WO2019042631A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum thermischen regulieren eines hochtemperaturkreislaufs eines brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines Brennstoffzellensystems Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff für mindestens einen elektrischen Verbraucher, bei dem ein Brennstoffzellenwandler in einen Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems stromabwärts eines Wasserstoffwärmetauschers angeordnet ist und von einem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs thermisch regulierbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines Brennstoffzellensystems.
Description
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff für mindestens einen elektrischen Verbraucher, bei dem ein Brennstoffzellenwandler in einen Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems stromabwärts eines Wasserstoffwärmetauschers angeordnet ist und von einem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs thermisch regulierbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines Brennstoffzellensystems.
Elektrische Fahrzeuge mit Brennstoffzellen als elektrischer
Energieversorgung weisen üblicherweise zwei Kreisläufe zum thermischen Regulieren von verschiedenen Bauteilen auf. Einige Bauteile, wie beispielsweise Wasserstoffwärmetauscher, müssen durch ein Fluid im Kreislauf erwärmt werden. Andere Bauteile, wie beispielsweise
Elektromotoren oder Brennstoffzellenwandler, benötigen ein Fluid zum Kühlen. Mit einem Fluid des sogenannten Hochtemperaturkühlkreislaufs ist beispielsweise der Brennstoffzellenstapel thermisch leitend verbunden. Im Hochtemperaturkreislauf kann das Fluid ein Temperaturniveau von 85°C aufweisen. Durch eine thermische Anbindung von Elektromotoren oder Leistungselektronik an ein Fluid eines Niedertemperaturkreislaufs können diese Bauteile auf eine Temperatur von unterhalb 65°C temperiert werden.
Eine Positionierung möglichst vieler Bauteile im Hochtemperaturkreislauf weist thermodynamische Vorteile auf, da eine Leistungsfähigkeit eines Hochtemperaturkühlers bzw. Hochtemperaturwärmetauschers durch eine hohe fluidseitige Vorlauftemperatur gesteigert wird. Zudem kann ein Kühler des Niedertemperaturkreislaufs kleiner ausgeführt werden, da durch eine
geringere Anzahl von thermisch an den Niedertemperaturkreislauf angeschlossenen Bauteilen eine geringere Wärmemenge in das Fluid eingebracht wird. Maximale Betriebstemperaturen der verschiedenen Bauteile sind jedoch problematisch, da beispielsweise Elektromotoren oder Leistungselektronik mit einer höheren maximalen Betriebstemperatur kostenintensiv sind und ein höheres Gewicht aufweisen können. Daher ist eine thermische Anbindung von verschiedenen Bauteilen mit einer relativ niedrigen maximalen
Betriebstemperatur, wie beispielsweise von Leistungselektronik, an den Hochtemperaturkreislauf eines Brennstoffzellensystems nicht oder nur mit einem zusätzlichen Energieverbrauch aufgrund erhöhter
Kühlmittelvolumenströme möglich. DE 10 2010 052 019 A1 beschreibt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug. In einem Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems ist ein Inverter thermisch angeschlossen, welcher als eine Alternative zu einer separaten elektrischen Heizung eines Kühlmittels dient. DE 101 05 088 A1 offenbart ein Wärmemanagement für ein mit
Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei einen Hochtemperaturkreislauf und einen Niedertemperaturkreislauf. Der Hochtemperaturkreislauf und der Niedertemperaturkreislauf sind miteinander direkt gekoppelt. Die Leistungselektronik des Fahrzeugs ist dabei thermisch leitend an den Niedertemperaturkreislauf angeschlossen.
