DE102006005176A1 - Kühlkreislauf und Verfahren zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Abstract

Für eine optimale Energieausbeutung sowie für eine lange Betriebslebensdauer des Brennstoffzellenstapels ist es notwendig, die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in einem definierten Sollwert zu halten. Zu diesem Zweck sind Brennstoffzellenstapel üblicherweise mit einem Kühlkreislauf verbunden, mit dem die Betriebstemperatur kontrolliert wird. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkreislauf für Kühlmittel zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels vorzuschlagen, der in besonders einfacher und effektiver Weise die Kontrolle der Kühlmitteltemperatur ermöglicht. Hierzu wird ein Kühlkreislauf 1 zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels 2 für ein Fahrzeug mit einer Heizeinrichtung 17 zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels und mit einer Kühleinrichtung 10 zur Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels, wobei die Kühleinrichtung 10 und die Heizeinrichtung 17 in dem Kühlkreislauf strömungstechnisch in Serie geschaltet und/oder schaltbar sind, wobei die Kühleinrichtung als Außenkühler 10 für das Fahrzeug ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels für ein Fahrzeug mit einer Heizeinrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels und mit einer Kühleinrichtung zur Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels, wobei die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung in dem Kühlkreislauf strömungstechnisch in Serie geschaltet und/oder schaltbar sind.
  • Brennstoffzellenstapel dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei Strom in einer elektrochemischen Reaktion aus einem Brennstoff und einem Oxidanten erzeugt wird. Die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt insbesondere ohne mechanische und/oder thermische Zwischenprozesse.
  • Für eine optimale Energieausbeutung sowie für eine lange Betriebslebensdauer des Brennstoffzellenstapels ist es notwendig, die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in einem definierten Sollwert zu halten. Zu diesem Zweck weisen Brennstoffzellenstapel üblicherweise einen Kühlkreislauf auf, mit dem die Betriebstemperatur kontrolliert wird.
  • Beispiele für gattungsgemäße Kühlkreislaufläufe sind in der Druckschrift US 6,45 4,180 B2 offenbart. Dieser Druckschrift beschreibt eine Einrichtung zur Luftkonditionierung in einem Kraftfahrzeug, wobei die Wärmeregelung mit einem Kühlwasserkreislauf eines Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist. In einigen der beschriebenen Ausführungsformen sind ausgehend von dem Brennstoffzellenstapel in Strömungsrichtung die Kühlmittelpumpe, ein elektrisches Heizelement und ein Wärmetauscher für den Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei der Wärmetauscher durch das erwärmte Kühlmittel den Innenraum heizt. Zur weiteren Kühlung ist ein zweiter Wärmetauscher in Form eines Außenkühlers in dem Kühlkreislauf vorgesehen, der parallel zu dem Heizelement angeordnet ist.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkreislauf und ein Verfahren zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels für ein Fahrzeug vorzuschlagen, die bzw. der in besonders einfacher und effektiver Weise die Kontrolle der Kühlmitteltemperatur ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüche beansprucht.
  • Der erfindungsgemäße Kühlkreislauf ist für den Betrieb mit einem Kühlmittel, vorzugsweise Wasser oder Wasser/Ethylenglykol-Gemische, insbesondere deionisiertes und/oder demineralisiertes Wasser, und zur Kühlung und/oder Temperierung eines Brennstoffzellenstapels für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die zur Erzeugung von elektrischer Energie durch elektrochemische Prozesse dienen. Dabei kann es sich um beliebige Brennstoffzellen handeln, bevorzugt sind diese in PEM Bauweise (Polymer-Eletrolyt-Membran Bauweise) ausgebildet.
  • Eine Heizeinrichtung, die von dem Kühlmittel durchströmbar angeordnet und/oder ausgebildet ist, ist vorgesehen, um im Betrieb des Kühlkreislaufes die Temperatur des durchströmenden Kühlmittels zu erhöhen. Eine Kühleinrichtung dient dagegen zur Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels und ist für diesen Zweck ebenfalls von dem Kühlmittel durchströmbar angeordnet und/oder ausgebildet. Bevorzugt ist die Heiz- und/oder Kühleinrichtung steuerbar und/oder regelbar realisiert. Insbesondere dient die Heizeinrichtung zur Wärme- und somit Energiezuführung in den Kühlkreislauf und die Kühleinrichtung zur Wärme- und somit Energieabführung aus dem Kühlkreislauf.
