DE10065307A1 - Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Eine solche Brennstoffzellenanlage hat wenigstens ein Brennstoffzellenmodul, das am Fahrzeug angebracht ist. Gemäß der Erfindung ist das Brennstoffzellenmodul derart im oder am Kraftfahrzeug angeordnet, dass bei sich bewegendem Fahrzeug das Brennstoffzellenmodul weitestgehend selbstatmend arbeitet. Dies bedeutet, dass die Luft des Fahrtwindes hinreichend zur Versorgung mit Oxidans für die Brennstoffzellen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Brennstoffzellen­ nmodul.

Der Einsatz von Brennstoffzellenanlagen zur Energieversorgung bei neuen Antriebskonzepten in der Kraftfahrzeugtechnik ist bekannt. Beispielsweise ist in der EP 0 677 412 B1 im Einzel­ nen beschrieben, dass die Anordnung der Brennstoffzelle für ein Antriebsaggregat in einem Kraftfahrzeug an geeigneter Stelle unter dem Wagenboden erfolgen sollte, da so das empfindliche Brennstoffzellenmodul am besten gegen mecha­ nische Einflüsse geschützt ist. Alternativen für die Anord­ nung der Brennstoffzellenanlage sind beispielsweise auch das Wagendach, was insbesondere bei Omnibussen oder aber Last­ kraftwagen in Frage kommt.

Aus der DE 196 29 084 A1 ist weiterhin ein Elektrofahrzeug bekannt, dessen Antriebsbatterie eine Brennstoffzellenanlage mit einem, gegebenenfalls sekundären, Kühlsystem, durch das ein gasförmiges Kühlmedium fließt, umfasst, bei dem die Brennstoffzellenanlage so angeordnet ist, dass das - gege­ benenfalls sekundäre, - Kühlmedium ganz oder teilweise durch den Staudruck des Fahrtwinds in das Kühlsystem eingeleitet wird. Dabei soll die Brennstoffzellenanlage so in das Fahr­ zeug eingebaut sein, dass die Ebenen-Normalen der aktiven Flächen der einzelnen Brennstoffzellen senkrecht zur Fahrt­ richtung stehen.

Die Speicherung von Wasserstoff und das Betanken mit Was­ serstoff ist bekanntermaßen problematisch. PEM-Brennstoff­ zellenanlagen, insbesondere Anlagen mit HT-PEM-Brenn­ stoffzellen, verwenden als Brennstoff Wasserstoff, der aus üblichem Benzin, aus Methanol oder einem anderen höheren Kohlenwasserstoff in einem Reformer an Bord des Fahrzeugs erzeugt wird. Als Oxidans dient dabei Luftsauerstoff, wozu bei fahrendem Fahrzeug die Luft der Umgebung, insbesondere aus dem Fahrtwind, der Brennstoffzelle zugeführt wird. Hier­ für müssen entsprechende Mittel vorhanden sein, wobei beim Stand der Technik Zwangsführungen für die Luft vorgesehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzellenan­ lage für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, das hinsichtlich derartiger Mittel vereinfacht ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird durch eine geeignete Anordnung der Brennstoffzellenanlage im oder am Fahrzeug erreicht, dass die Brennstoffzellen weitestgehend selbstatmend arbeiten. Unter "selbstatmend" wird dabei verstanden, dass in der Brennstoffzellenanlage immer hinreichend genügend Sauerstoff als Oxidans aus der Umgebungsluft zur Verfügung steht, so dass die Brennstoffzellenreaktion erfolgen kann. Eine Zwangs­ führung der Beatmungsluft zu den Kathoden der Brenstoffzellen ist dann nicht notwendig.

Bei der Erfindung wird also das Brennstoffzellenmodul weitestgehend durch die Energie des Fahrtwindes beatmet. Vorzugsweise für niedrige Fahrgeschwindigkeiten und/oder hohe Last beim Betriebseinsatz kann ein Hilfsgebläse vorhanden sein. Wesentlich ist aber dabei, dass für die Beatmungsluft, d. h. für die Versorgung der Brennstoffzellen mit Oxidans, keine Zwangsführungen notwendig sind.

Wenn bei einem Kraftfahrzeug die komplette Brennstoffzellen­ anlage oder zumindest einzelne Brennstoffzellenmodule unter dem Wagenboden angeordnet sind, werden vorteilhafterweise Umlenkbleche und/oder Düsenanordnungen zur Einleitung des Fahrtwindes vorgesehen. Zur Einstellung, Steuerung und/oder Regelung dieser Einrichtungen können auch elektrisch an­ steuerbare Ventile dienen.

Sofern entsprechend der DE 196 29 084 A1 der Fahrtwind und/oder die Gebläseluft auch zur Kühlung der Brennstoff­ zellen eingesetzt werden sollen, bietet sich ein Kreuzstrom­ betrieb für die Versorgungluft einerseits und die Kühlluft andererseits an.

