DE19629084C2 - Brennstoffzellenanlage als Antriebsbatterie für ein Elektrofahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug, das eine Antriebsbatterie aus Brennstoffzellen mit verbessertem Kühlsystem hat, sowie ein Verfahren zur Elektrotraktion mit einer Brennstoffzellenanlage, die ein verbessertes Kühlsystem hat.

Bislang werden hauptsächlich flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellen als Antriebsbatterien in Elektrofahrzeugen, wie beispielsweise Bussen oder Pkws eingesetzt. Die Antriebsbatterie, bestehend aus den einzelnen Brennstoffzellen, wird dabei im Elektrofahrzeug oberhalb der angetriebenen Achse, im Laderaum oder im Motorenraum angebracht. Die während des Betriebs anfallende Verlustwärme der Brennstoffzellen wird an die Umgebungsluft des Elektrofahrzeuges abgegeben. Diese Technologie erfordert ein aufwendiges Kühlsystem mit Flüssigkeitskühlung und verschiedenen Wärmeaustauschern im Elektrofahrzeug zur Regenerierung des erwärmten Kühlmediums. Dabei entstehen nicht nur erhebliche konstruktive Aufwendungen, sondern das Kühlsystem trägt auch meistens zum Gesamtgewicht des Elektrofahrzeugs einen nicht unerheblichen Teil bei und erhöht somit die, für die Traktion des Elektrofahrzeugs, zumindest notwendige Energieleistung. Wegen dieser Nachteile der bisher praktizierten Brennstoffzellenkühlung besteht das Bedürfnis, ein Kühlsystem für eine Brennstoffzellenanlage in einem Elektrofahrzeug zu entwerfen, das eine einfachere, genauso effektive, kompaktere und leichtere Kühlung aufweist.

Aus der DE-43 22 765 C1 ist ein Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Energieversorgung bekannt, bei der die Brennstoffzellenleistung über eine Kontrolle der vom Kompressor zugeführten Luftmenge erfolgt.

Aus der DE 40 01 684 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit einem Hybridantriebssystem bekannt, welches einen Elektromotor, einen Akkumulator und eine Brennstoffzelle umfaßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mobile Brennstoffzellenenergieversorgung mit Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug zur Verfügung zu stellen, die dem Elektrofahrzeug weniger zusätzliches Gewicht aufbürdet als es bislang bei dieser Technologie üblich ist und die trotzdem gleiche Leistungsdaten liefert.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung dabei ist, daß der Stau­ druck des Fahrtwinds, der auf das Elektrofahrzeug während des Fahrbetriebs einwirkt, das Durchströmen des Kühlmediums durch das Kühlsystem bewirken oder zur Erhöhung der Durchströmge­ schwindigkeit des Kühlmediums durch das Kühlsystem der Brenn­ stoffzellenanlage ausgenutzt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Elek­ trofahrzeug, dessen Antriebsbatterie eine Brennstoffzellenan­ lage mit einem, gegebenenfalls sekundären, Kühlsystem, durch das ein gasförmiges Kühlmedium fließt, umfaßt, bei dem die Brennstoffzellenanlage so angeordnet ist, daß das, gegebenen­ falls sekundäre, Kühlmedium ganz oder teilweise durch den Staudruck des Fahrtwinds in das Kühlsystem der Brennstoffzel­ lenanlage eingeleitet wird.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Elek­ trotraktion mit einer Antriebsbatterie, die eine Brennstoff­ zellenanlage mit einem, gegebenenfalls sekundärem, Kühlsystem umfaßt, bei dem in dem Kühlsystem die aus dem Fahrtwind ge­ wonnene Energie umgesetzt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird neben dem Fahrt­ wind noch eine andere Druckquelle, wie beispielsweise ein Ventilator benutzt, um das, gegebenenfalls sekundäre, Kühlme­ dium durch das, gegebenenfalls sekundäre Kühlsystem zu lei­ ten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Antriebs­ batterie des Elektrofahrzeugs aus flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen, wobei die Verlustwärme der Brennstoffzellen (bis zu 60%) zunächst an ein flüssiges Kühlmedium übertragen wird, das dann in einem Wärmetauscher mit dem Fahrtwind ge­ kühlt wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die An­ triebsbatterie des Elektrofahrzeugs aus luftgekühlten Brenn­ stoffzellen und der Fahrtwind kann direkt in das Kühlsystem der Brennstoffzellen eingespeist werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Brennstoffzellen der Antriebsbatterie aus PEM- Brennstoffzellen, wobei PEM für Polymer-Elektrolyt-Membran steht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist die Anord­ nung, bei der die luftgekühlte Brennstoffzellenanlage direkt am Kühler, eingebaut ist. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Brennstoffzellenanlage durch einen, vor dem vorder­ sten Frontbereich des Fahrzeugs angebrachten, massiven Stoß­ fänger geschützt ist.