  • Kühleinrichtung und Heizeinrichtung sind in Strömungsrichtung des Kühlmittels nacheinander, insbesondere seriell und/oder sequentiell verschaltbar und/oder verschaltet gesetzt. Insbesondere sind Kühl- und Heizeinrichtung in einem gemeinsamen Kühlkreislaufzweig, der an dem Brennstoffzellenstapel beginnt und endet, platziert.
  • Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung als Außenkühler für das Fahrzeug ausgebildet. Der Außenkühler ist dabei bevorzugt ausgestaltet und/oder angeordnet, so dass eine zur Kühlung des Außenkühlers verwendete Kühlluft außerhalb des Fahrzeuginnenraums zirkuliert wird und insbesondere an dem Fahrzeuginnenraum vorbei geleitet wird und/oder insbesondere nicht in den Fahrzeuginnenraum geleitet wird. Vorzugsweise ist der Außenkühler als Hauptkühler in dem Kühlkreislauf ausgebildet und weist insbesondere die größte Kühlkapazität von den in dem Kühlkreislauf integrierten aktiven und/oder passiven Kühleinrichtungen auf.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine derartige Anordnung von Außenkühler und Heizeinrichtung die Strömungseigenschaften des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf verbessert.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der Außenkühler in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Heizeinrichtung angeordnet, wobei diese Ausbildung weiter zu den verbesserten Strömungseigenschaften beiträgt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Heizeinrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels einer Kühlmittelpumpe nachgeschaltet. Somit sind Kühlmittelpumpe, Heizeinrichtung und Außenkühler in Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere in der genannten Reihenfolge, hintereinander geschaltet und/oder hintereinander schaltbar. Diese Ausbildung hat sich als nahezu optimale Lösung für die Strömungseigenschaften des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufes erwiesen. Bevorzugt ist in dem Kühlkreislauf genau eine Kühlmittelpumpe vorgesehen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsalternative ist der Kühlkreislauf ausgebildet, so dass der Kühlmitteldurchfluss durch den Außenkühler unabhängig von dem Kühlmitteldurchfluss durch die Heizeinrichtung steuerbar ist. Insbesondere ist eine gesteuerte Änderung des Kühlmitteldurchflusses durch den Außenkühler unabhängig und/oder entkoppelt von dem Kühlmitteldurchfluss durch die Heizeinrichtung durchführbar.
  • Dieser Ausführungsalternative liegt dabei die Idee zugrunde, dass die bestehenden Konzepte für Kühlkreisläufe zwar die Einstellung eines definierten Sollwerts für die Kühlmitteltemperatur erlauben, jedoch für eine Ausregelung von Temperaturschwankungen, die durch das Zusammenspiel von Heizeinrichtung und Kühleinrichtung entstehen können, noch nicht optimal ausgelegt sind. Im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik wird die Kontrolle der Kühlmitteltemperatur über den Durchfluss des Kühlmittels geregelt, wobei der Durchfluss durch die Kühleinrichtung unabhängig von dem Durchfluss durch die Heizeinrichtung einstellbar ist. Die Gesamtdurchflussmenge in dem Kühlkreislauf bleibt dabei bevorzugt konstant. Mit dieser erfindungsgemäßen Ausbildungsalternative ist somit eine einfache, effektive und dabei sehr genaue Kontrolle der Kühlmitteltemperatur möglich.
  • In einer sehr einfachen möglichen Ausführungsform des Kühlkreislaufes ist der Kühlmitteldurchfluss durch die Heizeinrichtung binär steuerbar, also nur zwischen einem maximalen Durchfluss und einem minimalen Durchfluss umschaltbar. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Kühlmitteldurchfluss gestuft oder ungestuft mit Zwischenwerten zwischen einem minimalen und einem maximalen Durchfluss steuerbar.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in dem Kühlkreislauf parallel zu dem Außenkühler eine Bypassleitung angeordnet und/oder geschaltet. Die Bypassleitung ist bevorzugt ausgebildet, so dass das Kühlmittel entweder durch den Außenkühler und/oder durch die Bypassleitung geleitet werden kann.
  • Bevorzugt ist ein strömungstechnisches Steuerelement in dem Kühlkreislauf implementiert, so dass das Verhältnis des Kühlmitteldurchflusses zwischen Außenkühler und Bypassleitung steuerbar ist. Das Steuerelement ist somit als Kühlmittelverteiler zwischen Bypassleitung und Außenkühler ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuerelement als Ventil, insbesondere als Tellerventil, Schrägsitzventil, Rollmembranventil oder Quetschventil, realisiert und weist einen maschinell und/oder automatisiert betätigbaren Ventilantrieb auf.
