DE60221630T2

DE60221630T2 - Verfahren zur Regelung des Hochfahrens der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60221630T2
Application number: DE60221630T
Authority: DE
Inventors: Fahri Keretli; Marielle Marchand
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: FR2834140B1; DE60221630D1; EP1323572B1; EP1323572A1; FR2834140A1; ES2287234T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verwalten des Hochfahrens der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle, die in eine Stromversorgungsschaltung mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs eingefügt ist, wobei die Brennstoffzelle mindestens zwei Brennstoffzellenelemente aufweist, die parallel geschaltet sind und selektiv an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen werden können.
Eine Brennstoffzelle, die in ein Kraftfahrzeug montiert ist, ist zum Erzeugen von Elektroenergie bestimmt, insbesondere zum Versorgen des Antriebselektromotors des Fahrzeugs. Der Strom, den sie erzeugt, ergibt sich aus einer chemischen Reaktion, die Wasserstoff verbraucht. Je nach den Techniken, wird der Wasserstoff an Bord des Fahrzeugs gelagert oder hingegen von einem Reformer ausgehend von einem Kraftstoff, wie zum Beispiel Benzin oder Methanol hergestellt.
Im Allgemeinen besteht eine Brennstoffzelle aus einer Einheit von Brennstoffzellenelementen, die in Serie geschaltet und ausreichend zahlreich sind, um eine elektrische Spannung liefern zu können, die an die elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs angepasst ist. Manchmal werden mehrere Einheiten von Zellen, „Brennstoffzellenelemente" genannt, parallel geschaltet, um die Leistung, die die Brennstoffzelle liefern kann, zu erhöhen.
Man nennt „verfügbare Energie" die Leistung, die die Brennstoffzelle potentiell liefern kann, das heißt die Leistung, die sie einem an sie angeschlossenen Verbraucher liefern könnte.
Vorzugsweise fällt die Temperatur einer Brennstoffzelle in einen bestimmten Temperaturbereich, um ihren Betrieb zu optimieren und es ihr zu erlauben, eine so genannte „Nennleistung" zu liefern, das heißt die Leistung, für die sie vorgesehen wurde. Wenn ihre Temperatur nicht in diesen Bereich fällt, kann eine Brennstoffzelle ihre Nennleistung nicht liefern und weist einen mäßigen Energiewirkungsgrad auf.
In dem Fall der Zellen mit Ionenaustauschermembran, PEM genannt, aus dem Englischen „Proton Exchange Membrane", ist der optimale Betriebstemperaturenbereich im Wesentlichen auf eine Temperatur von 80 °C zentriert.
Beim Starten des Fahrzeugs hat die Brennstoffzelle Raumtemperatur, und es ist daher erforderlich, ihre Temperatur zu erhöhen.
Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle exotherm ist, ist es bekannt, die Wärmeenergie, die sie freisetzt, zurückzugewinnen, um ihre Temperatur anzuheben. Solange diese Temperatur aber zu niedrig ist, sind die Energieleistungen der Brennstoffzelle mäßig.
Ferner könnten laufende Forschungen zu der Herstellung von Brennstoffzellen, die bei noch höheren Temperaturen funktionieren, führen, was das Problem der Energieleistungen beim Starten noch verstärken würde.
Das Dokument WO 01 95419 präsentiert ein wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenes Verfahren.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verwalten des Hochfahrens der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle zu liefern, insbesondere beim Kaltstarten des Fahrzeugs, so dass dieser Leistungsanstieg nicht von einer Verschlechterung der Energieleistungen der Brennstoffzelle begleitet ist.
Man verwirklicht diese Zielsetzung mittels eines Verfahrens zum Verwalten des Hochfahrens der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle, die in eine Stromversorgungsschaltung mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs eingefügt ist, wobei die Brennstoffzelle mindestens zwei Brennstoffzellenelemente aufweist, die parallel geschaltet sind und selektiv an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen werden können.
Dieses Verfahren ist dadurch bemerkenswert, dass man gemäß den Schritten im charakterisierenden Teil des Anspruchs 1 vorgeht.
Nur die Brennstoffzellenelemente, die zuvor temperaturangepasst wurden, und die daher einen zufriedenstellenden Energiewirkungsgrad aufweisen, werden an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen. Sobald sie elektrisch angeschlossen sind, erfordern die exothermen Brennstoffzellenelemente keine Wärmeleistung mehr.