Besonders bevorzugt wird die luftgekühlte Brennstoffzellenan­ lage im Elektrofahrzeug so eingebaut, daß die Ebenennormalen auf die aktiven Flächen der einzelnen Brennstoffzellen senk­ recht zur Fahrtrichtung stehen, so daß der Fahrtwind parallel zu den aktiven Flächen strömt.

Als "Elektrofahrzeug" werden alle mit Elektromotor angetrie­ benen Fortbewegungsmittel bezeichnet, wobei der Untergrund, auf dem sie fahren, d. h. Straße, Schiene, Wasser, Schnee oder Sand, etc. erfindungsgemäß keine Rolle spielt. Entscheidend ist, daß das Elektrofahrzeug mit einer Antriebsbatterie ange­ trieben wird.

Als "Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs" wird erfin­ dungsgemäß ein mobiles Energieversorgungssystem verstanden, das zumindest zum Teil aus Brennstoffzellen besteht. Dabei können unterstützend zu den Brennstoffzellen auch noch andere Mittel zur Energieerzeugung wie andere Batterien oder ähnli­ ches eingesetzt werden. Erfindungsgemäß muß die Antriebsbat­ terie nicht ausschließlich aus Brennstoffzellen bestehen, muß aber Brennstoffzellen enthalten.

Als "Staudruck des Fahrtwinds" wird erfindungsgemäß der Druck bezeichnet, der durch die Bewegung des Fahrzeugs durch die Umgebungsluft als Staudruck wirksam wird (p_S = ρ_L/2 V²) Als weitere "Druckquelle", mit der das Kühlsystem mit gasförmi­ gem, in der Regel aus Luft bestehendem, Kühlmedium gespeist wird kann ein Ventilator, ein Kompressor oder ähnliches die­ nen.

Als "Brennstoffzellen" können erfindungsgemaß alle Arten von Brennstoffzellen, die für die mobile Energieversorgung in Be­ tracht kommen, eingesetzt werden. Die PEM-Brennstoffzelle und die Direktmethanol-Brennstoffzelle stehen dabei im Vorder­ grund.

Als "primäres Kühlsystem" oder "normales Kühlsystem" wird ein Kühlsystem bezeichnet, in dem das Kühlmedium (Flüssigkeit oder Fahrtwind) direkt über die Bipolarplatten der Brenn­ stoffzellen strömt und die Abwärme der Brennstoffzellen auf­ nimmt.

Als "sekundäres Kühlsystem" wird ein Kühlsystem bezeichnet, in dem ein erwärmtes (weil in einem primären Kühlsystem ver­ brauchtes) Kühlmedium abgekühlt und somit regeneriert wird.

Als "luftgekühlte Brennstoffzelle" werden erfindungsgemäß solche Brennstoffzellen bezeichnet, bei denen die primäre Kühlung der Brennstoffzelle mit dem Fahrtwind möglich ist. Dabei wird der Fahrtwind mit seinem vorgegebenen Staudruck in das Kühlsystem der Brennstoffzelle eingespeist und kann zu­ sätzlich noch von einem weiteren unabhängigen Gas- oder Flüs­ sigkeitsstrom unterstützt werden.

Bevorzugt wird natürlich eine Antriebsbatterie eingesetzt, deren Anordnung im Außenbereich des Elektrofahrzeugs so ge­ lungen ist, daß der Fahrtwind allein ausreicht, um die Luft­ kühlung der Antriebsbatterie, die aus Brennstoffzellen be­ steht, zu sichern. Für geringe Fahrgeschwindigkeit oder hohe Außentemperatur kann, wie bei herkömmlichen, durch Verbren­ nungsmotor getriebenen Fahrzeugen, ein unterstützendes Venti­ latorgebläse eingesetzt werden.

