DE102018218323A1

DE102018218323A1 - Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018218323A1
Application number: DE102018218323.6A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einem Kühlmittelkreislauf (2) mit einem Hauptwasserkühler (3) und einer Kühlmittelpumpe (4) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (1) aufweist, umfassend die Schritte des Erkennens eines Bremsvorganges (8) und Nutzung der dabei gewonnenen rekuperierten Energie zur Senkung der Temperatur eines im Kühlmittelkreislauf (2) zirkulierenden Kühlmittels. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einem Kühlmittelkreislauf mit einem Hauptwasserkühler und einer Kühlmittelpumpe eingebundenen Brennstoffzellenstapel aufweist, umfassend die Schritte des Erkennens eines Bremsvorganges und Nutzung der dabei gewonnenen rekuperierten Energie zur Senkung der Temperatur eines im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug.
Es ist ein aktuelles Bemühen, die Elektromobilität weiter zu stärken und dazu geeignete Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, die möglichst effizient betrieben werden können. Bei Kraftfahrzeugen, denen ein elektrisch betriebener Traktionsmotor zugeordnet ist, besteht die Möglichkeit, die dafür erforderliche elektrische Energie in einer Batterie, genauer in einem Akkumulator bereitzustellen, der möglichst groß dimensioniert ist, um eine angemessene Reichweite des Kraftfahrzeuges zu ermöglichen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die erforderliche elektrische Energie durch eine Brennstoffzellenvorrichtung zu erzeugen, da so die Batterie kleiner dimensioniert werden kann, wodurch Bauraum eingespart wird, weniger Masse mit dem Kraftfahrzeug bewegt werden muss und die für eine größer dimensionierte Batterie benötigten Ressourcen eingespart werden.
Weiterhin ist es bekannt, dass die bei einem Bremsvorgang umgewandelte kinetische Energie rekuperiert und in der Batterie gespeichert werden kann. Mit Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattete Kraftfahrzeuge sind hierbei im Nachteil, da die dabei eingesetzten relativ kleinen Batterien die beim Bremsvorgang rekuperierte Leistung nicht nutzen können, so dass die Gesamtsystemeffizienz reduziert ist.
In der US 2016/0036072 A1 ist bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung das Problem eines Kaltstartes angesprochen und zur Verminderung der damit verbundenen Probleme vorgeschlagen, bezüglich der Luftversorgung des Brennstoffzellenstapels einen Bypass vorzusehen, mit dem der Befeuchter umgangen werden kann, wobei zusätzlich der Bypass durch einen Kühlmittelwärmetauscher geführt ist. Damit besteht die Möglichkeit, bei einem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung unter Frostbedingungen Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, indem die Temperatur der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft angehoben und das Zuführen zusätzlicher Feuchtigkeit durch Umgehung des Befeuchters vermieden wird. Zusätzlich wird der Vorteil angegeben, dass auch bei fehlender Zirkulation des Kühlmittels der Kühlmittelwärmetauscher durch den durch den Bypass geleiteten Luftstrom beim Bremsen gekühlt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Nachteile eines mit einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer relativ kleinen Batterie ausgestatteten Kraftfahrzeuges vermindert oder beseitigt. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die beim rekuperativen Bremsen aus der kinetischen Energie gewonnene Energie nicht zwingend in der Batterie gespeichert werden muss, sondern eine sinnvolle Verwendung auch dadurch möglich ist, dass die bei einer Brennstoffzellenvorrichtung vorhandenen Nebenaggregate versorgt werden, wobei zusätzlich erkannt wurde, dass die bereitgestellte Energie in vorteilhafter Weise zur Senkung der Temperatur eines im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels genutzt wird, da so eine nachfolgende stärkere Temperaturerhöhung des Kühlmittels, also eine längere und stärkere Belastung der Brennstoffzellenvorrichtung möglich ist, bevor temperaturbedingt ein Derating, also eine Leistungsdrosselung erfolgen muss.
Als besonders zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, wenn bei dem Erkennen eines Bremsvorganges eine Reduktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels und ein Weiterbetreiben der Kühlmittelpumpe mittels der beim Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie und zumindest ein teilweises Abzweigen des Kühlmittels in einen den Brennstoffzellenstapel umgehenden Bypass erfolgt, in dem eine durch die gewonnene rekuperierte Energie betriebene Wärmepumpe die Kühlung des im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels bewirkt. Durch dieses Verfahren erfolgt eine besonders große Steigerung der Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung, da zum Einen deren Leistungsabgabe reduziert werden kann und darüber hinaus durch zusätzlichen Energieeinsatz, der aber durch die beim Bremsvorgang gewonnene rekuperierte Energie gedeckt wird, eine aktive Kühlung des im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels erfolgt, das Kühlmittel also von der Wärmebelastung entladen wird und einen entleerten Speicher für eine zukünftige Wärmebeladung bildet. Die Vorteile sind beispielsweise besonders bei hochlastigen Autobahnfahrten mit schnell abwechselnden Volllast- und Bremsphasen zu erkennen, da ein stärker reproduzierbares Fahrverhalten erreicht wird, weil in Bremsphasen über die Kühlmittelpumpe weiterhin ein Volumenstrom gefördert und über die Wärmepumpe das Kühlmittel und der Hauptwasserkühler aktiv heruntergekühlt werden. Die Speicherung der beim Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie erfolgt damit nicht notwendig exklusiv in einer Batterie, sondern kann als Kühläquivalent betrachtet werden. Ausgehend von der reduzierten Temperatur im Kühlmittelkreislauf kann eine nach dem Bremsvorgang folgende starke Beschleunigung verlängert durchgeführt werden.
Günstig ist es weiterhin, wenn die Reduktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels vollständig und die Versorgung der in der Brennstoffzellenvorrichtung vorhandenen Nebenaggregate mittels der beim Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie erfolgt. Dies bewirkt eine weitergehende Schonung der Brennstoffzellenvorrichtung, reduziert den Verbrauch der zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung erforderlichen Reaktanten und steigert damit insgesamt die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung.
Vorgesehen ist weiterhin, dass beim Beenden des Bremsvorgangs der Bypass wieder geschlossen und die Reduktion der Leistungsabgabe durch den Brennstoffzellenstapel beendet wird, der ausgehend von einer niedrigeren Temperatur des Kühlmittels für eine verlängerte Hochlastphase bereitgehalten wird.
Möglich ist es weiterhin, dass der Bypass als Kühlmittelspeicher genutzt wird, also durch das Öffnen des Bypasses eine vergrößerte Menge des Kühlmittels bereitgestellt wird, wobei diese zuvor nicht im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Menge des Kühlmittels thermisch nicht im gleichen Umfang beladen ist, sodass auch dadurch eine Senkung der Temperatur des insgesamt zirkulierenden Kühlmittels erreicht ist.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug verfügt über eine Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einem Kühlkreislauf mit einem Hauptwasserkühler und einer Kühlmittelpumpe eingebundenen Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei stromab der Kühlmittelpumpe und stromauf des Brennstoffzellenstapels ein Bypass an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, der den Brennstoffzellenstapel umgeht und stromab von diesem wieder in den Kühlkreislauf mündet, wobei in dem Bypass eine Wärmepumpe angeordnet ist und wobei Versorgungsleitungen zur Bereitstellung der bei einem Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie an die Kühlmittelpumpe und die Wärmepumpe vorgesehen sind. Die Versorgungsleitungen können dabei insbesondere die für den Standardbetrieb bereitgestellten Versorgungsleitungen sein, bei denen lediglich sichergestellt sein muss, dass die bei dem Rekuperationsvorgang gewonnene Energie zumindest mittelbar in das entsprechende Netz eingespeist werden kann.
Ein schneller Wechsel zwischen den Betriebszuständen lässt sich realisieren, indem dem Bypass mindestens ein Ventil zugeordnet ist, wobei auch bei jedem Abzweig des Bypass ein Ventil angeordnet sein kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der Leitungsquerschnitt des Bypasses durch dessen Eignung als Kühlmittelspeicher bestimmt ist; also nicht die Notwendigkeit besteht, dass der Leitungsquerschnitt des Bypass identisch zu dem Leitungsquerschnitt des Kühlmittelkreislaufes ist, sondern auch vergrö-ßert sein kann, wenn dadurch ohne erhöhte Anforderungen an den Bauraum ein vergrößerter Kühlmittelspeicher bereitgestellt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Ergänzung des Kühlkreislaufs durch den Bypass,
3 eine zeitabhängige Darstellung der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges mit schnell wechselnden Volllast- und Rekuperationsphasen, und
4 eine zeitabhängige Darstellung der Temperatur des Kühlmittels am Eingang 20 des Hauptwasserkühlers und am Ausgang 22 des Hauptwasserkühler, gezeigt für die Fälle der Nutzung rekuperierter Energie 21 und ohne Nutzung 23 (untere Abbildung) und die durch das Gesamtsystem verfügbare Leistung gezeigt für die Fälle mit 24 und ohne 25 Nutzung der durch die rekuperierte Energie versorgten Wärmepumpe.

In der 1 ist von einer Brennstoffzellenrichtung nur der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, nämlich der Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Mehrzahl in Reihe zusammengefasster Brennstoffzellen, für dessen Temperierung ein Kühlmittelkreislauf 2 vorgesehen ist mit einem Hauptwasserkühler 3 und einer Kühlmittelpumpe 4. Dieses System dient dazu, das in dem Brennstoffzellenstapel 1 mit Wärme beladene Kühlmittel bis zu einer Grenztemperatur herunter zu kühlen, damit bei einer nachfolgenden erhöhten Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 1, dessen Betrieb im bevorzugten Temperaturintervall sichergestellt ist und kein Derating, also keine Leistungsreduktion erfolgen muss, um die Einhaltung der erlaubten Grenzen des Temperaturintervalls sicherzustellen. Die Grenztemperatur wird dabei so gewählt, dass nachfolgend ein störungsfreier Betrieb sichergestellt ist; 50°C sind ein geeigneter Wert, der auch bei einer nachfolgenden Bergabfahrt ein Gefrieren des Kühlmittels vermeidet. Verbleibt das Kühlmittel im Bypass, kann dafür die Grenztemperatur durch Betrieb der Wärmepumpe bei 20°C erreicht werden.
In einem Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung finden häufig Bremsvorgänge 8 statt, bei denen kinetische Energie umgewandelt und beispielsweise durch Rekuperation als elektrische Energie in der Batterie der Brennstoffzellenvorrichtung bzw. des Kraftfahrzeuges gespeichert werden kann. Da bei mit Brennstoffzellenvorrichtungen ausgestatteten Kraftfahrzeugen diese Batterie relativ klein ist, ist auch die Möglichkeit der Nutzung der durch den Bremsvorgang 8 bereitgestellten rekuperierten Energie begrenzt und es ist ein Weg aufgezeigt, diese Energie zur Steigerung der Effizienz zu verwenden, indem eine Senkung der Temperatur des im Kühlmittelkreislauf 2 zirkulierenden Kühlmittels bewirkt wird. Dazu wird bei dem Erkennen eines Bremsvorganges 8 zunächst eine Reduktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 1 bewirkt, die sogar vollständig bis zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels 1 erfolgen kann. Ein Weiterbetreiben der Kühlmittelpumpe 4 mittels der beim Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie ist sichergestellt, wobei das Kühlmittel in einen den Brennstoffzellenstapel 1 bei 9, 10 umgehenden Bypass 5 gepumpt wird. In diesem Bypass 5 ist eine Wärmepumpe 6 angeordnet, die mit der gewonnenen rekuperierten Energie betrieben wird, um die Kühlung des im Kühlmittelkreislauf 2 zirkulierenden Kühlmittels zu bewirken. Das Öffnen und Schließen des Bypasses 5 kann dabei insbesondere durch ein am Abzweig oder im Bypass 5 selber angeordnetes Ventil erfolgen.
Beim Beenden des Bremsvorganges 8 wird der Bypass 5 wieder geschlossen und die Reduktion der Leistungsabgabe durch den Brennstoffzellenstapel 1 beendet.
