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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme
für Brennstoffzellen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Bestimmung der Temperatur eines Kühlmittels eines Brennstoffzellenstapels
durch Korrelation der Kühlmitteltemperatur
mit dem ohmschen Widerstand eines Ausdehnungselements in einem Kühlmitteldurchflussventil, um
das Kühlmitteldurchflussventil
auf der Basis der gemessenen Kühlmitteltemperatur
zu betreiben und damit das Kühlmittel
auf einer optimalen Temperatur zu halten.
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Die
Brennstoffzellentechnologie ist eine relativ neue Entwicklung in
der Kraftfahrzeugindustrie. Es hat sich herausgestellt, dass Brennstoffzellenenergieanlagen
in der Lage sind, Wirkungsgrade in der Höhe von 55 % zu erreichen. Ferner
emittieren Brennstoffzellenenergieanlagen nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte.
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Die
elektrochemische Umwandlung von Energie hat sich als eine wichtige
alternative Betriebsquelle für
Kraftfahrzeuganwendungen erwiesen. In einem Brennstoffzellensystem
wird Energie durch die kalte Verbrennung (Reaktion) von Wasserstoff
und Sauerstoff erzeugt. Die Reaktion findet in einem Brennstoffzellenstapel
statt, in dem einzelne Brennstoffzellen in Reihe aneinander gestapelt
sind, um zunehmend größere Mengen
an Elektrizität
zu erzeugen.
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Während Brennstoffzellen
eine viel versprechende Entwicklung in der Kraftfahrzeugtechnologie darstellen,
sind diese durch eine hohe Betriebs temperatur gekennzeichnet, die
vom Standpunkt der Beibehaltung der baulichen wie auch betrieblichen
Integrität
des Brennstoffzellenstapels eine erhebliche Konstruktionsherausforderung
aufweist. Das Halten des Brennstoffzellenstapels innerhalb der Temperaturbereiche,
die für
einen optimalen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich sind, hängt von
einem hocheffizienten Kühlsystem
ab, das für
diesen Zweck geeignet ist. Die Wärme,
die durch den Energieumwandlungsprozess erzeugt wird, der in einem
Brennstoffzellenstapel ausgeführt
wird, wird von dem Stapel durch ein Kühlmittelumwälzsystem entfernt.
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Ein
typisches Kühlmittelumwälzsystem
für ein
Brennstoffzellenfahrzeug umfasst eine Pumpe, die Kühlmittel
durch einen Brennstoffzellenstapel pumpt, einen Kühler, durch
den das Kühlmittel
von dem Stapel zur Kühlung
strömen
kann, eine Bypassschleife, die den Kühler umgeht, ein Zweiwege-Kühlmitteldurchflussventil,
das das Kühlmittel
durch entweder den Kühler
oder die Bypassschleife verteilt, wie auch Sensoren für die Stapeleinlass-
als auch Stapelauslasstemperatur. Wenn die Kühlmitteltemperatur, die durch
die Sensoren für
die Stapeleinlass- und Stapelauslasstemperatur gemessen wird, zu hoch
ist, lässt
das Kühlmitteldurchflussventil
eine Strömung
des Kühlmittels
durch den Kühler
zu, um das Kühlmittel
auf eine gewünschte
Temperatur zu kühlen,
bevor das Kühlmittel
in den Stapel verteilt wird. Wenn andererseits die Temperatur des
Kühlmittels
optimal ist oder zu niedrig ist, zweigt das Kühlmitteldurchflussventil das
Kühlmittel
von dem Kühler durch
die Bypassschleife ab. Das Kühlmittel
bleibt auf im Wesentlichen derselben Temperatur, wenn es in den
Stapel verteilt wird.
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Das
Zweiwegeventil umfasst typischerweise einen Leistungskennfeldthermostat
mit einem Wachsausdehnungselement. Das Ausdehnungselement ist elektrisch
mit einem Heizsystem gekoppelt, das die Temperatur des Ausdehnungselements
unabhängig
von der Kühlmitteltemperatur
steuert. Die Dichte und das Volumen des Ausdehnungselements ändern sich
abhängig
von der Temperatur des Elements. Daher befindet sich das Ausdehnungselement,
wenn es nicht erhitzt ist, in einer zusammengezogenen Ausgestaltung
und blockiert eine Strömung
von Kühlmittel
von dem Kühler
zu dem Stapel, während
eine Strömung
des Kühlmittels
von der Bypassschleife zu dem Stapel erleichtert wird. Wenn das
Ausdehnungselement andererseits erhitzt wird, dehnt es sich aus und
erleichtert eine Strömung
von Kühlmittel
von dem Kühler
zu dem Stapel, während
eine Strömung des
Kühlmittels
von der Bypassschleife zu dem Stapel blockiert wird.
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Gemäß der
DE 44 09 547 A1 wird
bei einer Kühlanlage
für einen
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und
einem mit einem elektrisch beheizbaren Dehnstoffelement ausgemisteten
Thermostatventil vorgesehen, dass mittels drei parallel geschalteten
Vergleichsstufen einer Steuerung dem Dehnstoffelement des Thermostatventils
elektrische Energie zugeführt
werden kann, so dass es bedarfsorientiert das Temperaturniveau des
Kühlmittels
und damit des Verbrennungsmotors von einem hohen Temperaturniveau
auf ein niedrigeres Temperaturniveau umschaltet.
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Aus
der
DE 197 28 814
A1 ist bekannt, dass bei einer Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines
Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das mittels einer Betriebsparameter
und/oder Umgebungsparameter auswertenden Steuerung auf unterschiedliche
Regelniveaus für
die Kühlmitteltemperatur
verstellbar ist, vorgesehen wird, dass die Steuerung abhängig von
den Betriebsparametern und/oder Umgebungsparametern Informationssignale
bildet, die in eine Lüftersteuerung
eines Lüfters
ein gegeben werden, wobei die Lüftersteuerung
abhängig
von diesen Informationssignalen die Lüfterleistung bestimmt.
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Die
DE 37 05 232 C2 offenbart
ein Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels von Brennkraftmaschinen,
die mit einer von der Brennkraftmaschine zum Kühler führenden Vorlaufleitung, einer vom
Kühler
zurück
zur Brennkraftmaschine führenden
Rücklaufleitung
und einer beide Leitungen verbindenden Bypassleitung versehen sind,
bei dem der Kühlmittelfluss
von der Brennkraftmaschine durch die Bypassleitung und/oder durch
den Kühler
zurück zur
Brennkraftmaschine von einem Ventil geregelt wird, das von einem
Stellmotor in Abhängigkeit
von der in einer der an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Leitung
herrschenden Kühlmitteltemperatur
betätigt
wird, die dort von einem separaten, mit der Kühlmitteltemperatur beaufschlagten
Sensor erfasst wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass
man den Sensor in Abhängigkeit
von einzelnen Kennfeldgrößen einer
Fremderhitzung aussetzt und dass man den Sensor bei Abschaltung
der Erhitzung durch den kälteren
Kühlmittelstrom
in der Leitung abkühlt.
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Die
DE 30 18 682 A1 bezieht
sich auf ein Thermostatventil für
den Kühlkreislauf
eines Verbrennungsmotors, das von einem temperaturempfindlichen
T-Glied gesteuert ist, dem das vom Motor kommende Kühlmittel
zugeführt
wird und das in Abhängigkeit
von der Position mindestens eines Schließkörpers in Bezug auf dessen Dichtsitz
diese Flüssigkeit
in einer Umwegleitung und/oder in eine Zuleitung eines Kühlers leitet,
wobei die Position dieses Schließkörpers vom T-Glied bestimmt
ist, das der Temperatur des umlaufenden Kühlmittels ausgesetzt ist.
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Das
Heizsystem, das ein Heizen des Ausdehnungselements bewirkt, wird
durch die Stapeleinlass- und Stapelauslasstemperatursensoren gesteuert.
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Da
das Erhitzen des Ausdehnungselements durch einen linearen (ohmschen)
Widerstand wirkt, korreliert der ohmsche Widerstand des Ausdehnungselements
mit der Ventilauslass- oder Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels.
Daher kann durch die Bestimmung der Stapeleinlasstemperatur des
Kühlmittels
auf Grundlage des ohmschen Widerstandes des Ausdehnungselementes
der Stapeleinlasstemperatursensor von dem Kühlmittelkreislauf weggelassen
werden. Dies verringert Kosten und beseitigt Probleme mit einem
Sensoraufbau wie auch mit Defekten. Ferner wird zusätzlicher
Raum für
andere Komponenten oder Systeme verfügbar.
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein neuartiges Verfahren
zur Bestimmung der Stapeleinlasstemperatur eines Brennstoffzellenkühlmittels gerichtet.
Das Verfahren ist zur Verwendung in einem Kühlmittelumwälzsystem geeignet, das eine
Kühlmittelpumpe,
die Kühlmittel
durch einen Brennstoffzellenstapel pumpt, einen Kühler zum
Kühlen
von Kühlmittel
von dem Stapel, eine Kühlerbypassschleife, die
den Kühler
umgeht, ein Zweiwege-Kühlmitteldurchflussvenlil,
das das Kühlmittel
durch entweder den Kühler
oder die Kühlerbypassschleife
abhängig von
der Temperatur des Kühlmittels
verteilt, und einen Stapelauslasstemperatursensor umfasst. Das Kühlmitteldurchflussventil
umfasst einen Leistungskennfeldthermostaten mit einem Wachsausdehnungselement.
Wenn die Temperatur des Kühlmittels optimal
oder unterhalb dem Optimum ist, bleibt das Wachsausdehnungselement
in einem nicht erhitzten zusammengezogenen Zustand, in dem die Strömung von
Kühlmittel
von dem Kühler
blockiert wird und die Strömung
von Kühlmittel
von der Bypassschleife zu dem Stapel erleichtert wird. Wenn die
Temperatur des Kühlmittels
zu hoch ist, wird das Ausdehnungselement erhitzt und dehnt sich
dabei aus, wodurch die Strömung
des Kühlmittels
von dem Kühler
zu dem Stapel erleichtert wird.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird zu Beginn der ohmsche Widerstand
des Ausdehnungselements bestimmt. Der ohmsche Widerstand wird dann
mit der Kühlmittelstapeleinlasstemperatur
korreliert. Die Kühlmittelstapeleinlasstemperatur
wird typischerweise in Kombination mit der Kühlmittelstapelauslasstemperatur
dazu verwendet, um zu bestimmen, ob das Ausdehnungselement erhitzt
werden soll, um eine Strömung
von Kühlmittel durch
den Kühler
zu erleichtern, oder in dem nicht erhitzten Zustand gehalten werden
soll, um eine Strömung
des Kühlmittels
durch die Kühlerbypassschleife
zu erleichtern und damit die Temperatur des Kühlmittels innerhalb optimaler
Niveaus zu halten.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Kühlmittelumwälzsystems
ist, das zur Ausführung der
vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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2 ein
Schnitt eines Kühlmitteldurchflussventils
des Kühlmittelumwälzsystems
von 1 ist;
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3 ein
Liniendiagramm ist, in dem der ohmsche Widerstand eines Ausdehnungselements in
einem Kühlmitteldurchflussventil
mit der Kühlmittelstapeleinlasstemperatur
korreliert ist; und
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4 ein
Flussschaubild ist, das nacheinander ablaufende Prozessschritte
zeigt, die gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
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In
den 1 und 2 ist ein Kühlmittelumwälzsystem gezeigt, das zur Ausführung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist und in 1 allgemein
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das Kühlmittelumwälzsystem 10 kann
herkömmliche
Komponenten besitzen, sofern es nicht anders angemerkt ist. Das
Kühlmittelumwälzsystem 10 umfasst
einen Kühlmittelkreislauf 17,
der mit einem Kühlmitteleinlass
und mit einem Kühlmittelauslass
eines Brennstoffzellenstapels 12 verbunden ist. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist
fluidmäßig mit
einem Kathodenkreislauf 14 und einem Anodenkreislauf 16 verbunden.
Eine Kühlmittelpumpe 18 ist
in dem Kühlmittelkreislauf 17 oberstromig
des Brennstoffzellenstapels 12 zum Pumpen eines flüssigen Kühlmittels 52 durch
das Kühlmittelumwälzsystem 10 vorgesehen.
Ein Stapelauslasstemperatursensor 22 ist in dem Kühlmittelkreislauf 17 an
dem Auslassende des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen.
Ein Stapeleinlasstemperatursensor 20 (in gestrichel ten
Linien gezeigt) kann von dem Kühlmittelkreislauf 17 weggelassen
werden oder in diesem an dem Einlassende des Brennstoffzellenstapels 12 enthalten
sein, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Ein
Kühlmittelkühler 24,
der nachfolgend auch abgekürzt
als Kühler 24 bezeichnet
wird, ist in dem Kühlmittelkreislauf 17 unterstromig
des Stapelauslasstemperatursensors 22 vorgesehen. Eine Kühlerbypassschleife 26 ist
in dem Kühlmittelkreislauf 17 zwischen
dem Stapelauslasstemperatursensor 22 und dem Kühlmittelkühler 24 vorgesehen.
Sowohl der Kühlmittelkühler 24 als
auch die Kühlerbypassschleife 26 sind
mit einem Zweiwege-Kühlmitteldurchflussventil 28 verbunden.
Das Kühlmitteldurchflussventil 28 ist
mit der Einlassseite der Kühlmittelpumpe 18 verbunden.
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Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst das Kühlmitteldurchflussventil 28 typischerweise
ein Ventilgehäuse 30 mit
einem Kühlereinlassarm 32,
einem Bypassschleifeneinlassarm 34, der typischerweise
in axialer Ausrichtung mit dem Kühlereinlassarm 32 angeordnet
ist, und einem Ventilauslassarm 36, der typischerweise
rechtwinklig zu dem Kühlereinlassarm 32 und
dem Bypassschleifeneinlassarm 34 angeordnet ist. Der Kühlereinlassarm 32 ist
fluidmäßig mit dem
Kühlmittelkühler 24 verbunden,
während
der Bypassschleifeneinlassarm 34 fluidmäßig mit der Kühlerbypassschleife 26 verbunden
ist.
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Innerhalb
des Ventilgehäuses 30 ist
zwischen dem Kühlereinlassarm 32 und
dem Bypassschleifeneinlassarm 34 ein Wachsausdehnungselement 38 vorgesehen.
Das Ausdehnungselement 38 ist typischerweise an einem Träger 46 angebracht, der
in dem Ventilgehäuse 30 vorgesehen
ist. Das Ausdehnungselement 38 steht mit einer bypassseitigen
Basisplatte 40 in Eingriff, die durch mehrere Stangen 48 mit
einer kühlerseitigen
Basisplatte 42 verbunden ist. Ein Heizsystem 43 ist
elektrisch mit dem Ausdeh nungselement 38 durch eine elektrische Verbindung 44 verbunden.
Demgemäß steht,
wenn das Ausdehnungselement 38 durch das Heizsystem 43 nicht
erhitzt wird, die kühlerseitige
Basisplatte 42 mit einer Gehäuseschulter 33 in
dem Ventilgehäuse 30 in
Eingriff, um den Kühlereinlassarm 32 von
dem Ventilauslassarm 36 abzudichten. Wenn andererseits
das Ausdehnungselement 38 durch das Heizsystem 43 über die
elektrische Verbindung 44 erhitzt wird, wird das Ausdehnungselement 38 thermisch ausgedehnt
und drückt
gegen die bypassseitige Basisplatte 40. Dies hat seinerseits
zur Folge, dass die Stangen 48 bezüglich des Trägers 46 in
der durch Pfeil 50 gezeigten Richtung gleiten. Daher tritt
die kühlerseitige
Basisplatte 42 außer
Eingriff mit der Gehäuseschulter 33,
um eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlereinlassarm 32 und
dem Ventileinlassarm 36 herzustellen, während die bypassseitige Basisplatte 40 gleichzeitig
mit einer Gehäuseschulter 33a in
Eingriff tritt und den Bypassschleifeneinlassarm 34 von
dem Ventilauslassarm 36 abdichtet.
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Beim
herkömmlichen
Betrieb des Kühlmittelumwälzsystems 10 pumpt
die Kühlmittelpumpe 18 das
flüssige
Kühlmittel 52 durch
den Kühlmittelkreislauf 17 und
den Brennstoffzellenstapel 12. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und
dem Kühlmittel 52 erfolgt
ein Wärmeaustausch,
um überschüssige Wärme von
dem Brennstoffzellenstapel 12 in das Kühlmittel 52 zu dissipieren.
Erhitztes Kühlmittel 52 wird von
dem Brennstoffzellenstapel 12 dann durch entweder den Kühlmittelkühler 24 oder
die Kühlerbypassschleife 26 abhängig davon
verteilt, ob die Temperatur des erhitzten Kühlmittels 52 zu hoch
ist und eine Kühlung
erfordert.
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In
Ansprechen auf einen Eingang von dem Stapeleinlasstemperatursensor 20 und
dem Stapelauslasstemperatursensor 22 heizt das Heizsystem 43 entweder
das Ausdehnungselement 38 nicht oder heizt das Ausdehnungselement 38,
um eine thermische Ausdehnung des Ausdehnungselements 38 in dem
Ventilgehäuse 30 zu
bewirken. In dem Fall, wenn sich die Temperatur des Kühlmittels 52 bei
oder unterhalb eines optimalen Niveaus befindet, wird das Ausdehnungselement 38 durch
das Heizsystem 43 nicht erhitzt und bleibt somit in einem
konstanten Phasenzustand und auf einer konstanten Größe. Daher
steht die kühlerseitige
Basisplatte 42 mit der Schulter 33 in Eingriff
und verhindert eine Strömung des
Kühlmittels 52 von
dem Kühler 24 durch
den Kühlereinlassarm 32 bzw.
den Ventilauslassarm 36 des Ventilgehäuses 30 und zu dem
Brennstoffzellenstapel 12. Dies hält das Kühlmittel 52 bei oder
unterhalb der optimalen Temperatur.
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Wenn
sich die Temperatur des Kühlmittels 52 oberhalb
des optimalen Niveaus befindet, wird das Ausdehnungselement 38 durch
das Heizsystem 43 erhitzt. Daher dehnt sich aufgrund der
resultierenden wärmebewirkten
Phasenänderung
in dem Wachsausdehnungselement 38 das Element 38 aus
und drückt
gegen die bypassseitige Basisplatte 40. Dies hat zur Folge,
dass die Stangen 48 bezüglich
des Trägers 46 in
der durch den Pfeil 50 gezeigten Richtung gleiten, bis
die kühlerseitige
Basisplatte 42 von der Schulter 33 ausrückt und
die bypassseitige Basisplatte 40 mit der Schulter 33a in
Eingriff tritt. Folglich wird zugelassen, das Kühlmittel 52 von dem
Kühler 24 durch
den Kühlereinlassarm 32 bzw.
den Ventilauslassarm 36 des Gehäuses 30 und zu dem Brennstoffzellenstapel 12 strömen kann.
Daher nimmt die Temperatur des Kühlmittels 52 auf
die optimale Temperatur für
einen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 vor einem
Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 12 ab.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung kann die Stapeleinlasstemperatur des
Kühlmittels 52 ohne
die Verwendung des Stapeleinlasstemperatursensors 20 bestimmt
werden. Der ohmsche Widerstand des Ausdehnungselements 38 wird zu
Beginn bestimmt. Der ohmsche Wider stand des Ausdehnungselements 38 wird
dann mit der Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 korreliert,
wobei die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 herkömmlich durch
den Stapeleinlasstemperatursensor 20 gemessen wird. Diese
Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 wird
dazu verwendet, um zu bestimmen, ob das Ausdehnungselement 38 eine Aufheizung
erfordert, um eine Strömung
von Kühlmittel 52 durch
den Kühler 24 und
zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu erleichtern, oder ob
das Ausdehnungselement 38 keine Aufheizung erfordert, um eine
Strömung
des Kühlmittels 52 durch
die Kühlerbypassschleife 26 zu
erleichtern und damit die Temperatur des Kühlmittels 52 innerhalb
optimaler Niveaus zu halten.
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Da
das Aufheizen des Ausdehnungselements 38 durch das Heizsystem 43 durch
einen linearen (ohmschen) Widerstand wirkt, korreliert der ohmsche
Widerstand mit der Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52, wenn
das Kühlmittel 52 in
den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt. Gemäß dem ohmschen
Gesetz steht die elektromotorische Kraft in Bezug zu dem Strom und
dem Widerstand durch die folgende Gleichung: E
= I·Rwobei
E die in Volt gemessene elektromotorische Kraft bzw. die Quellenspannung
ist, I der Strom in Ampere ist und R der Widerstand in Ohm ist.
Da die Versorgungsspannung (E) bekannt ist, kann die lineare Beziehung
zwischen den Widerstandswerten (R) und der Stapeleinlasstemperatur
des Kühlmittels
bestimmt werden. Wenn das Ausdehnungselement 38 nicht durch
das Heizsystem 43 erhitzt wird, dann können die Widerstandswerte (R)
in die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 umgewandelt
werden. Diese Widerstandswerte sind in dem Diagramm von 3 aufgezeichnet
worden, in dem die ohmschen Widerstände des Ausdehnungs elements 38 entlang der
Y-Achse aufgezeichnet worden sind und die Stapeleinlasstemperaturen
des Kühlmittels 52 entlang der
X-Achse aufgezeichnet worden sind.
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Wie
in dem Flussdiagramm von 4 in Verbindung mit den 1–3 gezeigt
ist, pumpt bei der Ausführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Kühlmittelpumpe 18 flüssiges Kühlmittel 52 durch
den Kühlmittelkreislauf 17 und
den Brennstoffzellenstapel 12, um Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 12 an
das Kühlmittel 52 zu
dissipieren. Das Kühlmittel 52 wird
abhängig
davon, ob das Kühlmittel 52 eine
Kühlung
erfordert, von dem Brennstoffzellenstapel 12 entweder durch
den Kühler 24 oder durch
die Kühlerbypassschleife 26 verteilt.
Eine derartige Verteilung des Kühlmittels 52 durch
den Kühler 24 oder
die Kühlerbypassschleife 26 wird
durch Steuern des thermischen Zustandes des Ausdehnungselements 38 bewirkt.
Daher wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung dazu verwendet,
die Einlasstemperatur des Kühlmittels 52 zu
bestimmen, die typischerweise in Verbindung mit der Auslasstemperatur
des Kühlmittels 52 verwendet
wird, um zu bestimmen, ob das Ausdehnungselement 38 eine
Aufheizung erfordert oder nicht.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung wird der ohmsche Widerstand des Ausdehnungselements 38 zu
Beginn unter Verwendung herkömmlicher Techniken
bestimmt, die in der Technik bekannt sind, wie bei Schritt 1 in 4 gezeigt
ist. Bei der Serienproduktion besitzt das Widerstandskennfeld der
Ausdehnungselemente 38 eine geringfügige Abweichung, so dass ein
Standardkennfeld verwendet werden kann. Für bessere Ergebnisse kann eine
Anpassung des Widerstandskennfelds durch Vergleich der berechneten
Temperatur mit dem Signal des Temperatursensors 22 beim
Systemstart oder anderen Betriebsarten durchgeführt werden. Der Widerstand kann
durch das Widerstandskennfeld, das ohmsche Gesetz, die bekannte
Versorgungsspannung und den gemessenen Strom berechnet werden. Als Nächstes wird
unter Verwendung des Diagramms von 3 der bei
Schritt 1 bestimmte ohmsche Widerstand mit der Stapeleinlasstemperatur
des Kühlmittels
korreliert, wie in Schritt 2 gezeigt ist. Beispielsweise
korreliert gemäß 3 ein
Widerstand von 18 Ohm mit einer Kühlmitteltemperatur von etwa
62°C. Die
Kühlmittelstapeleinlasstemperatur,
die bei Schritt 2 bestimmt wurde, wird dann in Verbindung
mit der Kühlmittelauslasstemperatur,
die durch den Stapelauslasstemperatursensor 22 bestimmt
wurde, dazu verwendet, um zu bestimmen, ob das Ausdehnungselement 38 unerhitzt
bleiben sollte oder erhitzt werden soll. Dies kann unter Verwendung
herkömmlicher
Schritte ausgeführt
werden. Wenn die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 unterhalb
oder bei dem optimalen Temperaturniveau liegt, bleibt das Ausdehnungselement 38 unerhitzt.
Daher steht die kühlerseitige
Basisplatte 42 in Eingriff mit der Gehäuseschulter 33, um
eine Strömung
des Kühlmittels 52 von
dem Kühler 24 durch
den Kühlereinlassarm 32 bzw.
den Ventilauslassarm 36 des Ventilgehäuses 30 und zu dem
Brennstoffzellenstapel 12 zu verhindern. Gleichzeitig bleibt
die basisseitige Basisplatte 40 von der Schulter 33a ausgerückt, um
eine Strömung
des Kühlmittels 52 von
der Kühlerbypassschleife 26 durch
den Bypassschleifeneinlassarm 34 bzw. den Ventilauslassarm 36 des
Ventilgehäuses 30 und
in den Brennstoffzellenstapel 12 zu erleichtern. Folglich wird
die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 bei oder
unterhalb des optimalen Temperaturniveaus für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 gehalten.
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Wenn
die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 andererseits
das vorbestimmte optimale Temperaturniveau für das Kühlmittel 52 überschreitet,
heizt das Heizsystem 43 das Ausdehnungselement 38,
wodurch eine Phasenverschiebung in dem Ausdehnungselement 38 bewirkt
und veranlasst wird, dass sich das Ausdehnungselement 38 in
der Richtung des Pfeils 50 in 2 ausdehnt.
Demgemäß tritt
die Basisplatte 40 mit der Schulter 33a in Eingriff,
wodurch eine Strömung
des Kühlmittels 52 von
der Kühlerbypassschleife 26 durch
den Bypassschleifeneinlassarm 34 bzw. den Ventilauslassarm 36 des
Ventilgehäuses 30 und
zu dem Brennstoffzellenstapel 12 verhindert wird. Gleichzeitig
tritt die Basisplatte 42 aus dem Eingriff mit der Schulter 33,
wodurch eine Strömung
des Kühlmittels 52 von
dem Kühler 24 durch
den Kühlereinlassarm 32 bzw.
den Ventilauslassarm 36 des Ventilgehäuses 30 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zugelassen
wird. Folglich wird die Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 auf
das optimale Temperaturniveau für
den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 verringert.
Abhängig von
dem thermischen Zustand bzw. Phasenzustand des Ausdehnungselements 38 ist
eine Zwischenstellung des Ausdehnungselements 38 möglich, in
der ein Anteil des Kühlmittels 52 von
dem Kühlmittelkühler 24 durch
das Kühlmitteldurchflussventil 28 und
zu dem Brennstoffzellenstapel 12 und gleichzeitig ein anderer
Anteil des Kühlmittels 52 von
der Kühlerbypassschleife 26 durch
das Kühlmitteldurchflussventil 28 und
zu dem Brennstoffzellenstapel 12 strömt. Die Schritte 1–3 der Erfindung,
die vorher unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
wurden, können
so oft wiederholt werden, wie es erforderlich erscheint, um die
Stapeleinlasstemperatur des Kühlmittels 52 so eng
wie möglich
auf der optimalen Kühlmitteltemperatur
zu halten.
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Es
sei angemerkt, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung das
Weglassen des Stapeleinlasstemperatursensors 20 von dem
Kühlmittelumwälzsystem 10 ermöglicht.
Daher werden die Kosten wie auch Probleme mit dem Zusammenbau bzw.
Defekten in Verbindung mit dem Stapeleinlasstemperatursensor 20 beseitigt.
Ferner sieht das Weglassen des Stapeleinlasstemperatursensors 20 einen zusätzlichen
Raum an Bord des Brennstoffzellenfahrzeugs für andere Komponenten oder Systeme
nach Bedarf vor. Alternativ dazu kann der Stapeleinlasstemperatursensor 20 in dem
Kühlmittelumwälzsystem 10 verbleiben,
wobei in diesem Fall der Stapeleinlasstemperatursensor 20 und
der Stapelauslasstemperatursensor 22 dazu verwendet werden
können,
einander auszugleichen. Dies resultiert in genaueren Ablesungen,
die durch beide Sensoren 20, 22 erhalten werden.
Da das Temperatursteuerverfahren modellbasiert ist, kann eine angemessene
Kühlmitteltemperatursteuerung
in dem Falle beibehalten werden, dass beide Sensoren 20, 22 ausfallen. Überdies
kann der Grundsatz der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in einem Kühlmittelkreislauf
eines Verbrennungsmotors angepasst werden.
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Zusammengefasst
ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur eines Kühlmittels
in einem Kühlmittelumwälzsystem
offenbart. Das Kühlmittelumwälzsystem
umfasst ein Kühlmitteldurchflussventil
mit einem Ventilgehäuse
und einem Ausdehnungselement, das in dem Ventilgehäuse vorgesehen
ist, um eine Strömung
des Kühlmittels
durch das Ventilgehäuse
zu steuern. Gemäß dem Verfahren
wird ein ohmscher Widerstand des Ausdehnungselements gemessen. Die
Temperatur des Kühlmittels
wird durch Korrelation des ohmschen Widerstandes des Ausdehnungselements
mit der Temperatur des Kühlmittels
bestimmt.