Als "Außenbereich des Elektrofahrzeugs" wird das gesamte Äu­ ßere des Elektrofahrzeugs bezeichnet. Dieser Terminus ist al­ so nicht auf die Fahrzeugfront beschränkt, sondern es ist durchaus denkbar, daß sich die Antriebsbatterie oben auf dem Dach oder unten unter dem Fahrgast- oder Laderaum des Elek­ trofahrzeugs befindet. Entscheidend beim Außenbereich des Elektrofahrzeugs ist, daß der Fahrtwind auf die Stelle direkt einwirkt. Dabei wird es oft zu der Anordnung kommen, daß die Antriebsbatterie schlicht an der Stelle des herkömmlichen Kühlers im Fahrzeug eingebaut wird. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn ein massiver Stoßfänger, wie er beispielsweise von Geländewägen her bekannt ist und aus dicken Stahlrohren gebildet sein kann, der Antriebsbatterie vorgelagert ange­ bracht ist, so daß bei kleineren Zusammenstößen diese vor Be­ schädigung geschützt ist.

Eine optimale Ausnutzung des Staudrucks des Fahrtwindes fin­ det statt, wenn die Ebenennormalen der aktiven Flächen der einzelnen Brennstoffzellen senkrecht zur Fahrtrichtung ste­ hen. Dabei kann der Fahrtwind entlang der Zellbleche strömen und direkt als Kühlmedium wirken. Bei der Anbringung des Wär­ metauschers einer flüssigkeitsgekühlten Antriebsbatterie im Fahrtwind des Elektrofahrzeugs werden entsprechend die akti­ ven Flächen auch parallel zur Strömungsrichtung des Fahrtwin­ des ausgerichtet sein. Offensichtlich ist dabei, daß es für diese parallele Ausrichtung zum Fahrtwind zwei senkrecht auf­ einander stehende Möglichkeiten gibt, nämlich einmal die Mög­ lichkeit, daß die Zelle vertikal und einmal die Möglichkeit, daß sie horizontal angebracht ist. Anders ausgedrückt können die einzelnen Brennstoffzellen der "Stacks" (d. h. der Zellen­ stapel der Brennstoffzellenanlage in der Antriebsbatterie) sowohl von oben nach unten als auch von links nach rechts ge­ stapelt sein. Ebenso können die einzelnen aktiven Flächen des Wärmetauschers von oben nach unten oder von rechts nach links gestapelt sein.

Als "Verlustwärme" einer Brennstoffzelle wird die Wärme be­ zeichnet, die bei der Umsetzung an der Brennstoffzelle frei wird und nicht genutzt wird. Nachdem Brennstoffzellen übli­ cherweise mit einem thermodynamischen Wirkungsgrad von weni­ ger als 60% betrieben werden, fällt ebenso üblicherweise Ver­ lustwärme in einer Größenordnung von < 40% der in die Brenn­ stoffzelle hineingesteckten chemischen Energie an. Bei flüs­ sigkeitsgekühlten Brennstoffzellen wird diese Wärmeenergie oder Verlustwärme zunächst an ein flüssiges Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser abgegeben. Das flüssige Kühlmedium um­ fließt dabei die bipolaren Platten einzelner Brennstoffzellen der Antriebsbatterie und wird im Kreis gefahren, d. h. über einen an den Brennstoffzellenstapel angeschlossenen Wärmetau­ scher regeneriert, d. h. abgekühlt und wieder in den Brenn­ stoffzellenstapel eingeleitet. Erfindungsgemäß wird dann der Fahrtwind beim Betrieb des Wärmetauschers, in dem Kühlmedium regeneriert wird, eingesetzt.

Die bipolaren Platten der Brennstoffzellen sind die Ab­ schlußbleche der einzelnen Brennstoffzellen ober- und unter­ halb des Kathoden- oder Anodenraums, die gleichzeitig die elektrische Leitung innerhalb eines Brennstoffzellenstapels ermöglichen. Bei flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen fließt das Kühlmedium zwischen den Bipolarplatten der einzel­ nen Brennstoffzellen durch und bei luftgekühlten Brennstoff­ zellen strömt im selben Zwischenraum erfindungsgemäß der Fahrtwind.

Als "aktive Fläche" einer Brennstoffzelle wird die Fläche be­ zeichnet, in der sich entweder der Elektrolyt oder die Elek­ troden befinden bzw. entlang derer die Reaktionsmedien wie beispielsweise Oxidans und Brennstoff, fließen.

Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von zwei Ausfüh­ rungsbeispielen luftgekühlter Brennstoffzellenanlagen in Fahrzeugen, die erfindungsgemaß bevorzugt werden, näher er­ läutert.

