DE102018209430A1 - Verfahren zur Abgabe von Wärme, Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgabe von Wärme an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellensystems (1) und/oder an einen Fahrzeuginnenraum (21) eines Brennstoffzellenfahrzeugs (20), es umfasst die folgenden Schritte:- Erfassen einer Ist-Temperatur der Komponente des Brennstoffzellensystems (1) oder des Fahrzeuginnenraums (21) mittels eines Temperatursensors (7),- Vergleich der Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zieltemperatur mittels einer Steuerungseinrichtung (8),- Beim Feststellen eines Zurückbleibens der Ist-Temperatur hinter der Zieltemperatur: (b) Erwärmen des aus dem Brennstoffzellenstapel (5) austretenden Kühlmittels mittels einer Heizeinrichtung (9), (c) Führen des erwärmten Kühlmittels an den Wärmeübertrager (6), und (d) Abgabe der Wärme aus dem Kühlmittel an die Brennstoffzellenkomponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum (21), wobei (a) der Brennstoffzellenstapel (5) in einer von einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) abweichenden Betreibsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung betrieben wird, bei welcher das der Heizeinrichtung (9) zugeführte Kühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels (5) erwärmt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgabe von Wärme an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellensystems und/oder an einen Fahrzeuginnenraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • In der DE 10 2008 042 005 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Verdampfungskühlung gezeigt, wobei ein Kühlkreislauf durch den Brennstoffzellenstapel geführt wird, in welchem die Verdampfungskühlung erfolgt.
  • In der DE 10 2010 000 990 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Klimatisierungssystems zur Konditionierung von Luft für einen Fahrgastraum eines Fahrzeuges beschrieben. Hierbei wird ein Luftmassenstrom anteilig durch einen Wärmeübertrager und anteilig um den Wärmeübertrager herum durch einen Bypass geführt, wodurch ein gewünschter Gesamtstrom wechselschichtiger Zusammensetzung zur Komforterreichung oder Komforterhaltung des Klimas im Fahrgastraum entsteht.
  • Die DE 10 2016 004 986 A1 beschreibt einen Heizkreislauf, mit welchem das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durchgeführt werden kann. Dabei wird in dem Heizkreislauf das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel geleitet, bevor es über ein Heizelement an einen Wärmeübertrager geführt wird, wo die Wärme beispielsweise an den Fahrzeuginnenraum abgegeben werden kann, bevor das Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe wieder rezirkuliert wird.
  • Bei niedrigen Außentemperaturen oder bei einem hohen Heizleistungsbedarf, beispielsweise direkt nach dem Startvorgang, reicht unter Umständen die Wärme des Brennstoffzellenstapels für eine Erwärmung der Brennstoffzellenkomponente und/oder des Fahrzeuginnenraums allein nicht aus, so dass eine hierfür benötigte Energie dann elektrisch mit schlechteren Wirkungsgraden zur Verfügung gestellt werden muss.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Abgabe von Wärme an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellensystems und/oder an einen Fahrzeuginnenraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitzustellen, durch welche die benötigte Heizleistung zur Aufheizung der Komponente und/oder des Fahrzeuginnenraums auf eine einfache Weise bereitgestellt wird. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Insbesondere ist bei dem Verfahren zur Abgabe von Wärme an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellensystems und/oder an einen Fahrzeuginnenraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs ein Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelleitung vorhanden, die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Somit steht die Kühlmittelleitung in einer wärmeleitenden Verbindung mit den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, so dass an den Brennstoffzellen entstehende Wärme an ein sich in der Kühlmittelleitung befindendes Kühlmittel abgegeben werden kann. Zudem ist die Kühlmittelleitung durch einen Wärmeübertrager geführt, welcher ausgestaltet ist, Wärme des in der Kühlmittelleitung zirkulierenden Kühlmittels an die Komponente des Brennstoffzellensystems und/oder an den Fahrzeuginnenraum abzugeben. Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Erfassen einer Ist-Temperatur der Komponente des Brennstoffzellensystems oder des Fahrzeuginnenraums mittels eines Temperatursensors,
    • - Vergleich der Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zieltemperatur mittels einer Steuerungseinrichtung,
    • - beim Feststellen eines Zurückbleibens der Ist-Temperatur hinter der Zieltemperatur:
      • (b) Erwärmen des aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Kühlmittels mittels einer Heizeinrichtung,
      • (c) Führen des erwärmten Kühlmittels an den Wärmeübertrager, und
      • (d) Abgabe der Wärme aus dem Kühlmittel an die Brennstoffzellenkomponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum, wobei
      • (a) der Brennstoffzellenstapel in einer von einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems abweichenden Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung betrieben wird, bei welcher das der Heizeinrichtung zugeführte Kühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels erwärmt wird.
  • Damit wird also eine Erwärmung des Kühlmittels einerseits durch den Brennstoffzellenstapel und andererseits durch die Heizeinrichtung realisiert, wobei der Brennstoffzellenstapel in einer Betriebsweise betrieben wird, die eine erhöhte Wärmeentwicklung zur Verfügung stellt; und zwar gegebenenfalls unter Inkaufnahme eines schlechteren (elektrischen) Wirkungsgrads. Die Brennstoffzellenkomponente kann beispielsweise ein Bauteil der Brennstoffstoffversorgung, beispielsweise ein Brennstoffregelventil, ein Anodenrezirkulationsgebläse et cetera sein. Die Komponente kann auch ein Bauteil der Kathodengasversorgung, beispielsweise ein Verdichter, ein Wastegatestellglied, eine Befeuchteranordnung et cetera sein. Bei der Komponente des Brennstoffzellensystems kann es sich auch um eine elektrische Maschine bzw. einen Elektromotor handeln.
  • In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuerungseinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel und der Heizeinrichtung kommunikationsverbunden ist und einen Speicherbereich umfasst, in welchem ein Leistungs-Modell zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels und der Heizeinrichtung hinterlegt ist, welches einen Leistungsbedarf des Brennstoffzellenstapels und einen Leistungsbedarf der Heizeinrichtung vorgibt in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur und von der Zieltemperatur. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Aufheizung (bzw. die dafür benötigte Leistung) für die Brennstoffzellenkomponente und/oder den Fahrzeuginnenraum modellbasiert vorab berechnet werden kann und in Abhängigkeit der Ist-Temperatur und der Zieltemperatur in benötigte Betriebsparameter zum Betrieb der einzelnen Bauteile des Brennstoffzellensystems umgerechnet wird.
  • Als besonders effizient hat sich herausgestellt, wenn die Heizeinrichtung elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und von diesem zumindest zeitweise mit Strom versorgt wird, wenn die Heizeinrichtung elektrisch mit einer Batterie verbunden ist und von dieser ebenfalls zumindest zeitweise mit Strom versorgt wird, und wenn die Steuerungseinrichtung ausgestaltet ist, anhand des Leistungs-Modells eine Stromabnahme der Heizeinrichtung von dem Brennstoffzellenstapel und eine Stromabnahme der Heizeinrichtung von der Batterie in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur und von der Zieltemperatur einzustellen und/oder zu regeln. Dabei kann in Abhängigkeit des Wirkungsgrades eine Leistungsverschiebung vom Brennstoffzellenstapel in Richtung der Batterie und/oder umgekehrt erfolgen, um einerseits eine Zielwärme oder eine Zieltemperatur der Brennstoffzellenkomponente und/oder des Fahrzeuginnenraums zu erreichen, und um andererseits andere, mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch verbundene, Bauteile oder Komponenten mit Strom in ausreichender Höhe zu versorgen.
  • In einer vorteilhaften Weitergestaltung des Verfahrens wird die zeitliche Temperaturveränderung der Komponente und/oder des Fahrzeuginnenraums als Form einer Effizienz erfasst, wobei die Stromabnahme der Heizeinrichtung von der Batterie und die Stromabnahme der Heizeinrichtung von dem Brennstoffzellenstapel in Abhängigkeit dieser Effizienz erfolgt und/oder geregelt wird. Hierbei lässt sich zudem ein Effizienzvergleich zwischen dem Wirkungsgrad einer Leistungsverschiebung von dem Brennstoffzellenstapel in Richtung der Batterie und/oder umgekehrt nachvollziehen und in einer dynamischen Regelung umsetzen, derart, dass die Gesamtsystemeffizienz maximiert wird.
  • Aufgrund des verwendeten Modells lässt sich die Stromabnahme der Heizeinrichtung von der Batterie und die Stromabnahme der Heizeinrichtung von dem Brennstoffzellenstapel vorab in Abhängigkeit der Ist-Temperatur und der Zieltemperatur einstellen, so dass beispielsweise aufgrund von Erfahrungswerten bei einem Start bei niedrigen Außentemperaturen oder einem hohen Heizleistungsbedarf besonders schnell die passenden Betriebsparameter für die benötigte Heizleistung eingestellt und damit sehr schnell die gewünschte Zieltemperatur erreicht werden kann.
  • Ein besonders kompakter Aufbau und ein besonders einfaches Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung kathodenseitig eine gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems verarmte Sauerstoffversorgung vorliegt. Eine Sauerstoffverarmung lässt sich beispielsweise kathodenseitig realisieren durch das Zuführen von Wasserstoff in eine Kathodenzufuhrleitung oder auch durch Beimengung von Stickstoff in das Kathodengas. Die verdichterseitig dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Sauerstoffmenge ist dabei hart an die Stromstärke der Brennstoffzelle gekoppelt, so dass eine Verarmung zu einer geringeren Ausgangsleistung mit erhöhter Wärmeentwicklung des Brennstoffzellensystems führt.
  • Zudem lässt sich eine Reduktion der Sauerstoffkonzentration im Kathodengas dadurch realisieren, dass ein gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems abgesenkter Reaktantenbetriebsdruck vorliegt. Auch mittels des abgesenkten Reaktantenbetriebsdruck wird eine Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels realisiert, bei dem eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt.
  • Außerdem lässt sich eine Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels mit einer erhöhten Wärmeentwicklung gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels dadurch realisieren, dass die Heizeinrichtung vom Brennstoffzellenstapel einen erhöhten Strom abnimmt. Durch diese große Stromabnahme werden die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels warm bzw. heiß, so dass das in den Kühlkanälen des Brennstoffzellenstapels strömende Kühlmittel stärker erwärmt wird, als es der Fall in einem Normalbetrieb ist.
  • Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst. Es umfasst insbesondere
    • - einen mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel,
    • - einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelleitung, die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und die durch einen Wärmeübertrager geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung zirkulierenden Kühlmittels an zumindest eine Komponente des Brennstoffzellensystems und/oder an einen Fahrzeuginnenraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs abzugeben,
    • - eine Heizeinrichtung, die ausgestaltet ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Kühlmittel zu erwärmen, und
    • - eine einen Speicherbereich aufweisende Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, eine Ist-Temperatur eines Temperatursensors zu empfangen und beim Zurückbleiben der Ist-Temperatur hinter einer Zieltemperatur Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regulierung der Wärmezufuhr an die Komponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum zu ergreifen, wobei die Heizeinrichtung elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und wobei die Steuerungseinrichtung ausgestaltet ist, basierend auf einem im Speicherbereich hinterlegten Leistungs-Modell, den Brennstoffzellenstapel durch eine erhöhte Stromabnahme von der Heizeinrichtung in einen Betrieb zu versetzen, bei dem gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt und in welchem der Brennstoffzellenstapel das der Heizeinrichtung zuzuführende Kühlmittel erwärmt.
  • Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein besonders kompaktes Brennstoffzellensystem geschaffen ist, da nun eine leistungseffiziente Stromabnahme durch die Heizeinrichtung erfolgt, um das Kühlmittel schnell zu erwärmen. Dabei erfolgt die Abgabe von Wärme modellbasiert, was ebenfalls als besonders leistungseffizient gewertet wird.
  • Um den kathodenseitige Druck, insbesondere auch in der Kathodenzufuhrleitung einzustellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Druckstellglied in einer Kathodenabgasleitung angeordnet oder fluidmechanisch in diese eingekoppelt ist. Auch hierdurch lässt sich eine Sauerstoffverarmung herbeiführen und dadurch der Brennstoffzellenstapel in einem Betrieb mit erhöhter Wärmeentwicklung betreiben. Damit wird Brennstoffzellenstapel selbst dazu genutzt, um das in der Kühlmittelleitung zirkulierende Kühlmittels zu erwärmen.
