DE112004002428T5

DE112004002428T5 - Wassermanagement und Hilfsenergiemanagement in einer Brennstoffzellenkraftanlage bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt

Info

Publication number: DE112004002428T5
Application number: DE112004002428T
Authority: DE
Inventors: Richard D. Breault
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-11-02
Also published as: WO2005060077A3; US7229711B2; WO2005060077A2; JP2007524968A; US20050129991A1

Abstract

Verfahren zum Verlängern der Zeitdauer, bevor Wasser in einem Speicher (29) in einer Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur einfriert,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
vollständiges Isolieren des Speichers mit Vakuumisolierplatten (65, 68);
Anordnen einer Warmhalteheizeinrichtung (50) zwischen dem Speicher und den Vakuumisolierplatten; und
Zuführen (52) von Energie (80) zu der Warmhalteheizeinrichtung immer dann, wenn sich die Temperatur des Speichers der Gefriertemperatur nähert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Schaffung einer extrem dünnen und äußerst wirksamen Isolierung bei dem Wasserspeicher bzw. Wassersammler und der Batterie oder einer anderen Gleichstrom-Hilfsquelle einer Brennstoffzellenkraftanlage sowie die Verwendung von Warmhalteheizeinrichtungen, um die Zeitdauer zu verlängern, bevor Wasser gefriert, sowie die Batterieaktivität aufrechtzuerhalten; ferner betrifft sie die Verwendung von Mikrowellen als verteilte, rasche Anfahrheizeinrichtung für eine Brennstoffzellenkraftanlage.

Eine Brennstoffzellenkraftanlage, insbesondere eine Brennstoffzellenkraftanlage, die für den Betrieb von Elektrofahrzeugen geeignet ist, kann typischerweise ca. 12 Liter Wasser benötigen, das in einem Speicher aufgenommen wird, wenn die Brennstoffzellenkraftanlage stillgelegt wird. Viele Einsätze von Brennstoffzellenkraftanlagen verursachen ein Stillsetzen von diesen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Frühere Versuche zum Isolieren des Wasserspeichers einer Brennstoffzellenkraftanlage, so dass dieser für mehrere Tage mit –20°C (–36°F) nicht einfriert, führten zu Volumina in der Größenordnung von 40 Litern, wobei dieser Wert für viele Anwendungen von Brennstoffzellenkraftanlagen, insbesondere bei Fahrzeugen, zu hoch ist. Als Alternative kann der Wasserspeicher in einer Brennstoffzellenkraftanlage mit einer Schnellauftau-Heizeinrichtung versehen sein. Da eine interne Schnellauftau-Heizeinrichtung die Verteilung von Heizelementen durch den gesamten Speicher erforderlich macht, würde ein 12-Liter-Speicher mit internen Schnellauftau-Heizelementen ein Volumen in der Größenordnung von 40 Litern benötigen, was übermäßig hoch ist. Ferner benötigen die sogenannten Schnellauftau-Heizeinrichtungen mehrere Minuten zum Auftauen des Eises in dem Speicher, wobei dies im Allgemeinen bei Fahrzeugen nicht akzeptabel ist.

In der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 10/687,010, eingereicht am 16. Oktober 2003, ist ein Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellenstapel offenbart, der Vakuumisolierplatten (VIPs) zum Isolieren des gesamten Stapels verwendet, wobei dies auch das Ausstatten von externen Reaktionsgas-Verzweigungseinrichtungen und Druckplatten mit VIP-Isolierung beinhaltet. Dennoch friert die Brennstoffzellenkraftanlage selbst mit einem isolierten Stapel immer noch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt rasch ein, wobei sich dieser Zustand nur langsam wieder beheben lässt.