Das Hochfahren der Leistung der Brennstoffzelle erfolgt daher, ohne dass irgendeines der angeschlossenen Brennstoffzellenelemente außerhalb seines optimalen Betriebstemperaturenbereichs funktionieren müsste.
Während des ganzen Hochfahrens bleiben die Energieleistungen der Brennstoffzelle daher zufriedenstellend.
Gemäß weiteren Merkmalen dieses Verfahrens,

– verwendet man die von mindestens einem der angeschlossenen Brennstoffzellenelemente freigesetzte Wärmeenergie, um das abgesteckte Brennstoffzellenelement während des Schritts a) zu erwärmen,
– schließt man Elektroenergiespeichermittel an die Stromversorgungsschaltung an, wenn die von den Brennstoffzellenelementen, die an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen sind, gelieferte Elektroenergie niedriger ist als die Elektroenergienachfrage des Verbrauchers,
– setzt man die Zellen mindestens eines der Brennstoffzellenelemente auf Unterspannung, wenn die von den Brennstoffzellenelementen, die an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen sind, gelieferte Elektroenergie niedriger ist als die Elektroenergienachfrage des Verbrauchers,
– verwendet man die von einer Hilfswärmequelle freigesetzte Wärmeenergie, um die Temperatur während des Schritts a) anzupassen,
– weist die Wärmequelle heiße Gase auf, die von einem Heizbrenner eines Reformers erzeugt werden,
– schließt man an die Stromversorgungsschaltung vor dem Anpassen der Temperatur und vor dem elektrischen Anschließen jedes der mehreren Brennstoffzellenelemente ein erstes Brennstoffzellenelement an, dann bringt man die Temperatur des ersten Brennstoffzellenelements mittels der von dem ersten Brennstoffzellenelement freigesetzten Wärmeenergie in einen optimalen Betriebstemperaturenbereich,
– lässt man die Zellen des ersten Brennstoffzellenelements mindestens so lange mit Unterspannung funktionieren, bis die Temperatur des ersten Brennstoffzellenelements in seinen optimalen Betriebsbereich fällt,
– hält man mindestens eines der angeschlossenen Brennstoffzellenelemente auf Unterspannung. Vorzugsweise dauert das Halten auf Unterspannung so lange, bis alle Elemente der Brennstoffzelle ihren optimalen Betriebstemperaturenbereich erreicht haben.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Hochfahren der verfügbaren Leistung einer Brennstoffzelle, die in eine Stromversorgungsschaltung mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs eingefügt ist, wie in Anspruch 8 beschrieben.
Diese Vorrichtung ist bemerkenswert, weil die Wärmeschaltung Mittel zum Herstellen einer selektiven Wärmeaustauschbeziehung einer Wärmequelle mit mindestens einem der Brennstoffzellenelemente aufweist, und weil die Stromversorgungsschaltung Mittel zum selektiven elektrischen Anschließen des Brennstoffzellenelements an die Stromversorgungsschaltung aufweist.
Gemäß weiteren Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

– werden die Brennelementzellen in parallele Zweige der Stromversorgungsschaltung eingefügt,
– weisen die Mittel zum selektiven elektrischen Anschließen Schalter auf, die in jeden der parallelen Zweige eingefügt sind,
– weist die Stromversorgungsschaltung mindestens eine Batterie auf, die in einen zu den Zweigen parallelen Zweig eingefügt ist, sowie Mittel zum selektiven Anschließen der Batterie an die Stromversorgungsschaltung, was es vorteilhaft ermöglicht, Energie zu speichern, um über sie zu verfügen, wenn die angeschlossenen Brennelementzellen allein nicht für die Stromnachfrage der Verbraucher reichen,
– ist die Wärmequelle eine Hilfswärmequelle,
– ist die Wärmequelle eines der Brennstoffzellenelemente, was es vorteilhaft erlaubt, den Energiewirkungsgrad der Aufwärmoperation der Brennstoffzelle zu verbessern,
– weist die Wärmequelle warme Gase auf, die von einem Heizbrenner eines Reformers erzeugt werden,
– weist die Heizschaltung einen Eingangszweig und einen Ausgangszweig auf, die ein gemeinsames erstes Ende haben, wobei das Kühlmittel durch das zweite Ende des Eingangszweigs eintritt und durch das zweite Ende des Ausgangszweigs austritt, wobei mehrere Wärmeaustauscher, die jeder mit mindestens einem Brennstoffzellenelement verbunden sind, in Serie in den Eingangszweig eingefügt sind, wobei mindestens einer der Austauscher Mittel zum Kurzschließen der Austauscher aufweist, die stromabwärts von ihm eingefügt sind, so dass das aus dem Austauscher austretende Kühlmittel zumindest teilweise direkt in den Ausgangszweig zurückkehrt,
– weisen die Mittel zum Kurzschließen der Austauscher, die stromabwärts eines Austauschers eingefügt sind, einen Kurzschließzweig auf, der einerseits an den Eingangszweig unmittelbar stromabwärts des Austauschers angeschlossen ist, und andererseits an den Ausgangszweig, wobei zwei Ventile jeweils in den Kurzschließzweig und in den Eingangszweig unmittelbar stromabwärts der Anschlussstelle des Kurzschließzweigs eingefügt sind.

Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennstoffzelle, die in eine Stromversorgungsschaltung mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs eingefügt ist, insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs, wobei die Brennstoffzelle mehrere Brennstoffzellenelemente aufweist und mit einer Vorrichtung versehen ist, die dazu bestimmt ist, ihren Energiewirkungsgrad während ihres Hochfahrens der verfügbaren Energie zu verbessern, wobei die Vorrichtung eine Heizschaltung der Brennstoffzellenelemente sowie einen Rechner zum Steuern der Stromversorgungsschaltung und der Heiz schaltung aufweist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist dadurch bemerkenswert, dass die Vorrichtung erfindungsgemäß ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden Beschreibung und aus der anliegenden Zeichnung, in welcher die alleinige Figur schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die Brennstoffzelle 1, die in 1 dargestellt ist, weist ein erstes, zweites und drittes Brennstoffzellenelement 3a, 3b und 3c auf, die in parallele Zweige 5a, 5b und 5c in eine Stromversorgungsschaltung 7 eingefügt sind.
Die Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c haben optimale Betriebstemperaturenbereiche, die jeweils P_a, P_b und P_c genannt werden.
Die Stromversorgungsschaltung 7 oder „Stromschaltung" 7 weist ferner parallel zu den Zweigen 5a, 5b und 5c einen Zweig 8 auf, in den eine Batterie 9 eingefügt ist.
Schalter 10a, 10b und 10c sind jeweils in die Zweige 5a, 5b und 5c eingefügt. Diese Schalter bilden Mittel zum selektiven elektrischen Anschließen der Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c an die Stromversorgungsschaltung 7.
Ein Schalter 11 ist ferner in den Zweig 8 eingefügt, in den die Batterie 9 eingefügt ist.
Die Stromversorgungsschaltung 7 ist zum Versorgen mit Elektroenergie elektrischer Verbraucher, nicht dargestellt, eines Fahrzeugs V bestimmt, zum Beispiel für die Versorgung eines Antriebselektromotors. Die Verbraucher sind an die Klemmen + und – der Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Heizschaltung 12 auf, in der ein Kühlmittel zirkuliert, das von einer Pumpe 13 umgewälzt wird.
Die Schaltung 12 weist einen Eingangszweig und einen Ausgangszweig 14 und 15 auf, die untereinander durch ein erstes gemeinsames Ende 17 verbunden sind, wobei das Kühlmittel durch das zweite Ende 19 des Eingangszweig 14 (Pfeil F1) eintritt und durch das zweite Ende 21 des Ausgangszweigs 15 (Pfeil F2) austritt.
Wärmeaustauscher 23a, 23b und 23c, die jeweils zu den Brennstoffzellenelementen 3a, 3b und 3c gehören, sind in Serie in den Eingangszweig 14 eingefügt.
Ein Austauscher „gehört" zu einem Brennstoffzellenelement, wenn eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen diesem Brennstoffzellenelement und dem Kühlmittel, das diesen Austauscher durchquert, hergestellt werden kann.
Jeder der Austauscher 23a und 23b weist Mittel zum Kurzschließen des oder der Austauscher auf, die stromabwärts von ihm eingefügt sind. Das Kühlmittel, das jeweils den Austauscher 23a und 23b verlässt, kann daher direkt in den Ausgangszweig 15 zurückkehren, ohne die Austauscher 23b und 23c bzw. den Austauscher 23c zu durchqueren.
Die Mittel zum Kurzschließen des oder der Austauscher, die stromabwärts der Austauscher 23a und 23b eingefügt sind, weisen Kurzschließzweige 25a und 25b auf, die in unterbrochenen Strichen dargestellt sind, die einerseits an den Eingangszweig 14, unmittelbar stromabwärts der Austauscher 23a und 23b an Anschlussstellen 27a und 27b und andererseits an den Ausgangszweig 15 angeschlossen sind.
Zwei Ventile 29a und 29b sind jeweils in die Kurzschließzweige 25a und 25b eingefügt.
Zwei Ventile 31a und 31b sind ferner in den Eingangszweig 14, unmittelbar stromabwärts der Anschlussstellen 27a und 27b jeweils der Kurzschließzweige 25a und 25b eingefügt.
Ein Hilfswärmeaustauscher 33 in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Hilfswärmequelle 34, zum Beispiel mit elektrischen Widerständen, ist in den Eingangszweig 14 stromaufwärts des Wärmeaustauschers 23a eingefügt.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist schließlich einen Rechner 35 auf, der zumindest über die Stromnachfrage D der elektrischen Verbraucher, über die Temperaturen Ta, Tb und Tc der Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c informiert ist und die Position der Ventile 29a, 29b, 31a und 31b, die Position der Schalter 10a, 10b, 10c und 11 sowie das Inbetriebnehmen oder Außerbetriebsetzen der Wärmequelle 34 und der Pumpe 13 steuert.
Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Vorrichtung ist die Folgende. Beim Starten sind die Schalter 10a, 10b, 10c und 11 offen.
Der Rechner 35 steuert das Freigeben von Wärmeenergie durch die Wärmequelle 34, das Öffnen des Ventils 29a, das Schließen der Ventile 29b und 31a und das Inbetriebnehmen der Pumpe 13. Beim Durchqueren des Hilfswärmeaustauschers 33 empfängt das Kühlmittel die Wärmeenergie, die es zumindest teilweise an das Brennstoffzellenelement 3a bei seinem Durchqueren des Wärmeaustauschers 23a überträgt. Nach dem Durchqueren des Wärmeaustauschers 23a kehrt das Kühlmittel zu dem Ausgangszweig 15 über den Umlenkzweig 25a zurück. Die Austauscher 23b und 23c sind daher „deaktiviert", das heißt, dass das Kühlmittel sie nicht durchquert.
Der Reformer kann als Wärmequelle 34 insofern dienen, als seine Betriebstemperatur in der Größenordnung von 800 °C höher ist als die der Brennstoffzelle 1. Vorteilhaft würde man die von dem Reformer freigesetzte Wärmeenergie, die anderenfalls verloren ginge, weiterverwenden.
Beim Starten des Fahrzeugs V muss der Reformer selbst erwärmt werden, zum Beispiel mittels eines Brenners. In dieser Situation ist es besonders vorteilhaft, als Wärmequelle in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Austauscher 33 warme Gase zu verwenden, die von dem Brenner erzeugt werden und zum Erwärmen des Reformers gedient haben, wobei diese Wärmeenergie anderenfalls aus dem Fahrzeug V abgeleitet würde. Man vermeidet daher das Heranziehen einer für die Brennstoffzelle 1 spezifischen Wärmequelle.
Die von der Hilfswärmequelle 34 gelieferte Wärmeenergie ist nur für das Brennstoffzellenelement 3a bestimmt, was vorteilhaft einen schnellen Anstieg der Temperatur dieses Letzteren erlaubt. Beim Starten der Brennstoffzelle wird dadurch die Antwortzeit auf eine Variation der Stromnachfrage verbessert.
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenelements 3a das untere Limit des Bereichs P_a erreicht, wird der Schalter 10a so geschlossen, dass das Brennstoffzellenelement 3a Elektroenergie an die Stromverbraucher des Fahrzeugs V liefert.
Das Liefern von Elektroenergie durch das Brennstoffzellenelement 3a kann von einem Freisetzen von Wärme begleitet sein, die ausreicht, um die Temperatur des Brennstoffzellenelements 3a im Wesentlichen konstant zu halten, ja sogar um sie zu erhöhen.