  • Die das Brennstoffzellenfahrzeug betreffende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Dieses umfasst insbesondere ein Brennstoffzellensystem, welches insbesondere aufweist:
    • - einen mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel,
    • - einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelleitung, die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und die durch einen Wärmeübertrager geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung zirkulierenden Kühlmittels an einen Fahrzeuginnenraum des Brennstoffzellenfahrzeugs abzugeben,
    • - eine Heizeinrichtung, die ausgestaltet ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Kühlmittel zu erwärmen, und
    • - eine einen Speicherbereich aufweisende Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, eine Ist-Temperatur des Fahrzeuginnenraums eines Temperatursensors zu empfangen und beim Zurückbleiben der Ist-Temperatur hinter einer Zieltemperatur Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regulierung der Wärmezufuhr an den Fahrzeuginnenraum zu ergreifen, wobei die Heizeinrichtung elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden und ausgestaltet ist, das Kühlmittel durch zumindest anteilige Stromabnahme vom Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wobei die Heizeinrichtung elektrisch mit einer Batterie verbunden und ausgestaltet ist, das Kühlmittel durch zumindest anteilige Stromabnahme von der Batterie zu erwärmen, und wobei die Steuerungseinrichtung ausgestaltet ist, basierend auf einem im Speicherbereich hinterlegten Leistungs-Modell, den Brennstoffzellenstapel durch eine erhöhte Stromabnahme von der Heizeinrichtung in einen Betrieb zu versetzen, bei dem gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt und in welchem der Brennstoffzellenstapel das der Heizeinrichtung zuzuführende Kühlmittel erwärmt.
  • Auch damit ist der Vorteil verbunden, dass das Brennstoffzellenfahrzeug ein modellbasiertes System nutzt, um eine besonders schnelle Temperaturerhöhung der Komponente und/oder des Fahrzeuginnenraums herbeizuführen; zudem unter Beachtung des Aspekts der Leistungseffizienz.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem mit seinen Reaktantenflusspfaden (schematisch gezeigt),
    • 2 das Brennstoffzellensystem aus 1 mit seinem Kühlkreislauf (Heizkreislauf),
    • 3 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem nach 1 und 2 (schematisch gezeigt), und
    • 4 Diagramme der Brennstoffversorgung (hier: Wasserstoff / H2 in Kilogramm [kg]), der Temperatur TKM des Kühlmittels in Grad Celsius [°C] und der Leistung der Heizeinrichtung (PH in Kilowatt [kW]), jeweils aufgetragen über der Zeit, wobei die gestrichelt gezeichneten Kurven den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zeigen, und wobei die durchgezogenen Kurven den durch das erfindungsgemäße Verfahren optimierten Betrieb des Brennstoffzellensystems.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches einen Brennstoffzellenstapel 5 umfasst, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist.
  • Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathode kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 5 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 5 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Die Anodenräume sind vorliegend über eine Anodenzufuhrleitung 22 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 26 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 24 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulationsleitung 24 ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 24 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 22 ein Brennstoffstellglied 23 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 22 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 23 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmetauscher 25 in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung oder Konditionierung des Brennstoffes angeordnet.
  • Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 13 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft angesaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 14 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 14 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 15 zugeleitet. Im Befeuchter 15 wird das trockene Kathodengases mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 17 dem Befeuchter 15 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 16 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 5 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 15 mit einer Abgasleitung 19 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird. Zudem lässt sich, zumindest kathodenseitig, der Reaktantenbetriebsdruck mittels eines in der Kathodenabgasleitung 17 angeordneten Druckstellglied 27 regulieren. Um kathodenseitig eine Sauerstoffverarmung herbeizuführen kann der Brennstoff zudem über eine nicht näher dargestellte Leitung in die Kathodengasversorgung, insbesondere in deren Kathodenzufuhrleitung 16 eingebracht werden. Alternativ kann auch ein Stickstoffspeicher fluidmechanisch mit der Kathodengasversorgung, insbesondere mit deren Kathodenzufuhrleitung 16 verbunden werden, um bedarfsweise eine kathodenseitige Sauerstoffverarmung herbeiführen zu können.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Kühlung auf. Hierzu ist ein Kühlkreislauf 2 des Brennstoffzellensystems 1 vorgesehen, der in 2 gezeigt ist. Dieser Kühlkreislauf 2 umfasst eine Kühlmittelleitung 3, die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen 4 des Brennstoffzellenstapels 5 verbunden ist, und die durch einen Wärmeübertrager 6 geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung 3 zirkulierenden Kühlmittels an zumindest eine Komponente des Brennstoffzellensystems 1 und/oder an einen Fahrzeuginnenraum 21 eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 abzugeben (vgl. 3).
