DE102020118376 A1 DE 102020118376A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
heat accumulator
cooler
cell device
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020118376.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Sebastian Rau
Markus RUF
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102020118376.3A priority Critical patent/DE102020118376A1/de
Publication of DE102020118376A1 publication Critical patent/DE102020118376A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/36—Temperature of vehicle components or parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/60—Navigation input
    • B60L2240/62—Vehicle position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2260/00—Operating Modes
    • B60L2260/40—Control modes
    • B60L2260/50—Control modes by future state prediction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der in einem einen Kühler (12) aufweisenden Kühlmittelkreislauf (11) eingebunden ist, dem ein Wärmespeicher (14) zugeordnet ist, und mit einem in einer Kathodenzufuhrleitung (15) stromauf des Brennstoffzellenstapels (2) angeordneten Verdichter (3), wobei der Wärmespeicher (14) sowohl mit dem Verdichter (3) als auch dem Kühler (12) strömungsverbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der in einem einen Kühler aufweisenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, dem ein Wärmespeicher zugeordnet ist, und mit einem in einer Kathodenzufuhrleitung stromauf des Brennstoffzellenstapels angeordneten Verdichter, wobei der Wärmespeicher sowohl mit dem Verdichter als auch dem Kühler strömungsverbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich der Anode und der Kathode ist. Zudem können Gasdiffusionslagen beidseitig der Membranelektrodeneinheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem 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 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
  • Für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzellen ist neben der relativen Feuchte der den Protonentransport bewirkenden Membranen auch deren Temperatur bedeutsam, so dass Brennstoffzellen unter zu niedrigen oder unter zu hohen Temperaturen Leistungseinbußen aufzeigen. Aus diesem Grund ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel in einen Kühlmittelkreislauf einzubinden, womit die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Abwärme abtransportiert und an andere Konstituenten der Brennstoffzellenvorrichtung oder an die Umgebung abgegeben wird. Beim Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in Kraftfahrzeugen (PKW/LKW) nimmt die Temperaturregelung eine wesentlich bedeutendere Rolle ein als dies für konventionelle mit einem Verbrennungsmotor ausgestattete Fahrzeuge der Fall ist. Die Temperaturregelung bei solchen Brennstoffzellenfahrzeugen hat direkte Auswirkung auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung und auf den Verbrauch von Brennstoff. Daher sind bei einem Start des Kraftfahrzeuges mit der Initiierung des Betriebes der Brennstoffzellenvorrichtung zum Aufwärmen spezielle Startprozeduren erforderlich, wobei die Bereitstellung von Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel mit einer zusätzlichen Systemdegradation und einer verschlechterten Effizienz verbunden ist. Auch ist ein hoher regelungstechnischer Aufwand für die Betriebsweise erforderlich, da das Zellpotential beispielsweise durch eine Unterversorgung künstlich herab gesetzt wird. Nachteilig ist auch, dass der Startvorgang relativ lange andauert, was mit einer eingeschränkten Nutzerakzeptanz verbunden ist.
  • Aus der DE 10 2004 016 375 A1 ist es bekannt, bei einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kühlmittelkreislauf in einem ersten zu dem Kühler parallelen Zweig einen Wärmespeicher und in einem zweiten zu dem Kühler parallelen Zweig eine Heizeinrichtung anzuordnen, wobei die Kühlmittelpumpe durch eine zweite, vor dem Wärmespeicher angeordnete Pumpe ergänzt ist. In der DE 10 2011 080 237 A1 ist ein elektrochemischer Speicher mit einer elektrochemischen Zelle beschrieben, die von einem Latentwärmespeichermantel umgeben und wärmeleitend kontaktiert ist. Ein Betriebsgaskanal ist von dem Latentwärmespeichermantel und der Zelle begrenzt. Die DE 10 2018 214 377 A1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer in einen Kühlmittelkreislauf eingebundenen Brennstoffzelle, wobei ein in einem Bypass angeordneter Wärmespeicher vorgesehen ist, der mittels eines Stellgliedes von dem Kühlmittelstrom trennbar ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem verbesserten Startverhalten bereit zu stellen. Aufgabe ist weiterhin, ein Verfahren mit einem verbesserten Thermomanagement für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs und ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine schnelle Erwärmung ermöglicht ist, was zu einem Verbrauchsvorteil führt. Der Startvorgang kann robuster ausgelegt sein, was zu einer einfacheren Auslegung der beteiligten Komponenten beiträgt.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn stromab des Verdichters in einer Abzweigung eine Luftleitung von der Kathodenzufuhrleitung abzweigt, durch den Wärmespeicher geführt ist und stromauf eines Ladeluftkühlers wieder in die Kathodenzufuhrleitung durch eine Einmündung einmündet. Durch diese Gestaltung kann die im Verdichter erwärmte Luft in den Wärmespeicher geführt und die mit der Luft mitgeführte Wärmemenge an den Wärmespeicher abgegeben werden, wobei dies auch fallweise eine Entlastung des Ladeluftkühlers darstellt. Dazu ist vorteilhaft ein Stellglied in der Luftleitung angeordnet.
  • Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn in der Kathodenzufuhrleitung stromauf der Abzweigung und stromab der Einmündung jeweils ein Temperatursensor angeordnet ist. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, die Beladung des Wärmespeichers mit Wärme zu kontrollieren.
  • Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung wird prädiktiv der Zeitpunkt des Erreichens eines Fahrzieles bestimmt wird, wobei vor dem Erreichen des Fahrzieles der Wärmespeicher sowohl durch den Verdichter als auch dem Kühlkreislauf mit Wärme beladen wird, und bei dem bei einem Neustart der Wärmespeicher entladen wird. Die Beladung des Wärmespeichers sowohl mit der Wärme der im Verdichter erwärmten Luft als auch mit der Wärme aus dem Kühler verkürzt die Zeitdauer, die für die Wärmebeladung erforderlich, so dass während der Fahrt erst später von der Standardbetriebsweise abgewichen werden muss. Zudem kann eine höhere Temperatur erreicht werden, dass die Lufttemperatur deutlich höher ist als die Kühlmitteltemperatur. Somit nimmt die speicherbare Energiemenge zu. Die prädiktive Vorhersage des Erreichen eines Fahrzieles kann dabei insbesondere Informationen aus einem Navigationssystem nutzen.
  • Vorgesehen ist weiterhin, dass zur Überprüfung der Beladung des Wärmespeichers die Temperaturdifferenz der beiden Temperatursensoren ausgewertet wird. Alternativ oder auch ergänzend kann zur Überprüfung der Beladung des Wärmespeichers auch der Luftdurchsatz ausgewertet werden.
  • Besonders bevorzugt ist weiterhin, dass während der Fahrt, unabhängig von der Entfernung zum Fahrziel, bei einer unzureichenden Kühlkapazität des Kühlers der Wärmespeicher beladen und in einer nachfolgenden Niederlastphase wieder entladen wird durch Nutzung sowohl des Ladeluftkühlers als auch des Kühlers. Dies führt zu einer Verbesserung der Dynamik des Brennstoffzellen-Fahrzeugs, da ein kurzfristiges Kühlungsdefizit des Kühlers kompensiert werden kann durch die mit dem Wärmespeicher gegebene Wärmesenke. Zu beachten dabei ist, dass dies nicht nur einmalig zur Verfügung steht, sondern eine im Hinblick auf die verbesserte Dynamik erfolgende Regeneration des Wärmespeichers erfolgen kann durch die Wärmeabgabe, die auch an den Ladeluftkühler möglich ist, also die Kühlkapazität insgesamt erhöht ist.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • 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.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Latentwärmespeicher.
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung gezeigt, die eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist und die beispielsweise in einem nicht näher dargestellten Brennstoffzellen-Fahrzeug Verwendung finden kann.
  • Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran.
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Luftmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung der Luft sich deren Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung der Luft, also deren Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter nachgelagerten Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter 5, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
  • Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anodenzufuhrleitung 6 fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher 7 enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt werden kann. Ein Ventil 8 oder auch eine Saugstrahlpumpe 9 können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb eines Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 10 zustande kommt.
  • Zur Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und dabei insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme ist dem Brennstoffzellenstapel 2 ein Kühlmittelkreislauf 11 mit einem Kühler 12 zugeordnet, so dass durch den Kühler 12 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf des Brennstoffzellenstapels den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren des Brennstoffzellenstapels 2 erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt, welches aufgrund der von einer Kühlmittelpumpe 13 bewirkten Zirkulation des Kühlmittels im Kühler 12 wieder heruntergekühlt wird. Parallel oder seriell zum Brennstoffzellenstapel 2 wird das Kühlmittel im Wärmetauscher/Ladeluftkühler 4 weiter erwärmt.