Um zu vermeiden, dass die Temperatur des Brennstoffzellenelements 3a die maximale Grenztemperatur des Bereichs P_a überschreitet, ist es daher erforderlich, das Zuführen von Wärmeenergie einzustellen, ja sogar Kühlenergie zuzuführen.
Der Rechner 35 steuert daher das Deaktivieren des Austauschers 33. Das Deaktivieren kann sich zum Beispiel aus einem Umgehen des Austauschers 33 durch das Kühlmittel, zum Beispiel mittels eines Abzweigzweigs, der nicht dargestellt ist, ergeben.
Vorzugsweise und wenn der Betrieb der Wärmequelle 34 anderswo nicht mehr erforderlich ist, steuert der Rechner 35 sein Stoppen. Der Rechner 35 steuert auch das Schließen des Ventils 29a und des Ventils 31b sowie das Öffnen der Ventile 31a und 29b so, dass das Kühlmittel nacheinander den Austauscher 23a unter Empfangen von Wärmeenergie und dann den Austauscher 23b durchquert und dabei diese Wärmeenergie zumindest teilweise an das Brennstoffzellenelement 3b abgibt.
Vorteilhaft werden die Wärmeverluste des Brennstoffzellenelements 3a daher zum Erwärmen des Brennstoffzellenelements 3b verwendet.
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenelements 3b das untere Limit des Bereichs P_b erreicht, wird der Schalter 10b so geschlossen, dass das Brennstoffzellenelement 3b Elektroenergie an die Stromverbraucher des Fahrzeugs V liefert.
Der Temperaturanstieg des Brennstoffzellenelements 3c und dann sein Anschließen an die Stromversorgungsschaltung 7 erfolgen danach wie bei dem Brennstoffzellenelement 3b. Das Ventil 31b wird geöffnet, das Ventil 29b geschlossen, und die von den Brennstoffzellenelementen 3a und 3b freigesetzte Energie wird zum Teil an das Brennstoffzellenelement 3c abgegeben. Wenn die Tempera tur diese Letzteren in den optimalen Betriebstemperaturenbereich P_c eintritt, schließt sich der Schalter 10c, und das Brennstoffzellenelement 3c liefert seinerseits Elektroenergie an die Stromverbraucher des Fahrzeugs V.
Nach dem Anschließen der drei Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c kann die Wärmeschaltung 12 zum Ableiten der von diesen Brennstoffzellenelementen abgegebenen Wärmeenergie aus dem Fahrzeug V heraus, zum Beispiel über einen nicht dargestellten Kühler verwendet werden.
Der Gebrauch einer anderen Wärmequelle 34 der Brennstoffzelle 1 zum Erwärmen der Brennstoffzelle 1 ist bekannt, zum Beispiel aus dem Patent WO 01 03 216 . Vorteilhaft wird die Wärmequelle 34 erfindungsgemäß nur zum Erwärmen des Brennstoffzellenelements 3a verwendet, was es erlaubt, die von der Wärmequelle 34 zum Erwärmen der Brennstoffzelle 1 gelieferte Energie einzuschränken.
Der Rechner 35 steuert jederzeit die Stromnachfrage der Verbraucher des Fahrzeugs V. Wenn die von dem an die Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossenen Brennstoffzellenelementen gelieferte Elektroenergie niedriger ist als diese Nachfrage, und wenn kein zusätzliches Brennstoffzellenelement an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen werden kann, steuert der Rechner 35 das Schließen des Schalters 11. Die Batterie 9 liefert nun eine ergänzende Stromversorgung.
Vorteilhaft wird ein Brennstoffzellenelement nur an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen, wenn seine Temperatur in seinen optimalen Betriebstemperaturenbereich fällt.
Wenn die Batterie 9 und die Brennstoffzellenelemente mit optimaler Temperatur nicht reichen, um die von den Verbrauchern verlangte Elektroenergie zu liefern, kann ein Brennstoffzellenelement, dessen Temperatur nicht in seinen optimalen Betriebstemperaturenbereich fällt, an die Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossen werden. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 1 wird dadurch jedoch verschlechtert.
Die Batterie 9 wird aufgeladen, wenn die Erfordernisse der Verbraucher niedriger sind als die Elektroenergieproduktion der Brennstoffzelle 1.
Die Zellen, die die Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c bilden, sind so konzipiert, dass sie mit einer Nennspannung, typisch in der Größenordnung von 0,7 V funktionieren. Wenn man jedoch diese Zellen mit einer niedrigeren Spannung funktionieren lässt, zum Beispiel mit 0,6 V, steigt die elektrische Leistung, die diese Zellen liefern können.
Bei optimaler Temperatur erzeugt daher ein einziges Brennstoffzellenelement dessen Zellen mit Unterspannung zu 0,6 V funktionieren, etwa 40 bis 50 % der maximalen, von drei identischen Brennstoffzellenelementen, die parallel geschlossen sind, und deren Zellen mit einer Nennspannung von 0,7 V funktionieren, erzeugten Energie.
Mit zwei Brennstoffzellenelementen, die mit Unterspannung zu 0,6 V bei optimaler Temperatur funktionieren, ist es daher möglich, die gleiche maximale elektrische Leistung zu liefern wie drei identische Brennstoffzellenelemente, die parallel geschlossen sind und deren Zellen mit einer Nennspannung von 0,7 V funktionieren.
Um das Heranziehen der Batterie 9 zu verringern, ist es daher vorteilhaft möglich, die Zellen eines oder mehrerer Brennstoffzellenelemente in Unterspannung zu setzen, zum Beispiel 0,6 V.
Das Funktionieren von Zellen mit Unterspannung bewirkt ein starkes Wärmeenergiefreisetzen, das schwer abzulei ten ist. Vorzugsweise wird es nur umgesetzt, wenn die Stromnachfrage der Verbraucher die maximale Strommenge überschreitet, die von den Brennstoffzellenelementen, die unter Nennspannung angeschlossen sind, geliefert werden kann.
Die Zeit für das Hochfahren der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders schnell.
Bei einer Variante der Erfindung weist die Wärmeschaltung 12 keinen Austauscher 33 auf, und es befindet sich keine Hilfswärmequelle 34 in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kühlmittel. Das Hochfahren der verfügbaren Energie der Brennstoffzelle 1 erfolgt wie unten beschrieben.
Das erste Brennstoffzellenelement 3a wird angeschlossen, obwohl seine Temperatur nicht optimal ist. Die Wärmeenergie, die es dabei abgibt, wird zurückgewonnen, um es aufzuwärmen, bis seine Temperatur in den optimalen Betriebstemperaturenbereich P_a fällt.
Das Verfahren zum Hochfahren der verfügbaren Energie der Brennstoffzelle 1 wird dann wie oben beschrieben fortgesetzt.
Die von dem Brennstoffzellenelement 3a freigesetzte Wärmeenergie wird verwendet, um das Brennstoffzellenelement 3b zu erwärmen, bis seine Temperatur in den Bereich P_b fällt, dann wird das Brennstoffzellenelement 3b an die Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossen. Die von den Brennstoffzellenelementen 3a und 3b freigesetzte Wärmeenergie wird dann verwendet, um das Brennstoffzellenelement 3c zu erwärmen, bis die Temperatur dieses Letzteren in den Bereich P_c fällt, dann wird das Brennstoffzellenelement 3c an die Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossen.
Vorteilhaft setzt die Vorrichtung gemäß dieser Variante eine Wärmeschaltung 12 mit einfachem Aufbau um, der keinen Wärmeaustauscher 33 enthält.
Während seines Temperaturanstiegs hat das Brennstoffzellenelement 3a mäßige Energieleistungen. Die anderen Brennstoffzellenelemente 3b und 3c werden jedoch mittels der Wärmeverluste von Brennstoffzellenelementen erwärmt, die mit Energieleistungen funktionieren, die nicht durch eine zu geringe Temperatur beeinträchtigt sind. Global werden die Energieleistungen der Brennstoffzelle 1 während ihres Hochfahrens der verfügbaren Energie daher verbessert, ohne dass man eine Hilfswärmequelle 34 heranziehen muss.
Die Wärmeverluste der Zellen eines Brennstoffzellenelements steigen auch, wenn sie auf Unterspannung gesetzt werden.
Vorteilhaft lässt man bei dieser Variante der Erfindung zum Beschleunigen des Temperaturanstiegs des ersten Brennstoffzellenelements 3a die Zellen, aus welchen es besteht, mit einer Spannung funktionieren, die kleiner ist als ihre Nennspannung, bis die Temperatur dieses Brennstoffzellenelements 3a in den optimalen Betriebsbereich P_a fällt.
Ferner kann man vorteilhaft ein oder mehrere angeschlossene Brennstoffzellenelemente und insbesondere das erste Brennstoffzellenelement 3a auf Unterspannung halten, nachdem eine optimale Betriebstemperatur erreicht wurde, um das Erwärmen der restlichen Brennstoffzellenelemente zu beschleunigen, die anzuschließen sind, und/oder um die verfügbare Elektroenergie zu erhöhen.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können auf eine Brennstoffzelle 1 verallgemeinert werden, die eine beliebige Anzahl von Brennstoffzellenelementen aufweist, und auf andere Brennstoffzellen als Brennstoffzellen des Typs PEM.
Die Temperaturschwellenwerte, von welchen ausgehend die Brennstoffzellenelemente elektrisch an die Stromversorgungsschaltung 7 angeschlossen werden, können von den beschriebenen unterschiedlich sein. Die Bereiche P_a, P_b und P_c könnten zum Beispiel Betriebstemperaturenbereiche der Brennstoffzellenelemente 3a, 3b und 3c bezeichnen, die für zufriedenstellend und nicht optimal gehalten werden.
Bei einer Variante der Erfindung könnten die Brennstoffzellenelemente in Serie geschaltet werden, wobei die Stromversorgungsschaltung Abzweigleitungen aufweist, um die Elektroenergie eines oder mehrerer dieser Elemente umleiten zu können. Ein Transformator würde dann verwendet, um die Spannung an den Klemmen der angeschlossenen Elemente in eine Spannung umzuwandeln, die an das Steuern des Antriebselektromotors angepasst ist.
Ferner kann die Form der Heizschaltung 12 von der beschriebenen unterschiedlich sein. Die Ventile 29a und 31a könnten zum Beispiel gleichwertig durch ein einziges Dreiwegeventil an der Verbindung 27a eingefügt ersetzt werden.
Gleichwertig könnten schließlich das Anpassen der Temperatur und das elektrische Anschließen der abgesteckten Brennstoffzellenelemente nicht mehr Brennstoffzellenelement für Brennstoffzellenelement erfolgen, sondern in Gruppen aus einem oder mehreren abge steckten Brennstoffzellenelementen.

Claims

Verfahren zum Verwalten des Hochfahrens der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle (1), die in eine Stromversorgungsschaltung (7) mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs (V), insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs (V) eingefügt ist, wobei die Brennstoffzelle (1) mindestens zwei Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) aufweist, die parallel geschaltet sind und selektiv an die Stromversorgungsschaltung (7) angeschlossen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass man die folgenden Schritte ausführt: a) an die Stromversorgungsschaltung (7) schließt man ein erstes Brennstoffzellenelement (3a) elektrisch an und bringt die Temperatur des ersten Brennstoffzellenelements (3a) in einen optimalen Betriebstemperaturenbereich (Pa), b) für jedes andere Brennstoffzellenelement (3b, 3c), das von der Schaltung (7) noch elektrisch abgesteckt ist, passt man allmählich seine Temperatur in einem optimalen Betriebstemperaturenbereich (Pb, PC) des Brennstoffzellenelements (3b, 3c) mit der Wärmeenergie an, die von dem ersten Brennstoffzellenelement (3a) abgegeben wird, und dann führt man das elektrische Anschließen an die Schaltung (7) des noch abgesteckten Brennstoffzellenelements (3b, 3c) durch.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man, wenn die von den Brennstoffzellenelementen (3a, 3b, 3c), die an die Stromversorgungsschaltung (7) angeschlossen sind, gelieferte Elektroenergie niedriger ist als die Elektroenergienachfrage des Verbrauchers, Elektroenergiespeichermittel (9) an die Stromversorgungsschaltung (7) anschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man, wenn die von den Brennstoffzellenelementen (3a, 3b, 3c), die an die Stromversorgungsschaltung (7) angeschlossen sind, gelieferte Elektroenergie niedriger ist als die Elektroenergienachfrage des Verbrauchers, Zellen mindestens eines der angeschlossenen Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) auf Unterspannung setzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmeenergie, die von einer Hilfswärmequelle (34) abgegeben wird, verwendet, um die Temperatur während des Schritts a) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (34) heiße Gase aufweist, die von einem Heizbrenner eines Reformers erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Zellen des ersten Brennstoffzellenelements (3a) mindestens solange in Unterspannung funktionieren lässt, bis die Temperatur des ersten Brennstoffzellenelements (3a) in einen optimalen Betriebsbereich (Pa) fällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens eines der angeschlossenen Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) auf Unterspannung hält.
Vorrichtung zum Hochfahren der verfügbaren Energie einer Brennstoffzelle (1), die in eine Stromversorgungsschaltung (7) mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs (V), insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs (V) eingefügt ist, wobei die Brennstoffzelle (1) mehrere Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) aufweist und wobei die Vorrichtung eine Heizwärmeschaltung und/oder Kühlwärmeschaltung (12) der Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) sowie einen Rechner zum Steuern (35) der Stromversorgungsschaltung (7) und die Wärmeschaltung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeschaltung (12) Mittel (25a, 25b, 29a, 29b, 31a, 31b) zum Herstellen einer selektiven Austauschbeziehung einer Hilfswärmequelle (34) einerseits mit einem ersten Brennstoffzellenelement (3a) und/oder einem ersten Brennstoffzellenelement (3a) mit den anderen Brennstoffzellenelementen (3b, 3c) aufweist und dass die Stromversorgungsschaltung (7) Mittel zum selektiven elektrischen Anschließen (10a, 10b, 10c) der Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) an die Stromversorgungsschaltung (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) in parallele Zweige (5a, 5b, 5c) der Stromversorgungsschaltung (7) eingefügt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum selektiven elektrischen Anschließen Ein/Ausschalter (10a, 10b, 10c) aufweisen, die in jeden der parallelen Zweige (5a, 5b, 5c) eingefügt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsschaltung (7) mindestens eine Batterie (9) aufweist, die in einen Zweig (8), der zu den Zweigen (5a, 5b, 5c) parallel ist, eingefügt ist, und Mittel zum selektiven Anschließen (11) der Batterie (9) an die Stromversorgungsschaltung (7).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswärmequelle (34) heiße Gase aufweist, die von einem Heizbrenner eines Reformers erzeugt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschaltung (12) einen Eingangszweig (14) und einen Ausgangszweig (15) aufweist, die ein erstes gemeinsames Ende (17) haben, wobei ein Kühlmittel durch das zweite Ende (19) des Eingangszweigs (14) eintritt und durch das zweite Ende (21) des Ausgangszweigs (15) austritt, wobei mehrere Wärmeaustauscher (23a, 23b, 23c), die jeweils zu mindestens einem der Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) gehören, in Serie in den Eingangszweig (14) eingefügt sind, wobei mindestens einer der Austauscher (23a; 23b) Mittel (25a; 25b) zum Kurzschließen der Austauscher, die stromabwärts von ihm eingefügt sind, aufweist, so dass das Kühlmittel, das den Austauscher (23a; 23b) verlässt, zumindest teilweise direkt in den Ausgangszweig (15) zurückkehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (25a; 25b) zum Kurzschließen der Austauscher (23a, 23b; 23c), die stromabwärts eines Austauschers (23a; 23b) eingefügt sind, einen Kurzschließzweig (25a; 25b) aufweisen, der einerseits an den Eingangszweig (14) unmittelbar stromabwärts des Austauschers (23a; 23b) angeschlossen ist, und andererseits an den Ausgangszweig (15), wobei zwei Ventile (29a, 31a; 29b; 31b) jeweils in den Kurzschließzweig (25a; 25b) und in den Eingangszweig (14) unmittelbar stromabwärts der Anschlussstelle des Kurzschließzweigs (25a; 25b) eingefügt sind.
Brennstoffzelle (1), die in eine Stromversorgungsschaltung (7) mindestens eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs (V), insbesondere eines Antriebselektromotors des Fahrzeugs (V) eingefügt ist, wobei die Brennstoffzelle (1) mehrere Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) aufweist und mit einer Vorrichtung ausgestattet ist, die dazu bestimmt ist, ihren Energieertrag während ihres Hochfahrens der verfügbaren Energie zu verbessern, wobei die Vorrichtung eine Heizschaltung (12) der Brennstoffzellenelemente (3a, 3b, 3c) sowie einen Rechner (35) zum Steuern der Stromversorgungsschaltung (7) und Heizschaltung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einem der Ansprüche 8 bis 14 entspricht.