  • In die Kühlmittelleitung 3 ist außerdem eine Heizeinrichtung 9 integriert, die ausgestaltet ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel 5 austretende Kühlmittel zu erwärmen. Zur Förderung des Kühlmittels innerhalb der Kühlmittelleitung 3 ist in die Kühlmittelleitung 3 eine Kühlmittelpumpe 28 fluidmechanisch eingekoppelt. Außerdem ist ein Temperatursensor 7 vorhanden, der eine Ist-Temperatur einer Komponente des Brennstoffzellensystems 1 oder des Fahrzeuginnenraums 21 messen kann. Dieser Temperatursensor 7 ist über eine Kommunikationsverbindung 29 mit einer Steuerungseinrichtung 8 verbunden, welche vorzugsweise als ein Mikrocontroller gebildet ist. Diese Steuerungseinrichtung 8 ist außerdem über eine Kommunikationsverbindung 30 mit der Heizeinrichtung 9 verbunden. Außerdem ist die Steuerungseinrichtung 8 über eine Kommunikationsverbindung 31 mit dem Brennstoffzellenstapel 5 verbunden. Letztlich ist die Steuerungseinrichtung 8 auch über eine Kommunikationsverbindung 32 mit einer Batterie 12 verbunden. Die Heizeinrichtung 9 ist zudem über eine elektrische Verbindung 33 mit dem Brennstoffzellenstapel 5 verbunden und sie ist über eine elektrische Verbindung 34 zusätzlich mit der Batterie 12 verbunden.
  • Die Steuerungseinrichtung 8 weist einen Speicherbereich 10 auf, in welchem ein Leistungs-Modell 11 hinterlegt ist. Die Steuerungseinrichtung 8 ist ausgestaltet, eine Ist-Temperatur des Temperatursensors 7 zu empfangen und beim Zurückbleiben der Ist-Temperatur hinter einer Zieltemperatur Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regulierung der Wärmezufuhr an die Komponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum 21 zu ergreifen. Die Steuerungseinrichtung 8 ist außerdem dazu ausgestaltet, basierend auf dem im Speicherbereich 10 hinterlegten Leistungs-Modell 11, den Brennstoffzellenstapel 5 mittels einer erhöhten Stromabnahme von der Heizeinrichtung 9 in einen Betrieb zu versetzen, bei dem gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt und in welchem der Brennstoffzellenstapel 5 das der Heizeinrichtung 9 zuzuführende Kühlmittel erwärmt.
  • Das Leistungs-Modell 11 bewirkt außerdem eine Abstimmung der Stromabnahme über die elektrische Verbindung 33 von dem Brennstoffzellenstapel 5 und von der elektrischen Verbindung 34 von der Batterie 12 durch die Heizeinrichtung 9.
  • In 3 ist zu erkennen, dass das vorstehend erläuterte Brennstoffzellensystem 1 Bestandteil eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 ist, wobei der Temperatursensor 7 die Ist-Temperatur des Fahrzeuginnenraums 21 messen kann. Zudem ist eine elektrische Verbindung 35 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 5 und einer elektrischen Maschine 36 vorhanden, wobei es sich bei der elektrischen Maschine 36 insbesondere um einen Elektromotor zum Antreiben der Achsen oder der Räder des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 handelt. Hier kann auch ein Umrichter zur Bereitstellung eines beispielsweise Drei-Phasen-Stroms am Elektromotor vorhanden sein.
  • Nachfolgend sei erläutert, wie das Brennstoffzellensystem 1 oder das Brennstoffzellenfahrzeug 20 Wärme an eine Komponente des Brennstoffzellensystems 1 und/oder an den Fahrzeuginnenraum 21 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 abgibt.
  • Zunächst wird die Ist-Temperatur der Komponente des Brennstoffzellensystems 1 oder des Fahrzeuginnenraums 21 mittels des Temperatursensors 7 erfasst. Anschließend wird die Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zieltemperatur 40 mittels der Steuerungseinrichtung 8 verglichen. Wenn festgestellt wird, dass die Ist-Temperatur hinter der Zieltemperatur 40 zurückbleibt, so wird (a) der Brennstoffzellenstapel 5 in einer von einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 abweichenden Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung betrieben, bei welcher das der Heizeinrichtung 9 zugeführte Kühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels 5 erwärmt wird. (b) Zudem wird das aus dem Brennstoffzellenstapel 5 austretende Kühlmittel mittels der Heizeinrichtung 9 zusätzlich erwärmt. (c) Außerdem wird dann das erwärmte Kühlmittel an den Wärmeübertrager 6 geführt und (d) die Wärme aus dem Kühlmittel mittels des Wärmeübertrager 6 an den Fahrzeuginnenraum 21 abgegeben.
  • Die Heizeinrichtung 9 wird dabei zumindest zeitweise mit Strom des Brennstoffzellenstapels 5 und zumindest zeitweise mit Strom der Batterie 12 versorgt, wobei die Anteile der Stromversorgung vom Brennstoffzellenstapel 5 und von der Batterie 12 in Abhängigkeit des Leistungs-Modells 11 eingestellt und/oder geregelt werden.
  • Diese Betriebsweise zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums 21, lässt sich anhand der Diagramme nach 4 nachvollziehen, wobei die durchgezogenen Linien diejenigen Werte darstellen, die sich beim erfindungsgemäßen und damit optimierten Verfahren einstellen, und wobei die gestrichelten Linien, diejenigen Werte zeigen, die ohne das optimierte Verfahren zur Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum 21 erzielt werden (Normalwerte).
  • Es ist anhand der Brennstoffkurven 37a, 37b zu erkennen, dass der Brennstoffverbrauch bei Aktivierung der Heizstrategie gegenüber dem Normalbetrieb zunächst größer erscheint. Dies ist der Verwendung des Brennstoffes auf der Kathodenseite geschuldet, wo eine Verarmung des Kathodengases erfolgt (Sauerstoffverarmung). Allerdings ist in Summe der Brennstoffverbrauch geringer, da schneller die gewünschte Zieltemperatur 40 erreicht ist.
  • Zudem ist anhand der Kühlmittelkurven 38a, 38b zu erkennen, dass die Kühlmitteltemperatur ebenfalls deutlich ansteigt, was zu der erhöhten Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum 21 führt. Hier ist zu erkennen, dass die Zieltemperatur 40 mittels des optimierten Verfahrens zügiger erreicht ist.
  • Zudem ist anhand der Heizeinrichtungskurven 39a, 39b zu erkennen, dass zum Zeitpunkt t1 die Heizeinrichtung 9 eingeschaltet ist und einen Leistungsbedarf aufweist. Zum Zeitpunkt t2 ist die Zieltemperatur 40 erreicht, so dass die Heizeinrichtung 9 abgeschaltet werden kann, was grafisch einem Abfall in der Heizeinrichtungskurve 39b entspricht. Wenn die Heizeinrichtung 9 aufhört zu heizen, so wird der Brennstoffzellenstapel 5 vorzugsweise wieder in einem Normalbetrieb betrieben; er mit anderen Worten also zurückkehrt zu seinen optimalen Betriebsbedingungen, unter welchen er hinsichtlich seiner Leistungsabgabe einen hohen Wirkungsgrad aufzeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Kühlkreislauf
    3
    Kühlmittelleitung
    4
    Kühlkanäle
    5
    Brennstoffzellenstapel
    6
    Wärmeübertrager
    7
    Temperatursensor
    8
    Steuerungseinrichtung
    9
    Heizeinrichtung
    10
    Speicherbereich
    11
    Leistungs-Modell
    12
    Batterie
    13
    Verdichter
    14
    Ladeluftkühler
    15
    Befeuchter
    16
    Kathodenzufuhrleitung
    17
    Kathodenabgasleitung
    18
    Verdichterleitung
    19
    Abgasleitung
    20
    Brennstoffzellenfahrzeug
    21
    Fahrzeuginnenraum
    22
    Anodenzufuhrleitung
    23
    Brennstoffstellglied
    24
    Anodenrezirkulationsleitung
    25
    Wärmetauscher
    26
    Brennstoffspeicher
    27
    Druckstellglied
    28
    Kühlmittelpumpe
    29
    Kommunikationsverbindung (Temperatursensor)
    30
    Kommunikationsverbindung (Heizeinrichtung)
    31
    Kommunikationsverbindung (Brennstoffzellenstapel)
    32
    Kommunkationsverbindung (Batterie)
    33
    elektrische Verbindung (Brennstoffzellenstapel)
    34
    elektrische Verbindung (Batterie)
    35
    elektrische Verbindung (elektrische Maschine)
    36
    elektrische Maschine
    37a
    Brennstoffkurve (normal)
    37b
    Brennstoffkurve (optimiert)
    38a
