CN102484270B - 具有至少一个用于冷却燃料电池系统的冷却回路的汽车 - Google Patents

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Abstract

一种汽车具有至少一个用于冷却燃料电池系统(2)的冷却回路(5)。该冷却回路(5)至少包括一冷却用热交换器(6)、一冷却介质输送装置(12)和在燃料电池系统(2)的燃料电池组(11)中的热交换器。冷却用热交换器(6)被作为冷却空气的与运动相关的气流(F)所流过。根据本发明，冷却用热交换器(6)被构造成至少两级(6a、6b)，所述至少两级这样配置，使得它们被与运动相关的气流(F)顺序地先后地流过。

Description

具有至少一个用于冷却燃料电池系统的冷却回路的汽车
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个用于冷却燃料电池系统的冷却回路的汽车，其中该冷却回路至少包括一冷却用热交换器、一冷却介质输送装置和在燃料电池系统的燃料电池组中的热交换器，且其中由与运动相关的气流形成的冷却空气流经所述冷却用热交换器。
背景技术
从DE 196 29 048 C2中已知有一种用于通用类型的汽车的燃料电池系统。该燃料电池系统包括一主要冷却用热交换器，该冷却用热交换器，类似于具有内燃机的汽车中的结构，如此配置使得行驶时迎风的动压保证了周围空气用作冷却空气进行流通。为利用该动压，其本上仅汽车前表面可用于该冷却用热交换器。但具有相应的局限和缺点，下文中将一起叙述这些及其他问题。
对于PEM燃料电池的应用，燃料电池驱动系统工作时的散热成了一个问题，其对性能构成限制，因为所产生的废热的大部分必须经过其中仅存在小温差的冷却回路排放到周围环境中去。在实际适用的系统结构中，初步认为，必须经冷却回路排放的废热差不多等于在燃料电池中所产生的电功率。
原理上，对冷却回路散热的改善可通过增大冷却表面、提高冷却用热交换器的通流量或通过提升冷却介质的温度来达到。根据总的技术现状，迄今已开发的冷却概念利用这些观点中的一个或多个，但伴随有以下所述的局限和缺点。
当今PEM燃料电池组或电池堆的最大工作温度在80℃～90℃之间。目前对提高温度所作的努力会对耐用性(寿命)有损害，并且这种努力从今天的观点来看可视为是长期的目标。另外，基于水的冷却回路仅仅允许十分有限地进一步提高温度，而能够在高温下工作的冷却介质(如热油)意味着更高的密封要求、更大的成本以及更复杂的操作。对冷却用热交换器的前表面的提高，且仅仅因此在DE 196 29 048 C2中所述的有关动压的效果，在汽车制造中是十分有限的。其中主要的限制因素尤其是封装和设计规格，以及出于低汽车能耗的考虑希望实现尽可能低的空气阻力系数(cw.A-Wert)。同样，通过加入高功率的风扇来改善冷却效果也带来了严重缺点，风扇所必需要的驱动功率导致寄生损失的显著加大。这意味着系统效率降低。另外，汽车的声学效果也受到了负面影响。
由于上述原因，冷却回路的散热能力对汽车中的移动燃料电池系统的电功率构成一个限制因素。为了针对汽车中燃料电池系统中的这些冷却问题提出解决方案，DE 10 2005 012 413 A1提出一种结构，它在汽车的所述区域内利用附加表面作为冷却表面。但由此却相应地改变了汽车设计，而这通常是不希望发生的。
此外，在US6,370,903B1中也描述了一种用于燃料电池汽车的冷却回路，它为了冷却燃料电池，自身加入具有被与运动相关的气流所流过的冷却用热交换器的高温冷却回路。另外，为冷却驱动电机以及汽车的电气元件和电子元件，具有一种已知形式的低温冷却回路，它同样由一为与运动相关的气流所流经的冷却用热交换器所冷却。
在当今汽车的典型类型中，汽车还设置有空调装置，它根据此处所述的实施形式一方面可用于汽车内部的空气调节，另一方面用于支持冷却燃料电池的冷却回路。其结构为热泵形式。
基本上，空调装置也必须设置有空调冷却用热交换器，以便冷却或冷凝空调装置中所用的空调介质。因此所述结构为如下类型，即该空调冷却用热交换器通常被结合在燃料电池的冷却回路中或如在US6,370,903B1中所述的被结合在用于电子元件的低温冷却回路中。