  • Bevorzugt ist das Steuerelement, insbesondere das Ventil, in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Bypassleitung und/oder nach dem Außenkühler angeordnet. Mit anderen Worten, mit dem Steuerelement wird das Verhältnis zwischen dem durch die Bypassleitung und dem durch den Außenkühler fließenden Kühlmittel beim Vereinigen der beiden Kühlmittelströme gesteuert. In alternativen Ausführungsformen ist das Steuerelement dagegen in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor der Bypassleitung und/oder dem Außenkühler angeordnet, so dass die Verteilung der beiden Kühlmittelströme unmittelbar gesteuert wird. Insbesondere ist das Steuerelement als 3/2 Wege-Ventil oder 3-Wegeventil, insbesondere mit zwei Einlässen und einem Auslass oder zwei Auslässen und einem Einlass ausgebildet.
  • Zweckmäßigerweise ist die Heizeinrichtung und/oder der Außenkühler mit Fremdenergie betreibbar, wobei die Heiz- und/oder der Außenkühler insbesondere als aktive Einrichtungen ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist die Heizeinrichtung als elektrischer Heizer und/oder der Außenkühler als Wärmetauscher oder Radiator, insbesondere Luftkühler oder Luftradiator, optional mit Kühlventilatoren ausgebildet.
  • Insbesondere bei dieser Ausbildung der Erfindung ist als weiterer Vorteil der Erfindung zu erkennen, dass für die Temperaturkontrolle ein verminderter Energiebedarf gegenüber den konventionellen Kühlkreisläufen benötigt wird. Dieser Vorteil ist durch den Sachverhalt begründet, dass konventionelle Kühlkreisläufe die Temperaturkontrolle nur durch Aufwendung von Fremdenergie, also durch aktives Kühlen oder aktives Heizen, realisieren. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird dagegen die Temperaturkontrolle durch ein verändertes Mischverhältnis von gekühltem und ungekühltem Kühlmittel erreicht oder zumindest unterstützt.
  • Zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur ist in dem Kühlkreislauf vorzugsweise ein Sensorelement zur Erfassung der Eingangstemperatur des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapel und eine Kontrollvorrichtung, die zur Kontrolle des Kühlmitteldurchflusses durch den Außenkühler, insbesondere zur Steuerung des Steuerelements, ausgebildet ist. In dieser Ausbildung ist vorzugsweise ein Regel- oder Steuerkreis realisiert, wobei als Messgröße die Eingangstemperatur in den Brennstoffzellenstapel, als Sollwert eine insbesondere lastabhängige Kühlmitteltemperatur, und als Stellgröße der Kühlmitteldurchfluss durch den Außenkühler vorgesehen ist. Bevorzugt ist die Kontrollvorrichtung ergänzend zur Steuerung und/oder Regelung der Heizeinrichtung und/oder des Außenkühlers und/oder der Ventilatoren des Außenkühlers und/oder der Kühlmittelpumpe ausgebildet.
  • Bei einer Weiterbildung ist die Kontrollvorrichtung ergänzend zur Steuerung und/oder Regelung von weiteren parallel zu der Bypassleitung und/oder zu dem Außenkühler geschalteten strömungstechnischen Verbindungen, die weitere Kühleinrichtungen, wie z.B. Innenraumheizungen oder Brennstoffzellenluftkühler und/oder Filterelemente und/oder weitere Ventile umfassen, ausgebildet.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels, vorzugsweise unter Verwendung des weiter oben beschriebenen Kühlkreislaufes, gelöst, wobei ein Außenkühler zur Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels und eine Heizeinrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels in einem oder dem Kühlkreislauf in Serie schaltbar sind und/oder geschaltet werden.
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Figur in Zusammenschau mit der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf in Flussdarstellung.
  • Die 1 zeigt einen Kühlkreislauf 1 für einen Brennstoffzellenstapel 2, der aus mehreren Brennstoffzellen bevorzugt in PEM-Bauweise aufgebaut ist. Ein derartiger Kühlkreislauf wird z.B. bei mit Brennstoffzellentechnologie betriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist einen Kühlmitteleingang 3 und einen Kühlmittelausgang 4 auf, an denen der Kühlkreislauf 1 angeschlossen ist, so dass Kühlmittel, insbesondere Wasser, aus dem Brennstoffzellenstapel 2 über den Kühlmittelausgang 4 in den Kühlkreislauf 1 fließen kann, diesen durchläuft und über den Kühlmitteleingang 3 wieder in den Brennstoffzellenstapel 1 eintritt. Das Kühlmittel wird somit in dem Kühlreislauf 1 zirkuliert.