Offenbarung der Erfindung

Gesichtspunkte der Erfindung beinhalten: Eine Verlängerung der Zeitdauer, über die eine Brennstoffzellenkraftanlage Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt werden kann, bevor der Speicher stark einfriert; Verlängern der Zeitdauer, über die eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle, wie z.B. eine Batterie oder ein Superkondensator, von Nutzen ist, wenn er bei außer Betrieb befindlicher Brennstoffzelle Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt ist; Reduzieren der Zeitdauer, die erforderlich ist, bis eine außer Betrieb befindliche Brennstoffzelle den Betrieb mit voller Energie wieder erreicht, nachdem diese einer stark unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperatur ausgesetzt worden ist, die zu einer beträchtlichen Eisbildung in dem Wasserspeicher führt; das Gewährleisten der maximalen Energie von einer Gleichstrom-Hilfsenergiequelle, wie z.B. einer Batterie oder einem Superkondensator, trotz der Umgebungstemperatur, der die zugehörige Brennstoffzellenkraftanlage ausgesetzt ist; verbessertes Anfahren von Brennstoffzellenkraftanlagen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt; sowie die Verlängerung der Zeitdauer, über die eine Brennstoffzellenkraftanlage Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt werden kann, ohne dass deren Fähigkeit zum raschen Erreichen des Betriebs mit voller Leistung beeinträchtigt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wasserspeicher und/oder die Gleichstrom-Hilfsenergiequelle, bei der es sich z.B. um eine Batterie oder einen Super kondensator handelt, einer Brennstoffzellenkraftanlage in eine VIP-Isolierung eingeschlossen. Vakuumisolierplatten (VIPs) sind in den Wasserspeicher bildende Doppelwände und/oder in Doppelwände eingekapselt, die einen frostbeständigen Behälter für ein Gleichstrom-Hilfsenergiesystem bilden, bei dem es sich z.B. um eine Batterie oder einen Superkondensator handelt.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist/sind der Wasserspeicher und/oder ein Behälter für eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle, wie z.B. eine Batterie oder ein Superkondensator, mit einer Warmhalteheizeinrichtung versehen, die mit sehr geringer Energie arbeitet, um die Zeitdauer zu verlängern, bevor sich in signifikanter Weise Eis in dem Wasserspeicher bildet, und um ferner zu gewährleisten, dass die minimale Temperatur der Batterie eine Temperatur ist, bei der in geeignetem Umfang Energie, wie z.B. mindestens die Hälfte ihrer Energiekapazität, zur Verfügung steht, um einen Anfahrvorgang nach einem Stillstand über eine große Anzahl von Stunden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu unterstützen.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann im Fall von sehr starkem Frost, so dass die vorstehend genannten Neuerungen das Gefrieren nicht verhindern, das Eis in dem Wasserspeicher mittels einer Mikrowellenheizeinrichtung aufgetaut werden, die die Wärmeenergie über das gesamte Eis verteilt und daher kein nennenswertes Volumen zum Erzielen eines verteilten Erwärmungsvorgangs benötigt. Ein verteiltes Erwärmen des Eises in dem Speicher, um dieses zu schmelzen, unter Verwendung von sehr geringer Energie, die von der Brennstoffzellenkraftanlage (ohne Kühlmittel) erzeugt wird, erfolgt mittels einer erfindungsgemäßen Mikrowellenheizeinrichtung typischerweise in ca. einer halben Stunde.

Die vorliegende Erfindung verhindert ein Erreichen der Gefriertemperatur des Speichers für ca. 4 Tage und verhindert ein Durchfrieren des Speichers für ca. 16 Tage, wenn sowohl die VIP-Isolierung als auch die Warmhalteheizeinrichtung verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung hält die Temperatur der Gleichstromquelle, wie z.B. einer Batterie, ausreichend hoch, um zumindest etwa die Hälfte der Energiekapa zität aufrechtzuerhalten, wenn sich die Gleichstromquelle in einer Umgebung mit einer Temperatur von –20°C (–36°F) befindet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellenkraftanlage, die Merkmale der vorliegenden Erfindung verwendet;

2 zeigt eine schematische, vereinfachte, Frontaufriss-Schnittdarstellung eines Wasserspeichers einer Brennstoffzellenkraftanlage, bei dem die Merkmale der vorliegenden Erfindung verwendet werden (wobei die Schraffierung aus Gründen der Klarheit weggelassen ist);

3 zeigt eine fragmentarische Seitenaufrissansicht der Konfiguration der 2 in einer teilweise im Schnitt dargestellten und teilweise weggebrochenen Seitenaufrissansicht zur Veranschaulichung der gekapselten Vakuumisolierplatte der Erfindung;

4 zeigt eine fragmentarische Seitenaufrissansicht der Konfiguration der 2 in einer teilweise im Schnitt dargestellten und teilweise weggebrochenen Seitenaufrissansicht unter Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer gekapselten Vakuumisolierplatten-Isolierung; und

5 zeigt eine vereinfachte, schematische Frontaufriss-Schnittdarstellung eines Gleichstrom-Hilfsstromversorgungsbehälters, bei dem Merkmale der Erfindung verwendet werden (wobei die Schraffierung aus Gründen der Klarheit weggelassen ist).