3 zeigt den Anwendungsfall, dass beispielsweise bei einer Autobahnfahrt der Brennstoffzellenstapel 1 unter Volllast 7 betrieben wird, was zu einer starken Erwärmung des im Kühlmittelkreislauf 2 zirkulierenden Kühlmittels führt. Wird die Volllastphase 7 durch einen Bremsvorgang 8 beendet, wird die durch die Rekuperation bereitgestellte Energie genutzt, um die Temperatur des Kühlmittels verstärkt zu senken, sodass nachfolgend für die sich daran anschließende neue Phase unter Volllast 7 eine länger andauernde Erwärmung des Kühlmittels bis zu dessen erlaubter Grenztemperatur möglich ist, also ein reproduzierbares Fahrverhalten mit einer Verlängerung des Boostvorganges für die Volllast 7 gegeben ist.
4 zeigt das Temperaturverhalten des Kühlmittels bei einem Bremsvorgang 8, bei dem die bereitgestellte rekuperierte Energie zur Senkung der Kühlmitteltemperatur genutzt wird, sodass bei einer nachfolgend erhöhten Leistungsanforderung diese länger bereitgestellt werden kann
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Kühlmittelkreislauf
3: Hauptwasserkühler
4: Kühlmittelpumpe
5: Bypass
6: Wärmepumpe
7: Volllast
8: Bremsvorgang
9: Abzweig in Bypass
10: Abzweig aus Bypass
20: Temperatur des Kühlmittels am Eingang des Hauptwasserkühlers
21: Temperatur des Kühlmittels bei Nutzung rekuperierter Energie
22: Temperatur des Kühlmittels am Ausgang des Hauptwasserkühlers
23: Temperatur des Kühlmittels ohne Nutzung rekuperierter Energie
24: verfügbare Leistung mit Nutzung der rekuperierten Energie
25: verfügbare Leistung ohne Nutzung der rekuperierten Energie

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 2016/0036072 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einem Kühlmittelkreislauf (2) mit einem Hauptwasserkühler (3) und einer Kühlmittelpumpe (4) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (1) aufweist, umfassend die Schritte des Erkennens eines Bremsvorganges (8) und Nutzung der dabei gewonnenen rekuperierten Energie zur Senkung der Temperatur eines im Kühlmittelkreislauf (2) zirkulierenden Kühlmittels.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Erkennen eines Bremsvorganges (8) eine Reduktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels (1) und ein Weiterbetreiben der Kühlmittelpumpe (4) mittels der beim Bremsvorgang (8) gewonnenen rekuperierten Energie und zumindest ein teilweises Abzweigen des Kühlmittels in einen den Brennstoffzellenstapel (1) umgehenden Bypass (5) erfolgt, in dem eine durch die gewonnene rekuperierte Energie betriebene Wärmepumpe (6) die Kühlung des im Kühlmittelkreislauf (2) zirkulierenden Kühlmittels bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels (1) vollständig und die Versorgung der in der Brennstoffzellenvorrichtung vorhandenen Nebenaggregate mittels der beim Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beenden des Bremsvorganges (8) der Bypass (5) wieder geschlossen und die Reduktion der Leistungsabgabe durch den Brennstoffzellenstapel (1) beendet wird, der ausgehend von einer niedrigeren Temperatur des Kühlmittels für eine verlängerte Hochlastphase bereit gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (5) als Kühlmittelspeicher genutzt wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einem Kühlmittelkreislauf (2) mit einem Hauptwasserkühler (3) und einer Kühlmittelpumpe (4) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Kühlmittelpumpe (4) und stromauf des Brennstoffzellenstapels (1) ein Bypass (5) an den Kühlmittelkreislauf (2) angeschlossen ist, der den Brennstoffzellenstapel (1) umgeht und stromab von diesem wieder in den Kühlmittelkreislauf (2) mündet, dass in dem Bypass (5) eine Wärmepumpe (6) angeordnet ist, und dass Versorgungsleitungen zur Bereitstellung der bei einem Bremsvorgang gewonnenen rekuperierten Energie an die Kühlmittelpumpe (4) und die Wärmepumpe (6) vorgesehen sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bypass (5) mindestens ein Ventil zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsquerschnitt des Bypasses (5) durch dessen Eignung als Kühlmittelspeicher bestimmt ist.