WO2017092853A1 - Brennstoffzellenanordnung, verfahren zum betrieb einer solchen brennstoffzellenanordnung und verwendung einer solchen brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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Matthias Maisch
Ralf Nuessle
Volker Schempp
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Definitions

  • Fuel cell assembly method for operating such
  • the invention relates to a fuel cell assembly.
  • the invention further relates to a method for operating such a fuel cell assembly and to a use of such a fuel cell assembly.
  • DE 10 2007 054 246 A1 discloses a fuel cell drive for a motor vehicle, in particular a commercial vehicle, which has a fuel cell system as the energy source and a fuel cell cooling system for the load-dependent controllable cooling of the fuel cell system. It is envisaged that the
  • Fuel cell system at least two independently controllable
  • Fuel cell units each having a number of series connected fuel cells and that the fuel cell cooling system for each of these fuel cell units comprises a separate fuel cell cooling unit, by means of which the fuel cells of the respective fuel cell unit in response to at least one controlled variable can be cooled.
  • a fuel cell device of a motor vehicle which comprises a support structure for supporting at least one fuel cell unit having a plurality of support structure regions, via which the support structure by means of respective fasteners on a shell structure of the motor vehicle can be fixed, wherein the support structure comprises at least one support structure element for an associated fuel cell unit , which depends on the number of
  • Fuel cell units to further support structure elements for each associated
  • Fuel cell units is formed modular expandable.
  • the invention is based on the object, an improved over the prior art fuel cell assembly, a suitable method for operating such a fuel cell assembly and a use of such
  • a fuel cell arrangement comprises a fuel cell temperature control circuit with at least one heating element and a plurality of thermally interconnected fuel cell units, and a battery temperature control circuit for controlling the temperature of at least one electric battery.
  • the heating element is thermally connected with a directly downstream of the heating element
  • Fuel cell unit of the plurality of fuel cell units connectable and the battery temperature control circuit is thermally connectable in dependence of a temperature of the at least one electric battery with the fuel cell temperature control.
  • the fuel cell assembly according to the invention has over the prior art on an improved freeze-start capability and is also cheaper to carry out. Because at least one heating element is provided, one of the fuel cell units can be preheated at low ambient temperatures until it is started. The fuel cell units are preferably heated successively in time. Heating of the fuel cell units is thus much faster possible, for example, in a solitary
  • Fuel cell system In addition, no electrically heatable lines for the fuel cell assembly and no or at least less reversibly tolerant catalysts for the fuel cell arranged in the fuel cell assembly are needed here. Due to the heating of the electric battery via a waste heat of the previously heated fuel cell unit, the electric battery is put into a state in which it is rechargeable without being damaged in a short time. Furthermore, due to the arrangement of a plurality of fuel cell units, a modular design of the fuel cell assembly is possible, so that
  • Fuel cell arrangement over the prior art due to the improved freeze-start capability, the fuel cell units can also be operated with high humidity, whereby improved performance and life can be achieved and degradation can be reduced.
  • the fuel cell units each have a rated power in the range of 50 kilowatts and 70 kilowatts.
  • the number of fuel cell units can be adjusted more easily than at higher power ranges, eg. B. Rated power over 100 kilowatts.
  • the fuel cell units can be ideally adapted to a power requirement of commercial vehicles, in particular buses. In combination with corresponding modularized electric batteries, z. As an expansion module, a performance can be ideally adapted to the real needs of the commercial vehicle.
  • the heating element is electrically connected to the at least one
  • the heating element can thus via the electrical
  • Battery are supplied with electrical energy before the fuel cell unit is started.
  • the heating element is electrically connected to the at least one electric battery until the fuel cell unit connected directly downstream of the heating element has the predetermined temperature. If the fuel cell unit is heated to such an extent that it has the predetermined temperature, it can be started and supply the heating element with electrical energy.
  • the battery temperature control circuit and the fuel cell temperature control circuit can be thermally connected to one another via a heat exchange element.
  • a temperature control medium of the fuel cell temperature control circuit flows through the heat exchange element on one side and a temperature control medium of the battery temperature control circuit on the other side Heat transfer element thermal energy is transferred from a temperature control to the other temperature control.
  • the fuel cell temperature control circuit further comprises at least one cooling element, wherein the at least one cooling element and the at least one heating element together a thermostatic valve is connected upstream.
  • a thermostatic valve By means of the thermostatic valve, thermal regulation of the fuel cell temperature control circuit is possible, with the temperature control medium flowing through the at least one cooling element or through the at least one heating element as a function of a position of the thermostatic valve.
  • the at least one electric battery can be thermally coupled to the heat exchange element via at least one three-way valve.
  • the electric battery can be tempered if necessary via the fuel cell temperature control.
  • the electric battery is heated via the fuel cell temperature control when the fuel cell unit immediately downstream of the heating element is heated and started.
  • the fuel cell unit immediately downstream of the heating element is heated by the heating element until it reaches a predetermined temperature and then started when the fuel cell arrangement is started.
  • the battery temperature control circuit is thermally connected to the fuel cell temperature control circuit.
  • Fuel cell unit, the other fuel cell units are heated and started offset in time.
  • Fuel cell assembly since in particular at a freeze start due to the
  • Fuel cell assembly is particularly advantageous for driving a bus. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
  • Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of a fuel cell assembly in one
  • Figure 1 shows an equivalent circuit diagram of a fuel cell assembly 1 in a simplified embodiment for a drive unit of a commercial vehicle, not shown in detail, in particular a bus.
  • the fuel cell assembly 1 comprises a fuel cell unit 2.1, a
  • the fuel cell unit 2.1 comprises a plurality of electrically interconnected fuel cells (not shown in detail), which each have a membrane electrode unit, in which an electrolyte membrane between an anode and a cathode is arranged, wherein the fuel cell unit 2.1 an anode compartment A and a cathode compartment K. having.
  • the anode compartment A fuel for. As hydrogen, supplied from the fuel tank 3, wherein the fuel tank 3, a metering valve 5 and a jet pump 6, z. B. a gas jet pump, is followed in the direction of the fuel cell unit 2.1.
  • the metering valve 5 serves to control a quantity of fuel which is supplied to the fuel cell unit 2.1.
  • the fuel is conveyed to the anode space A.
  • the cathode chamber K of the fuel cell unit 2.1 air is supplied via the compressor 4, which with a drive element 7, z. B. an electric motor connected.
  • the air is compressed by means of the compressor 4.
  • the air is heated by the compression. Since the heated air after compression has a high temperature, is in addition between the compressor 4 and the
  • Fuel cell unit 2.1 a charge air cooler 8 is arranged, by means of which the cathode space K to be supplied air is cooled.
  • the compressor 4 is further preceded by an air mass sensor 9, which determines a cathode chamber K supplied amount of air, so that the
  • Fuel cell unit 2.1 is ideally controllable and / or regulated.
  • the oxygen contained in the air reacts with the fuel, wherein electrical energy is generated, which is not shown here, an electrical consumer, for. B. an electric motor is supplied.
  • An unreacted fuel can be returned via a return line
  • Jet pump 6 to be passed or is sucked by this.
  • a shut-off valve 10 is further provided.
  • the fuel cell unit 2.1 is incorporated in a fuel cell temperature control T1, which is shown only simplified in the present embodiment.
  • the fuel cell temperature control T1 serves to control the temperature
  • Fuel cell unit 2.1 and is thus essential for optimum operation of the fuel cell assembly 1. Are the ambient temperatures very low, z. B.
  • Temperatures below freezing are necessary for a reliable start of the fuel cell assembly 1 conditions or measures that prevent negative effects on performance of the fuel cell assembly 1 or at least minimize.
  • a fuel cell assembly 1 according to the invention which is particularly intended for use in buses, has a particularly fast freeze-start capability and can be used cost-optimized.
  • a fuel cell assembly 1 is explained in detail in various embodiments of the invention.
  • Figure 2 shows a thermal equivalent circuit diagram of a fuel cell assembly 1 for a drive unit of a commercial vehicle, not shown in detail, in particular an omnibus. An electrical interconnection of the fuel cell assembly 1 is not shown here.
  • the thermal equivalent circuit diagram shows a fuel cell temperature control T1 and a battery temperature control T2, which are thermally connected to each other.
  • the fuel cell temperature control T1 are a plurality of fuel cell temperature control T1 and a battery temperature control T2, which are thermally connected to each other.
  • the fuel cell temperature control T1 are a plurality of fuel cell temperature control T1 and a battery temperature control T2, which are thermally connected to each other.
  • the fuel cell temperature control T1 are a plurality of
  • a battery temperature control T2 an electric battery 14.1, a heat exchanger 15, a battery cooler 16 and another pump 17 are involved.
  • An interface for the thermal connection of the fuel cell Temperiernikanks T1 with the battery temperature control circuit T2 is by a
  • Heat exchange element 18 is formed. Further, in the fuel cell assembly 1, a fan L is arranged, which cooling air toward the cooling element 12.1 and the
  • Battery cooler 16 promotes.
  • the fuel cell units are provided 2.1 to 2.n, which are electrically and thermally connected to each other.
  • the fuel cell units 2.1 to 2.n are dimensioned so compact due to their relatively moderate power of about 50 kW to about 70 kW, that this in a variety of different vehicle series or
  • the fuel cell units 2.1 to 2.n can thus be used in a modular manner in a bus.
  • a respective nominal power of the fuel cell units 2.1 to 2.n is in this case in a range of z. B. 50 kW to 70 kW.
  • Fuel cell unit 2.1 to 2.n be determined.
  • a three-way valve 19.1 to 19.n is respectively connected upstream of these on the input side, so that a supply of a fuel flowing through the fuel cell temperature control T1
  • Tempering medium As a coolant, depending on a position of the
  • the heating element 11 is electrically connected to the electric battery 14.1 and the
  • Heating element 1 1 thermally directly downstream fuel cell unit 2.1
  • a heating of this fuel cell unit 2.1 is particularly advantageous in a freeze start, as will be described in more detail below.
  • the heating element 11 can refer to electrical energy from the electric battery 14.1 at a start of operation of the fuel cell assembly 1, since they are electrically connected to each other.
  • the fuel cell unit 2.1 is heated by the heating element 1 1 until it has reached a predetermined temperature, the safe start of the operation
  • Fuel cell unit 2.1 allows.
  • Fuel cell unit 2.1 opened. Due to the warm-up only this
  • the fuel cell temperature control T1 is through the pump 13.1, which
  • a circulating pump is drivable.
  • Fuel cell temperature control T1 only one pump is provided 13.1, this is to be formed with a corresponding performance. Between the pump 13.1 and the
  • Heating element 1 1 a thermostatic valve 20 is arranged, depending on the position of the temperature in the fuel cell temperature control T1 flows from the pump 13.1 through the heating element 11 or through the cooling element 12.1.
  • the thermostatic valve 20 For heating the fuel cell unit 2.1, the thermostatic valve 20 is set so that the temperature control only by the heating element 11 and not by the cooling element 12.1 flows, so that a heat energy is not dissipated to the environment, but the fuel cell unit 2.1 is supplied.
  • heating element 1 1 relates to the heating of the fuel cell unit 2.1 electrical energy from the electric battery 14.1, a reduced
  • the fuel cell unit 2.1 As soon as the fuel cell unit 2.1 has reached the predetermined temperature and is thus ready to start, the fuel cell unit 2.1 is started and the heating element 11 can draw electrical energy from the now started fuel cell unit 2.1. This is therefore particularly advantageous since the fuel cell unit 2.1 to be heated heats itself after the start and the heating element 1 1 is supplied with electrical energy which introduces additional heat energy into the fuel cell temperature control T1, so that the fuel cell unit 2.1 within an short time an optimal operating temperature reached.
  • the arranged in the battery temperature control T2 further pump 17 is activated and a between the other pump 17 and the
  • Heat exchange element 18 arranged further three-way valve 21 .1, which is set such that a temperature control of the battery temperature control T2 flows through the heat exchange element 18 and the temperature control absorbs the heat energy of the temperature from the fuel cell Temperierniklauf T1 and thereby heats the electric battery 14.1, until this one is optimal for loading
  • the tempering of the battery temperature control T2 is not performed by the battery cooler 16, but by the heat exchange element 18 and a line branch of the heat exchanger 15.
  • the heat exchanger 15 is further coupled to a not shown air conditioning circuit of the bus, so that in the case of an elevated ambient temperature, which is higher than an operating temperature of the electric battery 14.1, a waste heat to the air conditioning circuit of the bus can be delivered.
  • Three-way valve 21.1 is closed and the temperature control through the
  • Battery cooler 16 can flow.
  • Fuel cell units 2.2 to 2.n which are heated successively in time by a corresponding position of the three-way valves 19.2 to 19.n. That is, the fuel cell unit 2.2 downstream of the already heated fuel cell unit 2.1 is heated by the waste heat of the previously heated fuel cell unit 2.1 and can be started after reaching a certain temperature. The subsequent fuel cell units 2.3 to 2.n are then heated and started in the same manner.
  • FIG. 3 shows a thermal equivalent circuit diagram of an alternative exemplary embodiment of a fuel cell arrangement 1.
  • the illustrated fuel cell assembly 1 is similar in construction to the fuel cell assembly 1 shown in FIG. 1 except that each one has the same design
  • Fuel cell unit 2.1 to 2.n has its own cooling circuit.
  • Cooling circuits are each a pump 13.1 to 13. n, another
  • Fuel cell unit 2.1 and the battery temperature control circuit T2 is identical to the embodiment shown in Figure 2 here. Likewise, a method for operating the fuel cell assembly 1 with that described in Figure 1
  • Embodiment identical. D. h. At the beginning, the fuel cell unit 2.1 is heated by means of the heating element 1 1 and then started. Thereafter, the electric battery 14.1 is heated via the heated fuel cell unit 2.1, so that the electric battery 14.1 is chargeable after reaching the optimum operating temperature. Subsequently, the downstream fuel cell unit 2.2 is heated with the waste heat of the upstream fuel cell unit 2.1 and started after reaching the optimum operating temperature. This process is repeated until all
  • Fuel cell units 2.1 to 2.n are heated and started.
  • a difference from the exemplary embodiment according to FIG. 2 is the thermal coupling of the fuel cell units 2.1 to 2.n with one another, the further heat exchanger 22.1 to 22.n being arranged directly at a thermal output of the respective upstream fuel cell unit 2.1 to 2.n-1 and the heat transfer about it. Furthermore, due to the own cooling circuits of the fuel cell units 2.1 to 2.n with one another, the further heat exchanger 22.1 to 22.n being arranged directly at a thermal output of the respective upstream fuel cell unit 2.1 to 2.n-1 and the heat transfer about it. Furthermore, due to the own cooling circuits of the
  • Fuel cell assembly 1 compared to the embodiment of Figure 2 further improved.
  • the fuel cell arrangements 1 shown are of similar design to the fuel cell arrangement 1 shown in FIG. 3, but with the difference that two electric batteries 14.1, 14.2 are integrated in the battery temperature control circuit T2, which together according to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • Heat exchange element 18 can be coupled.
  • the latter has the advantage that the electric batteries 14.1, 14.2 are independently heated.
  • a bypass B is arranged in the battery temperature control T2, which by means of another bypass valve 25 is apparent or closable. By means of the bypass B, the battery cooler 16 and the heat exchanger 15 can be separated from the battery temperature control T2, so that no heat is lost to the outside.
  • more than two electric batteries 14.1, 14.2 may be provided to increase a range of services for one or more electrical loads.
  • FIG. 6 shows a thermal equivalent circuit diagram of a fuel cell arrangement 1 in a further alternative exemplary embodiment.
  • the fuel cell assembly 1 shown is with the exception of
  • Fuel cell assembly 1 In place of the three-way valves 19.1 to 19n here cost proportional valves 26.1 to 26 n are arranged.
  • the fuel cell assembly 1 described above is not limited to use in vehicles within the scope of the invention. Stationary applications of the fuel cell arrangement 1 according to the invention are also conceivable.
  • the fuel cell units 2.1 to 2.n can be modular
  • the modular structure of the fuel cell units 2.1 to 2.n is of particular advantage, since in this case it is possible to use only one of the fuel cell units 2.1 to 2.n.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), welche erfindungsgemäß umfasst: - einen Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) mit zumindest einem Heizelement (11) und einer Mehrzahl von thermisch miteinander verbundenen Brennstoffzelleneinheiten (2.1 bis 2.n), - einen Batterie-Temperierkreislauf (T2) zur Temperierung zumindest einer elektrischen Batterie (14.1, 14.2), - wobei das Heizelement (11) thermisch mit einer unmittelbar dem Heizelement (11) nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit (2.1) der Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (2.1 bis 2.n) verbindbar ist und - wobei der Batterie-Temperierkreislauf (T2) in Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie (14.1, 14.2) thermisch mit dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) verbindbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung (1) und eine Verwendung einer solchen Brennstoffzellenanordnung (1).

Description

Brennstoffzellenanordnung, Verfahren zum Betrieb einer solchen
Brennstoffzellenanordnung und Verwendung einer solchen Brennstoffzellenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung und eine Verwendung einer solchen Brennstoffzellenanordnung.