Verfahrensweise(n) zum Ausführen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 liefert eine Brennstoffzellenstapelanordnung 11 Gleichstromenergie zu einem Energieaufbereitungssystem 12, das wiederum geeignete Energie einer Last zuführt, bei der es sich bei der vorliegenden exemplarischen Ausführungsform um ein Fahrzeugantriebssystem 13 (beispielsweise für ein Elektrofahrzeug) handelt. Das Energieaufbereitungssystem 12 liefert Signale und Energie über Leitungen 14 zu einer Steuerung 15 und empfängt Signale und Energie von der Steuerung über Leitungen 16.
Der Brennstoffzellenstapel kann Heizeinrichtungen 17 aufweisen, wie z.B. außerhalb von den externen Reaktionsgas-Verzweigungseinrichtungen vorgesehene Heizeinrichtungen, die von der Steuerung über Leitungen 18, 19 mit Energie versorgt werden, falls dies bei irgendeiner Ausführungsform der Erfindung erwünscht ist.
Bei der Brennstoffzellenstapelanordnung 11 strömt Wasser durch Kühlmittelkanäle von Wassertransportplatten für das Gesamtwassermanagement, einschließlich der Eliminierung von überschüssigem Produktwasser sowie der Gewährleistung der Befeuchtung der Membran auf beiden Seiten, wie dies Alles im Stand der Technik offenbart ist. Nach dem Hindurchströmen durch die Brennstoffzellenstapelanordnung 11 strömt das Wasser durch eine Leitung 21 in einen Radiator 22 mit einem Umgehungsventil 23, und zwar unter der Steuerung eines Signals auf einer Leitung 24 von der Steuerung 15. Von dem Radiator oder dem Umgehungsventil strömt das Wasser durch eine Leitung 27 zu einem Wassereinlass 28 eines Wassersammlers bzw. Wasserspeichers 29.
Wasser in dem Wasserspeicher wird (wenn dieses nicht gefroren ist) durch eine Wasseransaugleitung 32 aufgenommen, wobei es durch eine Wasserpumpe 33 über eine Leitung 34 zu einem Dreiwegventil 35 befördert wird, das auf Signale auf einer Leitung 36 von der Steuerung 15 anspricht. Die Pumpe wird durch die Steuerung über eine Leitung 38 betätigt. Das Ventil 35 kann in eine „Aus"-Position verbracht werden, so dass kein Wasser durch dieses hindurchströmt; ferner kann es in eine Position „Beide" verbracht werden, in der Wasser sowohl durch eine Leitung 14 zu den Wasserströmungsfeldern der Brennstoffzellen in dem Stapel 11 als auch über eine Leitung 41 zu einem Wassereinlass 42 von Kühlmittelpassagen in einem Aggregat 43 für eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle, wie z.B. eine Batterie oder einen Superkondensator, strömt, um ein Überhitzen von dieser zu verhindern. Das Wasser fließt von einem Ausgang 46 des Behälters 43 durch eine Leitung 47 zu dem Einlass 28 des Speichers 29. Das Ventil 35 kann in der Position „Beide" angeordnet sein, wenn die Brennstoffzellenstapelanordnung normal arbeitet und somit Kühlung und Wassermanagement benötigt, sowie auch dann, wenn die Batterie oder der Superkondensator rasch aufgeladen wird und dadurch überhitzen kann. Das Ventil 35 hat ferner eine Position „Stapel", in der Wasser nur zu der Leitung 40 fließt, um die Wasserströmungsfelder der Brennstoffzellen zu durchströmen.
Gemäß der Erfindung weisen sowohl der Speicher 29 als auch der Hilfsenergiequellenbehälter 43 Warmhalteheizeinrichtungen 50, 51 auf, die mit relativ wenig Energie durch Paare von Leitern 52, 53 von der Steuerung 15 gespeist werden, die die Energie von der Gleichstrom-Hilfsstromversorgung auf jeweiligen Leitern 54, 55 nutzt.