通过这样一种结合，在使用空调装置以冷却汽车内部空间的情况下，始终存在以下的缺点，即进入冷却回路的热量更进一步地提高，使得尤其在很高的环境温度下，对燃料电池组的冷却便进一步恶化。由于燃料电池冷却的这种恶化，一辆装备有燃料电池系统的汽车的性能便相应地降低。而在US6,370,903B1中所述的借助于空调装置的蒸发器对燃料电池冷却回路的协助冷却具有的缺点是，这样一种冷却伴随着在空调装置中产生较高的能量消耗，从而使得这样装备的汽车的总效率等级降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有至少一个用于冷却燃料电池系统的冷却回路的汽车，它能够在最小的能量要求的前提下提供最大的冷却效率，且因此允许即使在恶劣的环境条件下也能使燃料电池系统具有高性能。
根据本发明，所述技术问题是通过特征“所述冷却用热交换器被构造成至少两级，所述至少两级被构造成使得与运动相关的气流顺序地先后地流过所述至少两级，所述冷却用热交换器的至少两级被在所述冷却回路中流动的冷却介质顺序地先后地流过，其中被与运动相关的气流所最后流过的级被冷却介质最先流过”来解决的。下文给出根据本发明的汽车的有利实施方式和进一步改进。
因为在根据本发明的汽车中的冷却用热交换器被构造成至少两级，在冷却用热交换器中用于冷却的表面积则显著地增加。冷却用热交换器的至少两级的配置使得它们被与运动相关的用作冷却空气的气流一级一级地顺次流过，便能够利用该至少两级，而无需增大所需的流过面积。该结构因此可毫无问题地被结合在现有的汽车方案中，因为仅仅总的冷却用热交换器或冷却用热交换器的级组的厚度在行驶方向上由于级的更多数目而相应地被增加，但却无需更大的气流流过面积。
根据本发明的汽车的一非常有利的实施例，冷却用热交换器的至少两级被在冷却回路中流动的冷却介质顺次相继流过，其中由与运动相关的气流最后流过的该级则被冷却介质最先流过。由于冷却用热交换器的各单独的级沿行驶方向先后配置，它们便也被与运动相关的作为冷却空气的气流先后流过。这意味着，在各单独的级中，在各级中待冷却的冷却介质和与运动相关的作为冷却该冷却介质的冷却空气的气流之间存在不同的温度差。相应地，冷却用热交换器的各单独级能够被不同程度地冷却。由于各单独级配置成使得它们被冷却介质顺次流过，现在便能够实现，冷却用热交换器的被最热冷却介质流过的该级已经用最热的、亦即已经被另外一级加热的与运动相关的气流所冷却。这意味着，冷却介质被以尽可能最佳的方式冷却，因为还十分热的冷却介质被比较热的与运动相关的气流所冷却，这样在这里便能够得到足够的温度差，以便实现至少冷却介质的初步冷却——从冷却介质的角度看来为第一级但从与运动相关的气流的角度看来为末级。在所述级中或在接下去的一级中，冷却介质便逐渐变得更冷，气流也逐渐更冷，这样便可以实现将冷却介质完全冷却至燃料电池系统实现全部功效所需的温度程度。
在根据本发明的汽车的又一有利的实施例中，冷却回路具有作为用于冷却燃料电池组的高温冷却回路的第一段，其中平行于冷却用热交换器构造有一作为用于冷却电气和/或电子元件的低温冷却回路的第二段，其中在冷却回路中低温冷却用热交换器平行于该至少两级的冷却用热交换器配置，使得低温冷却用热交换器相对于冷却用热交换器的该至少两级被与运动相关的气流顺次地流过。根据本发明的汽车的该特别有利的改进形式，配置有一低温冷却用热交换器，其形式为从与运动相关的气流的角度看来是串联于该冷却用热交换器的至少两级的另外一级。通过这些技术手段，该结构便于将燃料电池汽车中根据现有技术已知的且常用的用于冷却电气和/或电子元件比如驱动电机和功率电子器件的低温冷却回路结合在自身的冷却回路中。低温冷却回路于是被构造成冷却回路的第二段，这样便可省去另外的管线元件和在某种情况下附加的冷却介质输送装置。
根据汽车的可能实施例之一，汽车还以已知的形式具有一空调装置。在根据本发明的实施例中，仅仅是在如下的情况下是特别有利的，即如果空调装置具有至少一个空气调节热交换器，以冷却空调装置中所用的空调介质，其中该空气调节热交换器被构造成独立于该用于燃料电池系统的冷却回路。用于冷却或冷凝空调装置的空调介质的空调冷却用热交换器与燃料电池系统的冷却回路独立性确保，没有额外的热量经空调介质的冷却被输入到用于燃料电池系统的冷却回路中。更多的情况是，该热量——尤其是在出现高的环境温度且对燃料电池系统的冷却本来十分困难时出现——在其它地方被冷却，这样便不会出现该额外的热量对燃料电池系统或对它的冷却产生负面的影响。这意味着，该燃料电池系统可以独立于空调装置被冷却并可保证其功效。
