DE102010007857A1

DE102010007857A1 - Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102010007857A1
Application number: DE102010007857A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Bauer (FH), 74226
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) für ein Fahrzeug, mit einem Kühlkreislauf (16, 18) zum Kühlen von Komponenten (12, 14) des Brennstoffzellensystems (10). In dem Kühlkreislauf (16, 18) ist eine Pumpeinrichtung (20, 22) zum Pumpen eines Kühlmittels angeordnet. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst Mittel (24) zum Beaufschlagen der Pumpeinrichtung (20, 22) mit aus einem Energiespeicher (26) des Brennstoffzellensystems (10) stammender elektrischer Energie. Des Weiteren Betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Kühlkreislauf zum Kühlen von Komponenten des Brennstoffzellensystems. In dem Kühlkreislauf ist eine Pumpeinrichtung zum Pumpen eines Kühlmittels angeordnet. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem einen Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Die US 202/0160245 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf. In dem Kühlkreislauf wird ein Kühlmittel durch eine Pumpe zu einem Brennstoffzellenstapel befördert. Das erwärmte Kühlmittel wird mittels eines Wärmeübertragers gekühlt. Der Kühlkreislauf umfasst des Weiteren ein Ventil, welches ein Entlüften des Kühlkreislaufs ermöglicht. Dies ist insbesondere bei einer Erstbefüllung oder bei einem Austausch des Kühlmittels notwendig.
Das erstmalige Befüllen oder Neubefüllen des Kühlkreislaufs mit dem Kühlmittel ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen auch deswegen ein aufwändiger Vorgang, weil hierfür die Pumpe über eine externe Schnittstelle mit Spannung versorgt und mit einem Bediengerät angesteuert wird. Hierbei muss eine Bedienperson Steuerbefehle derart in das Bediengerät eingeben, dass die Pumpe den Brennstoffzellenstapel mit einem nicht zu hohen Kühlmittelmassenstrom beaufschlagt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einen Befüllvorgang des Kühlkreislaufs mit Kühlmittel erleichtert.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gegeben.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug umfasst einen Kühlkreislauf zum Kühlen von Komponenten des Brennstoffzellensystems. In dem Kühlkreislauf ist eine Pumpeinrichtung zum Pumpen eines Kühlmittels angeordnet. Des Weiteren verfügt das Brennstoffzellensystem über einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie, und es sind Mittel zum Beaufschlagen der Pumpeinrichtung mit aus dem Energiespeicher stammender elektrischer Energie vorgesehen. Da die elektrische Energie des systemeigenen Energiespeichers zum Antreiben der Pumpeinrichtung verwendet wird, kann das Anschließen der Pumpeinrichtung an eine externe Stromquelle, etwa über ein Netzteil, entfallen.
Wenn nach dem Befüllen des Brennstoffzellenstapels und des Kühlkreislaufs mit dem Kühlmittel der Brennstoffzellenstapel in Betrieb genommen werden, kann die durch das Betreiben des Brennstoffzellenstapels bereitgestellte elektrische Energie zum Versorgen der Pumpeinrichtung herangezogen werden. Dem liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Bennstoffzellenstapel eine Hochvolt-Spannung liefert, welche für die – üblicherweise als Hochvoltpumpe ausgebildete – Pumpeinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Vor dem Anlaufen des Brennstoffzellenstapels steht jedoch diese Hochvolt-Spannung nicht zur Verfügung. Dadurch, dass auf das aufwändige Anschließen der Pumpeinrichtung an eine externe, nicht zu dem Brennstoffzellensystem gehörende Spannungsquelle verzichtet werden kann, kann der Befüllvorgang des Kühlkreislaufs besonders rasch und einfach erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel einen Spannungswandler, sodass die aus dem Energiespeicher stammende elektrische Energie in genau die Spannung umgewandelt werden kann, welche für das Betreiben der Pumpeinrichtung besonders gut geeignet ist. Insbesondere können nämlich Pumpeinrichtungen zum Einsatz kommen, welche für eine Spannung aus dem Bereich von 150 V bis 400 V ausgelegt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel eine Steuerungseinrichtung, mittels welcher eine Förderleistung der Pumpeinrichtung einstellbar ist. Es kann also in der Steuerungseinrichtung eine Routine hinterlegt sein, welche beim Befüllen des Kühlkreislaufs mit Kühlmittel dafür sorgt, dass der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems nicht mit einem sich unter zu hohem Druck befindenden Kühlmittel beaufschlagt wird. Solange nämlich der Brennstoffzellenstapel noch nicht mit Reaktionsgasen, etwa mit Wasserstoffgas und Luft zum Bereitstellen von Sauerstoff, beaufschlagt ist, kann ein zu großer Druck des Kühlmittels im Brennstoffzellenstapel eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels mit sich bringen. Dies kann durch die Steuerung mittels der Steuerungseinrichtung verhindert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug fördert eine in einem Kühlkreislauf zum Kühlen von Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnete Pumpeinrichtung Kühlmittel, wobei die Pumpeinrichtung mit aus einem Energiespeicher des Brennstoffzellensystems stammender elektrischer Energie beaufschlagt wird.
Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einem Kühlkreislauf und Mitteln zum Ansteuern einer Kühlmittelpumpe beim Befüllen des Kühlkreislaufs.
Ein in der Figur schematisch gezeigtes Brennstoffzellensystem 10 umfasst zwei schaltungstechnisch parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel 12, 14. Jedem der beiden Brennstoffzellenstapel 12, 14 ist ein eigener Kühlkreislauf 16, 18 mit einer jeweiligen Kühlmittelpumpe 20, 22 zugeordnet. In alternativen Ausführungsformen ist es vorstellbar, ein Brennstoffzellensystem mit lediglich einen Brennstoffzellenstapel 14 mit zugehörigem Kühlkreislauf 18 und Kühlmittelpumpe 22 vorzusehen.
Bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 10 oder wenn das Kühlmittel (etwa aufgrund von Verunreinigungen) ausgetauscht werden muss, wird zunächst der jeweilige Kühlkreislauf 16, 18 und somit auch der Brennstoffzellenstapel 12, 14 mit Kühlmittel befüllt. Während des Befüllens werden dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 12, 14 noch kein Wasserstoff und kein Sauerstoff zugeführt, der Brennstoffzellenstapel 12, 14 wird also noch nicht betrieben. Erst das an das Befüllen des Kühlkreislaufs 16, 18 anschließende Betreiben des Brennstoffzellenstapels 12, 14 sorgt später dafür, dass dieser eine Hochvoltspannung zum Betreiben der Kühlmittelpumpe 20, 22 bereitstellt.
Um nun auf ein aufwändiges Anschließen der als Hochvolt-Pumpen ausgebildeten Kühlmittelpumpen 20, 22 an ein externes Hochvolt-Stromnetz verzichten zu können, sind vorliegend Mittel 24 bereitgestellt, welche dafür sorgen, dass ein zu dem Brennstoffzellensystem 10 gehörender Energiespeicher die benötigte Hochvolt-Spannung bereitstellen kann.
Die Mittel 24 umfassen einen Akkumulator 26, welcher mit einem Spannungswandler 28 gekoppelt ist. Der Spannungswandler 28 wandelt die niedrige Gleichspannung des Akkumulators 26 in eine hohe Gleichspannung um, welche den Kühlmittelpumpen 20, 22 über einen Verteiler 30 der Mittel 24 zugeführt wird. Über den Spannungswandler 28 und den Verteiler 30 kann beim Starten der Brennstoffzellenstapel 12, 14 auch die Spannung für Peripheriegeräte wie etwa einen Kompressor zum Beaufschlagen des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 12, 14 mit Luft breitgestellt werden. Insbesondere wenn der auf diese Weise dem Starten des Brennstoffzellenstapels 12, 14 dienende Spannungswandler 28 ohnehin vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, diesen auch zum Beaufschlagen der Kühlmittelpumpe 20, 22 mit der Hochvolt-Spannung zu nutzen, solange der Brennstoffzellenstapel 12, 14 noch keine ausreichend hohe Spannung bereitstellt.
In der Figur ist lediglich schematisch veranschaulicht, wie die Mittel 24 zum Ansteuern einer der Kühlmittelpumpen 22 mit dieser zusammenwirken, jedoch können dieselben Mittel 24 oder gleichartige, dem parallelen Brennstoffzellenstapel 12 zugeordnete (nicht gezeigte) Mittel auf dieselbe Art und Weise das Ansteuern der Kühlmittelpumpe 20 des anderen Kühlkreislaufs 16 bewirken.
Ein Steuergerät 32 steuert die Drehzahl der Kühlmittelpumpen 20, 22 so, dass der in dem Kühlmittel sich aufbauende Druck nicht zu einer Schädigung der Brennstoffzellenstapel 12, 14 führt. Beispielsweise kann eine Kennlinie der Kühlmittelpumpen 20, 22 genutzt werden, um eine ausreichend niedrige Drehzahl derselben sicherzustellen. Die Drehzahl kann beispielsweise auf 1000 Umdrehungen pro Minute begrenzt sein. Ergänzend oder zusätzlich kann, wie vorliegend gezeigt, ein Druckfühler 34 den Druck des Kühlmittels in dem jeweiligen Kühlkreislauf 16, 18 überwachen. Solange jedoch in dem Kühlkreislauf 16, 18 noch Luft enthalten ist, kann der von dem Druckfühler 34 ausgegebene Wert vergleichsweise stark schwanken, sodass es besonders sicher ist, wenn die Drehzahl Kühlmittelpumpen 20, 22 während des Befüllens des jeweiligen Kühlkreislaufs 16, 18 auf einen Maximalwert begrenzt ist.
Zum Entlüften des jeweiligen Kühlkreislaufs 16, 18 wird ein 3/2-Wege Ventil 36, 38 so geschaltet, dass in jedem der zwei Kühlkreisläufe 16, 18 von dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 12, 14 stammendes Kühlmittel über eine Zuleitung 40, 42 einem Wärmeübertrager 44 zuströmen kann. Vorliegend ist ein gemeinsamer Wärmeübertrager 44 für beide Kühlkreisläufe 16, 18 vorgesehen. Der Wärmeübertrager 44 weist je Kühlkreislauf 16, 18 eine Entlüftungseinrichtung 46, 48 auf, über welche mit dem Kühlmittel transportiertes Gas aus dem jeweiligen Kühlkreislauf 16, 18 entweichen kann. Das entgaste Kühlmittel kann über eine jeweilige Rückführungsleitung 50, 52 wieder dem Brennstoffzellenstapel 12, 14 zugeführt werden. Zwischen den Kühlmittelpumpen 20, 22 und den Brennstoffzellenstapeln 12, 14 ist in jedem Kühlkreislauf 16, 18 noch ein Filter 54 vorgesehen.
Die mittels der Steuereinrichtung 32 ansteuerbaren 3/2-Wege Ventile 36, 38 können, wenn kein Entlüften oder Kühlen des Kühlmittels notwendig ist, auch in eine Schaltstellung verbracht werden, in welcher das den jeweiligen Brennstoffzellenstapel 12, 14 verlassende Kühlmittel unter Umgehung des Wärmeübertragers 44 wieder der Saugseite der Kühlmittelpumpe 20, 22 zugeführt wird.
Während des Befüllvorgangs des jeweiligen Kühlkreislaufs 16, 18 steuert allerdings die Steuereinrichtung das 3/2-Wege-Ventil 36, 38 so an, dass das Kühlmittel entlüftet wird. Auch das Verbringen des 3/2-Wege Ventils 36, 38 in die für das Entlüften geeignete Stellung braucht vorliegend nicht manuell eingestellt werden. Auch dies trägt zum Erleichtern des Befüllvorgangs der Kühlkreisläufe 16, 18 bei.
Da auch die Steuerbefehle zum Ansteuern und Überwachen der Drehzahl der Kühlmittelpumpen 20, 22 über das zentrale Steuergerät 32 des Brennstoffzellensystems 10 vorgenommen werden, ist ein automatisierter Befüllvorgang mit automatischer Entlüftung der Kühlkreisläufe 16, 18 realisierbar, ohne dass die Brennstoffzellenstapel 12, 14 Schaden nehmen.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Brennstoffzellenstapel
16: Kühlkreislauf
18: Kühlkreislauf
20: Kühlmittelpumpe
22: Kühlmittelpumpe
24: Mittel
26: Akkumulator
28: Spannungswandler
30: Verteiler
32: Steuergerät
34: Druckfühler
36: 3/2-Wegeventil
38: 3/2-Wegeventil
40: Zuleitung
42: Zuleitung
44: Wärmeübertrager
46: Entlüftungseinrichtung
48: Entlüftungseinrichtung
50: Rückführungsleitung
52: Rückführungsleitung
54: Filter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 202/0160245 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Kühlkreislauf (16, 18) zum Kühlen von Komponenten (12, 14) des Brennstoffzellensystems (10), wobei in dem Kühlkreislauf (16, 18) eine Pumpeinrichtung (20, 22) zum Pumpen eines Kühlmittels angeordnet ist, und mit einem Energiespeicher (26) zum Speichern von elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) Mittel (24) zum Beaufschlagen der Pumpeinrichtung (20, 22) mit aus dem Energiespeicher (26) stammender elektrischer Energie umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) einen Spannungswandler (28) umfassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) eine Steuerungseinrichtung (32) umfassen, mittels welcher eine Förderleistung der Pumpeinrichtung (20, 22) einstellbar ist.
Brennstoffzellensystem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (32) zum Ansteuern einer Stelleinrichtung (36, 38) ausgelegt ist, mittels welcher ein Durchströmtwerden des Kühlkreislaufs (16, 18) einstellbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16, 18) eine Entlüftungseinrichtung (46, 48) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16, 18) eine Messeinrichtung (34) zum Überwachen des Drucks des sich in dem Kühlkreislauf (16, 18) befindenden Kühlmittels aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für ein Fahrzeug, wobei bei dem Verfahren eine in einem Kühlkreislauf (16, 18) zum Kühlen von Komponenten (12, 14) des Brennstoffzellensystems (10) angeordnete Pumpeinrichtung (16, 18) ein Kühlmittel fördert, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (16, 18) mit aus einem Energiespeicher (26) des Brennstoffzellensystems (10) stammender elektrischer Energie beaufschlagt wird.