Die Brennstoffzellenstapelanordnung 10, der Speicher 29 und der Behälter 43 weisen jeweils einen Temperatursensor 56, 57, 58 auf, wobei diese Signale auf Leitungen 59, 60, 61 an die Steuerung 15 liefern.
Zum Bewältigen von Situationen, in denen trotz der ausgezeichneten Isolierung und der Warmhalteheizeinrichtungen der Erfindung ein starker Frost einen beträchtlichen Bereich des Wassers in dem Speicher 29 zum Gefrieren bringt, wird eine Mikrowellenheizeinrichtung 49 mit einer sehr geringen Wattzahl, beispielsweise in der Größenordnung von 1000 W bis 2000 W, mittels Energie betrieben, die über ein Paar Leitungen 62, 63 von der Steuerung 15 zugeführt wird, wobei die Steuerung dann Energie von einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapelanordnung verwendet, die bei einer derart niedrigen Nennleistung arbeitet, dass sie für eine Zeitdauer bis zu ca. einer halben Stunde ohne jegliches Kühlwasser oder Wasserabfuhr arbeiten kann, wobei diese Zeitdauer zum Schmelzen von 12 Litern Eis mittels der Mikrowellenheizeinrichtung 49 angemessen ist.
Der Wasserspeicher 29 ist in den 2 bis 4 ausführlicher dargestellt. In 2 kann der Speicher 29 einen Wassereinschlussbereich 71 aufweisen, der doppelwandig ist und eine Kammer 64 enthält, in die eine Vakuumisolierplatte (VIP) 65 eingekapselt ist, wie dies in Bezug auf die 3 und 4 noch ausführlicher beschrieben wird. Die Kammer 64 zwischen den Wänden sowie die Wände an sich sind aus Gründen der Klarheit nicht schraffiert oder punktiert dargestellt, während sie in dieser Form in den 3 und 4 in angemessener Weise dargestellt sind.
Der Wasserspeicher 29 weist ferner einen Abdeckungsbereich 66 auf, der doppelte Wände hat, die eine Kammer 67 bilden, in die eine Vakuumisolierplatte bzw. VIP 68 vollständig eingekapselt ist, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist. Die Heizeinrichtung 50 ist der inneren Wand des Wassereinschlussbereichs 63 benachbart angeordnet, und die VIP 65 befindet sich zwischen ihr und der Außenwand. In ähnlicher Weise ist die Mikrowellenheizeinrichtung 49 angrenzend an die innere Wand des Abdeckungsbereichs 66 angeordnet, und die VIP 68 befindet sich zwischen ihr und der Außenwand des Abdeckungsbereichs 66. Der Wassereinschlussbereich weist typischerweise einen Gasabzug 70 auf.
Die Wände 72, 73 der Bereiche 63 und 66 sind typischerweise aus einem Verbundmaterial aus Kunststoff oder glasfaserverstärktem Material mit Kunststoff gebildet, jedoch können auch andere Materialien verwendet werden, die für eine spezielle Ausführungsform der Erfindung geeignet sind.
Unter Bezugnahme auf 3 bestehen die Vakuumisolierplatten 65, 68, die sich in den durch die Wände 72, 73 gebildeten Kammern 64, 67 befinden, aus einem Füllstoffmaterial 75, das als „Kern" bezeichnet wird und in eine Barrierenschicht 76 eingekapselt ist, bei der es sich einfach um Kunststoff oder um eine Kunststofffolie handeln kann, die durch Sputtern mit einer dünnen Metallschicht beschichtet ist, oder bei der es sich um eine dünne Schicht aus Aluminium oder einem anderen Metall handeln kann, die auf beiden Seiten durch Kunststofffolien-Laminierungen verstärkt ist. Die Barrierenschicht wird mit einem Druck von 0,001 Torr (0,0013 mbar) und 1,0 Torr (1,3 mbar) luftleer gemacht und anschließend dichtverschlossen. Die Details der VIP sind für die vorliegende Erfindung nicht relevant und können nach Eignung für eine beliebige spezielle Ausführungsform von dieser gewählt werden. Der Kern kann durch thermische Formgebung an die Form der Wände 72, 73 angepasst werden, bevor er in die Barrierenschicht eingekapselt wird.
