WO2001048848A2 - Brennstoffzellenanlage als antriebseinheit für ein fahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Systemdynamik einer Brennstoffzellenanlage, die die Energie für eine Antriebseinheit eines Fahrzeugs zur Verfügung stellt. Die Anlage stellt nach einer Ruhephase von bis zu 3 Wochen die Hälfte ihrer maximalen Leistung nach weniger als 5 min zur Verfügung.

Claims

BeschreibungBrennstoffZeilenanlage als Antriebseinheit für ein FahrzeugDie Erfindung betrifft die Systemdynamik einer Brennstoffzellenanlage, die die Energie für eine Antriebseinheit eines Fahrzeugs zur Verfügung stellt.Aus Keith B. Prater: „Solid polymer fuel cell developments at Ballard* im Journal of Power Sources, 37 (1992) 181-188 ist der Einsatz der PEM-Technologie im Fahrzeugantrieb bekannt, wobei ein Bus mit einer Systemdynamik beschrieben wird, der zum Start auf andere Energiespeicher wie Batterien zurückgreift und nach erfolgtem Start nur eine mäßige Beschleuni- gung von 20 s von 0 bis 50 kmh (vgl. dort Seite 186) hat.Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanlage als Antriebseinheit für ein Fahrzeug zu schaffen, die eine attraktive Systemdynamik und/oder nutzerfreund- liehe Wartungsintervalle hat.Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage als Antriebseinheit für ein Fahrzeug, wo gewährleistet ist, dass bei einer vorangegangenen Ruhephase von 8 bis 24 h in weniger als einer Minute die Hälfte ihrer maximalen Leistung erbracht ist und/oder bei einer vorangegangenen Ruhephase von bis zu 3 Wochen nach höchstens 5 min die Hälfte ihrer maximalen Leistung bringt.Bevorzugt arbeitet die Anlage mit Polymer-Elektrolyt-Brenn- stoffzellen- (PEM) -Brennstoffzellen, insbesondere bevorzugt mit HT-PEM-Brennstoffzellen, die eine Hochtemperatur-Variante der PEM Brennstoffzellen sind. Bevorzugt stellt die Anlage noch schneller über die Hälfte ihrer maximalen Leistung zur Verfugung, d.h. bevorzugt steht nach erfolgter Ruhephase von bis zu 24 h die Hälfte der maxi- malen Leistung nach ca. 40 s und insbesondere bevorzugt steht die Leistung nach ungefähr 20 s zur Verfugung.Nach der 3-wochιgen Ruhephase steht die Hälfte der maximalen Leistung bevorzugt nach ca. 4 mm und insbesondere bevorzugt nach ca. 3 mm zur Verfugung.Dabei geben die Zeitangaben nur die Größenordnung der Systerndynamik an und kleinere Schwankungen, wie z.B. 48 % der maximalen Leistung in emer Minute und 2 Sekunden liegen immer noch im Rahmen der Erfindung, weil die Größenordnung der Dynamik die gleiche ist.Die betriebsbereite laufende BrennstoffZellenanlage fahrt auf ca. 90 % der Leistung einem Zeitmtervall von ca. 5 s hoch, bevorzugt m ca. 3 s und insbesondere bevorzugt m ca. 2 s.Bevorzugt hat die BrennstoffZeilenanlage eine Lebensdauer, die einer Kraftfahrzeug-Fahrleistung von bis zu 250 000 km entspricht.Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfuhrungs- beispielen anhand der Zeichnung. Es zeigenFigur 1 m schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mitElektromotorantrieb und einer Brennstoffzellenanlage zur Energieversorgung, Figur 2a und b zwei Teilfiguren Diagramme zur Erläuterung der Eigenschaften der Brennstoffzellenanlage gemäßFigur 1 und Figur 3 technische Mittel zur Realisierung desStartverhaltens einer Brennstoffzellenanlage zur Energieversorgung einem Kraftfahrzeug im Sinne von Figur 2.In der Figur 1 ist mit 1 ein Kraftfahrzeug (KFZ) bezeichnet, das beispielsweise einen Elektromotor 3 als Antrieb und eine Brennstoffzellenanlage 10 zur Versorgung des Antriebes aufweist. Die Brennstoffzellenanlage kann vorteilhafterweise eine sogenannte PEM (Proton Exchange Membran) -Brennstoffzelle, insbesondere auch eine HT-Brennstoffzelle, sein, die bei gegenüber Normaltemperatur erhöhten Temperaturen im Bereich von 100 bis 300°C arbeitet. Die PEM-Brennstoffzelle wird mit Wasserstoff oder Wasserstoffreichem Gas, das durch Reformie- rung aus Alkoholen, wie beispielsweise Methanol, oder aber auch aus Benzin gewonnen wird, und Sauerstoff, insbesondere Luft-Sauerstoff aus der Umgebung als Oxidans, betrieben.Der Vollständigkeit halber ist ein Auspuff 8 eingezeichnet, m dem bei Betrieb mit reinem Wasserstoff Produktwasser austreten kann, oder aber auch bei Betrieb mit wasserstoffreichem Gas noch vorhandene Abgase.In den graphischen Darstellungen gemäß Figur 2 ist jeweils als Abszisse die Zeit und als Ordinate die erreichte Leistung dargestellt. Vorgegeben ist jeweils die Linie der 100 ?- Leistung als Parallele zur Abszisse.In Figur 2a ist eine Kennlinie mit 21 und Figur 2b eine Kennlinie mit 22 bezeichnet, wobei die Kennlinien die Erfindung charakterisieren. Die Kennlinie 21 zeigt eine Startkurve einer Brennstoffzellenanlage 10 gemäß Figur 1, die eine längere Zeit, beispielsweise 14 Tage, nicht betrieben wurde. Aus der Kennlinie 21 ist ersichtlich, dass bei Unterbrechungen bis zu drei Wochen (21d) bereits fünfMinuten nach dem Start der Brennstoffzellenanlage die Hälfte der maximalen Leistung Wmaλ vorliegt. Die Maximalleistung Wma wird mit gleichem zeitlichen Anstieg erreicht.Wenn nach einem Dauer- oder aber auch Intervallbetrieb die Brennstoffzellenanlage beispielsweise für eine Nachtunterbrechung abgestellt ist, also beispielsweise zehn oder zwölf Stunden, und anschließend wieder gestartet wird, wird die Maximalleistung Wmd. m einem wesentlich kürzeren Zeitmter- vall, nämlich bereits m einer Minute, erreicht. Dies gilt bei Ruhepausen bis zu einem Tag, d.h. 24 Stunden.Figur 2b zeigt mit einem entsprechend vergrößerten Abszissenmaßstab beispielhaft einen Intervallbetrieb einer Brennstoffzellenanlage 10 m einem Kraftfahrzeug 1, w e er der taglichen Praxis vorkommt. Die Kennlinie 22 erreich bereits innerhalb von 1 mm die Hälfte der maximalen Leistung.Wenn das Kraftfahrzeug 1 mit der Brennstoffzellenanlage 10 aus dem Leistungsbetrieb heraus abgestellt wird und im betriebswarmen Zustand wieder gestartet wird, erreicht sie bereits nach 5 s etwa 90 cc ihrer maximalen Leistung Wm . Dies ist m den Figuren la und lb jeweils im rechten Bereich der Kurven 21 und 22 verdeutlicht.Wesentlich ist bei der Erfindung, dass im Praxisbetrieb eines Kraftfahrzeuges die erforderliche Leistung m angemessener Zeit nach dem Starten zur Verfugung gestellt wird. Die Umgebungstemperatur wahrend der Ruhepausen darf keinen entscheidenden Einfluß auf die Leistungserbringung nach dem Starten darstellen. Dabei muss gleichermaßen sichergestellt sein, dass eine hinreichend lange Betriebsdauer der Brennstoffzellenanlage erreicht wird. Die Betriebsdauer, die im Normalfall m Stunden berechnet wird, muss so auf die Fahrleistung des Fahrzeuges abgestellt sein, dass eine Lebensdauer der Brennstoffzellenanlage etwa 250 000 Fahr- kilometern des Fahrzeugs entspricht. Um em schnelles Hochfahren der Brennstoffzellenanlage beim Starten, insbesondere nach einem Kaltstart und längerer Ruhepause zu erreichen, können der Brennstoffzellenanlage vorteilhafterweise Mittel zum Starten, insbesondere zum Schnellstart, zugeordnet sein. Solche Mittel sind zunächst einmal eine hinreichende Isolierung der Brennstoffzellen gegen die Umgebung, womit eine aktuelle Betriebsbereitschaft auch über Zeiträume im Stundenbereich gewahrleistet ist. Als Zusatzmaßnahmen können bei längeren Standzeiten und niedrigen Umgebungstemperaturen Latentwarmespeicher und Mittel zur direkten oder indirekten Beheizung zumindest des Brennstoffzellenstacks zugeschaltet werden. Eine solche Heizvorrichtung kann em Brenner sein, der von der Bordbatterie betreibbar ist.Zur Realisierung der angegebenen Maßnahmen wird m Figur 3 vorteilhafterweise em Prozessor 30, beispielsweise em für das Motormanagement bereits vorhandener Mikroprozessor, so programmiert, dass er von einem Timer 31 getrieben zu bestimmten Zeitpunkten selbsttätig bestimmte Schaltmaßnahmen ausfuhrt. Dabei wird die mit einem Sensor 32 erfaßte Umgebungstemperatur Tι und weiterhin die Bauteiltemperatur TBT, für die ggf. mehrere Sensoren vorhanden sind, berücksichtigt. Im Prozessor 30 werden die erfassten Werte nach vorgegebenen Programmen verarbeitet, so dass geeignete Maßnahmen zum Erreichen der gewünschten Betriebsbereitschaft bestimmt werden.Um eine umfassende Betriebsbereitschaft der Brennstoffzellenanlage 10 mit obigen Vorgaben zu gewährleisten, werden die beschriebenen Maßnahmen veranlaßt und bei Bedarf beispielsweise em m der Figur 3 angedeuteter Latentwarmespeicher 33 zugeschaltet oder em Heizung 34 aktiviert. Ergänzend zu einer solchen Heizung kann em Brenner 30 zur Beiheizung vorhanden sein. Beim Starten des Motors kann zunächst die Kuhlanlage kurzgeschlossen werden, um die anfallende Motorabwarme unmittelbar für die Erwärmung der Brennstoffzellenanlage nutzbar zu machen. Speziell mit solchen Mitteln können Brennstoffzellen m Minutenfrist auf die geeigneteBetriebstemperatur aufgewärmt werden. Zum betriebswarmen Zustand der Brennstoffzellenanlage sind i.a. keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Bei Lastwechsel und/oder Neustart wird m etwa 5 > 90 O der maximalen Leistung errecht und zur Verfugung gestellt.Insbesondere bei der Verwendung von HT-PEM-Brennstoffzellen, die bei gegenüber der Normaltemperatur der PEM-Brennstoff- zelle erhöhter Temperatur von bis zu 300°C arbeiten, können diese Mittel zur direkten oder indirekten Heizung derBrennstoffzellenanlage sein. Dies ist immer dann wichtig, wenn die HT-Brennstoffzellenanlage Phosphorsaure im Elektrolyten enthalt, der e nach Konzentration bei Temperaturen von 40°C erstarren kann und somit erst verflüssigt werden muss. Die Verflüssigung kann durch die erwähnte Heizung oder aber auch durch eine Verdünnung und damit erfolgter Schmelzpunkterniedπgung der Phosphorsaure erfolgen .Auch andere Mittel, die das Startverhalten einer PEM- Brennstoffzellenanlage, insbesondere mit HT-Brennstoffzellen, die Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 80 und 300°C haben, sind möglich. Patentansprüche

1. Brennstoffzellenanlage als Antriebseinheit für e Fahrzeug, wobei Mittel (30 - 36) zum Starten vorhanden sind, mit denen die Anlage bei einer vorangegangenen Ruhephase von bis zu 24 h m weniger als einer Minute die Hälfte ihrer maximalen Leistung bringt und/oder bei einer vorangegangenen Ruhephase von bis zu 3 Wochen nach höchstens 5 mm die Hälfte ihrer maximalen Leistung bringt.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel (30 - 36) zum Starten den Verlauf der Umgebungstemperatur (TU) wahrend der Ruhepause und die Bauteiltemperatur (TBT) berücksichtigen.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zum Starten wenigstens einen Temperatursensor (32, 31 ) und einen Timer

(31) zu genauen Zuschalten einzelner Aggregate (33 - 35) umfassen, wobei wenigstens drei Schaltstufen vorhanden sind.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine hinreichende Isolierung vorhanden ist.

5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Isolierung eine Vakuumisolierung ist.

6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zum Starten einen Latentwarmespeicher (33) umfassen.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zum Starten eine direkte oder indirekte Heizung (35) umfassen.

8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zum Starten eines Brenners ( ) vorhanden sind.

9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vor vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im betriebswarmen Zustand nach 5 s bereits 90 % der maximalen Leistung zur Verfügung gestellt wird.

10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vor vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran- (HTM) -Brennstoffzelle mit einem ionenleitenden Elektrolyten.

11. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere unter Verwendung von HT-PEM-Brenn- stoffzellen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Lebensdauer erreicht wird, die bis zu 250 000 km des Kraftfahrzeuges entspricht.