    Kühlmittelkurve (normal)
    38b
    Kühlmittelkurve (optimiert)
    39a
    Heizeinrichtungskurve (normal)
    39b
    Heizeinrichtungskurve (optimiert)
    40
    Zieltemperatur
  • 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
    • DE 102008042005 A1 [0002]
    • DE 102010000990 A1 [0003]
    • DE 102016004986 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgabe von Wärme an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellensystems (1) und/oder an einen Fahrzeuginnenraum (21) eines Brennstoffzellenfahrzeugs (20), wobei ein Kühlkreislauf (2) mit einer Kühlmittelleitung (3) vorhanden ist, die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) des Brennstoffzellensystems (1) verbunden ist, und wobei die Kühlmittelleitung (3) durch einen Wärmeübertrager (6) geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung (3) zirkulierenden Kühlmittels an die Komponente des Brennstoffzellensystems (1) und/oder an den Fahrzeuginnenraum (21) abzugeben, umfassend die Schritte: - Erfassen einer Ist-Temperatur der Komponente des Brennstoffzellensystems (1) oder des Fahrzeuginnenraums (21) mittels eines Temperatursensors (7), - Vergleich der Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zieltemperatur mittels einer Steuerungseinrichtung (8), - Beim Feststellen eines Zurückbleibens der Ist-Temperatur hinter der Zieltemperatur: (b) Erwärmen des aus dem Brennstoffzellenstapel (5) austretenden Kühlmittels mittels einer Heizeinrichtung (9), und (c) Führen des erwärmten Kühlmittels an den Wärmeübertrager (6), und (d) Abgabe der Wärme aus dem Kühlmittel an die Brennstoffzellenkomponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum (21), dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Brennstoffzellenstapel (5) in einer von einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) abweichenden Betreibsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung betrieben wird, bei welcher das der Heizeinrichtung (9) zugeführte Kühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels (5) erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (8) mit dem Brennstoffzellenstapel (5) und der Heizeinrichtung (9) kommunikationsverbunden ist und einen Speicherbereich (10) umfasst, in welchem ein Leistungs-Modell (11) zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels (5) und der Heizeinrichtung (9) hinterlegt ist, welches einen Leistungsbedarf des Brennstoffzellenstapels (5) und einen Leistungsbedarf der Heizeinrichtung (9) vorgibt in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur und von der Zieltemperatur.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (9) elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel (5) verbunden ist und von diesem zumindest zeitweise mit Strom versorgt wird, dass die Heizeinrichtung (9) elektrisch mit einer Batterie (12) verbunden ist und von dieser ebenfalls zumindest zeitweise mit Strom versorgt wird, und dass die Steuerungseinrichtung (8) ausgestaltet ist, anhand des Leistungs-Modells (11) eine Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von dem Brennstoffzellenstapel (5) und eine Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von der Batterie (12) in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur und von der Zieltemperatur einzustellen und/oder zu regeln.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Temperaturveränderung der Komponente und/oder des Fahrzeuginnenraums (21) als Form einer Effizienz erfasst wird, und dass die Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von der Batterie (12) und die Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von dem Brennstoffzellenstapel (5) in Abhängigkeit dieser Effizienz erfolgt und/oder geregelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von der Batterie (12) und die Stromabnahme der Heizeinrichtung (9) von dem Brennstoffzellenstapel (5) vorab in Abhängigkeit der Ist-Temperatur und der Zieltemperatur eingestellt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung kathodenseitig eine gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) verarmte Sauerstoffversorgung vorliegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung ein gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) abgesenkter Reaktantenbetriebsdruck vorliegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (9) in der Betriebsweise mit erhöhter Wärmeentwicklung gegenüber dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) vom Brennstoffzellenstapel (5) einen erhöhten Strom abnimmt.