Bei der Erfindung arbeitet die Brennstoffzellenanlage -v mit sog. PEM-Brennstoffzellen, und zwar insbesondere bei hohen Temperaturen, d. h. es ist vorteilhafterweise eine HT-PEM- Brennstoffzelle realisiert. Durch geeigneten Einsatz mechanischer Mittel, d. h. durch Umlenkbleche und/oder Düsenanordnungen kann der Fahrtwind derart nutzbar gemacht werden, dass er einen optimalen Einsatz der Brennstoffzelle gewährleistet. Dabei kann das Brennstoffzellenmodul flach ausgebildet und in seiner Höhe begrenzt sein. Insbesondere wird dabei auch gewährleistet, dass die aerodynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeuges, wie cw-Wert od. dgl., nicht beeinträchtigt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs­ beispielen in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer integrierten Brennstoffzellenanlage,

Fig. 2 ein Brennstoffzellenmodul zum selbstatmenden Betrieb und

Fig. 3 bzw. 4 alternative Anordnungen für Fig. 2 im Schnittdarstellung

In Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug(KFZ) mit 1 bezeichnet, des­ sen nicht im Einzelnen dargestellte elektromotorischer An­ trieb 3 durch eine Brennstoffzellenanlage versorgt wird. Die Brennstoffzellenanlage besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenmodul 10 und entsprechenden Nebenaggregaten, die in Fig. 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind. Zumindest das Brennstoffzellenmodul 10 ist so am oder im KFZ 1 positioniert, dass es in geeigneter Weise mit Luft versorgt wird. Im Einzelnen verläuft die Längsachse des Brennstoffzel­ lenmoduls 10 in Richtung der Fahrzeuglängsache 5. Eine düsenartige mechanische Anordnung bringt den Fahrtwimd von einer Bugöffnung des KFZ 1 zum Brennstoffzellenmdul 10 derart, dass nach Umlenkung die Luft von oben einströmt. Ergänzend liefert ein Ventilator bei Bedarf zusätzlich Umgebungsluft.

Für die Brennstoffzellenanlage werden solche Brennstoffzellen verwendet, die mit einem festen Elektrolyten arbeiten und als PEM(Polymer Electrolyt Membrane)-Brennstoffzellen bezeichnet werden. Derartige Brennstoffzellen mit Arbeitstemperaturen von ca. 60°C sind vom Stand der Technik bekannt, wobei vor­ teilhafterweise für den mobilen Einsatz solche Brennstoffzel­ len bei höheren Temperaturen, als bisher beschrieben, be­ trieben werden. Für die HT-PEM-Brennstoffzellen werden Ar­ beitstemperaturen zwischen 80 und 300°, insbesondere aber im Bereich von 120 bis 200°C, verwendet.

Ein Brennstoffzellenmodul 10 mit HT-PEM-Brennstoffzellen 11, 11', . . . kann flach ausgebildet sein. Im Einzelnen ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt, so dass man in diesem Fall von einem Flächenstack spricht. Ein solches Flächenstack ist vorteilhafterweise unter dem Wagenboden oder, wenn es sich nicht um einen Personenwagen handelt, auch alternativ auf dem Dach des Fahrzeuges angebracht. Damit ist gewährleistet, dass der Fahrtwind in geeigneter Weise mit Hilfe der mechanischen Einrichtung 20 zu den Brennstoffzellen gelangt.

In Fig. 2 ist ein solches Brennstoffzellenmodul 10 dargestellt, das aus einzelnen PEM-Brennstoffzellen 11, 11' besteht. Durch die Mittel der mechanischen Einrichtung 20, beispielsweise durch ein schräg verlaufendes Blech 21, wird erreicht, dass der Fahrtwind düsenartig geführt und umgelenkt wird und somit direkt zu den einzelnen Zellen 11, 11'. . . des HT-PEM-Brennstoffzellenmoduls 10 gelangt. Dazu ist im Fahrzeug vor dem Brennstoffzellenmodul 10 eine Düse 22 mit Drehklappen 40 und 40' angeordnet, mit dem die einströmende Luft gezielt auf die Brennstoffzelle gerichtet wird. Es können auch elektrisch betätigbare Ventile mit zugehörigen Steuereinrichtungen vorhanden sein.

Das Hilfsgebläse 6 kommt dann zum Einsatz, wenn aufgrund zu geringer Geschwindigkeit nicht genügend Fahrtwind erzeugt wird oder aufgrund besonders hoher Last ein hoher Bedarf an Luft besteht. Durch die aus den Drehklappen 40 und 40' gebildete Ventilanordnung, die elektrisch betätigbar ist, kann über eine geeignete, nicht dargestellte Steuerungsanlage die Luftführung mit Fahrtwind und/oder Gebläseluft an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.