在本发明的一特别有利的实施例中，该至少一个空调冷却用热交换器设置在汽车的轮罩拱中或在其前面。这种在汽车的轮罩拱中的配置可以完全独立于燃料电池系统用的冷却回路的至少两级的冷却用热交换器的冷却表面，而无需去除任何可用的其上施加有与运动相关的气流的动压的表面。此外，在轮罩拱中或之前的这种配置，可很大程度地消除对汽车美观的不利影响，从而使得这种附加的空调冷却用热交换器在汽车设计中不会显得突出或仅最低程度地被关注。
可从其余的从属权利要求中找到本发明的其他有利实施例并且通过实施示例变得清楚，下面参考附图对该实施例进行更详细的说明。
附图说明
图1为根据本发明的汽车的一示意图；和
图2为根据本发明的汽车的一冷却回路的一优选实施例。
具体实施方式
图1中示例性示出一汽车1，包括一燃料电池系统2，通过该燃料电池系统2向汽车1提供电气驱动功率。经由一相应的电子装置3和一形式为一电机4的电气驱动装置来驱动汽车1，该电气驱动装置尤其还可以为马达或以熟知的方式为在汽车制动期间的发电机。燃料电池系统2此处具有至少一个冷却回路，该冷却回路在此处例如用管路5标注。该冷却回路5的一部分为冷却用热交换器6，它被配置在汽车1的前端区域，亦即沿行驶方向A在前面。与运动相关的气流F，以一种已知的方式在汽车1的前端区域产生相应的动压，流经冷却用热交换器6，并且因此对循环在冷却回路5中的冷却介质——典型地为具有防冻介质的水基混合物——进行冷却。
图1中的汽车1还设置有一空调装置7，它以已知的方式被构造成用于对汽车1的内室进行空气调节。为冷却或冷凝空调装置7中所用的空调介质，空调装置7需要至少一个空调冷却用热交换器8，该至少一个空调冷却用热交换器8在此处被构造成独立于燃料电池系统2的冷却用热交换器6或燃料电池系统2的冷却回路5。该空调冷却用热交换器8配置成轮罩拱热交换器或者配置在汽车1的轮罩拱9中的至少一个之前。所谓轮罩拱热交换器此处理解为这样的热交换器——它被配置在前防撞器和前车轮拱罩护板之间或在轮罩拱9或挡泥板的内部，且也被由于汽车1向前行驶流经那里的空气所相应地流过。这样一种轮罩拱热交换器的优点在于，它能被配置在汽车1的一区域中，而在汽车的设计中从外部看不到。
为了使作为轮罩拱热交换器的该空调冷却用热交换器8实现尽可能最好的通流，且尤其是在汽车静止而在轮罩拱9内部不产生热空气循环，空调冷却用热交换器8受到轮罩拱中气流的影响，且流走的冷却空气例如通过挡泥板上的对应孔(此处未标出但是众所周知的)排出。在特别有利的方式中，入流的空气气流在路面10之上的一小高度处流入到空调冷却用热交换器8中，该高度低于它通过挡泥板上的孔流出的高度。由此可实现一种烟囱效应，从而使得该向上流出的热空气在空调冷却用热交换器8上施加一抽吸作用，并通过轮罩拱9吸入新鲜空气，该新鲜空气能相应地冷却空调冷却用热交换器8。该效应在此处独立于与运动相关的气流F产生，从而及时汽车静止也能实现一定的冷却效果，而无需相应的风扇或类似物来实现强制对流。
图2中以十分详细的视图再次示出冷却回路5。冷却回路5在此处包括第一段，即所谓的高温冷却回路，用于冷却燃料电池系统2的燃料电池组11。该燃料电池组11可以特别是PEM燃料电池的组，它作为所谓的低温燃料电池在当今为汽车应用最广泛的燃料电池。在冷却回路5的该第一段中流入一冷却介质，比如已提到的水-防冻剂混合物，它可被例如由电动机13驱动的冷却介质输送装置12在冷却回路5的该第一段中输送。在燃料电池组11自身的区域中，可以设置阀装置14，阀装置14相应地调节流经燃料电池组11的流量。此外，冷却回路5可以包括其他的元件，如在这里作为例子示出的过滤器15和补偿水箱16。在燃料电池组11中被加热的冷却介质现在经冷却介质输送装置12流至冷却用热交换器6的第一级6a——它被与运动相关的气流F相应地流过——以冷却该冷却介质。其后，后续流至沿冷却介质方向位于下游的冷却用热交换器的第二级6b——它同样被与运动相关的气流F流过，这样在冷却用热交换器6的第二级6b中，冷却介质被进一步冷却。冷却介质然后经过三通阀17和过滤器15回到燃料电池组11中。该三通阀17已知用于在燃料电池系统2中的这种高温冷却回路，且尤其是用作如下用途，即在燃料电池组11的起始阶段，将冷却回路中的冷却介质仅仅泵送通过燃料电池组11和可能地其它待冷却的元件18(元件18在此处作为可选的)，这样燃料电池组11较快地升温并快速地达到其工作温度。
图2中的冷却回路5还包括第二段，它被构造成低温冷却回路，且尤其冷却汽车驱动装置及其马达4和燃料电池系统5的功率电子元件3。此外，在此处被并行流经的汽车驱动装置元件和功率电子器件具有相应的阀装置19，通过它可相应地调节流量。替代如当今技术中所通用的那种独立的低温冷却回路，此处作为低温冷却回路使用的第二段被相应集成到燃料电池系统2所用的冷却回路5中。该第二段具有一自身的低温冷却用热交换器20，并能利用一自身的可选冷却介质输送装置21——只要后者是必需的。此处该可选的冷却介质输送装置21应该在所有情况下位于一个比补偿水箱16更低的地形高度上。冷却回路5的该第二段所起的作用是，包含在其中的冷却介质在流过待冷却的驱动装置元件或电机4以及电子元件3之后流经低温冷却用热交换器20，且之后与在冷却回路的第一段中的冷却介质进行混合。在到达三通阀17之前，第二段所需的分流然后再次自冷却回路5取出，以便能保证在燃料电池组11的加热阶段对电气或电子元件3、4进行冷却。根据冷却介质输送装置12在冷却回路5中的配置形式，可取消该可选的冷却介质输送装置21。低温冷却用热交换器20和冷却用热交换器6的级6b都经过排出管路与补偿水箱16相连接。
低温冷却用热交换器20和冷却用热交换器6的两个在此处示出的级6a、6b是沿流经它们的与运动相关的气流F的方向串联地先后地配置，这样它们被冷却用的与运动相关的气流F串联地(相继地、顺序地)先后地流过。这意味着，对于所有三个冷却用热交换器，在汽车1的前面区域中冷却用热交换器的表面积需要仅仅一次，以确保冷却用热交换器20、6的通流。与运动相关的气流F首先流过低温冷却用热交换器20，且在该过程中稍微被加热。该稍微被加热的与运动相关的气流F然后流经冷却用热交换器6的第二级6b，且将冷却回路5的第一段的第一级6a中已预冷的冷却介质冷却到所需的温度。其后，在这期间被显著加热的与运动相关的气流F到达冷却用热交换器6的第一级6a的区域中，且在其中对在冷却回路5的第一段中的冷却介质进行“预冷却”。通过这样一种结构，能够在汽车1的前面区域中用最少的面积需求实现一种对燃料电池系统及其所有元件的十分有效的冷却。由于冷却用热交换器6的两个相连接的级6a、6b和低温冷却用热交换器20，该电池组在冷却用热交换器6、20上的通流会受到限制。至少在某些的情况下，或者在汽车1周围高温情况下，有利且有益的是，借助于风扇2来相应增强与运动相关的气流F的流量，且通过这些手段来实现层叠式冷却用热交换器6、20中的冷却空气的强制对流。该具有风扇22的设计(尤其能与温度控制相关地或与温度控制独立地进行工作)对许多具有传统内燃机的汽车来说是已知的，且也经常用于冷却汽车中的冷却用热交换器。
用于燃料电池系统2的冷却回路5的结构构造成完全独立于汽车1的空调装置7，这在图2中也同样可看出。该结构基本上包括一膨胀阀23和一用于冷却汽车1内室的蒸发器24，它在此处通过热流用字母B表示的箭头来代表。此外，空调装置7还具有一所谓的内部热交换器25，它在空调装置7中用于提高效率是已知和常用的。此外，还看到一压缩机26，它在此处示出的实施例中将空调装置7的空调介质输送到两个空调冷却用热交换器8中——在其中该介质被冷却和/或冷凝。如已经在图1中提到的那样，该空调冷却用热交换器8被构造成独立于燃料电池系统2的冷却回路5，且能够尤其配置在汽车1的轮罩拱9中。在图2中，可以看到两个空调冷却用热交换器8，它们例如可以配置在汽车1的右前轮罩拱或左前轮罩拱9中。
如已经提到的那样，图2中的结构现在具有特别的优点：利用基于汽车1的设计典型地可用的用于冷却用热交换器20、6的可流经的面在前部区域中实现该结构。通过由低温冷却用热交换器20和冷却用热交换器6的各单独级组成的层叠体，可以用可用的表面在冷却回路5中实现对冷却介质的尽可能最佳的冷却，且因此也实现一种对燃料电池组11的尽可能最佳的冷却。由此可得到燃料电池组11的高效率，而不会因冷却不充分而限制了其性能。
图2中的冷却回路5的该原理上可行的、非常紧凑高效的结构保证了具有燃料电池系统2的汽车的最佳冷却。原则上，也可考虑，如果合适，以冷却回路5的形式使用分成两级6a、6b或某些情况下多于两级的冷却用热交换器6，其中，类似地，独立于用于燃料电池组11以及如果合适用于其它在其中被冷却的元件的高温冷却回路，提供一用于电气或电子元件3、4的低温冷却回路。

Claims (15)

1.一种具有至少一个用于冷却燃料电池系统的冷却回路的汽车，其中该冷却回路至少包括一冷却用热交换器、一冷却介质输送装置和在燃料电池系统的燃料电池组中的热交换器，且其中由与运动相关的气流形成的冷却空气流经所述冷却用热交换器，其特征在于：所述冷却用热交换器(6)被构造成至少两级(6a、6b)，所述至少两级被构造成使得与运动相关的气流(F)顺序地先后地流过所述至少两级，所述冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)被在所述冷却回路(5)中流动的冷却介质顺序地先后地流过，其中被与运动相关的气流(F)所最后流过的级(6a)被冷却介质最先流过。
2.根据权利要求1所述的汽车，其特征在于：所述冷却回路(5)被构造成仅用于冷却燃料电池组(11)的高温冷却回路。
3.根据权利要求1所述的汽车，其特征在于：所述冷却回路(5)具有作为用于冷却燃料电池组(11)的高温冷却回路的第一段，其中平行于冷却用热交换器(6)构造有作为冷却电气和/或电子元件(3、4)的低温冷却回路的第二段，其中在冷却回路(5)中平行于冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)设置低温冷却用热交换器(20)，该低温冷却用热交换器布置成使得低温冷却用热交换器(20)被与运动相关的气流(F)相对于所述冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)顺序地流过。
4.根据权利要求3所述的汽车，其特征在于：所述低温冷却用热交换器(20)这样配置，使得它在冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)之前被与运动相关的气流(F)顺序地流过。
5.根据权利要求1～4之一所述的汽车，其特征在于：冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)被配置在汽车(1)的前面区域中。
6.根据权利要求1～4之一所述的汽车，其特征在于：在冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)的区域中配置有风扇(22)，以增强冷却空气的通流。
7.根据权利要求1～4之一所述的汽车，其特征在于：冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)具有大约相同的为与运动相关的气流(F)所流经的面积且被先后层叠布置。
8.根据权利要求1～4之一所述的汽车，其特征在于：所述燃料电池组(11)被构造成PEM燃料电池的层叠体。
9.根据权利要求1～4之一所述的汽车，还具有空调装置，其特征在于：空调装置(7)具有至少一个空调冷却用热交换器(8)，以冷却在空调装置(7)中所用的空调介质，其中空调冷却用热交换器(8)被构造成独立于燃料电池系统(2)用的冷却回路(5)。
10.根据权利要求9所述的汽车，其特征在于：至少一个空调冷却用热交换器(8)位于汽车(1)的一个轮罩拱(9)中或之前。
11.根据权利要求10所述的汽车，其特征在于：空气流入到至少一个空调冷却用热交换器(8)是通过汽车(1)的轮罩拱(9)或在汽车前面的下部区域的侧部空气入口来实施，而空气排出是通过在轮罩拱(9)的区域中的挡泥板上的孔进行。
12.根据权利要求11所述的汽车，其特征在于：空气流入的区域位于路面(10)之上的比用于空气排出的孔低的高度处。
13.根据权利要求3或4所述的汽车，其特征在于：冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)和低温冷却用热交换器(20)被配置在汽车(1)的前面区域中。
14.根据权利要求3或4所述的汽车，其特征在于：在冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)和低温冷却用热交换器(20)的区域中配置有风扇(22)，以增强冷却空气的通流。
15.根据权利要求4所述的汽车，其特征在于：冷却用热交换器(6)的至少两级(6a、6b)和低温冷却用热交换器(20)具有大约相同的为与运动相关的气流(F)所流经的面积且被先后层叠布置。
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