DE 10 2009 028 648 A1 zeigt eine Temperiervorrichtung zum Temperieren mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen sich in
unterschiedliche Temperaturzonen verzweigenden Kühlkreislauf mit einer Leistungselektronik.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit einem thermisch optimierten Hochtemperaturkreislauf sowie ein
Verfahren zum optimierten thermischen Regulieren eines
Hochtemperaturkreislaufs vorzuschlagen.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff für mindestens einen elektrischen Verbraucher. Das Brennstoffzellensystem weist eine Wasserstoffquelle zum Bereitstellen von Wasserstoff und einen Wasserstoffwärmetauscher zum Erwärmen des bereitgestellten Wasserstoffs auf eine Betriebstemperatur durch Entziehen von Wärme eines Fluids eines Hochtemperaturkreislaufs auf. Des Weiteren weist das
Brennstoffzellensystem eine Sauerstoffzufuhr zum Bereitstellen von
Sauerstoff, und mindestens einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer chemischen Reaktion des erwärmten
Wasserstoffs und des bereitgestellten Sauerstoffs auf. Das
Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzeilenwandier zum Regeln der durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Energie und zum Bereitstellen der erzeugten elektrischen Energie für den mindestens einen elektrischen Verbraucher auf, wobei der Brennstoffzeilenwandier im
Hochtemperaturkreislauf relativ zu dem Wasserstoffwärmetauscher stromabwärts angeordnet ist und von dem Fluid des
Hochtemperaturkreislaufs thermisch regulierbar ist.
Der Brennstoffzeilenwandier kann derart thermisch leitend in den
Hochtemperaturkreislauf eingebracht werden, dass der
Brennstoffzeilenwandier stromabwärts des Wasserstoffwärmetauschers
angeordnet ist. Der aus einer Drucktankflasche entnommene kryogene oder unter Druck gespeicherte Wasserstoff wird durch die Expansion auf ein Druckniveau innerhalb eines Druckniveaus des Brennstoffzellenstapels abgekühlt. Hierbei muss der Wasserstoff von einem Druck von
beispielsweise 700 bar auf einen Druck von beispielsweise 1 bis 10 bar expandiert werden. Um den Temperaturhaushalt innerhalb der
Brennstoffzelle nicht zu beeinträchtigen, muss das abgekühlte
Wasserstoffgas daher wieder erwärmt werden. Dies geschieht durch den Wasserstoffwärmetauscher. Der Wasserstoffwärmetauscher wird von einem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs durchflössen. Das Fluid kann eine
Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, sein. Durch das Aufwärmen des expandierten Wasserstoffgases durch den Wasserstoffwärmetauscher wird dem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs Wärme entzogen. Dadurch weist das Fluid nach einem Durchfließen des Wasserstoffwärmetauschers eine geringere Temperatur auf. Das durch den Wasserstoffwärmetauscher abgekühlte Fluid kann anschließend zum Kühlen des
Brennstoffzellenwandlers verwendet werden. Somit kann der
Wasserstoffwärmetauscher gekühlt und das abgekühlte Fluid des
Hochtemperaturkreislaufs erneut erwärmt werden.
Hierdurch kann das Kühlpotential des Wasserstoffwärmetauschers optimal genutzt werden. Gleichzeitig kann ein Niedertemperaturkreislauf kompakter ausgeführt sein, da der Brennstoffzellenwandler in den Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems integriert werden kann. Durch eine
Herabsetzung des Temperaturniveaus des Fluids stromabwärts des
Wasserstoffwärmetauschers kann der Brennstoffzellenwandler vorzugsweise ohne spezielle Anforderungen an die maximale Betriebstemperatur in den Hochtemperaturkreislauf integriert werden. Der Hochtemperaturkreislauf kann, abgesehen von Fluidleitungen, unverändert bleiben.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem können Bauteilkosten und eine Leistungsfähigkeit des Kühlsystems optimiert werden.
Ein Kühlleistungspotential des Brennstoffzellensystems kann bestmöglich ausgeschöpft werden, wenn eine Abwärme des Brennstoffzellenwandlers über den Hochtemperaturkreislauf abgeführt werden kann.