  9. Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: - einen mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (5), - einen Kühlkreislauf (2) mit einer Kühlmittelleitung (3), die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen (4) des Brennstoffzellenstapels (5) verbunden ist und die durch einen Wärmeübertrager (6) geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung (3) zirkulierenden Kühlmittels an zumindest eine Komponente des Brennstoffzellensystems (1) und/oder an einen Fahrzeuginnenraum (21) eines Brennstoffzellenfahrzeugs (20) abzugeben, - eine Heizeinrichtung (9), die ausgestaltet ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel (5) austretende Kühlmittel zu erwärmen, und - eine einen Speicherbereich (10) aufweisende Steuerungseinrichtung (8), die ausgestaltet ist, eine Ist-Temperatur eines Temperatursensors (7) zu empfangen und beim Zurückbleiben der Ist-Temperatur hinter einer Zieltemperatur Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regulierung der Wärmezufuhr an die Komponente und/oder an den Fahrzeuginnenraum (21) zu ergreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (9) elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel (5) verbunden ist, und dass die Steuerungseinrichtung (8) ausgestaltet ist, basierend auf einem im Speicherbereich (10) hinterlegten Leistungs-Modell (11), den Brennstoffzellenstapel (5) durch eine erhöhte Stromabnahme von der Heizeinrichtung (9) in einen Betrieb zu versetzen, bei dem gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt und in welchem der Brennstoffzellenstapel (5) das der Heizeinrichtung (9) zuzuführende Kühlmittel erwärmt.
  10. Brennstoffzellenfahrzeug (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Brennstoffzellensystem (1) umfassend: - einen mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (5), - einen Kühlkreislauf (2) mit einer Kühlmittelleitung (2), die strömungsmechanisch mit Kühlkanälen (4) des Brennstoffzellenstapels (5) verbunden ist und die durch einen Wärmeübertrager (6) geführt ist, welcher ausgestaltet ist, Wärme eines in der Kühlmittelleitung (3) zirkulierenden Kühlmittels an einen Fahrzeuginnenraum (21) des Brennstoffzellenfahrzeugs (20) abzugeben, - eine Heizeinrichtung (9), die ausgestaltet ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel (5) austretende Kühlmittel zu erwärmen, und - eine einen Speicherbereich (10) aufweisende Steuerungseinrichtung (8), die ausgestaltet ist, eine Ist-Temperatur des Fahrzeuginnenraums (21) eines Temperatursensors (7) zu empfangen und beim Zurückbleiben der Ist-Temperatur hinter einer Zieltemperatur Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regulierung der Wärmezufuhr an den Fahrzeuginnenraum (21) zu ergreifen, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Heizeinrichtung (9) elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel (5) verbunden und ausgestaltet ist, das Kühlmittel durch zumindest anteilige Stromabnahme vom Brennstoffzellenstapel (5) zu erwärmen, dass die Heizeinrichtung (9) elektrisch mit einer Batterie (12) verbunden und ausgestaltet ist, das Kühlmittel durch zumindest anteilige Stromabnahme von der Batterie (12) zu erwärmen, und dass die Steuerungseinrichtung (8) ausgestaltet ist, basierend auf einem im Speicherbereich (10) hinterlegten Leistungs-Modell (11), den Brennstoffzellenstapel (5) durch eine erhöhte Stromabnahme von der Heizeinrichtung (9) in einen Betrieb zu versetzen, bei dem gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) eine erhöhte Wärmeentwicklung vorliegt und in welchem der Brennstoffzellenstapel (5) das der Heizeinrichtung (9) zuzuführende Kühlmittel erwärmt.
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