Aus DE 10 2007 054 246 A1 ist ein Brennstoffzellenantrieb für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, bekannt, welcher eine Brennstoffzellenanlage als Energiequelle und eine Brennstoffzellenkühlanlage zur lastabhängig regelbaren Kühlung der Brennstoffzellenanlage aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die
Brennstoffzellenanlage wenigstens zwei unabhängig voneinander ansteuerbare
Brennstoffzelleneinheiten mit jeweils einer Anzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfasst und dass die Brennstoffzellenkühlanlage für jede dieser Brennstoffzelleneinheiten eine eigene Brennstoffzellenkühleinheit umfasst, mittels derer die Brennstoffzellen der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit in Abhängigkeit von wenigstens einer Regelgröße kühlbar sind.
Weiterhin ist aus der DE 10 2014 017 300 A1 ein Baukastensystem für eine
Brennstoffzelleneinrichtung eines Kraftwagens bekannt, welche eine zur Halterung wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Tragstruktur umfasst, die eine Mehrzahl von Tragstrukturbereichen aufweist, über welche die Tragstruktur mittels von jeweiligen Befestigungselementen an einer Rohbaustruktur des Kraftwagens festlegbar ist, wobei die Tragstruktur wenigstens ein Tragstrukturelement für eine zugehörige Brennstoffzelleneinheit umfasst, welches in Abhängigkeit von der Anzahl der
Brennstoffzelleneinheiten um weitere Tragstrukturelemente für jeweils zugehörige
Brennstoffzelleneinheiten modular erweiterbar ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung, ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung sowie eine Verwendung einer solchen
Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
Hinsichtlich der Brennstoffzellenanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die
Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffzellen- Temperierkreislauf mit zumindest einem Heizelement und eine Mehrzahl von thermisch miteinander verbundenen Brennstoffzelleneinheiten sowie einen Batterie- Temperierkreislauf zur Temperierung zumindest einer elektrischen Batterie. Dabei ist das Heizelement thermisch mit einer unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten
Brennstoffzelleneinheit der Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten verbindbar und der Batterie-Temperierkreislauf ist in Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie thermisch mit dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf verbindbar.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung weist gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Gefrierstartvermögen auf und ist zudem kostengünstiger ausführbar. Dadurch, dass zumindest ein Heizelement vorgesehen ist, kann bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine der Brennstoffzelleneinheiten vorgewärmt werden, bis diese gestartet wird. Die Brennstoffzelleneinheiten werden vorzugsweise zeitlich nacheinander erwärmt. Eine Erwärmung der Brennstoffzelleneinheiten ist somit wesentlich schneller möglich, als beispielweise bei einem solitären
Brennstoffzellensystem. Zudem werden hierbei keine elektrisch beheizbaren Leitungen für die Brennstoffzellenanordnung sowie keine oder zumindest weniger reversal tolerante Katalysatoren für die in der Brennstoffzellenanordnung angeordneten Brennstoffzellen benötigt. Aufgrund der Erwärmung der elektrischen Batterie über eine Abwärme der zuvor erwärmten Brennstoffzelleneinheit wird die elektrische Batterie innerhalb kurzer Zeit in einen Zustand versetzt, in welchem diese aufladbar ist, ohne dabei beschädigt zu werden. Des Weiteren ist aufgrund der Anordnung einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten ein modulartiger Aufbau der Brennstoffzellenanordnung möglich, so dass
Leistungsanforderungen gegenüber dem Stand der Technik einfacher umsetzbar sind. Der modulartige Aufbau ermöglicht zudem eine Kostenverringerung der
Brennstoffzellenanordnung gegenüber dem Stand der Technik. Darüber hinaus können aufgrund der verbesserten Gefrierstartfähigkeit die Brennstoffzelleneinheiten auch mit hoher Feuchtigkeit betrieben werden, wodurch eine verbesserte Leistungsfähigkeit und eine erhöhte Lebensdauer erreicht und eine Degradation vermindert werden kann.
Vorzugsweise weisen die Brennstoffzelleneinheiten jeweils eine Nennleistung im Bereich von 50 Kilowatt und 70 Kilowatt auf. Damit kann eine in Abhängigkeit einer gewünschten oder erforderlichen Leistung die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten einfacher angepasst werden als bei höheren Leistungsbereichen, z. B. Nennleistungen über 100 Kilowatt. Zudem können hierbei die Brennstoffzelleneinheiten ideal an einen Leistungsbedarf von Nutzfahrzeugen, insbesondere Omnibussen, angepasst werden. In Kombination mit entsprechend modularisierbaren elektrischen Batterien, z. B. einem Erweiterungsmodul, kann eine Leistung idealerweise an den wirklichen Bedarf des Nutzfahrzeugs angepasst werden.
In Abhängigkeit einer Temperatur der unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit ist das Heizelement elektrisch mit der zumindest einen
elektrischen Batterie verbindbar. Das Heizelement kann somit über die elektrische
Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bevor die Brennstoffzelleneinheit gestartet wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement dabei elektrisch mit der zumindest einen elektrischen Batterie verbunden, bis die unmittelbar dem Heizelement nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit die vorgegebene Temperatur aufweist. Ist die Brennstoffzelleneinheit so weit erwärmt, dass diese die vorgegebene Temperatur aufweist, kann diese gestartet werden und das Heizelement mit elektrischer Energie versorgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Batterie-Temperierkreislauf und der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf über ein Wärmetauschelement thermisch miteinander verbindbar. Durch das Wärmetauschelement strömt somit auf einer Seite ein Temperiermedium des Brennstoffzellen-Temperierkreislaufs und auf der anderen Seite ein Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs, wobei innerhalb des Wärmetauschelements thermische Energie von einem Temperiermedium auf das andere Temperiermedium übertragen wird.
Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf weist des Weiteren mindestens ein Kühlelement auf, wobei dem mindestens einen Kühlelement und dem mindestens einen Heizelement gemeinsam ein Thermostatventil vorgeschaltet ist. Mittels des Thermostatventils ist dabei eine thermische Regelung des Brennstoffzellen-Temperierkreislaufs möglich, wobei in Abhängigkeit einer Stellung des Thermostatventils das Temperiermedium durch das mindestens eine Kühlelement oder durch das mindestens eine Heizelement strömt.