Nach einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist der mindestens eine Brennstoffzellenstapel im Hochtemperaturkreislauf räumlich parallel zu dem Wasserstoffwärmetauscher und räumlich parallel zu dem
Brennstoffzellenwandler durch das Fluid des Hochtemperaturkreislaufs thermisch regulierbar. Hierdurch ist der mindestens eine
Brennstoffzellenstapel von dem Wasserstoffwärmetauscher und dem
Brennstoffzellenwandler separiert. Insbesondere können der
Brennstoffzellenstapel und die serielle Anordnung des
Wasserstoffwärmetauschers mit dem Brennstoffzellenwandler durch jeweils separate Fluidleitungen thermisch regulierbar sein. Die in dem parallelen Strang des Hochtemperaturkreislaufs auftretenden
Temperaturschwankungen werden bei dem mindestens einen
Brennstoffzellenstapel vermieden, sodass eine konstante Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels realisierbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist der Wasserstoffwärmetauscher zum Kühlen eines Luftstroms verwendbar. Der Luftstrom kann dabei durch einen Kanal bzw. eine Seite des
Wasserstoffwärmetauschers zum Abkühlen des Luftstroms geleitet werden. Hierdurch kann das Kühlpotential des Wasserstoffwärmetauschers zum Abkühlen eines in eine Fahrgastzelle gerichteten Luftstroms genutzt werden. Insbesondere kann durch das Kühlen des Luftstroms ein Kühlbedarf des Luftstroms durch eine separate Klimaanlage reduziert werden.
Nach einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist der
Hochtemperaturkreislauf eine Pumpe zum Fördern des Fluids und einen Wärmetauscher zum Erwärmen oder Abkühlen des Fluids auf. Durch die Pumpe kann das Fluid gleichmäßig durch den Hochtemperaturkreislauf gefördert werden. Somit können alle thermisch angebundenen Komponenten durch das Fluid thermisch reguliert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Pumpe stromaufwärts des mindestens einen Brennstoffzellenstapels angeordnet. Hierdurch kann die Pumpe das Fluid über eine Abzweigung gleichmäßig zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel und zu den parallel zu dem Brennstoffzellenstapel angeordneten
Brennstoffzellenwandler und Wasserstoffwärmetauscher zuführen und diese Komponenten unabhängig voneinander thermisch regulieren. Insbesondere können die Komponenten durch das Fluid gekühlt oder aufgewärmt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems liegt der bereitgestellte Wasserstoff in einem kryogenen Zustand oder in einem Überdruckzustand vor. Der in einem Tank gelagerte bzw. gespeicherte Wasserstoff weist somit eine niedrige Temperatur bei einem Bereitstellen auf oder expandiert bei dem Bereitstellen auf einen niedrigeren Arbeitsdruck und kühlt dadurch ab. Hierdurch kann der bereitgestellte abgekühlte Wasserstoff indirekt zum Kühlen des Brennstoffzellenwandlers verwendet werden. Nach einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist der
Wärmetauscher stromabwärts des mindestens einen Brennstoffzellenstapels angeordnet. Durch eine derartige Anordnung des Wärmetauschers des Hochtemperaturkreislaufs kann das Fluid nach einem Durchströmen der Komponenten vor einem erneuten Zuführen in die Komponenten im Hinblick auf eine Betriebstemperatur durch den Wärmetauscher reguliert oder
normalisiert werden. Es ist somit möglich , eine konstante Vorlauftemperatur des Fluids zu den Komponenten zu gewährleisten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist das Brennstoffzellensystem einen Niedertemperaturkreislauf zum
thermischen Regulieren von zumindest einem elektrischen Verbraucher auf. Parallel zu dem Hochtemperaturkreislauf kann das Brennstoffzellensystem einen Niedertemperaturkreislauf aufweisen, welcher zum thermischen Regulieren von Komponenten mit einer niedrigeren maximalen
Betriebstemperatur verwendet werden kann. Somit können beispielsweise Elektromotoren technisch einfach gekühlt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines erfindungsgemäßen B ren n Stoff zel I en System s , wobei einem durch eine Pumpe geförderten Fluid des Hochtemperaturkreislaufs durch einen Wa sserstoffwä rm eta u sch er Wärme entzogen wird, dem Fluid durch einen dem
Wasserstoffwärmetauscher stromabwärts angeordneten
Brennstoffzellenwandler die entnommene Wärme zumindest teilweise zugeführt wird und durch einen Wärmetauscher dem Fluid abhängig von seiner Temperatur Wärme entzogen oder zugeführt wird.