Das Kernmaterial hat drei wesentliche Funktionen. Als Erstes stützt der Kern die Plattenwände ab. Da der Atmosphärendruck 14,7 psi auf die luftleere Platte ausübt, wäre eine Platte mit einer Größe von einem Quadratfuß 2120 Pounds-Force ausgesetzt. Zweitens hemmt das Kernmaterial auch die Bewegung der ver bliebenen Gasmoleküle. Je geringer die Kernporengröße ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Gasmoleküle mit dem verzweigten Netzwerk des Kernmaterial kollidieren, anstatt die Wände der VIP zu erreichen. Dies führt im Wesentlichen zu einem Einschluss der Moleküle, und jegliche Wärme, die zu dem festen Kernmaterial geleitet wird, müßte durch ein gewundenes Verzweigungsnetzwerk hindurchgehen, in dem sie zum größten Teil abgeführt wird, bevor sie die Wände der VIP erreicht. Ein Kern, der auf mikroporösem Material basiert, das die kleinste Porengröße aufweist, schafft somit die beste Isolierleistung von jeglichem festen Material. Drittens schaffen die Kernmaterialien eine Barriere gegenüber Wärmeübertragung durch Strahlung, und häufig beinhalten sie spezielle Trübungsmaterialien, die Infrarotstrahlung streuen oder absorbieren. Vakuumisolierplatten lassen sich derzeit mit Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,002 Watt pro Meter Grad Kelvin (W/m°K) und 0,008 W/m°K herstellen. Die VIP 68 kann die gesamten Kammern 67 ausfüllen, wie es in 3 dargestellt ist, oder auf eine Dicke ähnlich der Dicke der VIP 65 begrenzt sein, wie dies in 4 dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet der Behälter 43 für eine Batterie oder einen Superkondensator 80 einen doppelwandigen Behälter 81, der eine Kammer 82 bildet, in die die VIP, wie sie in den 3 und 4 dargestellt ist, eingekapselt ist. Der Behälter weist eine doppelwandige Oberseite 86 auf, die eine Kammer 87 bildet, in die eine VIP (ähnlich den VIPs 65, 68) eingekapselt ist.
Die Heizeinrichtung 51 ist angrenzend an die innere Wand des Behälters 43 angeordnet, und zwischen der Heizeinrichtung 51 und der äußeren Wand des Behälters 43 befindet sich eine gekapselte VIP. Eine Mehrzahl von Kühlrohren 90 erstreckt sich um den Innenumfang der Doppelwände 81 herum, um Kühlmittel immer dann von dem Einlass 42 zu dem Auslass 46 strömen zu lassen, wenn sich das Ventil 35 (1) in der Position „Beide" befindet, wobei die Steuerung diese Position immer dann veranlasst, wenn die Laderate der Batterie oder des Superkondensators derart ist, dass ein Überhitzen auftreten kann.
