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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist. In die Kühlmittelleitung des Kühlmittelkreislaufs ist eine Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels eingebunden, wobei ein Bypass vorhanden ist, in die ein Überdruckventil strömungsmechanisch eingebunden ist, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks auslöst und damit einen Strömungspfad durch die Bypassleitung freigibt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen 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 Brennstoffzellensystem bei dem der Kühlmittelpumpe eine Bypassleitung parallelgeschaltet ist, und in welche ein Überdruckventil eingebunden ist, ist beispielsweise aus den beiden den Oberbegriff bildenden Druckschriften
DE 10 2019 111 826 A1 und
DE 10 2019 111 829 A1 bekannt. Hierbei liegt ein hybrides System aus zwei wärmeentwickelnden Bauteilen vor, wovon eines oder beide ein Brennstoffzellenstapel sein können. Diese Kühlsysteme und deren Regelung sollen Einsatz finden in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug.
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Ein Kühlsystem zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems ist aus der
DE 10 2016 213 533 A1 bekannt.
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In der
JP 2009-004168 A ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das einen Kühlmittelkreislauf mit einem Bypass für einen Kühler umfasst. Dem Bypass ist dabei ein Überdruckventil zugeordnet.
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Da ein Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl dünner Platten und Membranen besteht, muss dieser eine gewisse mechanische Festigkeit aufweisen. Durch die hohe nötige Wärmeabfuhr aus dem Brennstoffzellenstapel ist ein hoher Volumenstrom und ein hoher Druckhub der Kühlmittelpumpe notwendig, um die notwendige Wärmeabfuhr sicherzustellen. Es können Situationen eintreten, in denen der Kühlmitteldruck eine vorgegebene Grenze am Stapeleintritt des Brennstoffzellenstapels übersteigt, was zu einer Beschädigung des Brennstoffzellenstapels führen könnte. Aus diesem Grunde ist es bekannt, am Stapeleintritt einen Drucksensor einzusetzen, welcher bei Bedarf in die Regelung der Kühlmittelpumpe eingreift und damit die Pumpenleistung drosselt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, die einen weniger komplexen Aufbau zur Vermeidung eines Überdrucks bieten.
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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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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere mindestens eine Brennstoffzelle, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist. In der Kühlmittelleitung des Kühlmittelkreislaufs liegt eine Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vor, wobei dem Kühlmittelkreislauf eine Bypassleitung zugeordnet ist, in die ein Überdruckventil strömungsmechanisch eingebunden ist, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks auslöst und damit einen Strömungspfad durch die Bypassleitung freigibt. Die Kühlmittelpumpe ist dabei stromab des Kühlers in den Kühlmittelkreislauf eingebunden, wobei die Bypassleitung von der Kühlmittelleitung stromauf von der Brennstoffzelle und stromab von der Kühlmittelpumpe an einer Abzweigung abzweigt, und wobei die Bypassleitung stromauf des Kühlers und stromab von der Brennstoffzelle an einer Mündung wieder in die Kühlmittelleitung mündet.
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Mit dieser Gestaltung ist der Vorteil verbunden, dass anstelle des stapeleintrittsseitig vorhandenen Drucksensors zur Regelung der Pumpenleistung nunmehr in die Bypassleitung ein passives Bauteil, nämlich das Überdruckventil integriert wurde, um die Brennstoffzelle oder den Stapel aus Brennstoffzellen vor einem solchen Überdruck zu schützen. Auf den teuren Drucksensor zur Überwachung des Kühlmitteldruckes kann daher verzichtet werden, womit das Brennstoffzellensystem eine weniger komplexe Gestaltung mit sich bringt. Bei diesem Drucksensor wäre es nämlich erforderlich, dass dieser möglichst nah an der Brennstoffzelle positioniert wird, wobei solche Drucksensoren in der Kühlmittelstrecke berührungssicher gegenüber Hochspannungen ausgeführt sein müssen, was zusätzliche Kosten bei der Herstellung verursacht, die durch die vorliegende Gestaltung vermieden werden können.
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Um beispielsweise bei kühlen Temperaturen den Kühler umgehen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn stromab des Kühlers und stromauf der Kühlmittelpumpe eine weitere Bypassleitung abzweigt, die stromab der Mündung wieder in die Kühlmittelleitung mündet.
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Um die Kühlmitteltemperatur einstellen zu können, damit eine besonders effiziente Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle möglich ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an der Abzweigung der weiteren Bypassleitung ein Ventil vorliegt, das eingerichtet ist, den Anteil des den Kühler umgehenden Kühlmittelstroms einzustellen.
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Um das Überdruckventil selbst mit einem besonders geringen Komplexitätsgrad zu bilden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Überdruckventil ein federbelastetes Ventil ist.
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In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn das Überdruckventil ein passives Bauteil bildet, das somit auch ohne die Nutzung eines entsprechenden Aktuators bei Erreichen eines Überdrucks automatisch auslöst.
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Um möglichst viel Bauraum einzusparen, ist zudem die Möglichkeit gegeben, dass das Überdruckventil in eine Endplatte der Brennstoffzelle oder eines Stapels aus Brennstoffzellen integriert ist.
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In diesem Zuge ist es daher von Vorteil, wenn ein Kühlmitteleinlass der Brennstoffzelle oder eines Stapels aus Brennstoffzellen drucksensorfrei gestaltet ist. Die Erfordernisse an einen Berührschutz liegen dann nicht mehr vor und die Komplexität des Brennstoffzellensystems reduziert sich.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem genannten Vorteile, vorteilhaften Gestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem genannten Vorteile, vorteilhaften Gestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems umfasst dabei insbesondere die Schritte des Auslösens des Überdruckventils beim Erreichen eines Grenzdrucks, wodurch der Kühlmittelstrom unter Umgehung der Brennstoffzelle zumindest anteilig über die Bypassleitung geleitet wird. Im Zeitpunkt des Erreichens des Grenzdrucks wird dabei die von der Kühlmittelpumpe aufgenommene Leistung noch für eine vorgegebene Zeitdauer beibehalten, da auf diese Weise vermieden ist, dass auch die Kühlmittelpumpe bei etwaigen Lastsprünge aufgrund des Erreichens des Grenzdrucks schnell geschaltet werden muss, was eine erhöhte Alterung der Kühlmittelpumpe zur Folge haben würde. Diese erhöhte Alterung wird also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.
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In diesem Zuge ist es möglich, dass die Leistung der Kühlmittelpumpe erst nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer verändert wird, wobei sich die Veränderung vorzugsweise in einer Verringerung der Leistung der Kühlmittelpumpe widerspiegelt. Eine Erhöhung der Leistung aufgrund einer erhöhten Lastanforderung ist dennoch möglich, da aufgrund des ausgelösten Überdruckventils vermieden wird, dass der Brennstoffzellenstapel etwaige Schädigungen aufgrund eines zu hohen Kühlmitteldrucks unterliegt.
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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.
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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 stark schematisierte Darstellung eines einen Kühlmittelkreislauf umfassenden Brennstoffzellensystems, wobei auch weitere Komponenten (z.B. weitere BZ-Stapel) mit dem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf versorgt sein können, was durch die strichlierte Darstellung illustriert wird.
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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 lonenleitfähigkeit 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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Es kann sich die Situation einstellen, dass ein zu hoher Kühlmitteldruck vorliegt, was zu einer Schädigung der Brennstoffzelle 106 oder eines Stapels aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 106 führen kann. Aus diesem Grund weist der Kühlmittelkreislauf 102 eine Bypassleitung 110 auf, in die ein Überdruckventil 112 strömungsmechanisch eingebunden ist, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks auslöst und damit einen Strömungspfad durch die Bypassleitung 110 freigibt. Vorliegend ist die Anordnung der einzelnen Konstituenten des Brennstoffzellensystems 100 derart gewählt, dass die Kühlmittelpumpe 108 stromab des Kühlers 104 in den Kühlmittelkreislauf 102 eingebunden ist. Die Bypassleitung 110 zweigt von der Kühlmittelleitung 114 stromauf von der Brennstoffzelle 106 und stromab von der Kühlmittelpumpe 108 an einer Abzweigung 116 ab. Die Bypassleitung 110 mündet stromauf des Kühlers 104 und stromab von der Brennstoffzelle 106 an einer Mündung 118 wieder in die Kühlmittelleitung 114.
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Das Überdruckventil 112 ist vorliegend als ein federbelastetes Ventil gebildet, womit das Überdruckventil 112 ein passives Bauteil bildet, dem keine weiteren Aktuatoren zur Betätigung zugeordnet werden müssen. Das Überdruckventil 112 ist somit aktuatorfrei gebildet und löst automatisch bei Erreichen des Grenzdrucks aus, wodurch ein Strömungspfad durch die Bypassleitung 110 freigegeben wird. Diese Strömung durch die Bypassleitung 110 schützt dabei die Brennstoffzelle 106 vor einem zu hohen Druck, sodass diese nicht beschädigt wird. Auf diese Weise ist vorliegend der Kühlmitteleinlass der Brennstoffzelle 106 drucksensorfrei gebildet. Es besteht die Möglichkeit, dass das Überdruckventil 112 auch unmittelbar in eine Endplatte der Brennstoffzelle 106 oder eines Stapels aus Brennstoffzellen 106 integriert ist.
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Es ist zu erkennen, dass stromab des Kühlers 102 und stromauf der Kühlmittelpumpe 108 eine weitere Bypassleitung 120 abzweigt, die stromab der Mündung 118 wieder in die Kühlmittelleitung 114 mündet. Mit dieser weiteren Bypassleitung 120 lässt sich auch der Kühler 104 umgehen, sodass dieser Bypass insbesondere dann geöffnet wird, wenn die Brennstoffzelle 106 erwärmt werden soll, da eine Kühlung im Kühler 104 des Kühlmittelkreislaufs 102 nicht stattfindet. Vorliegend ist an einer Abzweigung der weiteren Bypassleitung 120 ein Ventil 122 vorhanden, welches vorzugsweise als ein Thermostatventil gebildet ist und welches vorzugsweise eingerichtet ist, den Anteil des den Kühler 104 umgehenden Kühlmittelstroms einzustellen.
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Beispielweise kann bei Erreichen eines Grenzdrucks das Überdruckventil 112 in der Bypassleitung 110 auslösen, wodurch der Kühlmittelstrom unter Umgehung der Brennstoffzelle 106 zumindest anteilig über die Bypassleitung 110 geleitet wird, wobei dann im Zeitpunkt des Erreichens des Grenzdrucks, die von der Kühlmittelpumpe 108 aufgenommene Leistung noch für eine vorgegebene Zeitdauer beibehalten werden kann, sodass auch die Bestandteile der Kühlmittelpumpe 108 bei Erreichen des Grenzdrucks geschont werden. Erst nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer kann dann die Leistung der Kühlmittelpumpe 108 wieder verändert, insbesondere reduziert werden, sodass innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 102 wieder ein geringerer Kühlmitteldruck vorliegt.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren und das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 100 zeichnen sich insbesondere bei ihrem Einsatz in einem Kraftfahrzeug aus, da ein solches Kraftfahrzeug in der Regel unterschiedlichen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 unterliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 102
- Kühlmittelkreislauf
- 104
- Kühler (Hauptwasserkühler)
- 106
- Brennstoffzelle
- 108
- Kühlmittelpumpe
- 110
- Bypassleitung
- 112
- Überdruckventil
- 114
- Kühlmittelleitung
- 116
- Abzweigung
- 118
- Mündung
- 120
- weitere Bypassleitung
- 122
- Ventil (Mehrwegeventil / Thermostatventil)