Es kann eine dem Fluid durch den Wasserstoffwärmetauscher entnommene Wärmemenge zumindest teilweise aus dem Brennstoffzellenwandler entnommen werden. Hierdurch kann der Brennstoffzellenwandler als eine Leistungselektronik mit kontinuierlicher Wärmeentwicklung gekühlt und das Fluid erneut aufgewärmt werden. Der Wärmetauscher kann zum Erwärmen des Fluids auf eine Betriebstemperatur leistungsschwächer ausgeführt sein. Insbesondere kann durch das Abkühlen des Fluids durch den
Wasserstoffwärmetauscher eine Leistungselektronik, wie beispielsweise der
Brennstoffzellenwandler, in den Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems ohne gesonderte Anforderungen integriert werden. Dadurch kann ein Niedertemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems kleiner und leistungsschwächer ausgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird durch den
Wasserstoffwärmetauscher eine Temperatur des Fluids auf eine Temperatur unterhalb einer maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenwandlers gesenkt. Vorzugsweise kann die Temperatur des Fluids derart durch den Wasserstoffwärmetauscher zum Erwärmen eines Wasserstoffgases abgekühlt werden, dass die Temperatur unterhalb einer maximalen
Betriebstemperatur des Brennstoffzellenwandlers liegt. Hierdurch kann das abgekühlte Fluid effektiv zum Kühlen des Brennstoffzellenwandlers verwendet werden.
Die Erfindung ist anhand von einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen
Hochtemperaturkreislauf 1 eines Brennstoffzellensystems 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Hochtemperaturkreislauf 1 des
Brennstoffzellensystems 2 weist eine Pumpe 4 zum Fördern eines Fluids auf. Das Fluid ist gemäß dem Ausführungsbeispiel Wasser. Das Fluid wird durch die Pumpe 4 gefördert bzw. mit einer Fließgeschwindigkeit beaufschlagt. Das Fluid wird durch eine Leitung gefördert, welche sich in zwei Leitungen abzweigt. In einer abgezweigten Leitung ist eine serielle Anordnung eines Wasserstoffwärmetauschers 8 und eines Brennstoffzellenwandlers 10 angeordnet, welche parallel zu einem in der zweiten abgezweigten Leitung angeordneten Brennstoffzellenstapel 6 fluidleitend angeschlossen ist.
Parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 6 kann ein weiteres Bauteil 12 angeordnet sein, durch das eine weitere Abzweigung der Leitung durch das Fluid thermisch regelbar sein. Das weitere Bauteil 12 kann beispielsweise ein Reformer zum Erzeugen eines Wasserstoffgases sein oder eine
Heizvorrichtung zum Erwärmen einer Fahrgastzelle sein.
Der Wasserstoffwärmetauscher 8 dient zum Erwärmen eines abgekühlten Wasserstoffgases. Das durch den Wasserstoffwärmetauscher 8 erwärmte Wasserstoffgas kann dem Brennstoffzellenstapel 6 zugeführt werden. Der Einfachheit halber werden die Leitungen zum Bereitstellen von
Wasserstoffgas und Sauerstoffgas nicht dargestellt. Durch das Aufwärmen des abgekühlten Wasserstoffgases entzieht der Wasserstoffwärmetauscher 8 dem Fluid Wärme. Durch diesen Vorgang wird das Fluid abgekühlt. Durch ein Anordnen des Brennstoffzellenwandlers 10 stromabwärts des
Wasserstoffwärmetauschers 8 kann das abgekühlte Fluid effektiv zum Kühlen des Brennstoffzellenwandlers 10 verwendet werden. Diese
thermischen Schwankungen weisen keinen Einfluss auf den parallel zu dem Brennstoffzellenwandler 10 und dem Wasserstoffwärmetauscher 8 angeordneten Brennstoffzellenstapel 6 auf.