Im Einsatz wird immer dann, wenn die Brennstoffzellenstapelanordnung nicht in Betrieb ist, die Steuerung 15 durch Energie von der Gleichstromquelle (Batterie oder Superkondensator) auf den Leitungen 54, 55 in Betrieb gehalten. Die Steuerung spricht dann auf Temperatursignale auf den Leitungen 59 bis 61 an, um Energie von der Gleichstromquelle nach Bedarf zu den Heizeinrichtungen 17, 50, 51 zu leiten. Genauer gesagt wird bei der vorliegenden Erfindung sobald die Steuerung festgestellt hat, dass der Speicher 29 eine Temperatur von 0°C (32°F) erreicht hat, der Heizeinrichtung 50 Energie in der Größenordnung von 5 W zugeführt, so dass der Speicher bei Temperaturen von bis zu –20°C (–36°F) nicht unter den Gefrierpunkt absinkt, wenn der Speicher aus der doppelwandigen, gekapselten VIP gebildet ist, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Wenn die Steuerung anhand des Signals auf der Leitung 61 feststellt, dass der Behälter 43 eine Temperatur, wie z.B. +10°C (50°F) erreicht hat, veranlasst die Steuerung die Heizeinrichtung 51 in ähnlicher Weise zum Halten dieser Temperatur, und zwar unter Verwendung von nur ca. 3 W Energie, wenn es sich bei dem Behälter um die doppelwandige, gekapselte VIP handelt, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die Kombination aus der VIP-Isolierung in der Größenordnung von 0,004 W/m°K und der Warmhalteheizeinrichtung verhindert ein Einfrieren des Speichers in einer Umgebung von –20°C (–36°F) für unbegrenzte Zeiträume und verhindert ein Einfrieren des gesamten Wassers (20 Liter) in dem Speicher für ca. 16 Tage.
Falls die Steuerung anhand der Temperatursignale auf den Leitungen 60, 61 feststellt, dass ein starker Frost vorhanden ist und aus diesem Grund das Wasser in dem Speicher 29 insgesamt durchgefroren ist, kann die Steuerung dennoch die Brennstoffzellenstapelanordnung hochfahren und Energie in der Größenordnung von 2 kW bis 5 kW von dem Brennstoffzellenstapel abziehen, um die Mikrowellenheizeinrichtung zu betreiben und das Eis in etwas mehr über einer halben Stunde aufzutauen.
Wenn das Hochfahren stattfinden soll, liefert die Steuerung Energie von der Batterie oder dem Superkondensator 80 sowie Ventilsteuersignale über Leitungen 91 für die Zufuhr von Brennstoff, den Betrieb eines Luftgebläses usw..
Falls gewünscht, kann der Behälter 43 ohne Kühlmittelrohre 90 für andere Batterien als in Verbindung mit Brennstoffzellenkraftanlagen verwendet werden. Er kann bei herkömmlichen Kohlenwasserstoff-betriebenen Fahrzeugen, Geländefahrzeugen, Schneefahrzeugen und dergleichen verwendet werden. Die Batterie kann ihre eigene Energie dafür nutzen, eine Warmhalteheizeinrichtung mit einer geringen Energiemenge zu versorgen.
Zusammenfassung
Ein Stapel (11) von Brennstoffzellen besitzt Wasserströmungskanäle, die Wasser durch eine Pumpe (33) von einem Speicher (29) erhalten, der Doppelwände (63, 66) mit dazwischen vorgesehenen Vakuumisolierplatten (VIP) (65, 68) aufweist, wobei eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (80) (Batterie oder Superkondensator) in einem Behälter (43) angeordnet ist, der Doppelwände (81, 86) aufweist, zwischen denen Vakuumisolierplatten (65, 68) eingekapselt sind. Eine Warmhalteheizeinrichtung (51) hält die Quelle warm genug, um zumindest die Hälfte der Energiekapazität zu erhalten, wobei die Quelle ihre eigene Heizeinrichtung betreibt sowie auch eine Warmhalteheizeinrichtung (50) in dem Speicher betreibt, um den Speicher über der Gefriertemperatur zu halten. Eine in dem Speicher angeordnete Mikrowellenheizeinrichtung (58) verteilt die Energie zum Schmelzen des Eises unter Verwendung der Brennstoffzellenstapelenergie beim Hochfahren von diesem.

Claims

Verfahren zum Verlängern der Zeitdauer, bevor Wasser in einem Speicher (29) in einer Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur einfriert, gekennzeichnet durch folgende Schritte: vollständiges Isolieren des Speichers mit Vakuumisolierplatten (65, 68); Anordnen einer Warmhalteheizeinrichtung (50) zwischen dem Speicher und den Vakuumisolierplatten; und Zuführen (52) von Energie (80) zu der Warmhalteheizeinrichtung immer dann, wenn sich die Temperatur des Speichers der Gefriertemperatur nähert.
Vorrichtung zum Verlängern der Zeitdauer, bevor Wasser in einem Speicher (29) in einer Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur einfriert, gekennzeichnet durch: Vakuumisolierplatten (65, 68), die den Speicher vollständig isolieren; eine Warmhalteheizeinrichtung (50) zwischen dem Speicher und den Vakuumisolierplatten; und eine Einrichtung (52, 88) zum Zuführen von Energie zu der Warmhalteheizeinrichtung immer dann, wenn sich die Temperatur des Speichers der Gefriertemperatur nähert.
Verfahren zum Aufrechterhalten der Kapazität einer Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (43), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator, für eine Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur, gekennzeichnet durch: vollständiges Isolieren der Quelle mit Vakuumisolierplatten (82, 87; 65, 68); Anordnen einer Warmhalteheizeinrichtung (51) zwischen der Quelle und den Vakuumisolierplatten; und Zuführen (53) von Energie (80) zu der Warmhalteheizeinrichtung, um die Quelle bei oder über einer Temperatur zu halten, bei der die Quelle in etwa die Hälfte ihrer Energiekapazität aufweist.
Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Kapazität einer Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (43), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator, für eine Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur, gekennzeichnet durch: Vakuumisolierplatten (82, 87; 65, 68), die die Quelle vollständig isolieren; eine Warmhalteheizeinrichtung zwischen der Quelle und den Vakuumisolierplatten; und eine Einrichtung (53, 80), die der Warmhalteheizeinrichtung Energie zuführt, um die Quelle bei oder über einer Temperatur zu halten, bei der die Quelle in etwa die Hälfte ihrer Energiekapazität aufweist.
Verfahren zum Verlängern der Zeitdauer, bevor Wasser in einem Speicher (29) in einer Brennstoffzellenkraftanlage in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur gefriert, gekennzeichnet durch: vollständiges Isolieren des Speichers mit ersten Vakuumisolierplatten (65, 68); Anordnen einer ersten Warmhalteheizeinrichtung (50) zwischen dem Speicher und den ersten Vakuumisolierplatten; Bereitstellen einer Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (80), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator und die mittels zweiter Vakuumisolierplatten (82, 87; 65, 68) vollständig isoliert ist sowie eine zweite Warmhalteheizeinrichtung zwischen der Quelle und den zweiten Vakuumisolierplatten aufweist; und Zuführen (53) von Energie von der Quelle (80) zu der zweiten Warmhalteheizeinrichtung, um die Quelle auf oder über einer Temperatur zu halten, bei der die Quelle in etwa die Hälfte ihrer Energiekapazität aufweist; und Zuführen (52) von Energie von der Quelle zu der ersten Warmhalteheizeinrichtung immer dann, wenn sich die Temperatur des Speichers der Gefriertemperatur nähert.
Brennstoffzellenkraftanlage aufweisend: einen Stapel (11) aus Brennstoffzellen, wobei jede Zelle Wasserströmungskanäle aufweist; eine Wasserpumpe (33); eine Steuerung (15); einen Wasserspeicher (29), der mit einem Wasseransaugauslass mit der Pumpe verbunden ist; gekennzeichnet durch: den Wasserspeicher, der Doppelwände (72, 73) aufweist, wobei mindestens eine Vakuumisolierplatte (VIP) (65, 68) dazwischen eingekapselt ist; eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (80), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator; einen Behälter (43) für die Quelle, wobei der Behälter Doppelwände aufweist und mindestens eine zweite VIP dazwischen eingekapselt ist; eine erste Warmhalteheizeinrichtung (50), die zwischen einer ersten Innenwand des Wasserspeichers und der mindestens einen ersten VIP angeordnet ist; eine zweite Warmhalteheizeinrichtung (51), die zwischen einer Innenwand des Behälters und der mindestens einen zweiten VIP angeordnet ist; einen innerhalb des Speichers vorgesehenen Temperatursensor (57), der der Steuerung ein erstes Signal zuführt, das die Temperatur in dem Speicher anzeigt; einen innerhalb des Behälters vorgesehenen Temperatursensor (58), der der Steuerung ein zweites Signal zuführt, das die Temperatur in dem Behälter anzeigt; wobei die Steuerung die Zufuhr von Energie von der Quelle (c) zu der zweiten Warmhalteheizeinrichtung veranlasst, um die Quelle auf einer ausreichenden Temperatur zu halten und dadurch größenordnungsmäßig die Hälfte der Kapazität der Quelle zu erhalten, und (d) zu der ersten Warmhalteheizeinrichtung veranlasst, um die Temperatur des Speichers bei oder über der Gefriertemperatur zu halten.
Brennstoffzellenkraftanlage, aufweisend: einen Stapel (11) aus Brennstoffzellen, von denen jede Wasserströmungskanäle aufweist; eine Wasserpumpe; einen Wasserspeicher (29), der mit einem Wasseransaugauslass mit der Pumpe verbunden ist; eine Steuerung (15); gekennzeichnet durch: einen in dem Speicher vorgesehenen Temperatursensor (57), der der Steuerung ein Signal zuführt, das die Temperatur in dem Speicher anzeigt; eine Mikrowellenheizeinrichtung (59), die in der Nähe des Wassers in dem Speicher angeordnet ist; wobei die Steuerung ansprechend auf das Temperatursignal, welches einen gefrorenen Zustand von Wasser in dem Speicher anzeigt, beim Hochfahren der Brennstoffzellenkraftanlage die Zufuhr von von dem Brennstoffzellenstapel erzeugter Energie zu der Mikrowellenheizeinrichtung veranlasst, um dadurch das Eis in dem Speicher zu schmelzen.
Brennstoffzellenkraftanlage aufweisend: einen Stapel (11) von Brennstoffzellen, wobei jede Zelle Wasserströmungskanäle aufweist; eine Wasserpumpe (33); und eine Steuerung (15); gekennzeichnet durch: einen Wasserspeicher (29), der mit einem Wasseransaugauslass mit der Pumpe verbunden ist; gekennzeichnet durch: den Wasserspeicher, der Doppelwände (72, 73) aufweist, zwischen denen mindestens eine Vakuumisolierplatte (VIP) (65, 68) eingekapselt ist; eine Gleichstrom-Hilfsenergiequelle (80), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator; einen Behälter (43) für die Quelle, wobei der Behälter Doppelwände (81) aufweist, zwischen denen mindestens eine zweite VIP (65, 68) eingekapselt ist; eine erste Warmhalteheizeinrichtung (50), die zwischen einer ersten Innenwand des Wasserspeichers und der mindestens einen ersten VIP angeordnet ist; eine zweite Warmhalteheizeinrichtung (51), die zwischen einer Innenwand des Behälters und der mindestens einen zweiten VIP angeordnet ist; einen innerhalb des Speichers vorgesehenen Temperatursensor (57), der der Steuerung ein erstes Signal (60) zuführt, das die Temperatur in dem Speicher anzeigt; einen innerhalb des Behälters vorgesehenen Temperatursensor (58), der der Steuerung ein zweites Signal (61) zuführt, das die Temperatur in dem Behälter anzeigt; wobei die Steuerung die Zufuhr von Energie von der Quelle (c) zu der zweiten Warmhalteheizeinrichtung veranlasst, um die Temperatur der Quelle auf einer ausreichenden Temperatur zu halten und dadurch größenordnungsmäßig die Hälfte der Kapazität der Quelle aufrechtzuerhalten, und (d) zu der ersten Warmhalteheizeinrichtung zuführt, um die Temperatur des Speichers auf oder über der Gefriertemperatur zu halten; eine Mikrowellenheizeinrichtung (49), die in der Nähe des Wassers in dem Speicher angeordnet ist; wobei die Steuerung ansprechend auf das erste Temperatursignal, welches einen gefrorenen Zustand von Wasser in dem Speicher anzeigt, beim Hochfahren der Brennstoffzellenkraftanlage die Zufuhr von von dem Brennstoffzellenstapel erzeugter Energie zu der Mikrowellenheizeinrichtung veranlasst, um dadurch das Eis in dem Speicher zu schmelzen.
Verfahren zum Aufrechterhalten der Kapazität einer Gleichstrom-Energiequelle (80), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator, in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur, gekennzeichnet durch: vollständiges Isolieren der Quelle mit Vakuumisolierplatten (82, 87; 65, 68); Anordnen einer Warmhalteheizeinrichtung (51) zwischen der Quelle und den Vakuumisolierplatten; und Zuführen von Energie (80, 83, 54, 55) zu der Warmhalteheizeinrichtung, um die Quelle bei oder über einer Temperatur zu halten, bei der die Quelle in etwa die Hälfte ihrer Energiekapazität aufweist.
Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Kapazität einer Gleichstrom-Energiequelle (80), die ausgewählt ist aus (a) einer Batterie und (b) einem Superkondensator in einer Umgebung mit Temperaturen unter der Gefriertemperatur, gekennzeichnet durch: Vakuumisolierplatten (82, 87; 65, 68), die die Quelle vollständig isolieren; eine Warmhalteheizeinrichtung (51) zwischen der Quelle und den Vakuumisolierplatten; und eine Einrichtung (80, 53, 54, 55), die der Warmhalteheizeinrichtung Energie zuführt, um die Quelle bei oder über einer Temperatur zu halten, bei der die Quelle in etwa die Hälfte ihrer Energiekapazität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung die Gleichstromquelle (80) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Gleichstromquelle (80) eine Batterie in einem Wasserstoffbetriebenen Fahrzeug ist.