  • Bei der in 1 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist dem Kühlmittelkreislauf 11 ein Wärmespeicher 14 zugeordnet ist. Besonders zu beachten ist, dass der in der Kathodenzufuhrleitung 15 stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnete Verdichter 3 auch mit dem Wärmespeicher 14 strömungsverbunden ist, also die mit der Luft mitgeführte Wärme an den Wärmespeicher 14 abgegeben werden kann.
  • Dazu zweigt stromab des Verdichters 3 in einer Abzweigung 16 eine Luftleitung 17 von der Kathodenzufuhrleitung 15 ab, die durch den Wärmespeicher 14 geführt ist und stromauf des Ladeluftkühlers 4 wieder in die Kathodenzufuhrleitung 15 durch eine Einmündung 18 einmündet. Ein Stellglied 19 ist in der Luftleitung 17 angeordnet, beispielsweise ein Luftleitungsventil. In der Kathodenzufuhrleitung 15 ist stromauf der Abzweigung und stromab der Einmündung jeweils ein Temperatursensor 20 angeordnet.
  • Mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug besteht die Möglichkeit zur Durchführung eines Verfahren, das insbesondere das Startverhalten verbessert. Dieses umfasst einen Schritt, bei dem prädiktiv der Zeitpunkt des Erreichens eines Fahrzieles bestimmt wird, woraufhin dann vor dem Erreichen des Fahrzieles der Wärmespeicher 14 sowohl durch den Verdichter 3 als auch dem Kühlmittelkreislauf 11 mit Wärme beladen wird. Die gespeicherte Wärme steht dort bis zu einer Woche zur Verfügung für die Nutzung, wenn bei einem Neustart der Wärmespeicher 14 entladen wird. Zu beachten ist auch, dass durch die Nutzung der durch den Verdichter 3 erwärmten Luft hohe Temperaturen bis zu 150°C genutzt werden können, also insgesamt eine höhere Wärmemenge in den Wärmespeicher 14 aufgenommen werden kann im Vergleich zu der ausschließlichen Beladung mit dem Kühlmittel, bei dem ein Sieden vermieden werden muss, so dass nur Temperaturen bis 90°C realisiert werden können.
  • Zur Überprüfung der Beladung des Wärmespeichers 14 kann die Temperaturdifferenz der beiden Temperatursensoren 20 ausgewertet werden oder auch der Luftdurchsatz.
  • Zur Verbesserung der Dynamik des Brennstoffzellen-Fahrzeugs besteht weiterhin die Möglichkeit, dass während der Fahrt, unabhängig von der Entfernung zum Fahrziel, bei einer unzureichenden Kühlkapazität des Kühlers 12 der Wärmespeicher 14 beladen und in einer nachfolgenden Niederlastphase wieder entladen wird durch Nutzung sowohl des Ladeluftkühlers als auch des Kühlers. Die Einbindung des Ladeluftkühlers 4 verkürzt dabei die zur Entladung erforderliche Zeit und ermöglicht eine schnellere erneute Nutzung des Wärmespeichers 14 zur Verbesserung der Dynamik.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Verdichter
    4
    Ladeluftkühler
    5
    Befeuchter
    6
    Anodenzufuhrleitung
    7
    Brennstoffspeicher
    8
    Ventil
    9
    Saugstrahlpumpe
    10
    Anodenrezirkulationsleitung
    11
    Kühlmittelkreislauf
    12
    Kühler
    13
    Kühlmittelpumpe
    14
    Wärmespeicher
    15
    Kathodenzufuhrleitung
    16
    Abzweigung
    17
    Luftleitung
    18
    Einmündung
    19
    Stellglied
    20
    Temperatursensor
  • 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 102004016375 A1 [0004]
    • DE 102011080237 A1 [0004]
    • DE 102018214377 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der in einem einen Kühler (12) aufweisenden Kühlmittelkreislauf (11) eingebunden ist, dem ein Wärmespeicher (14) zugeordnet ist, und mit einem in einer Kathodenzufuhrleitung (15) stromauf des Brennstoffzellenstapels (2) angeordneten Verdichter (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (14) sowohl mit dem Verdichter (3) als auch dem Kühler (12) strömungsverbunden ist.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Verdichters (3) in einer Abzweigung (16) eine Luftleitung (17) von der Kathodenzufuhrleitung (15) abzweigt, durch den Wärmespeicher (14) geführt ist und stromauf eines Ladeluftkühlers (4) wieder in die Kathodenzufuhrleitung (15) durch eine Einmündung (18) einmündet.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellglied (19) in der Luftleitung (17) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenzufuhrleitung (15) stromauf der Abzweigung (16) und stromab der Einmündung (18) jeweils ein Temperatursensor (20) angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem prädiktiv der Zeitpunkt des Erreichens eines Fahrzieles bestimmt wird, bei dem vor dem Erreichen des Fahrzieles der Wärmespeicher (14) sowohl durch den Verdichter (3) als auch dem Kühlmittelkreislauf (11) mit Wärme beladen wird, und bei dem bei einem Neustart der Wärmespeicher (14) entladen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung der Beladung des Wärmespeichers (14) die Temperaturdifferenz der beiden Temperatursensoren (20) ausgewertet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung der Beladung des Wärmespeichers (14) der Luftdurchsatz ausgewertet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Fahrt, unabhängig von der Entfernung zum Fahrziel, bei einer unzureichenden Kühlkapazität des Kühlers (12) der Wärmespeicher (14) beladen und in einer nachfolgenden Niederlastphase wieder entladen wird durch Nutzung sowohl des Ladeluftkühlers (4) als auch des Kühlers (12).