1. Beispiel

Eine Zelle mit 300 cm² aktiver Fläche ist quadratisch mit ei­ ner Kantenfläche von 210 mm und einer Dicke pro Zelle von ca. 4,5 mm. Jeweils 100 dieser Zellen werden zu einem Block oder Stapel verbunden, wobei jeweils vorne und hinten am Block/Stapel noch eine Endplatte von ca. 2 cm Dicke befestigt wird, die die einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels zusamenhält. Zwei Blöcke mit je 100 Zellen ergeben einen Quader, der 42 cm hoch, 21 cm tief und 49 cm breit ist. Ein derartiger Quader hat bei einer Leistung von 0,25 W/cm² eine Gesamtleistung von 15 kW. Diese Leistung reicht aus, um einen Kleinwagen zu ziehen und der Quader hat damit solche die Abmes­ sungen, daß er gut in die Elektrofahrzeugfront eines Kleinwa­ gens, wo üblicherweise der Kühler sitzt, integriert werden kann.

2. Zwei Blöcke aus Zellen mit je 400 cm aktiver Fläche, die zu 150 Zellen gestapelt sind, haben eine Breite von 72 cm bei einer Leistung von 42 kW, wenn pro cm² eine Leistung von 0,35 Watt erreicht ist. Ein solcher Stapel oder eine solche Antriebsbatterie läßt sich in einem Mittelklassewagen über der Vorderachse quer einbauen, wo er einerseits gut mit Kühl­ luft versorgt werden kann und andererseits vor Beschädigung bei leichten Unfällen gut geschützt ist.

Da die Wärmeflußdichte (d. h. die erzeugte oder abzuführende Wärme pro Flächeneinheit) einer Brennstoffzelle, verglichen mit der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors, vergleichs­ weise gering und homogen ist, kann bei geeigneter Führung ei­ ner Luftströmung die gesamte anfallende Wärme des Brennstoff­ zellenblockes (= der Antriebsbatterie) ohne großen Aufwand direkt an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Die erfindungsgemäß eingebauten, luftgekühlten Brennstoffzel­ lenbatterien, wie in den Beispielen beschrieben, machen von dieser Überlegung Gebrauch. Wenn der Fahrtwind die Kühlluft­ strömung unterstützt, ist mit dieser Anordnung bei gegebener Betriebstemperatur die energetisch günstigste Kühlung über­ haupt möglich. Abmessung und Gewicht der Brennstoffzellenan­ lage entsprechen etwa dem eines Wärmetauschers für den Betrieb mit Kühlflüssigkeit/Luft eines herkömmlichen Fahrzeugs, der erfindungsgemäß entfällt. Mit der luftgekühlten Brennstoffzellenbatterie ist das ge­ ringste Leistungsgewicht und das geringste Leistungsvolumen möglich, denn allein wegen der ansonsten notwendigen Wärme­ tauscher müssen alle anderen Lösungen prinzipiell schwerer und größer werden.

Claims (9)

1. Brennstoffzellenanlage als Antriebsbatterie für ein Elektrofahrzeug, die zumindest ein primäres Kühlsystem, durch das ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium fließt, umfaßt, bei dem die Brennstoffzellenanlage so ausgestaltet ist, daß der Staudruck des Fahrtwindes das gasförmige Kühlmedium ganz oder teilweise in das Kühlsystem treibt.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der neben dem Staudruck als zusätzliche Druckquelle ein Ventilator benutzt wird, um das Kühlmedium durch das Kühlsystem zu leiten.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der das primäre Kühlmedium, das nach seiner Erwärmung im primären Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage in einem sekundären Kühlsystem durch ein sekundäres Kühlmedium gekühlt und regeneriert wird, flüssig ist.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, bei der das sekundäre Kühlsystem einen Wärmetauscher umfaßt.

5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Brennstoffzellenanlage PEM-Brennstoffzellen umfaßt.

6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese im im vordersten Frontbereich des Elektrofahrzeuges eingebauten Kühler angeordnet ist.

7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese über der angetriebenen Achse angeordnet ist.

8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Brennstoffzellen so eingebaut sind, daß die Ebenennormalen der aktiven Flächen der einzelnen Brennstoffzellen senkrecht zur Fahrtrichtung stehen.

9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage als Antriebsbatterie für ein Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die aus dem Staudruck des Fahrtwindes gewonnene Energie zur ganzen oder teilweisen Einleitung des gasförmigen Kühlmediums in das Kühlsystem genutzt wird.