Um Schäden an den Brennstoffzellen durch kalte eintretende Luft zu vermeiden, muß die Beatmungsluft vor Eintritt in die Brennstoffzellen 11, 11', . . . vorgewärmt werden. Die in Fig. 2 dargestellte Versorgung Des Brennstoffzellenmoduls 10 mit Luft kann in idealer Weise mit der Luftvorwärmung kombiniert werden.

In der Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie Luft über das Gebläse 5 und einen Wärmtauscher 30 geführt wird und nach Umlenkung in die Brennstoffzellen 11, 11', . . . des Brennstoffzellenmoduls 10 gelangt. Entsprechendes erfolgt in Fig. 4 in kompakterer Form. In beiden Fällen wird ein flüssiges Medium, beispielsweise Öl, als Kühlmittel von der Brennstoffzelle in den Wärmetauscher 30 gebracht. Länge und Höhe der Brennstoffzellen einerseits und des Wärmetauschers 30 andererseits sind aufeinander abgestimmt, so daß sich die erwünschte, möglichst kompakte Bauform ergibt.

Mit einem im Kraftfahrzeug angeordneten Brennstoffzellenmodul gemäß Fig. 2 ist es in einfacher Weise möglich, im Kreuz­ strom zu arbeiten. D. h. in diesem Fall, dass die zum Betrieb der Brennstoffzellen notwendige Luft in vertikaler Linie durch den Stack 10 gelangt, während die Kühlluft nach Umlei­ tung jeweils in dazu senkrechter Richtung in das Stack ein­ dringt. Mit dieser Anordnung kann die Luftmenge insbesondere so bemessen werden, dass ein geeigneter λ-Wert vorgebbar ist. Für die Praxis hat sich gezeigt, dass ein λ-Wert von wenig­ stens 2 eingehalten werden sollte.

Insbesondere anhand Fig. 2 wird deutlich, dass bei der dar­ gestellten Anordnung eine Doppelfunktion der Luftführung erreicht wird. Einerseits wird der Sauerstoff der Luft als Oxidans verwendet und andererseits die Luft zur Kühlung. Dabei kann erreicht werden, dass die Strömungsmenge von Oxidans und Luft in Abhängigkeit von der Stacktemperatur geregelt wird.

Es hat sich gezeigt, dass speziell für die Anwendung der HT- PEM-Brennstoffzelle eine Betriebstemperatur zwischen 80 und 200 C° eingehalten werden kann. Die Idealbetriebstemperatur liegt dabei bei ca. 160 C°. In diesem Fall dient also die beim Kraktfahrzeug in die Brennstoffzellennanlage einge­ brachte Luft nicht nur zur Versorgung mit Oxidans, sondern auch der Kühlung der Brennstoffzellenmodule.

Claims (13)

1. Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug mit wenig­ stens einem Brennstoffzellenmodul, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (10) derart im Kraftfahrzeug (1) angeordnet ist, dass bei sich bewegendem Fahrzeug das Brennstoffzellenmodul (10) weitestgehend selbstatmend arbeitet.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Selbstatmung des Brennstoffzellenmoduls (10) die Luftversorgung des Brenn­ stoffzellenmoduls (10) weitestgehend durch die Energie des Fahrtwindes im Kraftfahrzeug (1) erfolgt.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsgebläse (25) für niedrige Fahrzeuggeschwindigkeiten und/oder hohe Last vorhanden ist.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (10) PEM-Brennstoffzellen enthält.

5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen­ modul (10) HT-PEM-Brennstoffzellen enthält.

6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkbleche (21) und/oder Düsenanordnungen (22) für die Einleitung des Fahrtwindes zum Brennstoffzellenmoduls (10) vorhanden sind.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch betätigbare Ventile (30) zur Steuerung bzw. Regelung der Lufteinleitung vorhanden sind.

8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (25) zur Steuerung und Regelung der Luftmenge dient.

9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen­ modul (10) flach ausgebildet ist und eine Höhe von maximal 200 mm, vorzugsweise etwa 100 mm, hat.

10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmenge so bemessen wird, dass ein Lambda-Wert von wenigstens 2 eingehalten wird.

11. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft auch der Kühlung dient.

12. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft im Kreuzstrom zur Beatmungsluft geführt.

13. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmenge von Oxidans/Luft in Abhängigkeit von der Stacktemperatur geregelt wird und zwar so, dass die Betriebstemperatur zwischen 60 und 300°C, vorzugsweise zwischen 60 und 80°C bei PEM-Brennstoffzellen und 120 bis 200°C bei HT-PEM-Brennstoffzellen, liegt.