Im Batterie-Temperierkreislauf ist die zumindest eine elektrische Batterie über mindestens ein Dreiwegeventil thermisch mit dem Wärmetauschelement koppelbar. Damit kann die elektrische Batterie bei Bedarf über den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf temperiert werden. Insbesondere wird die elektrische Batterie über den Brennstoffzellen- Temperierkreislauf erwärmt, wenn die dem Heizelement unmittelbar nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit erwärmt und gestartet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung wird beim Start der Brennstoffzellenanordnung die unmittelbar dem Heizelement nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit durch das Heizelement bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur erwärmt und anschließend gestartet. In Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie wird der Batterie- Temperierkreislauf thermisch mit dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf verbunden. Nach dem Start der unmittelbar dem Heizelement nachgeschalteten
Brennstoffzelleneinheit werden die weiteren Brennstoffzelleneinheiten zeitlich versetzt zueinander erwärmt und gestartet.
Das Verfahren ermöglicht einen zuverlässigen und kostengünstigen Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung, da insbesondere bei einem Gefrierstart aufgrund der
Vorerwärmung der Brennstoffzelleinheit und der elektrischen Batterie diese vor
Beschädigungen, insbesondere durch Laden der elektrischen Batterie bei niedrigen Temperaturen, geschützt werden.
Ferner ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung für eine Antriebseinheit eines Nutzfahrzeugs vorgesehen. Die erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanordnung ist dabei insbesondere für einen Antrieb eines Omnibusses vorteilhaft. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung in einer
vereinfachten Ausführungsform für eine Antriebseinheit eines
Nutzfahrzeugs und
Fig.2 bis Fig.6 thermische Ersatzschaltbilder verschiedener erfindungsgemäßer
Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzellenanordnung für eine
Antriebseinheit eines Nutzfahrzeugs.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 in einer vereinfachten Ausführungsform für eine Antriebseinheit eines nicht näher dargestellten Nutzfahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses.
Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 2.1 , einen
Brennstoffbehälter 3 und einen Verdichter 4.
Die Brennstoffzelleneinheit 2.1 umfasst eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Brennstoffzellen (nicht näher dargestellt), welche jeweils eine Membran-Elektroden- Einheit aufweisen, bei der eine Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit 2.1 einen Anodenraum A und einen Kathodenraum K aufweist.
Zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 2.1 wird dem Anodenraum A Brennstoff, z. B. Wasserstoff, vom Brennstoffbehälter 3 zugeführt, wobei dem Brennstoffbehälter 3 ein Dosierventil 5 und eine Strahlpumpe 6, z. B. eine Gasstrahlpumpe, in Richtung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 nachgeschaltet ist. Das Dosierventil 5 dient dabei einer Regelung einer Brennstoffmenge, die der Brennstoffzelleneinheit 2.1 zugeführt wird.
Mittels der Strahlpumpe 6 wird der Brennstoff zum Anodenraum A gefördert. Dem Kathodenraum K der Brennstoffzelleneinheit 2.1 wird Luft über den Verdichter 4 zugeführt, welcher mit einem Antriebelement 7, z. B. einem Elektromotor, verbunden ist. Die Luft wird dabei mittels des Verdichters 4 komprimiert. Hierbei wird die Luft durch die Komprimierung erwärmt. Da die erwärmte Luft nach der Komprimierung eine hohe Temperatur aufweist, ist zusätzlich zwischen dem Verdichter 4 und der
Brennstoffzelleneinheit 2.1 ein Ladeluftkühler 8 angeordnet, mittels welchem die dem Kathodenraum K zuzuführende Luft gekühlt wird.
Dem Verdichter 4 ist ferner ein Luftmassensensor 9 vorgeschaltet, welcher eine dem Kathodenraum K zugeleitete Menge an Luft bestimmt, so dass die
Brennstoffzelleneinheit 2.1 ideal steuerbar und/oder regelbar ist.
Innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 2.1 reagiert der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem Brennstoff, wobei elektrische Energie erzeugt wird, die einem hier nicht dargestellten elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor, zugeführt wird.
Ein nicht umgesetzter Brennstoff kann über eine Rückführleitung zurück zur
Strahlpumpe 6 geleitet werden bzw. wird von dieser angesaugt. Zum Ablassen des Kreislaufgases ist ferner ein Absperrventil 10 vorgesehen.
Des Weiteren ist die Brennstoffzelleneinheit 2.1 in einen Brennstoffzellen- Temperierkreislauf T1 eingebunden, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur vereinfacht dargestellt ist.
Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 dient einer Temperierung der
Brennstoffzelleneinheit 2.1 und ist somit essentiell für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1. Sind die Umgebungstemperaturen sehr niedrig, z. B.
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sind für einen zuverlässigen Start der Brennstoffzellenanordnung 1 Bedingungen oder Maßnahmen notwendig, die negative Auswirkungen hinsichtlich einer Leistung der Brennstoffzellenanordnung 1 verhindern oder zumindest minimieren.
Zur Lösung des Problems wird eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 vorgeschlagen, die insbesondere für den Einsatz in Omnibussen vorgesehen ist, ein besonders schnelles Gefrierstartvermögen aufweist und kostenoptimiert einsetzbar ist. In den nachfolgenden Figuren 2 bis 6 wird eine Brennstoffzellenanordnung 1 in verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figur 2 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 für eine Antriebseinheit eines nicht näher dargestellten Nutzfahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses. Eine elektrische Verschaltung der Brennstoffzellenanordnung 1 ist hierbei nicht dargestellt.
Das thermische Ersatzschaltbild zeigt einen Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 und einen Batterie-Temperierkreislauf T2, die thermisch miteinander verbindbar sind. In den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 sind eine Mehrzahl an
Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n, ein Heizelement 1 1 , ein Kühlelement 12.1 und eine Pumpe 13.1 eingebunden. In den Batterie-Temperierkreislauf T2 sind eine elektrische Batterie 14.1 , ein Wärmeübertrager 15, ein Batteriekühler 16 und eine weitere Pumpe 17 eingebunden.
Eine Schnittstelle zur thermischen Verbindung des Brennstoffzellen- Temperierkreislaufs T1 mit dem Batterie-Temperierkreislauf T2 wird durch ein
Wärmetauschelement 18 gebildet. Ferner ist in der Brennstoffzellenanordnung 1 ein Lüfter L angeordnet, welcher Kühlluft hin zu dem Kühlelement 12.1 und zum
Batteriekühler 16 fördert.
Zur Erzeugung elektrischer Energie, die der elektrischen Batterie 14.1 zugeführt und dort einem elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor, zur Verfügung gestellt wird, sind die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n vorgesehen, die elektrisch und thermisch miteinander verbunden sind. Die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n sind dabei, aufgrund ihrer relativ moderaten Leistung von ca. 50 kW bis ca. 70 kW derart kompakt dimensioniert, dass diese in eine Vielzahl verschiedener Fahrzeugbaureihen bzw.
Fahrzeugmodellen einsetzbar sind. In Bezug auf das vorliegende Ausführungsbeispiel können die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n somit modulartig in einem Omnibus eingesetzt werden.
Eine jeweilige Nennleistung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n liegt hierbei in einem Bereich von z. B. 50 kW bis 70 kW. Damit kann eine in Abhängigkeit einer gewünschten oder erforderlichen Antriebsleistung des Fahrzeugs die Anzahl der
Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n bestimmt werden. Zur unabhängigen thermischen Beeinflussung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2 n ist diesen jeweils eingangsseitig ein Dreiwegeventil 19.1 bis 19.n vorgeschaltet, so dass eine Zufuhr eines durch den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 strömenden
Temperiermediums, z. B. ein Kühlmittel, in Abhängigkeit einer Stellung der
Dreiwegeventile 19.1 bis 19.n erfolgt.
Das Heizelement 11 ist elektrisch mit der elektrischen Batterie 14.1 und den
Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n verbunden und zur Erwärmung einer dem
Heizelement 1 1 thermisch direkt nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1
vorgesehen. Eine Erwärmung dieser Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist insbesondere bei einem Gefrierstart vorteilhaft, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.
Das Heizelement 11 kann bei einem Betriebsstart der Brennstoffzellenanordnung 1 elektrische Energie aus der elektrischen Batterie 14.1 beziehen, da diese elektrisch miteinander verbunden sind. Beim Betriebsstart der Brennstoffzellenanordnung 1 wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 durch das Heizelement 1 1 solange erwärmt bis diese eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, die einen sicheren Betriebsstart der
Brennstoffzelleneinheit 2.1 ermöglicht.
Um sicherzustellen, dass nur diese Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt wird, sind die Dreiwegeventile 19.2 bis 19.n der anderen Brennstoffzelleneinheiten 2.2 bis 2 n geschlossen und das Dreiwegeventil 19.1 der zu erwärmenden
Brennstoffzelleneinheit 2.1 geöffnet. Aufgrund der Aufwärm ung nur dieser
Brennstoffzelleneinheit 2.1 und einer daraus resultierenden geringen thermischen Masse, erfolgt die Aufwärmung entsprechend schnell.
Der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 ist durch die Pumpe 13.1 , welche
beispielsweise eine Umwälzpumpe ist, antreibbar. Dadurch, dass für den
Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 nur eine Pumpe 13.1 vorgesehen ist, ist diese mit einer entsprechenden Leistung auszubilden. Zwischen der Pumpe 13.1 und dem
Heizelement 1 1 ist ein Thermostatventil 20 angeordnet, in Abhängigkeit dessen Stellung das Temperiermedium im Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 von der Pumpe 13.1 durch das Heizelement 11 oder durch das Kühlelement 12.1 strömt.
Zum Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist das Thermostatventil 20 dabei so eingestellt, dass das Temperiermedium nur durch das Heizelement 11 und nicht durch das Kühlelement 12.1 strömt, so dass eine Wärmeenergie nicht an die Umgebung abgeführt, sondern der Brennstoffzelleneinheit 2.1 zugeführt wird.
Zum Zeitpunkt der Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 ist die elektrische
Batterie 14.1 noch kalt, da die elektrische Batterie 14.1 aufgrund der Leistungsentnahme zur Versorgung des Heizelements 1 1 mit elektrischer Energie und aufgrund eines
Innenwiderstandes der elektrischen Batterie 14.1 nur leicht erwärmt wird. Dies bedeutet, dass die elektrische Batterie 14.1 zwar eine bestimmte elektrische Energie abgeben, aber keine elektrische Energie aufnehmen kann, ohne dass diese beschädigt wird. Da die elektrische Batterie14.1 jedoch für einen Fahrbetrieb des Omnibusses, insbesondere zur Abdeckung einer maximalen elektrischen Leistung, zwingend benötigt wird, ist ein Laden der elektrischen Batterie 14.1 erforderlich. Dies kann jedoch nur dann erfolgen, wenn die elektrische Batterie 14.1 eine entsprechend zum Laden geeignete Temperatur aufweist.
Dadurch, dass das Heizelement 1 1 zum Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit 2.1 elektrische Energie aus der elektrischen Batterie 14.1 bezieht, verringert sich ein
Ladezustand der elektrischen Batterie 14.1 während des Erwärmungsprozesses der Brennstoffzelleneinheit 2.1 entsprechend.
Sobald die Brennstoffzelleneinheit 2.1 die vorgegebene Temperatur erreicht hat und damit startbereit ist, wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 gestartet und das Heizelement 1 1 kann elektrische Energie aus der nun gestarteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 beziehen. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, da sich die zu erwärmende Brennstoffzelleneinheit 2.1 nach dem Start selbst erwärmt und das Heizelement 1 1 mit elektrischer Energie versorgt, welches zusätzliche Wärmeenergie in den Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 einbringt, so dass die Brennstoffzelleneinheit 2.1 innerhalb kurzer Zeit eine optimale Betriebstemperatur erreicht.
