AT526382A1

AT526382A1 - Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellen-Kühlsystem

Info

Publication number: AT526382A1
Application number: ATA50603/2022A
Authority: AT
Inventors: Schmid Dipl -Ing Reinhard; Kordon Dr Michael; Biegelbauer Dr Techn Georg
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024031115A3; WO2024031115A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug (11), mit einem Fahrgestell (14), einer Brennstoffzelle (26) und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (12), wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem (12) umfasst: einen an die Brennstoffzelle (26) ange- schlossenen Kühlkreislauf (30) zum Führen eines Kühlmediums; eine Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums; einen in thermischer Verbindung mit dem Fahr- gestell (14) stehenden Wärmetauscher (36); eine über ein Mehrwege-Bypassventil (38) zur Umgehung des Wärmetauschers (36) schaltbare Bypassleitung (40); und eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38).

Description

Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellen-Kühlsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug mit einem Fahrgestell, einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem und ein Verfahren zum Be-

trieb eines Brennstoffzellen-Kühlsystems.

Die vorliegende Erfindung basiert auf bekannten Brennstoffzellen-Kühlsystemen in Nutzfahrzeugen. Brennstoffzellen werden in Nutzfahrzeugen verstärkt dazu genutzt, schadstoffarm und mit hohem Wirkungsgrad chemische Energie des Brennstoffs in elektrische Energie zu wandeln. Bei der Energiewandlung entsteht jedoch auch Wärmeenergie, die abgeführt werden muss, damit ein Schaden von hitzeempfindlichen Teile der Brennstoffzelle, beispielsweise der Elektrolyi-Membran abgewendet wird. Häufig kommen im Fahrzeug Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCSs) zum Einsatz. Eine optimale Betriebstemperatur dieser Art von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen liegt bei etwa 60 °C.

Für das Abführen überschüssiger Wärmeenergie wird die Brennstoffzelle daher von einem Kühlmittel durchströmt und die Temperatur des Kühlmittels von einer Kältemaschine reduziert. Das Kühlmittel kann ferner über einen Kühler, möglich auch in Kombination mit einem Lüfter, beispielsweise in der Fahrzeugfront gekühlt werden. Die Kühlleistung solcher Kühler ist jedoch abhängig von der Umgebungstemperatur. Speziell bei Nutzfahrzeugen sind auf Grund der typischen Antriebsleistung und der daraus folgenden abzuführenden Wärmeleistung große Kühlerflächen nötig. Um die Wärmeenergie auch bei langsamen Fahrgeschwindigkeiten oder im Stand abzuführen, werden ferner leistungsstarke Lüfter benötigt, um für den nötigen Luftstrom durch die Kühler zu gewährleisten. Dies liegt insbesondere an den geringeren Temperaturunterschieden zwischen Umgebungstemperatur und Brennstoffzelle im Vergleich zu denjenigen zwischen Umgebungstemperatur und Verbrennungsmotor. Des Weiteren wird bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein wesentlicher Anteil der Wärmeenergie über das Abgassystem abgeführt, was beim Brennstoffzellenfahrzeug nicht erfolgt und daher eine wesentlich geringere Kühlleistung ausmacht.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Betrieb einer Kältemaschine oder der Kühlerlüfter selbst eine nicht unerhebliche Leistung benötigt, die ebenfalls zunächst von der Brennstoffzelle bereitgestellt werden muss. Eine solche Käl-

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temaschine oder der Kühlerlüfter reduzieren daher die für den Antrieb zur Verfügung stehende Gesamtleistung der Brennstoffzelle.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die für die Kühlung nötigen Kühlflächen Herausforderungen an das Fahrzeugpackage stellen und auch negativen Einfluss auf den cwWert haben.

Ferner ist nachteilhaft, dass es Zustände gibt, bei denen große Mengen an Wärmeenergie bei einem Stillstand des Fahrzeugs abgegeben werden müssen. Diese können beim Laden von Batterien eines vorhandenen Batteriesystems vorliegen, während das Fahrzeug steht oder langsam fährt. Ein gegebenenfalls vorhandener Kühler ist üblicherweise derart ausgelegt, dass die Durchströmung mit Fahrtwind essenziell ist. Somit muss bei diesen Situationen ein Lüfter des Kühlers oft angesteuert werden

was neben dem Energieverbrauch auch Lärm erzeugt.

In Anbetracht dieses Stands der Technik besteht ein Bedarf, ein BrennstoffzellenKühlsystem für Nutzfahrzeuge mit höherer Effizienz bereitzustellen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen mit höherer Effizienz zu kühlen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Nutzfahrzeug beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten

stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein Nutzfahrzeug, mit einem Fahrgestell, einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem, wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem umfasst:

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einen an die Brennstoffzelle angeschlossenen Kühlkreislauf zum Führen eines

Kühlmediums; eine Pumpe zum Umwälzen des Kühlmediums; einen in thermischer Verbindung mit dem Fahrgestell stehenden Wärmetauscher;

eine über ein Mehrwege-Bypassventil zur Umgehung des Wärmetauschers schaltbare Bypassleitung; und

eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils.

Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlsystems liegt darin, dass in einem Nutzfahrzeug mit einer Fahrgestell und einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem zumindest Teile des Fahrgestells als Kühlkörper genutzt werden können. Dabei ist ein mit Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher mit dem Fahrgestell thermisch verbunden, so dass eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen Kühlmedium und Fahrgestell ermöglicht wird. Das Fahrgestell ist bei Nutzfahrzeugen grundsätzlich größer als bei Personenkraftwagen. Mit der Größe steigt auch die Wärmekapazität des Fahrgestells und damit die Möglichkeit sowohl große Mengen an überschüssiger Wärme aufzunehmen als auch, diese auf Grund dessen großer Oberfläche an die Umgebung abzugeben. In Nutzfahrzeugen sind ferner auch Bereiche wie der Fahrgastraum, die häufig eine andere Temperierung benötigen als die Brennstoffzelle, grundsätzlich kleiner und in weiterer Entfernung zum Fahrgestell angeordnet als in Personenkraftwagen. Der Fahrgastraum von Nutzfahrzeugen ist daher weniger störend für den Betrieb des BrennstoffzellenKühlsystems als in Personenkraftwagen. Das Fahrgestell von Nutzfahrzeugen besteht zu einem Großteil aus massiven metallischen und damit thermisch leitfähigen Elementen, die in thermischem Kontakt miteinander stehen. Eine Oberfläche von Fahrgestellteilen kann leicht mehrere m? betragen. Weiterhin ist das Fahrgestell von Nutzfahrzeugen gegenüber Temperaturänderungen grundsätzlich unempfindlich, womit es ohne, dass Anpassungen notwendig sind, gut geeignet ist, einen Wärmepuffer bereitzustellen, der Wärme an die Umgebung abgegeben kann.

Das Kühlsystem ist ein System, das dazu dient, eine sich selbst erhitzende oder von außen erhitzte Einrichtung auf ein angemessenes Maß abzukühlen. Im Allgemeinen besteht dieses System aus Rohrleitungen, Pumpen und einer Wärmesenke. Ein im

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Kühlsystem zirkulierendes Kühlmedium wird an der Wärmequelle entlanggeführt, erwärmt sich dabei und gibt die aufgenommene Wärme an der Wärmesenke wieder ab. Das Kühlsystem ist jedoch nicht ausschließlich zur Kühlung geeignet, sondern kann auch eine Heizung oder eine Stabilisierung der Temperatur ermöglichen. Das Kühlsystem ist daher ein allgemeines Temperierungssystem.

Ein Nutzfahrzeug ist ein ist ein Kraftfahrzeug, das nach seiner Bauart und Einrichtung zum Transport von Personen oder Gütern bestimmt ist, oder zum Ziehen von Anhängern, aber kein Personenkraftwagen oder Kraftrad ist, sondern beispielsweise ein Omnibus, ein Lastkraftwagen, eine Zugmaschine oder ein Kranwagen. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Nutzfahrzeug eine Zugmaschine oder ein Lastkraftwagen sein.

Das Fahrgestell schließt insbesondere einen Rahmen, beispielsweise einen Leiter-

rahmen mit ein.

Die Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Mit Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine WasserstoffSauerstoff-Brennstoffzelle gemeint. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle, besonders bevorzugt eine Protonenaustauschmemb-

ran-Brennstoffzelle.

Die thermische Verbindung ist eine Verbindung, die für eine Übertragung thermischer Energie eingerichtet ist. Thermische Energie kann zwar grundsätzlich durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion übertragen werden, die Übertragung von thermischer Energie durch Wärmestrahlung ist ohne besondere Vorkehrungen jedoch so ineffizient, dass sie sich nicht für eine Übertragung thermischer Energie eignet. Die Eignung verschiedener Materialien zur Wärmeleitung wird durch den Wärmeleitungskoeffizienten beschrieben. Dieser ist für Gase, Flüssigkeiten und bestimmte Feststoffe gering, für Metalle hingegen wesentlich höher. Eine Verbindung, die für eine Übertragung thermischer Energie eingerichtet ist, muss daher eine Wärmeleitbrücke aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten umfassen.

Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, mit dem Wärme zwischen einer Quelle und einem Arbeitsmedium übertragen wird. Der Wärmetauscher ist sowohl zum Kühlen

als auch zum Heizen der Brennstoffzelle geeignet.

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Das Mehrwege-Bypassventil und die damit, zur Umgehung des Wärmetauschers, schaltbare Bypassleitung machen das System schaltbar und regelbar. Dadurch wird bei zu hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht, keine Wärmeenergie ins Kühlsystem einzutragen und bei zu niedrigen Außentemperaturen nicht zu große Mengen an Wärmeenergie aus dem System abzuleiten. Auch eine Regelung der Brennstoffzelle auf ein Wunschtemperaturniveau ist möglich. Somit kann gewährleistet werden, dass die Brennstoffzelle stets bei optimaler Betriebstemperatur betrieben wird. Das Mehrwege-Bypassventil kann auch als Proportionalitätsventil ausgestaltet sein, mit dem der Durchfluss durch die Bypassleitung grundsätzlich auch in mehr als zwei diskrete Zustände geschaltet werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, das Mehrwege-Bypassventil in einen von mehreren Zuständen mit kontinuierlicher Abstufung zu schalten. Der Begriff des „Schaltens“ ist daher weit auszulegen und umfasst auch ein „Regeln“.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Brennstoffzellen-Kühlsystem ferner eine Kältemaschine zur Kühlung des Kühlmediums umfasst.

Die Kältemaschine ist eine Maschine, die einem flüssigen Kühlmittel über einen Dampfkompressionskältekreislauf, Adsorptionskältekreislauf oder Absorptionskältekreislauf Wärme entzieht. Sie ermöglicht die Kühlung des Kühlmittels auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur.

Hierdurch wird ein zuverlässiger Betrieb des Brennstoffzellen-Kühlsystems auch bei hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht.

Brennstoffzellen-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrgestell einen Leiterrahmen umfasst und der Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen steht.

Als Leiterrahmen bezeichnet man eine Bauart von Fahrzeugrahmen im Automobilbau, das unter anderem die Achsen, Motor, das Getriebe und den Aufbau aufnimmt. Zwischen zwei starken Längsholmen sind mehrere Querstreben eingefügt, die ihm die Form einer Leiter geben. Zur Verbesserung der Verwindungssteifheit können Leiterrahmen aus geschlossenen Profilen hergestellt werden und in diesem Fall auch als Kastenrahmen bezeichnet werden. Häufig werden Leiterrahmen von Nutzfahrzeugen aber aus Trägern mit C-Profilen hergestellt. Die Anwendung bei Nutzfahrzeugen, insbesondere LKW mit Leiterrahmen ist besonders vorteilhaft, da die massi-

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ven metallenen Längsträger des Leiterrahmens mit einigen Millimetern Wandstärke und signifikanter Oberfläche sich besonders gut eignen, um die Wärmeenergie zu leiten, abzuleiten und außerdem eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Die großen Fahrzeugabmessungen der LKW-Leiterrahmen bedingend die große Oberfläche des Kühlkörpers Leiterrahmen und ermöglichen daher eine besonders effiziente Übertragung der Wärmeenergie an die Umgebung. Speziell beim Laden des Batteriesystems dient der Leiterrahmen als großflächiger Kühlkörper, wodurch eine Ansteuerung des Kühlerlüfters weniger nötig oder unnötig wird.

In dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn eine Oberfläche des Leiterrahmens wenigstens 7,5 m?2, insbesondere wenigstens 10 m? beträgt. Besonders bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Leiterrahmens wenigstens 15 m? beträgt.

Die große Oberfläche ermöglicht eine effizientere Abgabe der Wärmeenergie an die Umgebung und damit eine höhere Kühlleistung.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Nutzfahrzeug ferner einen in thermischer Verbindung zum Kühlkreislauf stehenden Frontkühler umfasst, der zur Abgabe von Wärmeenergie des Kühlmediums an die Umgebungsluft eingerichtet ist.

Der Frontkühler ist eine zum Austausch mit der Umgebungsluft vorgesehene Einrichtung, vorzugsweise mit einem Gebläse. In diesem Fall kann der Einsatz eines Frontkühlers durch dessen zusätzliche Kühlleistung bei energiearmer Betriebsweise eine weitere Effizienzsteigerung des Brennstoffzellen-Kühlsystems ermöglichen.

Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Frontkühler einen Lüfter umfasst.

Weitere Vorteile werden erreicht, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung zu Hochspannungskomponenten des Nutzfahrzeugs steht.

Wasserstoffbetriebene Nutzfahrzeuge haben Hochspannungskomponenten, die in der Regel mit etwa 800 Volt arbeiten und besonders geschützt sind. Hierzu können beispielsweise Antriebsinverter oder Hilfseinrichtungen wie eine Lenkhilfepumpe oder ein Luft-Kompressor gehören. Bei einer Vielzahl von Nutzfahrzeugen werden dazu außerdem Aufbauten dem Nutzfahrzeug hinzugefügt, die ebenfalls mit Hochspannung betrieben werden und über eine Schnittstelle an das Hochspannungsnetz

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des Nutzfahrzeugs angeschlossen sind. Hochspannungskomponenten erzeugen im Betrieb ebenfalls Abwärme. Der Kühlkreislauf kann auch zu jeder dieser Hochspannungskomponenten thermische Verbindungen aufweisen, die die Lebensdauer der Hochspannungskomponenten erhöhen kann und für erhöhte Ausfallsicherheit der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems sorgt.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung mit einer Komponente des Fahrzeugrahmens steht.

In manchen Nutzfahrzeugen sind neben dem Fahrgestell auch Komponenten des Fahrzeugrahmens dazu geeignet, Wärmeenergie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben. In diesen kann eine thermische Verbindung des Kühlkreislaufs mit dem Fahrzeugrahmen beispielsweise über einen zweiten Wärmetauscher oder gegebenenfalls über den bereits vorhandenen Wärmetauscher erfolgen. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung kann zu einer höheren Kühlleistung und einer höheren Wärmekapazität des Kühlkreislaufs führen.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung zu einer Hochvoltbatterie steht.

Diese Ausführungsform betrifft ein Nutzfahrzeug, das elektrisch betrieben wird, wobei die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie direkt genutzt und/oder in der Hochvoltbatterie gespeichert werden kann. Ein solcher Antrieb wird auch als Wasserstoff-Hybridantrieb bezeichnet. Ein oberer Wert der Kühlmediumeintrittstemperatur liegt je nach Batterietyp im Bereich von Werten um 40 °C und damit niedriger als für Brennstoffzellen. Das Kühlsystem kann dennoch für beide zu kühlenden Einrichtungen genutzt werden, wenn beispielsweise entweder eine niedrige Kühltemperatur genutzt wird oder die Hochvolt-Batterie in Fließrichtung vor der Brennstoffzelle angeordnet ist oder eine Kältemaschine zum Kühlen des Kühlmediums vor der Hochvoltbatterie vorgesehen ist oder eine Bypassleitung mit einem Dreiwege-Ventil einen Abschnitt zur Kühlung der Hochvoltbatterie schaltbar an den Kühlkreislauf angeschlossen ist. Eine Kombination mehrerer dieser Möglichkeiten zur Nutzung ist selbstverständlich ebenfalls möglich.

Weitere Vorteile können erreicht werden, wenn das Kühlmedium eine Mischung aus deionisiertem Wasser und Glykol umfasst.

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Für die Kühlung der Brennstoffzelle wird deionisiertes Kühlmittel verwendet, da es kaum elektrisch leitfähig ist und keinen unerwünschten Stromfluss verursacht. In Folge müssen die in Kontakt mit dem Kühlmittel stehenden Komponenten des Brennstoffzellen-Kühlsystems gegen ionisiertes Wasser beständig sein. Die Verwendung von deionisiertem Wasser mit Glykol ermöglicht dennoch einen effizienteren Betrieb der Brennstoffzelle.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmediums und/oder einer Umgebungstemperatur zu schalten.

Hierzu sind Temperaturmessgeräte an ein oder vorzugsweise mehreren Stellen des Kühlkreislaufs und der Umgebung oder einem mit der Umgebung in thermischem Kontakt stehenden Fahrzeugteil angeordnet. Eine derartige Schaltung ermöglicht einen genaueren Einsatz des in Verbindung mit dem Fahrgestell stehenden Wärmetauschers und damit eine weiter gesteigerte Effizienz der Kühlung.

Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs zu schalten.

Es gibt Betriebszustände des Nutzfahrzeugs, in denen Wärmeenergie von der Brennstoffzelle abgeführt werden muss ohne, dass das Fahrzeug in Bewegung ist. Beispielsweise beim Laden von Batterien eines Batteriesystems oder auch bei ACLaden über einen On Board Charger oder auch wenn des Brennstoffzellensystem die Batterien auflädt. Hierbei kann über das Mehrwege-Bypassventil die Wärmekapazität des Fahrgestells als Zwischenspeicher genutzt werden, ohne dass eine gegebenenfalls vorhandene Kältemaschine oder Kühler betrieben werden muss. Der Kühler ist normalerweise derart ausgelegt, dass die Durchströmung mit Fahrtwind essenziell ist. Somit muss bei diesen Situationen der Lüfter und/oder die Kältemaschine regelmäßig angesteuert werden, was neben einem Energieverbrauch auch zu Lärmbelastung führt. Diese Nachteile können durch ein Schalten des Mehrwege-Bypassventils in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs vermieden werden.

Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs zu schalten.

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Eine geplante Fahrtroute kann über ein Navigationssystem des Nutzfahrzeugs an die Steuerungseinrichtung übertragen werden. Auch eine manuelle Eingabe der Fahrtroute ist denkbar. Insbesondere bei geplanten Fahrten durch vorhersehbar wärmere oder kältere Abschnitte, beispielsweise bei Fahrten mit größeren Höhenunterschieden oder Tunnelfahrten kann das Fahrgestell besonders effizient als Wärmepuffer genutzt werden, was einen zusätzlichen Effizienzgewinn ermöglicht.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine PolymerelektroIytbrennstoffzelle ist.

In einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Arbeitspunkt etwa 60 Prozent. Als Elektrolyt dient dabei normalerweise eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion. Die Betriebstemperatur liegt im Bereich von 60 °C bis

120 °C, wobei für den kontinuierlichen Betrieb bevorzugt Temperaturen zwischen

60 °C und 85 °C gewählt werden. Die Membran ist beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet, einer Mischung aus Kohlenstoff und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, oder Platin und Cobalt. H2-Moleküle dissoziieren auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch den Elektrolyt transportierten Protonen entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode an den elektrischen Verbraucher angeschaltet.

Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen besonders kompakt und ermöglichen daher einen Einsatz in Nutzfahrzeugen mit begrenztem Platzbedarf. Ein gegenüber anderen Ausführungsformen eingesparter Platzbedarf der Brennstoffzelle kann je nach Fahrzeugtyp auch dazu genutzt werden, größere Wasserstofftanks einzusetzen und damit die Reichweite des Nutzfahrzeugs zu erhöhen.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Nutzfahrzeug mehr als 2 Achsen aufweist.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche;

b) Betreiben der Pumpe zum Umwälzen des Kühlmediums; c) Messen einer Temperatur des Kühlmediums; d) Messen einer Umgebungstemperatur;

e) Schalten des Mehrwege-Bypassventils in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstempera-

tur.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass Schritt e) ferner in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs durchgeführt wird.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn Schritt e) ferner in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs durchgeführt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigt schematisch:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Lastkraftwagens mit einem Brennstoffzellen-Kühlsystem gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems.

Die in Figur 1 dargestellte Schnittansicht auf einen Lastkraftwagen 10 mit einer Schnittebene auf Höhe von dessen Brennstoffzellen-Kühlsystems 12.

Das Fahrgestell 14 des Lastkraftwagens 10, als einer besonderen Form eines Nutzfahrzeugs 11, umfasst einen Leiterrahmen 16 mit Längsträgern 18 und Querträgern 20 sowie einer Fahrgastzelle 15. Der Lastkraftwaren 10 weist drei sich über den Leiterrahmen 16 erstreckende Achsen 22 mit Antriebsrädern 24 auf. Das Brennstoffzellen-Kühlsystem 12 ist zur Kühlung einer Brennstoffzelle 26 eingerichtet. Der an die

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Brennstoffzelle 26 angeschlossene Kühlkreislauf 30 führt ein Kühlmedium, das mit einer Pumpe 32 in einer durch den Pfeil 34 angegebenen Fließrichtung umgewälzt wird. Teil des Brennstoffzellen-Kühlsystems 12 ist ein in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen 16 stehender Wärmetauscher 36. Als Längsträger 18 werden im Lastkraftwagen 10 üblicherweise Stahlträger mit C-Profil verwendet. Für eine gute Wärmeübertragung ist der Wärmetauscher 36 flächig auf diesem C-Profil angeordnet. Für eine noch bessere Wärmeübertragung werden Wärmeleitfolien, Wärmeleitpads, Wärmeleitfilm oder Wärmeleitpasten zwischen Wärmetauscher 36 und Längsträger 18 angeordnet und damit eine besonders gute thermische Kopplung geschaffen.

Der Wärmetauscher 36 weist einen Fließkanal (nicht im Detail dargestellt) auf, der im Betrieb vom Kühlmedium durchströmt wird. Eine Mäanderform des Fließkanals ist in einigen Ausführungsformen vorgesehen, sorgt jedoch neben einer besseren Wärmeverteilung auch für einen höheren Druckverlust und muss mit entsprechender Pumpleistung ausgeglichen werden. Es ist auch möglich den Wärmetauscher als Leitung entlang des Längsträgers 18 auszugestalten, womit das Kühlmedium entlang des Leiterrahmens 16 in Fahrzeuglängsrichtung fließt und durch die große Kontaktfläche zwischen Wärmetauscher 36 und Längsträger 18 ermöglicht, viel Wärmeenergie bei geringem Druckverlust in den Leiterrahmen 16 zu übertragen. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem vorteilhaft, dass der Wärmeeintrag auf eine große Rahmenlänge verteilt wird und eine geringere Wärmeleitung innerhalb des Rahmens benötigt wird, um eine ähnliche Wärmekapazität zu erreichen. Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass sich der Wärmetauscher über wenigstens 50%, besonders bevorzugst über wenigstens 75% der Länge des Leiterrahmens 16 erstreckt.

In Fließrichtung vor dem Wärmetauscher 36 ist ein Mehrwege-Bypassventil 38 angeordnet. Das Mehrwege-Bypassventil 38 ist als Dreiwegeventil dazu eingerichtet, eine Bypassleitung 40, die zur Umgehung des Wärmetauschers 36 schaltbar ist, als Alternative zum Durchfluss durch den Wärmetauscher 36 freizuschalten. Auf diese Weise kann ein Abführen der Wärme an den Leiterrahmen 16 angeschaltet bzw. abgeschaltet werden. Das Mehrwege-Bypassventil 38 kann auch als Proportionalventil ausgestaltet sein. Ein Proportionalventil ist ein Stetigventil, das mit Hilfe eines Pro-

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portionalmagneten nicht nur diskrete Schaltstellungen zulässt, sondern einen stetigen Übergang der Ventilöffnung.

In Fließrichtung nach dem Wärmetauscher 36 und der Bypassleitung 40 ist eine Kältemaschine 42 im Kühlkreislauf 30 angeordnet.

Die Steuerung des Mehrwege-Bypassventils 38 erfolgt über eine Steuerungseinrichtung (nicht im Detail dargestellt). Die Steuerungseinrichtung empfängt Messdaten der Temperatur des Kühlmediums an unterschiedlichen Positionen (vor Kühler, vor Wärmetauscher, vor Batterie/Brennstoffzelle) gemessen. Die Leiterrahmentemperatur wird im Bereich des Wärmetauschers 36, vorzugsweise vor und nach dem Wärmetauscher gemessen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leiterrahmentemperatur an weiteren Stellen gemessen wird, um eine gesamte im Leiterrahmen 16

gespeicherte Energiemenge abschätzen zu können.

An der Fahrzeugfront ist ein Frontkühler 44 mit einem Lüfter 46 im Kühlkreislauf angeordnet. Der Lüfter kann ebenfalls von der Steuerungseinrichtung gesteuert werden.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems 12. Durch das Verfahren kann die Brennstoffzelle eines erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugs 11 gekühlt oder auch erhitzt werden.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Ein erster Schritt 101 betrifft ein Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs 11 nach einem der Ansprüche 1 bis 15.

Ein zweiter Schritt 102 betrifft ein Betreiben der Pumpe 32 zum Umwälzen des

Kühlmediums. Ein Kühlmedium wird im Kühlkreislauf 30 durch Pumpen umgewälzt. Ein dritter Schritt 103 betrifft ein Messen einer Temperatur des Kühlmediums.

Die Temperatur des Kühlmediums wird an unterschiedlichen Positionen, beispielsweise vor dem Frontkühler 44, vor dem Wärmetauscher 36, nach dem Wärmetauscher 36 und/oder vor der Brennstoffzelle 26 gemessen.

Ein vierter Schritt 104 betrifft ein Messen einer Umgebungstemperatur.

Die Umgebungstemperatur kann direkt über ein an geeigneter Stelle angebrachtes Außenthermometer gemessen werden oder als Rahmentemperatur am Leiterrahmen

16 indirekt gemessen werden.

Ein fünfter Schritt 105 betrifft ein Schalten des Mehrwege-Bypassventils 38 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstemperatur.

Die Steuerungseinrichtung schaltet auf Basis der Temperaturen und der optimalen Temperaturbereiche der Brennstoffzelle die Stellung des Mehrwege-Bypassventils 38.

Alle Komponenten des Brennstoffzellen-Kühlsystems haben, insbesondere die Brennstoffzelle 38 hat, typischerweise einen Wohlfühlbereich von Tunten,sotl DIS Toben,soll, Welcher innerhalb eines Maximalbereichs Tmin bis Tmax liegt. Beim Wohlfühlbereich sind Grenzen für Hysterese THyst,unten UNd THyst,oben ZU definieren, welche Innerhalb des Wohlfühlbereichs liegen.

Je nach Temperatur der zu temperierenden Komponente und der Richtung des Wärmeübertrags werden die Zustände ‚Heizen‘, ‚Kühlen‘ oder ‚keine Temperierung‘ gesetzt.

Innerhalb des Wohlfühlbereichs, zwischen den engeren Hysterese-Grenzen THyst,unten und THyst,oben, Wird eine Temperierung mit möglichst geringen Energieaufwand gewählt. Diese kann vorzugsweise mit Rahmenwärmetauscher 36, falls die gemessenen Temperaturen dies ermöglichen, aber ohne Betrieb des Lüfters 46 am Frontkühler 44 erfolgen.

Erst wenn diese Art der Temperierung nicht ausreicht, werden weitere kühlende Komponenten wie beispielsweise der Lüfter 46 oder die Kältemaschine 42 aktiviert.

Falls die Temperatur des Leiterrahmens 16 nicht mehr der Temperierung hilft, da dieser beim Zustand ‚Kühlen‘ über dem Wert von Toben, soll liegt oder beim Kühlen unter dem Wert von Tunten, soll liegt, wird das Mehrwege-Bypassventil 38 so geschaltet, dass der Wärmetauscher 36 nicht oder nur reduziert durchströmt wird, um das Fahr-

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gestell 14 thermisch vom Rest des Brennstoffzellen-Kühlsystems 12 zumindest teil-

weise zu entkoppeln.

Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vor-

liegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Lastkraftwagen

11 Nutzfahrzeug

12 Brennstoffzellen-Kühlsystem 14 Fahrgestell

15 Fahrgastzelle

16 Leiterrahmen

18 Längsträger

20 Querträger

22 Achse

24 Antriebsräder

26 Brennstoffzelle

30 Kühlkreislauf

32 Pumpe

34 Pfeil

36 Wärmetauscher

38 Mehrwege-Bypassventil 40 Bypassleitung

42 Kältemaschine

44 Frontkühler

46 Lüfter

101 erster Schritt 102 zweiter Schritt 103 dritter Schritt 104 vierter Schritt 105 fünfter Schritt

Claims

einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (12), wobei das BrennstoffzellenKühlsystem (12) umfasst:

einen an die Brennstoffzelle (26) angeschlossenen Kühlkreislauf (30) zum Führen eines Kühlmediums;

eine Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums;

einen in thermischer Verbindung mit dem Fahrgestell (14) stehenden Wärmetauscher (36);

eine über ein Mehrwege-Bypassventil (38) zur Umgehung des Wärmetauschers (36) schaltbare Bypassleitung (40); und

eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38).
2. Nutzfahrzeug (11) nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem (12) ferner eine Kältemaschine (42) zur Kühlung des Kühlmediums umfasst.
3. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrgestell (14) einen Leiterrahmen (16) umfasst und der Wärmetauscher (36) in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen (16) steht.
4. Nutzfahrzeug (11) nach Anspruch 3, wobei eine Oberfläche des Leiterrahmens (16) wenigstens 7,5 m?, insbesondere wenigstens 10 m? beträgt.
5. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen in thermischer Verbindung zum Kühlkreislauf (30) stehenden Frontkühler (44), der zur Abgabe von Wärmeenergie des Kühlmediums an die Umgebungsluft eingerichtet ist.
6. Nutzfahrzeug (11) nach Anspruch 5, wobei der Frontkühler (44) einen Lüfter (46) umfasst.

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7. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkreislauf (30) in thermischer Verbindung zu Hochspannungskomponenten des Nutzfahrzeugs (11) steht.
8. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (36) ferner in thermischer Verbindung mit einer Komponente des Fahrzeugrahmens steht.
9. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Hochvoltbatterie, wobei der Kühlkreislauf (30) in thermischer Verbindung mit der Hochvoltbatterie steht.
10. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmedium eine Mischung aus deionisiertem Wasser und Glykol umfasst.
11. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmediums und/oder einer Umgebungstemperatur zu schalten.
12. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs (11) zu schalten.
13. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs (11) zu schal-

ten.
14. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (26) eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist.
15. Nutzfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nutzfahrzeug (11) mehr als 2 Achsen (22) aufweist.
16. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems (12), umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs (11), nach einem der vorhergehenden Ansprüche;

b) Betreiben der Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums; c) Messen einer Temperatur des Kühlmediums; d) Messen einer Umgebungstemperatur;

e) Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstem-

peratur.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Schritt e) ferner in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs (11) durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei Schritt e) ferner in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs (11) durchgeführt wird.