  9. Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
DE102020118376.3A 2020-07-13 2020-07-13 Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug Pending DE102020118376A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020118376.3A DE102020118376A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020118376.3A DE102020118376A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020118376A1 true DE102020118376A1 (de) 2022-01-13

Family

ID=79019958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020118376.3A Pending DE102020118376A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020118376A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004016375A1 (de) 2003-04-03 2004-10-28 General Motors Corp., Detroit Brennstoffzellensystem mit Kühlkanälen sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Kühlkanälen
DE102011080237A1 (de) 2011-08-02 2013-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Elektrochemischer Speicher
DE102012017194A1 (de) 2012-08-31 2014-05-15 Frank Truckenmüller Wirtschaftliche und energieefiziente Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und für den stationären Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW)
DE102014222839A1 (de) 2014-11-10 2016-05-12 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung mit integriertem Wärmespeicher
DE102017210800A1 (de) 2017-06-27 2018-12-27 Mahle International Gmbh Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle und ein Kühlsystem
DE102018214377A1 (de) 2018-08-24 2020-02-27 Audi Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004016375A1 (de) 2003-04-03 2004-10-28 General Motors Corp., Detroit Brennstoffzellensystem mit Kühlkanälen sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Kühlkanälen
DE102011080237A1 (de) 2011-08-02 2013-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Elektrochemischer Speicher
DE102012017194A1 (de) 2012-08-31 2014-05-15 Frank Truckenmüller Wirtschaftliche und energieefiziente Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und für den stationären Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW)
DE102014222839A1 (de) 2014-11-10 2016-05-12 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung mit integriertem Wärmespeicher
DE102017210800A1 (de) 2017-06-27 2018-12-27 Mahle International Gmbh Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle und ein Kühlsystem
DE102018214377A1 (de) 2018-08-24 2020-02-27 Audi Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112008000649B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008001357T9 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008003004B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Verringerung des Stroms derselben
DE102013224604A1 (de) Verfahren zum Stoppen eines elektrischen Leistungssystems eines Fahrzeugs
DE112008000334T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015119012A1 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebssteuerverfahren hierfür
DE102011014969B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Standby-Modus
DE112008003476T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008000628T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112009000223T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015118424A1 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebssteuerverfahren hierfür
DE102014221476A1 (de) Wasserstoff-zufuhreinrichtung für einen brennstoffzellenstapel
DE102004033169B4 (de) Hochfahrbetriebsverfahren einer Brennstoffzelle bei niedriger Temperatur
DE102013223003A1 (de) System und Verfahren zum Erwärmen des Fahrgastraumes eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs
DE102016124521A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems
DE102021109882A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE112009004964T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102020118376A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
DE112008003393T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102012007382A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102019211593A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer solchen und Kraftfahrzeug
DE102019128419A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102019211876A1 (de) Leistungsanordnung und Verfahren zu deren Betrieb
DE102020114746B4 (de) Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug
DE102018209428A1 (de) Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE