DE10047138A1 - Kühlgebläsesystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
Kühlgebläsesystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines BrennstoffzellensystemsInfo
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Abstract
Ein Kühlbläsesystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, bei dem mittels mindestens eines Kühlgebläses Luft zu Kühlungszwecken durch einen Wärmetauscher hindurch bewegbar und danach der Umgebungsluft entweder direkt oder indirekt nach Erfüllung von einer weiteren oder mehreren weiteren Kühlungsaufgaben zuführbar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß eine Luftabzweigungseinrichtung vorgesehen ist, die zumindest einen Teil der vom Gebläse bzw. von jedem Gebläse gelieferten Luft einer Leitung zuführt und hierdurch die Verwendung der abgezweigten Luft für das Anlassen der Brennstoffzellen und/oder für die Aufrechterhaltung des Betriebs der Brennstoffzellen ermöglicht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlgebläsesystem für ein Fahrzeug
mit Brennstoffzellenantrieb, bei dem mittels mindestens eines Kühlgeblä
ses Luft zu Kühlungszwecken durch einen Wärmetauscher hindurch be
wegbar und danach der Umgebungsluft entweder direkt oder indirekt
nach Erfüllung von einer weiteren oder mehreren weiteren Kühlungsauf
gaben zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum
Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Viele Vorschläge, Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieben auszu
statten, wurden bereits gemacht. Solche Fahrzeuge werden bereits gebaut
und erprobt.
Bei solchen Brennstoffzellenantrieben liefern Brennstoffzellen elektrische
Energie, die nach entsprechender Aufbereitung an einen oder mehrere
Antriebsmotoren angelegt wird, die für die Fortbewegung eines Kraftfahr
zeuges sorgen.
Für Brennstoffzellenantriebe für Kraftfahrzeuge werden derzeit PEM
(Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzellen bevorzugt, die parallel
und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und einen sogenannten
Stack bilden. Den Brennstoffzellen werden einerseits Wasserstoff von einer
geeigneten Quelle sowie Sauerstoff in Form von Luft zugeführt. Die vom
Wasserstoff stammenden und durch die Membrane der Brennstoffzellen
hindurch passierenden Protonen kombinieren in den Brennstoffzellen mit
dem zugeführten Luftsauerstoff zur Bildung von Wasser bei der gleichzei
tigen Erzeugung von elektrischer Energie.
Das Fahrzeug kann mit einem Wasserstoffspeichertank ausgestattet wer
den, kann aber auch mit einem wasserstoffreichen Synthesegas gespeist
werden, das aus einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Methanol ge
wonnen wird. In diesem Fall wird der Kohlenwasserstoff in einer Aufbe
reitungseinrichtung in Form eines sogenannten Reformers zu dem was
serstoffreichen Synthesegas aufbereitet. Wenn ein Reformer zum Einsatz
kommt, wird auch von diesem Luft benötigt.
Auch sind Brennstoffzellen bekannt, die mit Methanol direkt gespeist wer
den, wobei das Methanol zu etwa 97% aus Wasser besteht. Auch solche
Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff für die Stromerzeugungsre
aktion und müssen von einem Kompressor mit Luft versorgt werden.
Unabhängig davon, welche Art von Brennstoffzellen zum Einsatz gelangen,
wird stets ein Kompressor benötigt, der Druckluft für die Brennstoffzellen
bzw. für den Reformer zur Verfügung stellt. Ein Teil der Ausgangsleistung
des Brennstoffzellensystems wird auch an einen Elektromotor angelegt,
der im Betrieb zum Antreiben des Kompressors benötigt wird.
Das Anlassen von einem Brennstoffzellensystem ist in der Praxis mit Pro
blemen verbunden.
Eine bekannt Lösung sieht die Verwendung einer Traktionsbatterie mit
beispielsweise 288 V Betriebsspannung vor. Diese Traktionsbatterie hat
im Prinzip drei verschiedene Aufgaben: Zum einen wird sie dazu verwen
det, den Hauptkompressor anzutreiben, um mit diesem Kompressor ver
dichtete Luft in das Brennstoffzellensystem einzuspeisen, so daß Strom
erzeugt wird, der dann die Traktionsbatterie als Stromquelle für den den
Kompressor antreibenden Elektromotor ersetzt.
Die zweite Aufgabe der Traktionsbatterie besteht darin, den das Fahrzeug
bewegenden Elektromotor bzw. die das Fahrzeug bewegenden Elektromo
toren dynamisch zu unterstützen, so daß beispielsweise bei starker Be
schleunigung oder bei erhöhten Geschwindigkeiten die Leistung der Trak
tionsbatterie die elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems
ergänzt.
Die dritte Aufgabe besteht darin, daß eine Traktionsbatterie dazu verwen
det werden kann, um beispielsweise regeneratives Bremsen zu realisieren.
Das heißt, daß bei Abbremsung des Fahrzeuges die vorhandene kinetische
Energie zum Teil in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann in der
Traktionsbatterie gespeichert werden kann.
Obwohl eine Traktionsbatterie für diese verschiedenen Zwecke nützlich
sein kann, stellt sie ein teures und schweres Bauteil dar, so daß man ger
ne auf die Traktionsbatterie verzichten möchte.
Wenn aber die Traktionsbatterie abgeschafft würde, könnte man diese
nicht mehr zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems verwenden.
Für das Hochfahren des Brennstoffzellensystems wird Luft benötigt. Da
der Luftkompressor aus der Brennstoffzellenspannung betrieben wird,
steht diese noch nicht zur Verfügung. Mangels einer Traktionsbatterie ist
dann bereits vorgeschlagen worden, mittels eines 12 V-Hilfslüfters, d. h.
eines sogenannten Start-up-Blowers, das Brennstoffzellensystem mit aus
reichender Luft zu versorgen, so daß die Stromerzeugung dort anfängt
und das System allmählich hochfährt, bis die Stromerzeugung durch das
Brennstoffzellensystem ausreicht, um das System im Betrieb aufrecht zu
erhalten.
Unabhängig davon, ob man mit einer Traktionsbatterie oder mit einem
Hilfslüfter arbeitet, sind viele das System verkomplizierende oder verteu
ernde Komponenten, beispielsweise Lüfter, Kühler, Rohre, 288 V-Batterien
etc., notwendig, auf die man lieber verzichten möchte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ohne Anwendung einer Trakti
onsbatterie oder eines Hilfslüfters ausreichend Luft zur Verfügung zu
stellen, daß das Brennstoffzellensystem angelassen und hochgefahren
werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine
Luftabzweigeinrichtung vorgesehen ist, die zumindest einen Teil der vom
Kühlgebläse bzw. von jedem Kühlgebläse gelieferten Luft einer Leitung
zuführt und hierdurch die Verwendung der abgezweigten Luft für das An
lassen der Brennstoffzellen und/oder für die Aufrechterhaltung des Be
triebs der Brennstoffzellen ermöglicht.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß anerkannt, daß bei Verwen
dung eines Brennstoffzellenantriebes ein von der üblichen Bordbatterie
angetriebenes Kühlgebläse zum Einsatz gelangt, das zur Kühlung von
durch einen Wärmetauscher strömende Flüssigkeit herangezogen wird,
wobei die durchströmende Luft auch für weitere Kühlungsaufgaben an
wendbar ist, das aus Kühlgebläse und Wärmetauscher bestehende System
beim Anlassen des Brennstoffzellensystems jedoch an sich nicht benötigt
wird, da die Wärme, die dann entsteht, begrenzt ist, so daß das dem
Wärmetauscher zugeordnete Kühlgebläse für das Anlassen des Brenn
stoffzellensystems herangezogen werden kann, bis dieses ausreichend
Strom liefert, um den Kompressor selbst anzutreiben. Das heißt, das
Kühlgebläse wird kurzfristig für die Inbetriebnahme des Brennstoffzellen
systems verwendet.
Dies kann im Prinzip so erfolgen, daß eine Luftabzweigeinrichtung, die le
diglich durch eine feststehende Leitwand gebildet ist, vorgesehen wird, die
stets einen Anteil des vom Kühlgebläse erzeugten Luftstroms abzweigt und
über eine geeignete Leitung den Brennstoffzellen bzw. einem Reformer
zuführt. Beim Betrieb des Systems müßte dann eine Einrichtung vorgese
hen werden, um die Leitung zu schließen, wenn der Kompressor anläuft,
um zu verhindern, daß die vom Kompressor erzeugte Druckluft aus der
entsprechenden Leitung in Form einer Rückströmung entweicht. Diese
Notwendigkeit könnte dann sogar entfallen, wenn die vom Kühlgebläse er
zeugte und abgezweigte Luftströmung dem Eingang des Kompressors zu
geführt wird und daher über den Kompressor den Brennstoffzellen bzw.
dem Reformer zugeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Luftabzweigeinrichtung beweg
lich zu machen, so daß sie zwischen einer ersten, im wesentlichen un
wirksamen Position und einer zweiten, die Luftabzweigung bewirkenden
Position schaltbar ist. Auf diese Weise kann nicht nur ein Anteil des vom
Kühlgebläse gelieferten Luftstroms, sondern der gesamte Luftstrom für
das Anlassen des Brennstoffzellensystems herangezogen werden.
Es kann sich zwar im Prinzip bei dem Kühlgebläse um ein Sauggebläse
handeln, das stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist und Luft
durch diesen hindurch saugt, wobei die Luftabzweigeinrichtung dann
stromab des Sauggebläses anzuordnen wäre. Solche Sauggebläse sind bei
Brennstoffzellenantriebe üblich.
Noch günstiger ist es jedoch, wenn es sich bei dem oder bei jedem Kühl
gebläse um ein Druckgebläse handelt, das vor dem Wärmetauscher ange
ordnet ist. Ein solches Gebläse ist besser imstande, den für das Anlassen
der Brennstoffzellen erforderlichen Luftstrom zu liefern, da es unter Ge
gendruckbedingungen effizienter arbeitet.
Bei Verwendung eines Druckgebläses ist dieses vorzugsweise mit dem
Wärmetauscher mittels eines Luftverluste vermeidenden Gehäuses ver
bunden.
Besonders günstig ist es, wenn ein Luftleitgehäuse stromab des Wärme
tauschers diesem unmittelbar benachbart angeordnet ist, so daß die ge
samte durch den Wärmetauscher hindurchströmende Luft in das Luftleit
gehäuse hineingelangt.
Es bestehen erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten, die Luftab
zweigeinrichtung zu realisieren. Insbesondere kann diese durch verstell
bare Lamellen realisiert werden, die in der ersten Position, die sich durch
den Wärmetauscher hindurch bewegende Luft durchlassen und in der
zweiten Position gegeneinander schließen, um die Luft der zu den Brenn
stoffzellen führenden Leitung zuzuführen. Die Lamellen sind vorzugsweise
auf der stromabwärtigen Seite des Luftleitgehäuses angeordnet.
Sie können beispielsweise nach Art einer Fensterjalousie angeordnet wer
den. Eine andere Möglichkeit besteht darin, sie nach Art einer Irisblende
anzuordnen, wobei die Lamellen im gegeneinander geschlossenen Zustand
eine mittlere Öffnung bilden, die dem Eingang der zu den Brennstoffzellen
führenden Leitung gegenüber liegt.
Auch besteht die Möglichkeit, die Lamellen nach Art eines Rolladens an
zuordnen.
Besonders günstig ist es auch, wenn ein Luftsammelkasten sich über ei
nen Bereich des Luftleitgehäuses erstreckt, in der Luftabzweigposition von
der Luftabzweigeinrichtung nicht abgedeckt ist und die durch diese abge
lenkte Luft sammelt und zu der zu den Brennstoffzellen führenden Lei
tung abzweigt. Ein solcher Luftsammelkasten läßt sich ohne weiteres mit
einer aus Lamellen bestehenden Luftabzweigeinrichtug verwenden, insbe
sondere wenn diese nach Art einer Fensterjalousie oder nach Art eines
Rolladens angeordnet sind, da sich der Luftsammelkasten über die ge
samte Breite des Wärmetauschers erstrecken und die Lamellen sich gegen
einen Randbereich des Luftsammelkastens schließen können.
Eine weitere Möglichkeit, die Luftabzweigeinrichtung zu realisieren und
mit einem Luftsammelkasten zu verwenden, besteht darin, sie als Rou
leauverschluß auszubilden.
Anstatt einen Luftsammelkasten zu verwenden, kann die Luftabzweigein
richtung in der zweiten Position die Luftausgangsseite des Luftleitgehäu
ses vollständig abschließen, und dieses kann einen Anschluß für eine zu
den Brennstoffzellen führende Leitung aufweisen. Dadurch wird die Not
wendigkeit der Verwendung eines getrennten Luftsammelkastens vermie
den bzw. das ohnehin vorhandene Luftleitgehäuse wird selbst als
Luftsammelkasten verwendet.
Bei Ausbildungen mit einer verstellbaren Luftabzweigeinrichtung wird der
Verstellmotor zur Verstellung desselben vorzugsweise auf dem Luftleitge
häuse montiert.
Es kann ein Luftfilter in den Luftsammelkasten oder in die zu den Brenn
stoffzellen führende Leitung eingebaut werden, um sicherzugehen, daß die
Brennstoffzellen bzw. der Reformer nur mit sauberer Luft gespeist wird.
Besonders günstig ist, daß bei der Erfindung das Kühlsystem bestehend
aus dem Kühlgebläse und dem Wärmetauscher mit der Luftabzweigein
richtung und den diesen zugeordneten Gehäusen sowie mit einem etwai
gen Motor zur Verstellung der Luftabzweigeinrichtung als Modul aufge
baut ist, da es dann platzsparend als Einheit ausgelegt werden kann,
leicht austauschbar ist und preisgünstig mit einem Minimum an Zusatz
teilen hergestellt werden kann.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb eines Brenn
stoffzellensystems mit einem Wärmetauscher, mit mindestens einem einen
Kühlluftstromung durch den Wärmetauscher erzeugenden Kühlgebläse
und mit einem von einem Kompressor mit Druckluft gespeisten Brenn
stoffzellenanordnung vorgesehen, wobei mindestens ein Teil der Kühlluft
stromung für das Anlassen des Brennstoffzellensystems und/oder für die
Aufrechterhaltung des Betriebs in Niederiglastbereichen, bspw. beim
Leerlauf, Ausroll- und/oder Schubbetrieb, der Brennstoffzellenanordnung
und ggf. einer dieser vorgeschalteten Reformiereinrichtung zugeführt
wird.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausfüh
rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die zeigt:
Fig. 1A eine auseinandergezogene Darstellung eines erfindungsgemäßen
Kühlgebläsemoduls für ein Fahrzeug,
Fig. 1B eine perspektivische Darstellung des zusammengebauten Mo
duls gemäß Fig. 1A, bei dem sich die Luftabzweigeinrichtung in
einer ersten Betriebsposition befindet, bei der keine ausgeprägte
Luftabzweigung stattfindet, und
Fig. 1C der Fig. 1B entspricht, jedoch die Luftabzweigeinrichtung in ei
ner zweiten, Luft abzweigenden Position zeigt,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Moduls der Fig. 1C in einer
leicht abgewandelten Form und an ein Brennstoffzellensystem
angeschlossen,
Fig. 3A eine Stirnansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kühlgeblä
semoduls mit einer Luftabzweigeinrichtung in Form einer Iris
blende in der geschlossenen, Luft abzweigenden Position,
Fig. 3B eine Darstellung entsprechend der Fig. 3A, jedoch mit der
Luftabzweigeinrichtung in der ersten geöffneten Position, in der
keine Luftabzweigung stattfindet,
Fig. 3C eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 3A und 3B,
Fig. 4A eine Stirnansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kühlgeblä
semodul auf der stromabwärtigen Seite gesehen mit einer
Luftabzweigeinrichtung in Form eines Rouleauverschlusses in
einem teilweise geöffneten Zustand,
Fig. 4B eine Darstellung ähnlich der Fig. 4A, jedoch mit dem Rouleau
verschluß in der zweiten geschlossenen Position, in der eine
Luftabzweigung erfolgt,
Fig. 4C eine Seitenansicht des Kühlgebläsemoduls der Fig. 4A und 4B,
Fig. 5A eine Stirnansicht einer weiteren Variante eines erfindungsgemä
ßen Kühlgebläsemoduls auf der stromabwärtigen Seite, bei der
eine Luftabzweigeinrichtung in Form eines Rolladens zur An
wendung gelangt und hier im geschlossenen Zustand gezeigt ist
und
Fig. 5B eine Darstellung ähnlich der Fig. 5A, jedoch im ersten geöffneten
Betriebszustand des Rolladens.
Fig. 1A zeigt in einer perspektivischen, höchst schematischen Darstellung
ein Kühlgebläsemodul 10 bestehend aus zwei Druckgebläsen 12, die Luft
durch einen Wärmetauscher 14 hindurchdrücken, um eine nicht gezeigte,
jedoch durch den Wärmetauscher 14 hindurchströmende Flüssigkeit zu
kühlen.
Auf der Luftaustrittsseite des Wärmetauschers befindet sich ein Luftleit
gehäuse 16, hier in Form eines rechteckigen Kastens, das im oberen Be
reich mehrere schwenkbar angelenkte Lamellen 18 nach Art einer Fen
sterjalousie trägt und im unteren Bereich durch einen Luftsammelkasten
20 abgedeckt ist, wobei der Luftsammelkasten in eine Leitung 22 mündet,
die gemäß Fig. 2 zu den Brennstoffzellen direkt oder indirekt führt, wie
später näher erläutert wird. Die Lamellen 18 bilden eine Luftabzweigein
richtung 19.
Fig. 1B zeigt das Modul der Fig. 1A im zusammengebauten Zustand und
läßt erkennen, daß es sich hier um eine kompakte, gedrungene Konstruk
tion handelt. Auf der oberen linken Seite des als Rahmen ausgebildeten
Luftleitgehäuses befindet sich ein Verstellmotor 24, der über einen Hebelarm
26 und Verbindungsstab 28 mit den einzelnen Lamellen 18 verbun
den ist, und diese von einer ersten, geöffneten Betriebsposition gemäß Fig.
1B, in der zumindest im wesentlichen keine Luftabzweigung erfolgt, in ei
ne zweite in der Fig. 1C gezeigte geschlossene Position bewegen bzw.
schwanken kann, in der die einzelnen Lamellen 18 luftdicht gegeneinan
der und gegenüber dem Luftleitgehäuse 16 schließen, so daß die von den
Gebläsen 12 gelieferte Luft gezwungen ist, in den Luftsammelkasten 20
hineinzuströmen und diese Luft von dort über die Leitung 22 zu den
Brennstoffzellen gelangt.
In einer vereinfachten Ausführungsform werden die Lamellen 18 und der
Motor 24 weggelassen und die Wandung des Luftsammelkastens bildet
eine fest angeordnete Leitwand, die die Luftabzweigeinrichtung bildet. Ei
ne Vielzahl anderer Ausführungsformen mit fest angeordneten Leitwänden
kämen ebenfalls in Frage.
Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Konstruktion des erfindungsgemä
ßen Kühlgebläsemoduls wie in Fig. 1A bis 1C, jedoch mit einigen Abwei
chungen. Zunächst verdeutlicht Fig. 2, daß die zwei Kühlgebläse 12 über
ein Gehäuse 30 mit dem Wärmetauscher 14 verbunden sind, so daß die
gesamte Luftmenge, die von den Druckgebläsen 12 befördert wird, durch
den Wärmetauscher 14 hindurchströmen muß. Der Ausgang 22 des
Luftsammelkastens 20 ist in diesem Beispiel auf der hinteren Seite des
Luftsammelkastens herausgeführt und nicht wie bei dem Beispiel der Fig.
1 seitlich. Der Ausgang 22 führt in eine Leitung 32 hinein, die zu einem
Lufteingang 34 der Brennstoffzellenanordnung 36 führt. Innerhalb der
Brennstoffzellenanordnung 36 gibt es in an sich bekannter Weise eine
Luftverteilungspassage, zu der sowohl der Lufteingang 34 als auch der
Lufteingang 38, der mit dem Ausgang des Luftkkompressors 40 verbun
den ist, führt.
Im normalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung saugt der Kompres
sor 40 Luft über den Eingang 42 an, dem beispielsweise ein Luftfilter vor
geschaltet ist, komprimiert diese Luft und liefert sie dann als Druckluft
über den Eingang 38 der Brennstoffzellenanordnung 36.
Um beim Betrieb des Kompressors 40 eine unerwünschte Rückströmung
über die Leitung 32 zu vermeiden, ist diese mit einer von einer Steuerung
42 ansteuerbaren Ventilklappe 44 vorgesehen, die in Fig. 2 in der geöff
neten Stellung gezeigt ist, die aber über die Steuerung 42 in eine ge
schlossene Stellung bewegt werden kann, um die erwähnte Rückströmung
zu verhindern.
Eine entsprechende steuerbare Ventilklappe kann auch im Bereich des
Lufteingangs 38 oder des Eingangs 42 angeordnet werden, um zu verhin
dern, daß bei Speisung der Brennstoffzellenanordnung von den Druckge
bläsen 12 Luft über den Kompressor 40 entweicht.
Die Ventilklappe 42 kann weggelassen werden, wenn die Leitung, wie bei
32' angedeutet, in das Lufteinsaugrohr 42 des Kompressors hineingeführt
wird. Der Lufteingang 34 der Brennstoffzellenanordnung 36 ist dann
überflüssig. Es ist aber eventuell notwendig, ein Ventil im Bereich des
Lufteinsaugrohres 42 vor der Mündung der Leitung 32' vorzusehen, um
hier einen unerwünschten Luftverlust beim Betrieb des Druckgebläses vor
Inbetriebnahme des Kompressors zu vermeiden.
Das Bezugszeichen 46 deutet auf einen Luftfilter hin, der in diesem Bei
spiel in der Leitung 32 angeordnet ist. Als Alternative könnte ein Luftfilter
46' im Luftsammelkasten 20 untergebracht werden.
Bei der Inbetriebnahme eines Kraftfahrzeugs mit dem Brennstoffzellensy
stem gemäß Fig. 2 wird der Motor 24 zunächst angesteuert, um die Jalou
sielamellen 18 zu schließen, d. h. in die Stellung gemäß Fig. 1C zu brin
gen. Gleichzeitig wird das Ventil 44, falls vorhanden, geöffnet und die von
der Niederspannungsbordbatterie betriebenen Druckgebläse 12 werden
eingeschaltet, so daß die von den Druckgebläsen 12 erzeugte Druckluft
über das Gehäuse 30, den Wärmetauscher 14, das Luftleitgehäuse 16 und
den Luftsammelkasten 20 in die Leitung 32 und daher zu den Brennstoff
zellen 36 gelangt. Sollte die Leitung in den Kompressoreingang geführt
werden, wie bei 32' gezeigt, gelingt die Druckluft von den Druckgebläsen
über den Kompressor 40 in die Brennstoffzellenanordnung 36. Gleichzeitig
wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Synthesegas der Brennstoff
zellenanordnung 36 über den Wasserstoffeingang 48 zugeführt. Die
Brennstoffzellenanordnung 36 fängt dann an, Strom zu erzeugen.
Sobald die Strommenge, die erzeugt wird, ausreicht, um den den Kom
pressor 40 antreibenden Motor (nicht gezeigt) anzutreiben, wird dieser in
Betrieb gesetzt. Der Kompressor 40 liefert dann die erforderliche Luftmen
ge, um die Brennstoffzellenanordnung 36 im Betrieb zu halten und die
notwendige Leistung zu erzeugen.
Sobald der Kompressor 40 ausreichend Luft an die Brennstoffzellenan
ordnung 36 liefert, kann der Motor 24 angesteuert werden, um die Jalou
sielamellen 18 in die geöffnete Stellung gemäß Fig. 1B zu bringen. Die
Ventilklappe 44 kann in eine Stellung gebracht werden, in der sie die
Leitung 32 schließt, damit keine Luftverluste durch Rückströmung über
die Leitung 32 eintreten. Anstelle eines elektrisch angesteuerten Ventils,
d. h. anstelle eine Ventilklappe zu verwenden, kann dieses als Rückschlag
ventil ausgebildet werden. Dies gilt auch für ein Ventil, das eventuell im
Bereich des Eingangs 38 oder in der Luftzufuhr zum Kompressor 40 ange
ordnet ist, um Luftverluste bei Speisung der Brennstoffzellenanordnung
36 von den Druckgebläsen 12 zu vermeiden.
Obwohl bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 ein Luftsammel
kasten zur Anwendung gelangt, kann auf einen solchen Luftsammelka
sten verzichtet werden. Statt dessen kann der Luftausgang 22 direkt aus
dem Luftleitgehäuse 16 oder aus dem Gehäuse 30 herausgeführt werden.
Die Jalousielamellen 18 oder andere Abzweigeinrichtungen müßten dann
die gesamte Ausgangsseite des Luftleitgehäuses 16 bzw. des Wärmetau
schers abdecken. Wenn der Luftausgang aus dem Gehäuse 30 herausge
führt wird, könnte die Abzweigeinrichtung vor dem Wärmetauscher ange
ordnet werden und dessen Eingangsseite vollständig abdecken.
Diese weiteren Möglichkeiten der Plazierung des Luftausgangs sind mit
22', 22" in Fig. 2 angedeutet.
Fig. 3 zeigt nun eine alternative Ausbildung der Luftabzweigeinrichtung.
In diesem Beispiel besteht die Luftabzweigeinrichtung 50 wiederum aus
Lamellen 18'. Diese sind jedoch hier nach Art einer Irisblende angeordnet.
Fig. 3A zeigt die geschlossene Stellung der Irisblende. Man merkt, daß die
radial inneren Enden der Lamellen 18' eine geöffnete, kreisförmige Öff
nung 42 bilden, die gegenüber dem Eingang eines Luftsammelkonus 54
liegt, der mit einem Ausgang 22''' versehen ist. Die Irisblende ist so aus
gelegt, daß die radial inneren Enden der Lamellen 18' am Luftsammelkonus
54 unmittelbar benachbart zur Öffnung dichtend anliegen, so daß die
von den Druckgebläsen 12 erzeugte Druckluft von Luftleitgehäuse 16 ge
sammelt und in den Luftsammelkonus 54 gedrängt wird, woraus sie über
den Luftausgang 22''' in eine Leitung wie 32 bzw. 32' gelangt.
Fig. 3B zeigt die voll geöffnete Stellung der Irisblende, die einen kreisring
förmigen Luftausgang 56 für die durch den Wärmetauscher 14 hindurch
tretende Luft begrenzt. Bei diesem Beispiel kann es vorteilhaft sein, nur
mit einem kreisförmigen Druckgebläse 12 zu arbeiten. Die Lamellen 18'
werden in diesem Beispiel vom Motor 24' zwischen den Positionen der Fig.
3A und 3B bewegt. Bei einer abgewandelten Ausführungsvariante könnten
die Lamellen 18' der Irisblende vollständig schließen, und ein Luftausgang
22' bzw. 22" wie bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 könnte vorge
sehen werden.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der eine Luftabzweigein
richtung in Form eines Rouleauverschlusses 60 auf der Ausgangsseite des
Luftleitgehäuses 16 zur Anwendung gelangt. Es handelt sich bei diesem
Rouleauverschluß 60 um eine flexible, luftundurchlässige Membran 62,
die auf einem oberen, federvorgespannten Zylinder 64 aufrollbar ist, wobei
die Federvorspannung so ausgelegt ist, daß sie bemüht ist, den Rouleau
verschluß in Pfeilrichtung 66 in eine voll geöffnete Stellung zu bewegen.
Auf der in Fig. 4A unteren Seite des Rouleauverschlusses 60 befinden sich
zwei Zugseile 68, die auf einem von einem Motor 72 antreibbaren Zylinder
70 im unteren Bereich des Luftleitgehäuses 16 aufrollbar sind.
Der Motor 72 kann durch Drehung des Zylinders 70 entsprechend dem
Pfeil 74 um die Achse 76 den Rouleauverschluß 60 vom oberen federvorgespannten
Zylinder 64 abwickeln, der um die eigene Längsachse 78
drehbar angeordnet ist.
Fig. 4A zeigt eine Zwischenstellung, bei der die Unterkante des Rouleau
verschlusses 60 angefangen hat, die Luftausgangsseite des Luftleitgehäu
ses 16 abzudecken, während Fig. 4B die voll geschlossene Stellung zeigt.
Der Motor 72 wird herangezogen, um den Rouleauverschluß 60 nach un
ten in die geschlossene Stellung gemäß Fig. 4B zu bringen, wo der Ver
schluß durch eine nicht gezeigte Verriegelung festgehalten werden kann,
beispielsweise durch einen Stift, der von einem Solenoid betätigt wird. So
bald die Brennstoffzellenanordnung ausreichend Strom produziert, um
den Kompressor 40 anzutreiben, wird die Verriegelung, beispielsweise
durch Unterbrechung der Stromzufuhr zu dem Solenoid, aufgehoben und
der federvorgespannte Zylinder 64 sorgt dann für die Aufwicklung des
Rouleauverschlusses, so daß dieser sich in die voll geöffnete Stellung
(nicht gezeigt) zurückbewegt.
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine ähnliche Anordnung, nur kommt hier eine
Luftabzweigeinrichtung 84 mit Lamellen 18" in Form eines Rolladens zum
Einsatz. Bei diesem Beispiel wird der Rolladen über Seile 68' von einem
federvorgespannten Zylinder 80 nach unten gezogen, um die geschlossene
Stellung gemäß Fig. 5A zu erreichen, in der die unterste Lamelle 18" dicht
gegen die obere Kante des Luftsammelkastens 20 abschließt. Zum Öffnen
des Rolladens wird der Motor 72' mit Strom beaufschlagt. Dieser dreht
dann den Zylinder 82, der die Lamellen aufrollt, bis die voll geöffnete
Stellung gemäß Fig. 5B erreicht ist. Der Rolladen kann dann in dieser
Stellung von einer nicht gezeigten Verriegelung gehalten werden, so daß
der Motor 72' nicht ständig unter Strom stehen muß.
Obwohl die erfindungsgemäße Einrichtung vornehmlich zum Anlassen des
Brennstoffzellensystems herangezogen wird, kann sie auch unter Um
ständen verwendet werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzellen lediglich
aufrechterhalten werden soll, damit das Fahrzeug sofort durchstarten
kann, das Kraftfahrzeug sich aber im Niedriglastbereich bewegt, bei
spielsweise im Leerlauf an einer Verkehrsampel, im Schubbetrieb oder
beim Ausrollen. Die Möglichkeit, den Motor für den Kompressor in diesen
Betriebsphasen abzuschalten, kann zur Lärmverminderung beitragen.
Claims (22)
1. Kühlgebläsesystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, bei
dem mittels mindestens eines Kühlgebläses (12) Luft zu Kühlungs
zwecken durch einen Wärmetauscher (14) hindurch bewegbar und
danach der Umgebungsluft entweder direkt oder indirekt nach Er
füllung von einer weiteren oder mehreren weiteren Kühlungsaufga
ben zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Luftabzweigeinrichtung (19; 50; 60; 84) vorgesehen ist, die
zumindest einen Teil der vom Gebläse (12) bzw. von jedem Gebläse
(12) gelieferten Luft einer Leitung (32) zuführt und hierdurch die
Verwendung der abgezweigten Luft für das Anlassen der Brennstoff
zellen (36) und/oder für die Aufrechterhaltung des Betriebs der
Brennstoffzellen ermöglicht.
2. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftabzweigeinrichtung durch eine feststehende Leitwand
gebildet ist.
3. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftabzweigeinrichtung (19; 50; 60; 84) zwischen einer er
sten Position und einer zweiten die Luftabzweigung bewirkende Po
sition schaltbar ist.
4. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich bei dem oder bei jedem Gebläse um ein Druckgebläse (12)
handelt, das vor dem Wärmetauscher (14) angeordnet ist.
5. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gebläse (12) bzw. jedes Gebläse mittels eines Luftverluste
vermeidenden Gehäuses (30) mit dem Wärmetauscher (14) verbun
den ist.
6. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Luftleitgehäuse (16) stromab des Wärmetauschers (14) die
sem unmittelbar benachbart angeordnet ist.
7. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3
bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftabzweigeinrichtung (19; 50; 84) durch verstellbare La
mellen (18; 18'; 18") realisiert ist, die in der ersten Position die sich
durch den Wärmetauscher (14) hindurch bewegende Luft durchlas
sen und in der zweiten Position gegeneinander schließen, um die
Luft der zu den Brennstoffzellen führenden Leitung (32) zuzuführen.
8. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (18; 18'; 18") auf der stromabwärtigen Seite des
Luftleitgehäuses (16) angeordnet sind.
9. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (18) nach Art einer Fensterjalousie angeordnet
sind.
10. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (18') nach Art einer Irisblende angeordnet sind, die
im gegeneinander geschlossenen Zustand eine mittlere Öffnung (42)
bilden, der dem Eingang eines Anschlusses (22''') für eine zu den
Brennstoffzellen führende Leitung gegenüberliegt.
11. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (18''') nach Art eines Rolladens angeordnet sind.
12. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Luftsammelkasten (20) sich über einen Bereich des Luftleit
gehäuses erstreckt, das in der Luftabzweigposition von der Luftab
zweigeinrichtung (19; 60; 84) nicht abgedeckt ist, und die durch
diese abgelenkte Luft sammelt und einem Anschluß (22) für eine zu
den Brennstoffzellen führenden Leitung (32) zuführt.
13. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftabzweigeinrichtung (60) durch einen Rouleauverschluß
gebildet ist die in der geschlossenen Position an den Luftsammelka
sten (20) angrenzt dessen Sammelöffnung jedoch nicht verschließt.
14. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftausgangsseite des Luftleitgehäuses (16) mittels der
Luftabzweigeinrichtung vollständig abschließbar ist und daß das
Luftleitgehäuse einen Anschluß (22) für eine zu den Brennstoffzellen
führenden Leitung (32) aufweist.
15. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3
bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verstellmotor (24; 24') zur Verstellung der Lamellen (18; 18')
auf dem Luftleitgehäuse (16) angebracht ist.
16. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu den Brennstoffzellen (36) führende Leitung (32) in das
Gehäuse eines im normalen Betrieb die Brennstoffzellen mit Sauer
stoff speisenden Kompressors (40) hineinführt.
17. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu den Brennstoffzellen führende Leitung (32) zu den
Brennstoffzellen (36) direkt führen.
18. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftsammelkasten (20) einen Luftfilter (46') umfaßt.
19. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu den Brennstoffzellen (36) führende Leitung (32) einen
Luftfilter (46) umfaßt.
20. Kühlgebläsesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß es als Modul ausgebildet ist.
21. Kühlgebläsesystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (30) einen Anschluß (22") für eine zu den Brenn
stoffzellen (36) führende Leitung (32) aufweist.
22. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem
Wärmetauscher (14), mit mindestens einem einen Kühlluftstromung
durch den Wärmetauscher erzeugenden Gebläse (12) und mit einem
von einem Kompressor (40) mit Druckluft gespeisten Brennstoffzel
lenanordnung (36),
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Teil der Kühlluftstromung für das Anlassen des
Brennstoffzellensystems und/oder für die Aufrechterhaltung des
Betriebs in Niederiglastbereichen, bspw. beim Leerlauf, beim Aus
roll- oder Schubbetrieb, der Brennstoffzellenanordnung (36) und ggf.
einer dieser vorgeschalteten Reformiereinrichtung zugeführt wird.
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