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DE10326053A1 - Motor vehicle with internal combustion engine, fuel cell device has heat transfer arrangement for thermal transfer interaction from at least one heat output unit on engine side to fuel cell device - Google Patents

Motor vehicle with internal combustion engine, fuel cell device has heat transfer arrangement for thermal transfer interaction from at least one heat output unit on engine side to fuel cell device Download PDF

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DE10326053A1
DE10326053A1 DE10326053A DE10326053A DE10326053A1 DE 10326053 A1 DE10326053 A1 DE 10326053A1 DE 10326053 A DE10326053 A DE 10326053A DE 10326053 A DE10326053 A DE 10326053A DE 10326053 A1 DE10326053 A1 DE 10326053A1
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DE
Germany
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heat
fuel cell
cell device
motor vehicle
vehicle according
Prior art date
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DE10326053A
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German (de)
Inventor
René van Dr. Doorn
Jens-Arik Almkermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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Abstract

Das Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (10) und einer Brennstoffzellen-Einrichtung (12) ist gekennzeichnet durch eine zur Herstellung einer wärmeübertragenden Wirkverbindung von mindestens einer verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheit (20, 24, 28) mit der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) dienenden Wärmeübertragungseinrichtung (14).The motor vehicle with an internal combustion engine (10) and a fuel cell device (12) is characterized by a heat transfer device (14) serving to produce a heat-transmitting operative connection of at least one internal combustion engine heat-dissipating unit (20, 24, 28) with the fuel cell device (12). ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellen-Einrichtung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a motor vehicle with an internal combustion engine and a fuel cell device according to the preamble of the claim 1.

Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Zur Inbetriebnahme von Brennstoffzellen-Einrichtungen müssen selbige zunächst auf eine bestimmte Betriebstemperatur aufgeheizt werden, wobei gegebenenfalls auch während des Betriebs von Brennstoffzellen-Einrichtungen eine weitere Wärmezufuhr notwendig ist. Als Brennstoffzellen-Einrichtung kann beispielsweise eine Membranbrennstoffzellen-Einrichtung mit Kraftstoffreformer oder einer Hochtemperatur-Restoxidbrennstoffzellen-Einrichtung zur Kohlenwasserstoffdirektverstromung eingesetzt werden. Die Brennstoffzellen-Einrichtungen sind an sich bekannt und weisen eine Brennstoffzellen-Einheit und gegebenenfalls zusätzlich insbesondere eine Kraftstoffaufbereitungseinheit (Reformer) auf. Somit wird im Folgenden unter Brennstoffzellen-Einrichtung die eigentliche Brennstoffzelleneinheit und gegebenenfalls weitere Funktionseinheiten, wie zum Beispiel ein Reformer (Kraftstoffaufbereitungseinheit), verstanden.motor vehicles The type mentioned above are already known. For commissioning of fuel cell devices must selbige first be heated to a certain operating temperature, where appropriate even while the operation of fuel cell devices, a further heat input necessary is. As a fuel cell device, for example a membrane fuel cell device with fuel reformer or a high-temperature residual oxide fuel cell device for Hydrocarbon direct conversion can be used. The fuel cell devices are known per se and have a fuel cell unit and optionally additionally in particular a fuel conditioning unit (reformer). Thus, the actual fuel cell unit will be referred to below under fuel cell device and optionally other functional units, such as a reformer (fuel conditioning unit), understood.

Dabei kann es sich bei einer derartigen Brennstoffzellen-Einrichtung um eine Energiehilfseinheit handeln, welche dazu dient, den ständig steigenden Bedarf an elektrischer Leistung in einem Kraftfahrzeug in zuverlässiger und wirkungsgradgünstiger Weise zu decken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Stromerzeugung in einer Brennstoffzellen-Einheit weitaus wirkungsgradgünstiger erfolgen kann als mittels einer vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetriebenen Lichtmaschine. Der Einsatz einer derartigen Energiehilfseinheit ist insbesondere in Oberklassekraftfahrzeugen von effektivem Nutzen, da in solchen Kraftfahrzeugen eine relativ große Vielzahl von Stromverbrauchern an Bord vorgesehen sind.there it may be in such a fuel cell device to act an energy aid unit, which serves the ever-increasing Need for electrical power in a motor vehicle in reliable and efficiency cheaper Way to cover. This is due to the fact that power generation in a fuel cell unit much more efficient can be done as by means of one of the internal combustion engine of the motor vehicle powered alternator. The use of such an energy aid unit is particularly effective in premium class vehicles, because in such vehicles a relatively large variety of power consumers are provided on board.

Bei einer Membranbrennstoffzellen-Einrichtung muss vorteilhafterweise kein spezieller, zweiter Kraftstoff im Kraftfahrzeug mitgeführt werden.at a membrane fuel cell device must advantageously no special, second fuel to be carried in the vehicle.

Eine Hochtemperatur-Restoxidbrennstoffzellen-Einrichtung wird bei Betriebstemperaturen von über 800°C betrieben und kann nach einem längeren Stillstand erst nach einer verhältnismäßig langen Aufheizzeit effektiv betrieben werden, wobei zur Minderung einer unerwünschten Abkühlung bei Stillstand einer derartigen Brennstoffzellen-Einrichtung eine relativ aufwendige Isolierung vorzusehen ist. Auch bei einer Membranbrennstoffzellen-Einrichtung kann erst nach Erreichen einer bestimmten Mindestbetriebstemperatur eine eigene elektrochemische Reaktion einsetzen, mittels welcher die Brennstoffzellen-Einrichtung sich anschließend eigenständig aufheizen kann. Gegenüber einer Hochtemperatur-Restoxidbrennstoffzellen-Einrichtung ist die einzustellende Betriebstemperatur bei einer Membranbrennstoffzellen-Einrichtung deutlich niedriger, so dass dieser Betriebsschwellenwert mittels eines Aufheizvorgangs auch sehr viel schneller erreichbar ist. Ferner ergibt sich hierdurch bei einer Membranbrennstoffzellen-Einrichtung eine geringere Empfindlichkeit gegenüber unerwünschten thermischen Spannungen bei relativ schnellen Aufheizvorgängen. Jedoch tritt ein größerer Wärmebedarf bei einem mit der Membranbrennstoffzellen-Einheit wirkverbundenen Reformer auf, welcher als Kraftstoffaufbereitungssystem zur Erzeugung des aus dem getankten Kraftstoff für den Betrieb der Membranbrennstoftzellen-Einheit benötigten Wasserstoff genutzt wird.A High temperature residual oxide fuel cell equipment is operated at operating temperatures from above Operated at 800 ° C and can after a longer shutdown only after a relatively long heat-up time be operated effectively, thereby reducing an undesirable Cooling at standstill of such a fuel cell device a is to provide relatively expensive insulation. Also in a membrane fuel cell device can only after reaching a certain minimum operating temperature use their own electrochemical reaction, by means of which the Fuel cell facility afterwards heat up independently can. Across from a high-temperature residual oxide fuel cell device is the Operating temperature to be set in a membrane fuel cell device significantly lower, so that this operating threshold by means of a heating process is also much faster reachable. Further This results in a membrane fuel cell device a lower sensitivity to unwanted thermal stresses at relatively fast heating processes. However, a larger heat requirement occurs in an operatively connected to the membrane fuel cell unit Reformer, which as a fuel processing system for the production of the refueled fuel for operation of the membrane fuel cell unit required Hydrogen is used.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche eine betriebsgünstige Erwärmung einer Brennstoftzellen-Einrichtung erlauben.It Object of the invention is a motor vehicle and a method of to propose the type mentioned, which is a convenient heating of a Brennstoftzellen facility allow.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist, welche zur Herstellung einer wärmeübertragenden Wirkverbindung von mindestens einer verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheit mit der Brennstoftzellen-Einrichtung dient. Hierdurch ist es möglich, verbrennungsmotorische Wärme direkt oder indirekt zum Aufheizen der Brennstoffzellen-Einrichtung auf eine vorgebbare Betriebstemperatur zu nutzen. Unter verbrennungsmotorischer Wärme wird dabei die durch den Verbrennungsprozess im Kraftfahrzeug entstehende Abwärme verstanden, welche die Betriebstemperatur mehrerer mit dem Verbrennungsmotor direkt oder indirekt in Verbindung stehender Funktionseinheiten des Kraftfahrzeugs beeinflusst.to solution The object is a motor vehicle with the features of the claim 1, which is characterized in that a heat transfer device is provided, which for producing a heat-transmitting active compound at least one internal combustion engine heat output unit with the fuel cell device serves. This makes it possible, internal combustion engine Heat directly or indirectly for heating the fuel cell device to a to use specified operating temperature. Under internal combustion engine Heat is while the resulting from the combustion process in the motor vehicle waste heat understood the operating temperature of several with the internal combustion engine directly or indirectly related functional units of the motor vehicle.

Mit Vorteil sind die Wärmeabgabeeinheiten unterschiedliche, verbrennungsmotorische Funktionseinheiten. Dabei kann es sich bei solchen Funktionseinheiten um ein Kühlwasserkreislaufsystem oder um einen Abgaskrümmer ober auch um ein Abgasendrohr han deln. Mittels derartiger Funktionseinheiten ist es möglich, eine betriebsgünstige und hinreichende Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung im Kraftfahrzeug zu erzielen.With Advantage is the heat dissipation units different, Combustion engine functional units. This can happen such functional units around a cooling water circulation system or around an exhaust manifold upper also around an exhaust tailpipe. By means of such functional units Is it possible, a convenient and sufficient heating of the fuel cell device in To achieve motor vehicle.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmeübertragungseinrichtung eine Schalteinheit auf zur Herstellung einer flexiblen, wärmeübertragenden Wirkverbindung zwischen mindestens einer Wärmeabgabeeinheit und der Brennstoffzellen-Einrichtung. Mittels einer derartigen Schalteinheit ist es somit möglich, in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebstemperaturen der Wärmeabgabeeinheiten und/oder der Brennstoffzellen-Einrichtung eine zuverlässige und schnelle Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung auf eine erwünschte Betriebstemperatur zu erzielen.According to a preferred embodiment, the heat transfer device has a switching unit for producing a flexible, heat-transmitting operative connection between at least one heat-emitting unit and the fuel cell device. By means of such Switching unit, it is thus possible, depending on the respective operating temperatures of the heat emitting units and / or the fuel cell device to achieve a reliable and rapid heating of the fuel cell device to a desired operating temperature.

Vorzugsweise ist die Schalteinheit mit einer zentralen Steuereinheit operativ verbunden. Mittels der zentralen Steuereinheit kann eine betriebsdatenabhängige und flexible Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung eingeleitet werden.Preferably the switching unit is operative with a central control unit connected. By means of the central control unit, an operating data-dependent and introduced flexible heating of the fuel cell device become.

Die Brennstoffzellen-Einrichtung kann eine Membranbrennstoffzellen-Einrichtung oder eine Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen-Einrichtung sein. Beide Brennstoffzellen-Einrichtungen sind bereits bekannt. Eine Mernbranbrennstoffzellen-Einrichtung weist eine Brennstoffzellen-Einheit, einen Reformer und einen Verdampfer auf. Die Brennstoffzellen-Einheit der Membranbrennstoffzellen-Einrichtung wird bevorzugt bei einer Betriebstemperatur von unter 200°C betrieben, während die Betriebstemperatur des Reformers vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 1000°C und des Verdampfers vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 400°C liegt. Dabei bedarf das Aufheizen des Verdampfers und des Reformers bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs einer verhältnismäßig großen Menge an thermischer Energie. Ferner erfolgt je nach Reformierungsverfahren die Abspaltung des Wasserstoffs vom Kraftstoff endotherm, so dass dem Reformer auch während seines Betriebs weiterhin Energie in Form von Wärme zugeführt werden muss. Gleiches gilt auch für den Verdampfer. Eine Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen-Einrichtung wird dagegen bei Betriebstemperaturen kleiner 1000°C betrieben.The Fuel cell device may be a membrane fuel cell device or a high temperature solid oxide fuel cell device. Both fuel cell devices are already known. A nuclear fuel cell facility has a fuel cell unit, a reformer and an evaporator on. The fuel cell unit The membrane fuel cell device is preferably in a Operating temperature below 200 ° C operated while the operating temperature of the reformer is preferably lower at temperatures 1000 ° C and the evaporator is preferably at temperatures below 400 ° C. In this case, the heating of the evaporator and the reformer at a cold start of the motor vehicle of a relatively large amount of thermal energy. Further depending on the reforming process, the elimination of hydrogen from the fuel endotherm, allowing the reformer even during its operation Energy continues to be in the form of heat supplied must become. The same applies to the evaporator. A high temperature solid oxide fuel cell device On the other hand, it is operated at operating temperatures below 1000 ° C.

Die mit Wärme zu beaufschlagenden Einheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung können ein Reformer und/oder ein Verdampfer und/oder eine Brennstoffzellen-Einheit sein. Bei diesen Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung handelt es sich um sogenannte Wärmesenken.The with heat To be acted upon units of the fuel cell device can Reformer and / or an evaporator and / or a fuel cell unit be. In these functional units of the fuel cell device are so-called heat sinks.

Mit Vorteil weist die Wärmeübertragungseinrichtung eine Wärmebedarfsermittlungseinheit und eine Wärmeabgabeermittlungseinheit auf, die mit der zentralen Steuereinheit verbunden sind. Dabei dient die Wärmebedarfsermittlungseinheit zur Ermittlung des Wärmebedarfs der Brennstoffzellen-Einrichtung beziehungsweise der mit Wärme zu beaufschlagenden Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung, während die Wärmeabgabeermittlungseinheit zur Ermittlung des Wärmeabgabepotentials (Temperaturniveau) der verschiedenen Wärmeabgabeeinheiten dient.With Advantage has the heat transfer device a heat demand determination unit and a heat dissipation determination unit on, which are connected to the central control unit. It serves the Heat needs assessment unit for determining the heat requirement the fuel cell device or the heat to be acted upon Function units of the fuel cell device, while the Heat dissipation determination unit for Determination of the heat release potential (Temperature level) of the various heat dissipation units is used.

Vorzugsweise enthält die Wärmeübertragungseinrichtung mindestens einen Wärmetauscher zur Herstellung einer Wirkverbindung der Wärmeabgabeeinheiten mit der Brennstoftzellen-Einrichtung. Bei Einsatz von mehreren Wärmetauschern ist eine höhere Flexibilität in Bezug auf die erwünschte Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung mittels der Wärmeabgabeeinheiten möglich.Preferably contains the heat transfer device at least one heat exchanger for Production of an active compound of the heat-emitting units with the Brennstoftzellen facility. When using several heat exchangers is a higher one flexibility in terms of the desired Heating the fuel cell device by means of the heat emitting units possible.

Vorzugsweise ist mindestens einem Wärmetauscher eine Gasführungseinrichtung vorgeschaltet, die mit jeweils einer oder mehreren Gaszuführleitungen der Wärmeabgabeeinheiten wahlweise verbindbar ist. Mittels einer derartigen Gasführungseinrichtung ist in verhältnismäßig einfacher Weise eine in Bezug auf die Betriebsparameter angepasste und zeitvariable Erwärmung der Brennstoffzellen-Einrichtung möglich. Somit ist es mittels einer Gasführungseinrichtung möglich, eine Zufuhr von Medien mit unterschiedlichem Temperaturniveau zu gewährleisten. Beispielsweise kann eine derartige Gasführungseinrichtung mit verschiedenen Bereichen eines Abgassystems des Kraftfahrzeugs verbunden sein und mittels geeigneter Schaltung von zugehörigen Ventilen zu einer geregelten Zuführung eines Gasstroms (Medium) mit einem in Bezug auf einen aktuellen Betrieb der Brennstoffzellen-Einrichtung geeigneteren Temperaturniveau zu dem beziehungsweise den Wärmetauschern herangezogen werden.Preferably is at least one heat exchanger a gas guiding device connected upstream, each with one or more gas supply lines the heat output units optionally connectable. By means of such a gas guiding device is relatively easier One adapted with respect to the operating parameters and time-variable warming the fuel cell device possible. Thus it is by means of a gas guiding device possible, a supply of media with different temperature levels too guarantee. For example such a gas guiding device with different areas of an exhaust system of the motor vehicle be connected and by means of appropriate circuit of associated valves a controlled feeder a gas flow (medium) with a relation to a current one Operation of the fuel cell device more suitable temperature level to the or the heat exchangers be used.

Bei der Brennstoffzellen-Einrichtung kann es sich um eine Energiehilfseinrichtung handeln. Mittels einer derartigen Energiehilfseinrichtung ist eine wirkungsgradgünstige Deckung des ständig steigenden Bedarfs an elektrischer Leistung in einem Kraftfahrzeug möglich.at The fuel cell device can be an energy-assisting device act. By means of such an energy aid device is a efficiency budget Cover the constantly increasing demand for electrical power in a motor vehicle possible.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoftzellen-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 13 aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

  • – Ermitteln eines Wärmebedarfs der Brennstoffzellen-Einrichtung mittels einer Wärmebedarfsermittlungseinheit;
  • – Ermitteln einer Wärmeabgaekapazität von verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheiten mittels einer Wärmeabgabeermittlungseinheit;
  • – Herstellen einer wärmeübertragenden Wirkverbindung zwischen mindestens einer Wärmeabgabeeinheit und der Brennstoffzellen-Einrichtung mittels einer zentralen Steuereinheit.
To solve the problem, a method for heating a fuel cell device in a motor vehicle is proposed which has the features of claim 13. The method according to the invention is characterized by the following method steps:
  • Determining a heat demand of the fuel cell device by means of a heat demand determination unit;
  • - Determining a Wärmeabgaekapazität of internal combustion engine heat dissipation units by means of a heat dissipation determination unit;
  • - Producing a heat-transfer active connection between at least one heat-emitting unit and the fuel cell device by means of a central control unit.

Mit diesem Verfahren lassen sich die in Bezug auf das Kraftfahrzeug vorerwähnten Vorteile erzielen.With This method can be in relation to the motor vehicle aforementioned Benefits.

Vorteilhafterweise erfolgt die Wärmebedarfsermittlung an einem Verdampfer und/oder an einem Reformer und/oder an einer Brennstoffzellen-Einheit der Brennstoffzellen-Einrichtung. Die Nutzung der Abwärme von verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheiten (verbrennungsmotorischer Antriebsstrang) kann zur alleinigen Deckung des Wärmebedarfs der Brennstoffzellen-Einrichtung oder auch zur Unterstützung eines in Bezug auf die Brennstoffzellen-Einrichtung eigenen Systems zur Selbsterwärmung verwendet werden. Ein derartiges System kann beispielsweise als Abgasverbrennungssystem der Brennstoffzellen-Einrichtung ausgebildet sein.Advantageously, the heat demand determination takes place on an evaporator and / or on a reformer and / or on a fuel cell unit of the fuel cell device. The groove tion of waste heat from internal combustion engine heat output units (internal combustion engine powertrain) can be used to cover the heat demand of the fuel cell device alone or to support a self-heating system of its own with respect to the fuel cell device. Such a system can be designed, for example, as an exhaust gas combustion system of the fuel cell device.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante werden zum Herstellen der wärmeübertragenden Wirkverbindung eine oder mehrere Wärmeabgabeeinheiten, in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsparameter der Brennstoffzellen-Einrichtung und/oder der Wärmeabgabeeinheiten, mittels einer Schalteinheit zugeschaltet. Dies ermöglicht eine flexible und angepasste Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung auf eine gewünschte Betriebstemperatur.Corresponding a preferred embodiment are used to make the heat-transferring Active compound one or more heat-emitting units, depending the respective operating parameters of the fuel cell device and / or the heat dissipation units, switched on by means of a switching unit. This allows a flexible and adapted heating of the fuel cell device to a desired Operating temperatur.

Die Wärmebedarfsermittlung kann einmalig insbesondere für einen Kaltstart der Brennstoffzellen-Einrichtung oder intermittierend insbesondere bei kurzzeitigen Stillstandsphasen der Brennstoffzellen-Einrichtung oder auch permanent erfolgen. Somit ist auch eine dementsprechend zeitlich flexible und gleichzeitig effektive Wärmeübertragung von den Wärmeabgabeeinheiten an die Brennstoffzellen-Einrichtung möglich.The Heat needs assessment can be unique especially for a cold start of the fuel cell device or intermittently especially during short periods of stoppage of the fuel cell device or permanently. Thus, one is accordingly temporally flexible and at the same time effective heat transfer from the heat dissipation units possible to the fuel cell device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the Description.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in an embodiment with reference to accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Erwärmung einer Brennstoffzellen-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug und 1 a block diagram of a system according to the invention for heating a fuel cell device in a motor vehicle and

2 eine schematische Darstellung eines mit einer Brennstoffzellen-Einrichtung wirkverbundenen verbrennungsmotorischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. 2 a schematic representation of an operatively connected to a fuel cell device internal combustion engine powertrain of a motor vehicle.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, entsprechend einer möglichen Ausführungsform, zur flexiblen Übertragung von Wärme von Wärmeabgabeeinheiten eines Kraftfahrzeugs an eine Brennstoffzellen-Einrichtung. Die mit 12 gekennzeichnete Brennstoffzellen-Einrichtung ist mit einer Schalteinheit 15 verbunden, welche ihrerseits mit einer Mehrzahl an unterschiedlichen Wärmeabgabeeinheiten 20, 24, 28 in Verbindung steht. Von den Wärmeabgabeeinheiten 20, 24, 28 führen Wärmemedium-Zuführleitungen (Pfeile 22, 26, 30) zur Wärmeübertragungseinrichtung 14, mittels welcher eine oder gegebenenfalls mehrere, voneinander unabhängige Wärmeübertragungen entsprechend den Pfeilen 16, 18 an die Brennstoffzellen-Einrichtung 12 erfolgen können. Eine Wärmeabgabeermittlungseinheit 32 dient dazu, die jeweils an den Wärmeabgabeeinheiten 20, 24, 28 vorliegende Wärmeabgabekapazität (Temperaturniveau des Wärmeabgabemediums) beispielsweise mittels Sensoren (nicht dargestellt) zu ermitteln (als Doppelpfeile 34, 36, 38 dargestellte Datenübertragungsleitungen), wobei diese Informationen der Wärmeabgabeermittlungseinheit 32 mittels einer als Doppelpfeil 42 dargestellten Datenübertragungsleitung an eine zentrale Steuereinheit 40 des Kraftfahrzeugs weitergeleitet werden. Die zentrale Steuereinheit 40 ist darüber hinaus mit einer Wärmebedarfsermittlungseinheit 44 operativ verbunden (Doppelpfeil 48), welche zur Ermittlung des jeweiligen Wärmebedarfs der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 beziehungsweise von verschiedenen Funktionseinheiten derselben dient (Doppelpfeil 46). Die an die zentrale Steuereinheit 40 übermittelten Daten in Bezug auf die jeweilige Wärmeabgabekapazität und den Wärmebedarf der entsprechenden Einheiten werden in selbiger verarbeitet zur Erzielung einer flexiblen, Betriebsparameter angepassten Erwärmung der Brennstoffzellen-Einrichtung 12. Hierzu ist die zentrale Steuereinheit 40 mittels einer Steuerleitung (Doppelpfeil 43) mit einer Schalteinheit 15 der Wärmeübertragungseinrichtung 14 operativ verbunden. Somit können mittels der zentralen Steuereinrichtung 40 eine oder mehrere Wärmeabgabeeinheiten 20, 24, 28 mit der Wärmeübertragungseinrichtung 14 mittels der Schaltteinheit 15 wirkverbunden werden zur Erzielung einer Wärmeübertragung an die Brennstoffzellen-Einrichtung 12. Dabei kann die Wärmeübertragung an eine oder mehrere Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 (beispielsweise Reformer und/oder Verdampfer und/oder Brennstoffzellen-Einheit und/oder Abgasverbrennungseinheit) erfolgen. Ferner kann die Wärmeübertragung an die verschiedenen Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 gleichzeitig und/oder zeitlich aufeinanderfolgend stattfinden. 1 shows a block diagram of a system, according to a possible embodiment, for the flexible transmission of heat from heat output units of a motor vehicle to a fuel cell device. With 12 characterized fuel cell device is equipped with a switching unit 15 connected, which in turn with a plurality of different heat output units 20 . 24 . 28 communicates. From the heat output units 20 . 24 . 28 lead heat medium supply lines (arrows 22 . 26 . 30 ) to the heat transfer device 14 , By means of which one or optionally a plurality of mutually independent heat transfer according to the arrows 16 . 18 to the fuel cell device 12 can be done. A heat dissipation determination unit 32 serves to each of the heat dissipation units 20 . 24 . 28 present heat output capacity (temperature level of the heat release medium), for example by means of sensors (not shown) to determine (as double arrows 34 . 36 . 38 shown data transmission lines), this information of the heat dissipation determination unit 32 by means of a double arrow 42 represented data transmission line to a central control unit 40 be forwarded to the motor vehicle. The central control unit 40 is also equipped with a heat demand calculation unit 44 operatively connected (double arrow 48 ), which for determining the respective heat demand of the fuel cell device 12 or of different functional units of the same serves (double arrow 46 ). The to the central control unit 40 transmitted data in relation to the respective heat release capacity and the heat demand of the corresponding units are processed in selbiger to achieve a flexible, operating parameters adapted heating of the fuel cell device 12 , This is the central control unit 40 by means of a control line (double arrow 43 ) with a switching unit 15 the heat transfer device 14 operatively connected. Thus, by means of the central control device 40 one or more heat-dissipating units 20 . 24 . 28 with the heat transfer device 14 by means of the switching unit 15 be operatively connected to achieve heat transfer to the fuel cell device 12 , In this case, the heat transfer to one or more functional units of the fuel cell device 12 (For example, reformer and / or evaporator and / or fuel cell unit and / or exhaust gas combustion unit) take place. Furthermore, the heat transfer to the various functional units of the fuel cell device 12 take place simultaneously and / or temporally successive.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines verbrennungsmotorischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der mit der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 in Wirkverbindung steht zur Nutzung der Abwärme von verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheiten 20 zum Aufheizen und somit Betreiben der Brennstoffzellen-Einrichtung 12, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Energiehilfseinheit ist. Ein Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Kühlwasserkreislaufsystem 52 versehen, dessen Betriebstemperatur T1 bei cirka 120°C liegt. Vom Verbrennungsmotor 10 führt ein Abgaskrümmer 50 zu einem Wärmetauscher 56, wobei die Abgastemperatur T2 im Abgaskrümmer 50 cirka 900°C beträgt. Der Abgaskrümmer 50 ist mit einem Sekundärlufteinblassystem (Pfeil 58), mit einem Kühler 60 eines Abgasrückführsystems (Pfeil 66) sowie mit einem Abgasturbolader 62 (Pfeil 64) verbunden. Stromabwärts des Kühlers 60 hat die Abgastemperatur T3 einen Wert < 100°C, während die Abgastemperatur T4 stromabwärts des Abgasturboladers 62 einen Wert < 300°C aufweist. Die Abgastemperatur T5 hat vor Eintritt in den Wärmetauscher 56 einen Wert < 350°C, während stromabwärts zum Wärmetauscher 56 die Abgastemperatur T6 in einem Abgasendrohr 54 90°C beträgt. Mittels des Wärmetauschers 56 erfolgt somit eine Wärmeübertragung durch ein Wärmemedium (Abgas) einer Wärmeabgabeeinheit 20, im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Form des Abgaskrümmers 50, an die Brennstoffzellen-Einrichtung 12. Hierdurch kann der Energiebedarf der entsprechenden Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 durch die Wärmeübertragung mittels des Wärmetauschers 56 gedeckt werden, welcher der jeweiligen Funktionseinheit der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 die erforderliche Wärmemenge auf dem jeweils benötigten Temperaturniveau zur Verfügung stellen kann. Dabei können gegebenenfalls auch mehrere Wärmetauscher (nicht in 2 dargestellt) zum Einsatz kommen, welche eventuell unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden können zur wirksamen Wärmeübertragung an die entsprechenden Funktionseinheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung 12. 2 shows a schematic representation of an internal combustion engine powertrain of a motor vehicle, with the fuel cell device 12 is in operative connection with the use of waste heat from internal combustion engine heat output units 20 for heating and thus operating the fuel cell device 12 which is an energy assist unit in the present embodiment. An internal combustion engine 10 is with a cooling water circulation system 52 whose operating temperature T1 is approximately 120 ° C. From the internal combustion engine 10 leads an exhaust manifold 50 to a heat exchanger 56 , wherein the exhaust gas temperature T2 in the exhaust manifold 50 is about 900 ° C. From the gas rail 50 is with a secondary air injection system (arrow 58 ), with a cooler 60 an exhaust gas recirculation system (arrow 66 ) as well as with an exhaust gas turbocharger 62 (Arrow 64 ) connected. Downstream of the radiator 60 the exhaust gas temperature T3 has a value <100 ° C, while the exhaust gas temperature T4 downstream of the exhaust gas turbocharger 62 has a value <300 ° C. The exhaust gas temperature T5 has before entering the heat exchanger 56 a value <350 ° C while downstream to the heat exchanger 56 the exhaust gas temperature T6 in an exhaust pipe 54 90 ° C is. By means of the heat exchanger 56 Thus, there is a heat transfer through a heat medium (exhaust gas) of a heat-emitting unit 20 , In the present embodiment in the form of the exhaust manifold 50 , to the fuel cell device 12 , As a result, the energy requirement of the corresponding functional units of the fuel cell device 12 by the heat transfer by means of the heat exchanger 56 be covered, which of the respective functional unit of the fuel cell device 12 can provide the required amount of heat at the required temperature level. If appropriate, a plurality of heat exchangers (not in 2 shown) are used, which may possibly be put into operation independently of each other for effective heat transfer to the corresponding functional units of the fuel cell device 12 ,

Alternativ oder zusätzlich kann auch das Kühlwasserkreislaufsystem 52 des Verbrennungsmotors 10 zur flexiblen Wärmeübertragung an die Brennstoffzellen-Einrichtung 12 als Wärmequelle genutzt werden. Ferner können Hilfssysteme in Bezug auf die Abgasführung und die Abgasnachbehandlung als entsprechende Wärmequelle zusätzlich oder alternativ genutzt werden, wie zum Beispiel das Kühlsystem eines NOx-Katalysators, das Kühlsystem eines Abgasrückführungssystems (Pfeil 66), das Abgasleitungssystem (Pfeil 64) des Abgasturboladers 62 oder der Gasstrom vor, in oder nach einem Sekundärluftsystem (Pfeil 58). Bei der Nutzung eines oder mehrerer Abgassysteme als Wärmequelle zur flexiblen Aufheizung der Brennstoffzellen-Einrichtung 12 können Temperaturunterschiede von 80°C bis 1000°C genutzt werden.Alternatively or additionally, the cooling water circulation system can also 52 of the internal combustion engine 10 for flexible heat transfer to the fuel cell device 12 be used as a heat source. Furthermore, auxiliary systems with regard to the exhaust system and the exhaust gas aftertreatment can be additionally or alternatively used as the corresponding heat source, for example the cooling system of a NO x catalyst, the cooling system of an exhaust gas recirculation system (arrow 66 ), the exhaust pipe system (arrow 64 ) of the exhaust gas turbocharger 62 or the gas stream before, in or after a secondary air system (arrow 58 ). When using one or more exhaust systems as a heat source for flexible heating of the fuel cell device 12 Temperature differences from 80 ° C to 1000 ° C can be used.

Claims (16)

Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellen-Einrichtung, gekennzeichnet durch eine zur Herstellung einer wärmeübertragenden Wirkverbindung von mindestens einer verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheit (20, 24, 28) mit der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) dienenden Wärmeübertragungseinrichtung (14).Motor vehicle with an internal combustion engine and a fuel cell device, characterized by a for producing a heat-transmitting operative connection of at least one internal combustion engine heat output unit ( 20 . 24 . 28 ) with the fuel cell device ( 12 ) heat transfer device ( 14 ). Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabeeinheiten (20, 24, 28) unterschiedliche, verbrennungsmotorische Funktionseinheiten sind.Motor vehicle according to Claim 1, characterized in that the heat-emitting units ( 20 . 24 . 28 ) are different, internal combustion engine functional units. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabeeinheiten (20, 24, 28) ein Kühlwasserkreislaufsystem (52) und/oder ein Abgaskrümmer (50) und/oder ein Abgasendrohr (54) sind.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the heat-emitting units ( 20 . 24 . 28 ) a cooling water circulation system ( 52 ) and / or an exhaust manifold ( 50 ) and / or an exhaust end pipe ( 54 ) are. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Wärmeabgabeeinheiten (20, 24, 28) unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the heat-emitting units ( 20 . 24 . 28 ) have different operating temperatures. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (14) eine Schalteinheit (15) aufweist zur Herstellung einer flexiblen, wärmeübertragenden Wirkverbindung zwischen mindestens einer Wärmeabgabeeinheit (20, 24, 28) und der Brennstoffzellen-Einrichtung (12).Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer device ( 14 ) a switching unit ( 15 ) for producing a flexible, heat-transmitting operative connection between at least one heat-emitting unit ( 20 . 24 . 28 ) and the fuel cell device ( 12 ). Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (15) mit einer zentralen Steuereinheit (40) operativ verbunden ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the switching unit ( 15 ) with a central control unit ( 40 ) is operatively connected. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (12) eine Membranbrennstoffzellen-Einrichtung oder eine Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen-Einrichtung ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell device ( 12 ) is a membrane fuel cell device or a high temperature solid oxide fuel cell device. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Wärme zu beaufschlagenden Einheiten der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) ein Reformer und/oder ein Verdampfer und/oder eine Brennstoffzellen-Einheit sind.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the units to be acted upon with heat of the fuel cell device ( 12 ) are a reformer and / or an evaporator and / or a fuel cell unit. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (14) eine Wärmebedarfsermittlungseinheit (44) und eine Wärmeabgabeermittlungseinheit (32) aufweist, die mit der zentralen Steuereinheit (40) verbunden sind.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer device ( 14 ) a heat demand determination unit ( 44 ) and a heat dissipation determination unit ( 32 ) connected to the central control unit ( 40 ) are connected. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (14) mindestens einen Wärmetauscher (56) aufweist zur Herstellung einer Wirkverbindung der Wärmeabgabeeinheiten (20, 24, 28) mit der Brennstoffzellen-Einrichtung (12).Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer device ( 14 ) at least one heat exchanger ( 56 ) for producing an active compound of the heat-emitting units ( 20 . 24 . 28 ) with the fuel cell device ( 12 ). Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Wärmetauscher (56) eine Gasführungseinrichtung vorgeschaltet ist, die mit jeweils einer oder mehreren Gaszuführleitungen (22, 26, 30) der Wärmeabgabeeinheiten (20, 24, 28) wahlweise verbindbar ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that at least one heat exchanger ( 56 ) is preceded by a gas guide device, each with egg one or more gas supply lines ( 22 . 26 . 30 ) of the heat output units ( 20 . 24 . 28 ) is selectively connectable. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Einrichtung (12) eine Energiehilfseinrichtung ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell device ( 12 ) is an energy aid device. Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoffzellen-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ermitteln eines Wärmebedarfs der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) mittels einer Wärmebedarfsermittlungseinheit (44); – Ermitteln einer Wärmeabgabekapazität von verbrennungsmotorischen Wärmeabgabeeinheiten (20,24,28) mittels einer Wärmeabgabeermittlungseinheit (32); – Herstellen einer wärmeübertragenden Wirkverbindung zwischen mindestens einer Wärmeabgabeeinheit (20,24,28) und der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) mittels einer zentralen Steuereinheit (40).Method for heating a fuel cell device in a motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps: determining a heat demand of the fuel cell device ( 12 ) by means of a heat demand determination unit ( 44 ); Determining a heat release capacity of internal combustion engine heat output units ( 20 . 24 . 28 ) by means of a heat dissipation determination unit ( 32 ); - producing a heat-transferring active connection between at least one heat-emitting unit ( 20 . 24 . 28 ) and the fuel cell device ( 12 ) by means of a central control unit ( 40 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebedarfsermittlung an einem Verdampfer und/oder an einem Reformer und/oder an einer Brennstoffzellen-Einheit der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat demand determination at an evaporator and / or at a reformer and / or at a fuel cell unit of the fuel cell device ( 12 ) he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der wärmeübertragenden Wirkverbindung eine oder mehrere Wärmeabgabeeinheiten (20,24,28), in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsparameter der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) und/oder der Wärmeabgabeeinheiten (20,24,28), mittels einer Schalteinheit (15) zugeschaltet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for producing the heat-transferring active compound one or more heat-emitting units ( 20 . 24 . 28 ), depending on the respective operating parameters of the fuel cell device ( 12 ) and / or the heat dissipation units ( 20 . 24 . 28 ), by means of a switching unit ( 15 ) are switched on. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebedarfsermittlung einmalig insbesondere für einen Kaltstart der Brennstoffzellen-Einrichtung (12), intermittierend insbesondere bei kurzzeitigen Stillstandsphasen der Brennstoffzellen-Einrichtung (12) oder permanent erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat demand determination once especially for a cold start of the fuel cell device ( 12 ), intermittently, especially during short periods of stoppage of the fuel cell device ( 12 ) or permanent.
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