Zu dem Zeitpunkt, an dem die elektrische Versorgung des Heizelements 1 1 über die Brennstoffzelleneinheit 2.1 erfolgt, wird die im Batterie-Temperierkreislauf T2 angeordnete weitere Pumpe 17 aktiviert und ein zwischen der weiteren Pumpe 17 und dem
Wärmetauschelement 18 angeordnetes weiteres Dreiwegeventil 21 .1 , welches derart eingestellt ist, dass ein Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs T2 durch das Wärmetauschelement 18 strömt und das Temperiermedium die Wärmeenergie des Temperiermediums aus dem Brennstoffzellen-Temperierkreislauf T1 aufnimmt und sich dadurch die elektrische Batterie 14.1 erwärmt, bis diese eine zum Laden optimale
Betriebstemperatur erreicht hat. Das Temperiermedium des Batterie-Temperierkreislaufs T2 wird hierbei nicht durch den Batteriekühler 16, sondern durch das Wärmetauschelement 18 und einen Leitungszweig des Wärmeübertragers 15 geführt. Der Wärmeübertrager 15 ist ferner mit einem nicht dargestellten Klimakreislauf des Omnibusses koppelbar, so dass im Falle einer erhöhten Umgebungstemperatur, welche höher ist als eine Betriebstemperatur der elektrischen Batterie 14.1 , eine Abwärme an den Klimakreislauf des Omnibusses abgegeben werden kann.
Hat die elektrische Batterie 14.1 die optimale Betriebstemperatur erreicht und kann dementsprechend ohne Beschädigung geladen werden, ist eine weitere Erwärmung der elektrischen Batterie 14.1 nicht mehr erforderlich, so dass das weitere
Dreiwegeventil 21.1 geschlossen wird und das Temperiermedium durch den
Batteriekühler 16 strömen kann.
Im Anschluss an die Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 2.1 und der elektrischen Batterie 14.1 erfolgt eine stufenweise Erwärmung der weiteren
Brennstoffzelleneinheiten 2.2 bis 2.n, die zeitlich nacheinander durch eine entsprechende Stellung der Dreiwegeventile 19.2 bis 19.n erwärmt werden. D. h., die der bereits erwärmten Brennstoffzelleneinheit 2.1 nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit 2.2 wird durch die Abwärme der zuvor erwärmten Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt und kann nach Erreichen einer bestimmten Temperatur gestartet werden. Die nachfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 2.3 bis 2.n werden anschließend auf die gleiche Art und Weise erwärmt und gestartet.
Figur 3 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenanordnung 1.
Die gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 ist ähnlich aufgebaut wie die in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 , jedoch mit dem Unterschied, dass jede
Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n einen eigenen Kühlkreislauf aufweist. In die
Kühlkreisläufe sind dabei jeweils eine Pumpe 13.1 bis 13. n, ein weiterer
Wärmeübertrager 22.1 bis 22. n und ein Kühlelement 12.1 bis 12.n eingebunden, wobei zwischen den Kühlelementen 12.2 bis 12.n und den Pumpen 13.2 bis 13.n jeweils ein weiteres Thermostatventil 23.1 bis 23.n-1 angeordnet ist, welches die Zuführung des Temperiermediums entweder durch das Kühlelement 12.2 bis 12.n oder durch den Wärmeübertrager 22.2 bis 22n regelt. Zwischen den weiteren Wärmeübertragern 22.1 bis 22. n und den Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n sind Zwischendreiwegeventile 24.1 bis 24.n-1 angeordnet, in Abhängigkeit deren Stellung die Erwärmung der jeweils nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.2 bis 2.n erfolgt.
Die thermische Kopplung zwischen der zuerst zu erwärmenden
Brennstoffzelleneinheit 2.1 und dem Batterie-Temperierkreislauf T2 ist hierbei identisch mit dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Ebenso ist ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 mit dem in Figur 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiel identisch. D. h., zu Beginn wird die Brennstoffzelleneinheit 2.1 mittels des Heizelements 1 1 erwärmt und anschließend gestartet. Daraufhin wird die elektrische Batterie 14.1 über die erwärmte Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt, so dass die elektrische Batterie 14.1 nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur aufladbar ist. Anschließend wird die nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit 2.2 mit der Abwärme der vorgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 erwärmt und nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur gestartet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle
Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n erwärmt und gestartet sind.
Ein Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die thermische Kopplung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n untereinander, wobei direkt an einem thermischen Ausgang der jeweils vorgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 2.1 bis 2.n-1 der weitere Wärmeübertrager 22.1 bis 22. n angeordnet ist und die Wärmeübertragung darüber erfolgt. Weiterhin wird aufgrund der eigenen Kühlkreisläufe der
Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n ein modulartiger Aufbau der
Brennstoffzellenanordnung 1 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weiter verbessert.
In den Figuren 4 und 5 werden thermische Ersatzschaltbilder weiterer alternativer
Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt.
Die gezeigten Brennstoffzellenanordnungen 1 sind ähnlich aufgebaut wie die in Figur 3 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 , jedoch mit dem Unterschied, dass im Batterie- Temperierkreislauf T2 zwei elektrische Batterien 14.1 , 14.2 eingebunden sind, die gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel gemeinsam über das weitere
Dreiwegeventil 21.1 und gemäß dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel separat über jeweils ein weiteres Dreiwegeventil 21.1 , 21.2 thermisch mit dem
Wärmetauschelement 18 koppelbar sind. Letzteres hat dabei den Vorteil, dass die elektrischen Batterien 14.1 , 14.2 unabhängig voneinander erwärmbar sind. Weiterhin ist im Batterie-Temperierkreislauf T2 ein Bypass B angeordnet, welcher mittels eines weiteren Bypassventils 25 offenbar oder schließbar ist. Mittels des Bypasses B können der Batteriekühler 16 und der Wärmeübertrager 15 vom Batterie- Temperierkreislauf T2 getrennt werden, so dass keine Wärme nach außen verloren geht.
In einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel können auch mehr als zwei elektrische Batterien 14.1 , 14.2 vorgesehen sein, um ein Leistungsangebot für einen oder mehrere elektrische Verbraucher zu erhöhen.
Figur 6 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild einer Brennstoffzellenanordnung 1 in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel.
Die gezeigte Brennstoffzellenanordnung 1 ist mit Ausnahme der
Dreiwegeventile 19.1 bis 19 n identisch mit der in Figur 2 gezeigten
Brennstoffzellenanordnung 1. Anstelle der Dreiwegeventile 19.1 bis 19.n sind hierbei kostengünstige Proportionalventile 26.1 bis 26. n angeordnet.
Die zuvor beschriebene Brennstoffzellenanordnung 1 ist im Rahmen der Erfindung nicht auf den Einsatz in Fahrzeugen beschränkt. Denkbar sind auch Stationäranwendungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1.
Für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in Omnibussen, ist besonders die
Nennleistung der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n im Bereich von 50 kW bis 70 kW vorteilhaft. Die Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n können hierbei modulartig
ausgebildet und somit Leistungsanforderungen variabler umgesetzt werden als bei Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n mit größeren Nennleistungen oder bei einer als solitäres Brennstoffzellensystem ausgebildeten Brennstoffzellenanordnung 1.
Des Weiteren ist der modulartige Aufbau der Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n von besonderem Vorteil, da hierbei die Möglichkeit besteht, nur eine der
Brennstoffzelleneinheiten 2.1 bis 2.n zu erwärmen, so dass eine Erwärmung
entsprechend schnell erfolgt. Bei solitären Brennstoffzellensystemen ist die zu
erwärmende thermische Masse entsprechend größer, so dass auch eine Gefrierstartzeit länger ist. Bezugszeichenliste
Brennstoffzellenanordnung
Brennstoffzelleneinheit
Brennstoff behälter
Verdichter
Dosierventil
Strahlpumpe
Antriebselement
Ladeluftkühler
Luftmassensensor
Absperrventil
Heizelement
Kühlelement
Pumpe
elektrische Batterie
Wärmeübertrager
Batteriekühler
Pumpe
Wärmetauschelement
Dreiwegeventil
Thermostatventil
Dreiwegeventil
Wärmeübertrager
Thermostatventil
Zwischendreiwegeventil
Bypassventil
Proportionalventil A Anodenraum
B Bypass
K Kathodenraum
L Lüfter
T1 Brennstoffzellen-Temperierkreislauf
T2 Batterie-Temperierkreislauf

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung (1),
gekennzeichnet durch
- einen Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) mit zumindest einem
Heizelement (1 1) und einer Mehrzahl von thermisch miteinander verbundenen Brennstoffzelleneinheiten (2.1 bis 2.n),
- einen Batterie-Temperierkreislauf (T2) zur Temperierung zumindest einer elektrischen Batterie (14.1 , 14.2),
- wobei das Heizelement (11) thermisch mit einer unmittelbar dem Heizelement (1 1) nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit (2.1 ) der Mehrzahl von
Brennstoffzelleneinheiten (2.1 bis 2.n) verbindbar ist und
- wobei der Batterie-Temperierkreislauf (T2) in Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Batterie (14.1 , 14.2) thermisch mit dem
Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) verbindbar ist.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzelleneinheiten (2.1 bis 2.n) jeweils eine Nennleistung zwischen 50 Kilowatt und 70 Kilowatt aufweisen.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit einer Temperatur der unmittelbar dem Heizelement (11)
nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit (2.1 ) das Heizelement (1 1) elektrisch mit der zumindest einen elektrischen Batterie (14.1 , 14.2) verbindbar ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (11) elektrisch mit der zumindest einen elektrischen
Batterie (14.1 , 14.2) verbunden ist, bis die unmittelbar dem Heizelement (11) nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit (2.1) eine vorgegebene Temperatur aufweist.
5. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (11) elektrisch mit der unmittelbar dem Heizelement (1 1 ) nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit (2.1) verbunden ist, wenn diese die vorgegebene Temperatur aufweist.
6. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Batterie-Temperierkreislauf (T2) und der Brennstoffzellen- Temperierkreislauf (T1) über ein Wärmetauschelement (18) thermisch miteinander verbindbar sind.
7. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) mindestens ein Kühlelement (12.1) aufweist, wobei dem mindestens einen Kühlelement (12.1) und dem mindestens einen Heizelement (1 1) gemeinsam ein Thermostatventil (20) vorgeschaltet ist
8. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine elektrische Batterie (14.1 , 14.2) über mindestens ein
Dreiwegeventil (21.1 , 21.2) thermisch mit dem Wärmetauschelement (18) koppelbar ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei
- beim Start der Brennstoffzellenanordnung (1) die unmittelbar dem
Heizelement (1 1) nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit (2.1) durch das Heizelement (1 1) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur erwärmt und anschließend gestartet wird,
- in Abhängigkeit einer Temperatur der zumindest einen elektrischen
Batterie (14.1 , 14.2) der Batterie-Temperierkreislauf (T2) thermisch mit dem
Brennstoffzellen-Temperierkreislauf (T1) verbunden wird, und
- nach dem Start der unmittelbar dem Heizelement (1 1) nachgeschalteten
Brennstoffzelleneinheit (2.1) die weiteren Brennstoffzelleneinheiten (2.2 bis 2.n) zeitlich versetzt zueinander erwärmt und gestartet werden.
Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Antriebseinheit eines Nutzfahrzeugs.
PCT/EP2016/001961 2015-12-02 2016-11-21 Brennstoffzellenanordnung, verfahren zum betrieb einer solchen brennstoffzellenanordnung und verwendung einer solchen brennstoffzellenanordnung WO2017092853A1 (de)

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