Durch das Abkühlen des Brennstoffzellenwandlers 10 kann dem Fluid erneut Wärme zugeführt werden. Hierdurch kann das Fluid eine erneute
Temperaturzunahme erfahren. Durch den zusätzlichen Wärmeeintrag durch den Brennstoffzellenwandler 10 kann die kühlende Wirkung des
Wasserstoffwärmetauschers 8 ausgeglichen werden, sodass der
Wärmetauscher 14 kleiner ausgeführt sein kann.
Bezuqszeichenliste
1 Hochtemperaturkreislauf
2 Brennstoffzellensystem
4 Pumpe
6 Brennstoffzellenstapel
8 Wasserstoffwärmetauscher
10 Brennstoffzellenwandler
12 weiteres Bauteil
14 Wärmetauscher
Claims
1 . Brennstoffzellensystem (2) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff für mindestens einen elektrischen
Verbraucher, mindestens aufweisend:
eine Wasserstoffquelle zum Bereitstellen von Wasserstoff,
- einen Wasserstoffwarmetauscher (8) zum Erwärmen des
bereitgestellten Wasserstoffs auf eine Betriebstemperatur durch Entziehen von Wärme aus einem Fluid eines
Hochtemperaturkreislaufs (1 ),
eine Sauerstoffzufuhr zum Bereitstellen von Sauerstoff,
- mindestens einen Brennstoffzellenstapel (6) zum Erzeugen von
elektrischer Energie aus einer chemischen Reaktion des erwärmten Wasserstoffs und des bereitgestellten Sauerstoffs,
einen Brennstoffzellenwandler (10) zum Regeln der durch den
Brennstoffzellenstapel (6) erzeugten elektrischen Energie und zum Bereitstellen der erzeugten elektrischen Energie für den mindestens einen elektrischen Verbraucher,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenwandler (10) im
Hochtemperaturkreislauf (1 ) stromabwärts des
Wasserstoffwärmetauschers (8) angeordnet ist und von dem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs (1 ) thermisch regulierbar ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Brennstoffzellenstapel (6) im Hochtemperaturkreislauf (1 ) räumlich parallel zu dem Wasserstoffwärmetauscher (8) und dem Brennstoffzellenwandler (10) durch das Fluid des Hochtemperaturkreislaufs (1 ) thermisch regulierbar ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der
Wasserstoffwärmetauscher (8) zum Kühlen eines Luftstroms verwendbar ist.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hochtemperaturkreislauf (1 ) eine Pumpe (4) zum Fördern des Fluids und einen Wärmetauscher (14) zum Erwärmen oder Abkühlen des Fluids aufweist.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Pumpe (4) stromaufwärts des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (6) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei der
Wärmetauscher (14) stromabwärts des mindestens einen
Brennstoffzellenstapels (6) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Brennstoffzellensystem (2) einen Niedertemperaturkreislauf zum thermischen Regulieren von zumindest einem elektrischen Verbraucher aufweist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der bereitgestellte Wasserstoff in einem kryogenen Zustand oder in einem
Überdruckzustand vorliegt.
9. Verfahren zum thermischen Regulieren eines
Hochtemperaturkreislaufs (1 ) eines Brennstoffzellensystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei einem durch eine Pumpe (4) geförderten Fluid des Hochtemperaturkreislaufs (1 ) durch einen Wasserstoffwärmetauscher (8) Wärme entzogen wird, dem Fluid durch einen relativ zu dem
Wasserstoffwärmetauscher (8) stromabwärts angeordneten
Brennstoffzellenwandler (10) die entnommene Wärme zumindest teilweise
wieder zugeführt wird und durch einen Wärmetauscher (14) dem Fluid abhängig von seiner Temperatur Wärme entzogen oder zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch den
Wasserstoffwärmetauscher (8) eine Temperatur des Fluids auf eine Temperatur unterhalb einer maximalen Betriebstemperatur des
Brennstoffzellenwandlers (10) gesenkt wird.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 18740144 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 18740144 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |