Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug.

Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Während dieses Prozesses produziert die Brennstoffzelle zusätzlich thermische Energie, welche über eine Kühlung abgeführt werden muss.

Stand der Technik

Aus der EP 2 287 952 Bl ist eine Temperiervorrichtung zum Temperieren eines Brennstoffzellenstacks bekannt.

Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass um einen möglichst guten Wirkungsgrad für die Brennstoffzelle zu erreichen, muss diese mit einer bestimmten, möglichst gleichbleibenden Betriebstemperatur betrieben werden. Die Betriebstemperatur hängt dabei vom Typ der Brennstoffzelle ab. Bei einem Überhitzen der Brennstoffzelle muss die Leistung der Brennstoffzelle beschränkt werden. Aus diesem Grund ist eine ausreichende Kühlung während des

Betriebes wichtig. Zum anderen kann bei einer Betriebsaufnahme der

Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen, die als Kaltstart bezeichnet wird, die Brennstoffzelle nur eine geringe Leistung bereitstellen, da die elektrochemische Reaktion und damit die Spannung der Brennstoffzelle stark temperaturabhängig ist. Daher muss die Temperatur der Brennstoffzelle bei einem Kaltstart zügig erhöht werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum

Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug anzugeben, mit welchem das Brennstoffzellensystem auf energieeffiziente und wirtschaftliche Weise betreibbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug an, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens zwei Brennstoffzellenstacks aufweist und das Verfahren wenigstens vier verschiedene Betriebsmodi umfasst. Das Verfahren umfasst dabei einen ersten

Betriebsmodus, bei dem bei Inaktivität aller Brennstoffzellenstacks wenigstens ein wenigstens einen Brennstoffzellenstack umfassender Kühlmediumkreislauf des Brennstoffzellensystems über ein mittels eines elektrischen Heizers vorgeheizten Kühlmediums bei Umgehung aller Kühlerkreisläufe der aktiven Kühlmediumkreisläufe über Bypassleitungen vorgewärmt wird, und der wenigstens eine vorgewärmte Brennstoffzellenstack zum Vorwärmen wenigstens eines weiteren wenigstens einen Brennstoffzellenstack umfassenden

Kühlmediumkreislaufs des Brennstoffzellensystems in einem nächsten Schritt in Betrieb genommen wird, einen zweiten Betriebsmodus, bei welchem alle Kühlmediumkreisläufe betrieben werden und wenigstens ein

Brennstoffzellenstack inaktiv ist, wobei zu allen aktiv betriebenen

Brennstoffzellenstacks die Kühlerkreisläufe aktiv betrieben werden und zusätzlich die Umgehung wenigstens eines Kühlerkreislaufes über die Bypassleitung des wenigstens einen inaktiven Brennstoffzellenstack wenigstens reduziert wird, einen dritten Betriebsmodus, bei welchem bei Betrieb aller Kühlmediumkreisläufe wenigstens zwei Brennstoffzellenstacks und die Kühlerkreisläufe aller Brennstoffzellenstacks aktiv betrieben werden, und einen vierten Betriebsmodus, bei welchem bei Inaktivität wenigstens eines Brennstoffzellenstacks der dazugehörige Kühlerkreislauf über die Bypassleitung umgangen wird, und wobei alle Kühlmediumkreisläufe des Brennstoffzellensystems aktiv sind, so dass die inaktiven Brennstoffzellenstacks über die aktiven Brennstoffzellenstacks warm gehalten werden.

Als Kühlerkreis im Sinne der Erfindung wird lediglich einen den Kühler umfassender Leitungsabschnitt des Kühlmediumkreislaufes verstanden. Dieser Leitungsabschnitt kann durch eine Bypassleitung des Kühlmediumkreislaufes umgangen werden, so dass kein Kühlmedium bzw. eine reduzierte

Kühlmediummenge durch den Kühler geleitet wird. Unter einer Inaktivität eines Brennstoffzellenstacks ist zu verstehen, dass dieser Brennstoffzellenstack nicht betrieben bzw. nicht mit Brennstoff versorgt wird. Dementsprechend wird bei einem aktiv betriebenen Brennstoffzellenstack, dieser mit Brennstoff versorgt.

Das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems hat den Vorteil, dass über die Aufheizung eines weiteren Brennstoffzellenstacks über die Abwärme eines aktiven Brennstoffzellenstacks Energie eines elektrischen Heizers eingespart werden kann. Dadurch kann das Verfahren energieeffizienter und wirtschaftlicher betrieben werden. Durch die mögliche Verwendung aller vorhandenen Kühler für die Kühlung des Kühlmediums können die einzelnen Kühler kleiner ausgelegt und/oder kann die erforderliche Lüfterleistung zur Kühlung reduziert werden, so dass das Verfahren wirtschaftlicher ist. Auch die Möglichkeit einer Durchströmung der inaktiven Brennstoffzellenstacks reduziert durch die Aufwärmung der Brennstoffzellenstack bzw. das Warmhalten, die benötigte Kühlerleistung. Das Verfahren hat zusätzlich den Vorteil, dass trotz einer hohen Freiheit der Verfahrensführung ein Großteil der Komponenten gemeinsam nutzbar ist. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit eines solchen Verfahrens erhöht.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Kühlmedium zusätzlich zum Beheizen eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges verwendet. Dazu wird das Kühlmedium durch einen Wärmetauscher geleitet, so dass eine dem

Innenraum zugeleitete Luft erwärmt wird. Dadurch kann der Innenraum schnell auf eine angenehme Temperatur gebracht werden. Zusätzlich können Kosten für einen elektrischen Innenraumheizer eingespart werden. Durch die Beheizung des Innenraumes wird zusätzlich ein Kühleffekt des Kühlmediums erzielt.

Vorteilhafterweise wird das Kühlmedium über eine

Innenraumwärmetauscherpumpe einem Innenraumwärmetauscher zugeführt. Dadurch wird eine Versorgung des Innenraumwärmetauschers sichergestellt. Zusätzlich kann durch Regelung der Pumpleistung die Durchflussmenge und damit die für den Innenraumwärmetauscher benötigte Wärmeenergie geregelt werden. Auch ist Innenraumwärmetauscher unabhängig von einem Betrieb des Kühlmediumkreislaufes betreibbar.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren einen Betriebsmodus, bei welchem bei Inaktivität aller Kühlmediumkreisläufe, aller Brennstoffzellenstacks und aller Kühlerkreisläufe, das Kühlmedium mittels des elektrischen Heizers aufgeheizt wird und die Wärme über den

Innenraumwärmetauscher abgegeben wird. Bei diesem Betriebsmodus kann eine Beheizung des Innenraumes auch bei einer Inaktivität der

Kühlmediumkreisläufe durchgeführt werden. Dieser Betriebsmodus ist insbesondere interessant für eine Beheizung des Innenraumes, bei welchem das Kraftfahrzeug nicht betrieben wird. Dadurch kann ein Fahrer beispielsweise im Fahrzeug bei ausreichender Temperierung des Innenraumes übernachten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden im zweiten Betriebsmodus alle Kühlerkreisläufe der inaktiven Brennstoffzellenstacks in Betrieb genommen. Dadurch kann eine maximale Kühlleistung des

Brennstoffzellensystems erzielt werden. Durch die Nutzung aller Kühler wird die Kühlerfläche erhöht, so dass Energie zum Betreiben der Kühlerlüfter eingespart werden kann. Es wird zusätzlich vermieden, dass der Brennstoffzellenstack zum Schutz vor einer Überhitzung heruntergeregelt wird.

Vorzugsweise wird im zweiten Betriebsmodus wenigstens ein Kühlerkreislauf der inaktiven Brennstoffzellenstacks über die Bypassleitung umgangen. Dabei kann bevorzugt der Kühlerkreislauf wenigstens teilweise über die Bypassleitung umgangen werden. Dadurch wird die Kühlleistung soweit reduziert bzw.

eingestellt, dass eine Auskühlung des Brennstoffzellensystems vermieden wird.

Vorteilhafterweise wird das Kühlmedium mittels eines PTC-Heizers elektrisch vorgeheizt. PTC-Heizer haben den Vorteil, dass sie sich nur bis zu einer bestimmten Temperatur aufheizen und die Stromaufnahme danach automatisch reduziert wird. Im Vergleich dazu benötigen andere Techniken eine Regelung, da deren Heizelemente nicht selbstregelnd sind. Es ist somit keine Regelung notwendig.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird im ersten Betriebsmodus ein einziger Kühlmediumkreislauf aktiv betrieben, so dass ein einziger Brennstoffzellenstack elektrisch vorgewärmt wird. Dies hat den Vorteil, dass dieser

Brennstoffzellenstack schneller aufgeheizt wird, so dass die Abwärme dieses Brennstoffzellenstacks schneller zum Aufheizen der übrigen

Brennstoffzellenstacks verwendet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Umgehung oder Reduzierung der Durchströmung der Kühlerkreisläufe über die Bypassleitungen mittels Ventilen aktiviert. Bevorzugt werden dabei Umschaltventile und besonders bevorzugt 3/2-Wege-Umschaltventile eingesetzt. Mittels Ventilen kann der Kühlmediumstrom geleitet werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile kann beispielsweise ein Kühlkreislauf mit dem entsprechenden Kühler umgangen werden, so dass eine Kühlleistung reduziert wird.

Bevorzugt werden alle Kühlmediumkreisläufe zu einer gemeinsamen

Sammelleitung zusammengeführt. Als Sammelleitung ist dabei eine Leitung zu verstehen in die aus verschiedenen Quellen das Kühlmedium eingeleitet und weitertransportiert wird. Nachdem das gesamte Kühlmedium in die

Sammelleitung eingeleitet wurde, wird das Kühlmedium zu den verschiedenen Brennstoffzellenstacks geleitet. Dadurch kann das Kühlmedium auf alle

Brennstoffzellenstacks verteilt werden. Zusätzlich wird die Temperatur des Kühlmediums in den verschiedenen Kühlmediumkreisläufen durch eine

Durchmischung in der Sammelleitung aneinander angeglichen, so dass die Kühlleistung aller Kühler und die Abwärme aller Brennstoffzellenstacks nutzbar sind. Zudem sind Komponenten, die für alle Brennstoffzellenstacks benötigt werden, wie z.B. der elektrische Heizer durch eine Anordnung in der

Sammelleitung für alle Brennstoffzellenstacks nutzbar. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit eines solchen Verfahrens erhöht.

Die Kühlmediumkreisläufe werden vorzugsweise durch Kühlmediumpumpen betrieben. Durch eine entsprechende Kühlmediumpumpe eines

Kühlmediumkreislaufes kann dadurch ein Betrieb oder ein Nichtbetrieb des Kühlmediumkreislaufes festgelegt werden. Die Kühlmediumpumpen können zudem geregelt werden, so dass ein Volumenstrom regelbar ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Kühlmediumpumpe wenigstens eines inaktiven Brennstoffzellenstack mit einer geringeren

Antriebsleistung betrieben. Eine geringere Antriebsleistung im Sinne der Erfindung schließt dabei auch eine Antriebsleistung ein, welche Null ist. Dadurch wird die Durchströmung dieses Kühlmediumkreislaufes reduziert. Eine

Kühlleistung des dem inaktiven Brennstoffzellenstacks zugeordneten

Kühlmediumskreislaufes wird dadurch reduziert. Trotz alledem kann der inaktive Brennstoffzellenstack auf einer Betriebstemperatur gehalten werden. Zusätzlich kann Pumpenantriebsenergie eingespart werden.

Die Erfindung umfasst zusätzlich eine Vorrichtung, welche angepasst ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dadurch können die zu dem

Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Vorrichtung umfasst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur la Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes des ersten

Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur lb Darstellung eines zweiten Verfahrensschrittes des ersten

Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 Darstellung des zweiten Betriebsmodus zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3 Darstellung des dritten Betriebsmodus zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4 Darstellung des vierten Betriebsmodus zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 5 Darstellung des ersten Verfahrensschrittes des ersten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur la, bei welchem zusätzlich eine Beheizung eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges verwendet wird.

In Figur la ist eine Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes des ersten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt beispielhaft anhand eines ersten und eines zweiten Kühlmediumkreislaufes 14, 18 den ersten Verfahrensschritt des ersten Betriebsmodus. Über den ersten und den zweiten Kühlmediumkreislauf 14, 18 ist jeweils einem ersten und einem zweiten Brennstoffzellenstack 22, 26 Kühlmedium, mittels einer dem ersten Brennstoffzellenstack 22 zugeordneten ersten Kühlmediumpumpe 30 und einer dem zweiten Brennstoffzellenstack 26 zugeordneten zweiten Kühlmediumpumpe 34, zuführbar. Die erste Kühlmediumpumpe 30 wird dabei über einen ersten Kühlmediumpumpenmotor 35 und die zweite Kühlmediumpumpe 34 über einen zweiten Kühlmediumpumpenmotor 36 angetrieben. Bei diesem ersten Verfahrensschritt wird bei Inaktivität aller

Brennstoffzellenstacks 22, 26 und Inaktivität der zweiten Kühlmediumpumpe 34 und somit Inaktivität des zweiten Kühlmediumkreislauf 18 dem ersten

Brennstoffzellenstack 22 über die erste Kühlmediumpumpe 30 Kühlmedium zugeführt. Dieses Kühlmedium wird über einen in einer Sammelleitung 38 angeordneten elektrischen Heizer 42, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein PTC-Heizer ist, aufgeheizt. Eine definierte Durchflussmenge des PTC-Heizers 42 wird dabei gewährleistet durch eine Drossel 46, welche zwischen einer

Heizerabzweigung 50 und einer Heizereinmündung 54 in der Sammelleitung 38 angeordnet ist.

Um die Vorwärmung des ersten Brennstoffzellenstacks 22 zu beschleunigen wird ein in einem ersten Kühlerkreislauf 58 angeordneter erster Kühler 62 über eine erste Bypassleitung 64 umgangen, so dass der erste Kühlerkreislauf 58 inaktiv ist. Entsprechend zu dem ersten Kühlerkreislauf 58, weist der zweite

Kühlmediumkreislauf 18 einen zweiten Kühlerkreislauf 66 mit einem zweiten Kühler 70 auf, wobei der zweite Kühlerkreislauf 66 über eine zweite

Bypassleitung 72 umgangen werden kann, so dass der zweite Kühlerkreislauf 66 inaktiv ist. Eine Umgehung der Kühlerkreisläufe 58, 66 wird dabei durch eine entsprechende Schaltung eines ersten und zweiten Ventils 74, 78, welche hier als 3/2-Wege-Umschaltventile ausgebildet sind, erzielt. Während dieser Phase kann ein Innenraumwärmetauscher 82, welcher einen Innenraum eines

Kraftfahrzeuges aufheizt, aktiv oder inaktiv sein. In Figur la ist der

Innenraumwärmetauscher 82 inaktiv, so dass eine schnellere Aufheizung des ersten Brennstoffzellenstacks 22 erzielt wird.

In Figur lb ist eine Darstellung eines zweiten Verfahrensschrittes des ersten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei diesem Verfahrensschritt wird der erste Brennstoffzellenstack 22 nach Erreichen einer minimal erforderlichen Starttemperatur eingeschaltet. Um Energie zu sparen wird dabei der PTC-Heizer 42 deaktiviert. Zusätzlich wird zu dem in Figur la gezeigten Verfahrensschritt die zweite Kühlmediumpumpe 34 aktiviert, so dass der zweite inaktive

Brennstoffzellenstack 26 über die Abwärme des ersten Brennstoffzellenstacks 22 vorgeheizt und auf Betriebstemperatur gebracht wird. Um die Aufheizung des zweiten Brennstoffzellenstacks 26 zu beschleunigen wird bei dem zweiten Verfahrensschritt des ersten Betriebsmodus zusätzlich zu dem ersten Kühlerkreislauf 58 der zweite Kühlerkreislauf 66 über die zweite

Bypassleitung 72 umgangen. In dem zweiten Verfahrensschritt kann auch zusätzlich der Innenraumwärmetauscher 82 aktiv sein. In der hier gezeigten Figur lb ist der Innenraumwärmetauscher 82 beispielhaft aktiv gezeigt. Dazu wird eine dem Innenraumwärmetauscher 82 zugeordnete

Innenraumwärmetauscherpumpe 86 in einem Innenraumwärmetauscherkreislauf 90 betrieben, um das Kühlmittel durch den Innenraumwärmetauscher 82 zu pumpen.

Figur 2 zeigt eine Darstellung des zweiten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Betriebsmodus ist der erste Brennstoffzellenstack 22 aktiv,

währenddessen der zweite Brennstoffzellenstack 26 inaktiv ist. Durch den Betrieb beider Kühlmediumpumpen 30, 34 wird das Kühlmedium durch beide Kühlmediumkreisläufe 14, 18 gepumpt. Dabei wird der inaktive zweite

Brennstoffzellenstack 26 durchströmt und warm gehalten.

Im zweiten Betriebsmodus ist dabei zusätzlich zu dem ersten 3/2-Wege- Umschaltventil 74 das zweite 3/2-Wege-Umschaltventil 78 des ersten und zweiten Kühlmediumkreislaufes 14, 18 derart geschaltet, dass der erste und der zweite Kühler 62, 70 durchströmt werden. Dadurch kann eine bessere

Kühlleistung während des zweiten Betriebsmodus erzielt werden. Um eine unnötige Aufheizung des Kühlmediums zu vermeiden und um Energie zu sparen ist der PTC-Heizer 42 während des zweiten Betriebsmodus inaktiv. Auch bei diesem Betriebsmodus ist der Innenraumwärmetauscher 82 beispielhaft aktiv gezeigt.

In Figur 3 ist eine Darstellung eines dritten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei diesem Betriebsmodus ist der erste und der zweite

Brennstoffzellenstack 22, 26 aktiv. Die durch die Brennstoffzellenstacks 22, 26 produzierte Abwärme wird dabei über beide Kühler 62, 70 abgeführt. Ebenso wie bei dem zweiten Betriebsmodus ist auch beim dritten Betriebsmodus der PTC- Heizer 42 inaktiv.

Figur 4 zeigt eine Darstellung des vierten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Betriebsmodus ist der zweite Brennstoffzellenstack 26 und der zweite Kühler 70 inaktiv. Durch letzteres ist die Kühlleistung reduziert, so dass bei Auskühlungsgefahr infolge von z.B. niedriger Außentemperatur und Fahrtwind eine ausreichende Temperatur in den Kühlmediumkreisläufen 14, 18

sichergestellt werden kann. Zusätzlich wird der zweite Brennstoffzellenstack 26 durchströmt, so dass dieser auf Betriebstemperatur gehalten werden kann.

Figur 5 zeigt eine Darstellung des ersten Verfahrensschrittes des ersten Betriebsmodus zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur la, bei welchem zusätzlich eine Beheizung eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges verwendet wird. Bei diesem

Betriebsmodus wird trotz Inaktivität beider Brennstoffzellenstacks 22, 26 der Innenraumwärmetauscher 82 des Kraftfahrzeuges verwendet. Dadurch ist zwar die Aufheizdauer des ersten Brennstoffzellenstacks 22 verlängert, es kann jedoch gleichzeitig der Innenraum beheizt werden.

In einem weiteren nicht gezeigten Betriebsmodus zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Gegensatz zu dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich der erste Kühlmediumkreislauf 14 und damit die erste

Kühlmediumpumpe 30 inaktiv bzw. nicht betrieben. Über die

Innenraumwärmetauscherpumpe 86 wird zwischen PTC-Heizer 42 und

Innenraumwärmetauscher 82 ein Kreislauf des Kühlmediums generiert, so dass nur der Innenraum elektrisch beheizt wird. Bezugszeichenliste

10 Brennstoffzellensystem

14 erster Kühlmediumkreislauf

18 zweiter Kühlmediumkreislauf

22 erster Brennstoffzellenstack

26 zweiter Brennstoffzellenstack

30 erste Kühlmediumpumpe

34 zweite Kühlmediumpumpe

35 erster Kühlmediumpumpenmotor

36 zweiter Kühlmediumpumpenmotor

38 Sammelleitung

42 elektrischer Heizer

46 Drossel

50 Heizerabzweigung

54 Heizereinmündung

58 erster Kühlerkreislauf

62 erster Kühler

64 erste Bypassleitung

66 zweiter Kühlerkreislauf

70 zweiter Kühler

72 zweite Bypassleitung

74 erstes Ventil

78 zweites Ventil

82 Innenraumwärmetauscher

86 Innenraumwärmetauscherpumpe

90 Innenraumwärmetauscherkreislauf