  • Die Architektur des Kühlkreislaufes 1 ist in einfacher Ringstruktur ausgebildet, wobei der Ring 5 durch eine Kombination von Leitungsabschnitten gebildet wird, die einen maximalen Strömungsweg für das Kühlmittel ohne Strömungsrichtungsumkehr bilden. In der 1 ist der Ring 5 durch dickere Linien kenntlich gemacht.
  • Als Zwischenverbindungen in dem Ring 5 sind eine Verdichtungsvorrichtung 6, eine Ionentauschervorrichtung 7, eine Innenraumheizung 8 und eine Bypassleitung 9 vorgesehen. Die genannten Zwischenverbindungen sind in dem Ring 5 zueinander strömungstechnisch parallel angeordnet. Zudem sind die genannten Zwischenverbindungen zu einem in dem Ring 5 seriell integrierten Wärmetauscher 10 sowie dem Brennstoffzellenstapel 2 strömungstechnisch parallel platziert.
  • Der genaue Aufbau des Kühlkreislaufes wird nachfolgend ausgehend von dem Brennstoffzellenstapel 2 in Strömungsrichtung des Kühlmittels erläutert.
  • Ausgehend von dem Kühlmittelausgang 4 wird das Kühlmittel in den Ring 5 geleitet. Unmittelbar strömungstechnisch hinter dem Kühlmittelausgang ist eine Messeinrichtung KwT-So (i.e. Kühlwassertemperatur – Stack out) angeordnet, die die Temperatur des aus dem Brennstoffzellenstapels 2 austretenden Kühlmittels misst und einen Messbereich von 40°C bis 130°C aufweist.
  • Hinter der Messeinrichtung KwT-So zweigt eine erste Zwischenverbindung über eine erste Abzweigung 11 von dem Ring 5 ab, wobei die erste Abzweigung 11 einen Eingang für die Verdichtungsvorrichtung 6 bildet. In der Verdichtungsvorrichtung 6 wird der von dem Ring 5 abgezweigte Kühlmittelstrom über eine weitere Verzeigung zum Teil in einen Brennstoffzellenluftkühler 12 und zum anderen Teil in einen Kompressor 13 geführt. In dem Kompressor 13 wird die von außen angesaugte Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 2 als Oxidant zugeführt wird, insbesondere lastabhängig verdichtet, wobei aufgrund der Verdichtung eine Temperaturerhöhung der Luft erfolgt. Zur Reduzierung der Temperatur werden zum einen in dem Kompressor 13, der beispielsweise als Schraubenverdichter ausgebildet ist, mechanische Bauteile, die mit der zu komprimierenden Luft in thermischen Kontakt kommen, insbesondere die Schraubenläufer, durch das Kühlmittel gekühlt. Zur weiteren Reduzierung der Temperatur wird die komprimierte und vorgekühlte Luft durch einen Brennstoffzellenluftkühler 12 geführt, welcher ebenfalls durch das Kühlmittel aktiv gekühlt ist.
  • Nach dem Brennstoffzellenluftkühler 12 und dem Kompressor 13 ist jeweils eine Drossel 14 angeordnet, mit der der Durchfluss des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenluftkühler 12 bzw. den Kompressor 13 statisch oder dynamisch einstellbar ist. Nach den Drosseln 14 werden die beiden Teilströme wieder zusammengeführt und über ein erstes Ventil aKwY-Lki (Aktuator Kühlwasserventil-Luftkühlung in) in den Ring 5 im Bereich des Zulaufs in den Brennstoffzellenstapel 2 geleitet. Das erste Ventil aKwY-Lki weist einen Ventilantrieb auf, so dass der Durchfluss des Kühlmittels durch die erste Verbindungsleitung und somit durch die Verdichtungsvorrichtung 6 einstellbar und/oder steuerbar ist.
  • Nach der ersten Abzweigung 11 wird der verbleibende Kühlmittelstrom in dem Ring 5 bis zu einer zweiten Abzeigung 15 geleitet, die wieder einen Teil des Kühlmittelstroms aus dem Ring 5 auskoppelt und der Ionentauschervorrichtung 7 zuführt. Die Ionentauschervorrichtung 7 dient insbesondere zur Entfernung störender Ionen in dem Kühlmittel und ergänzend insbesondere zur Demineralisierung des Kühlmittels. Nach der Ionentauschervorrichtung 7 wird das Kühlmittel über eine weitere Drossel 14 zur dynamischen oder statischern Einstellung des Durchflusses in den Ring 5 in Strömungsrichtung vor der Kühlmittelrückführung aus der Verdichtungsvorrichtung 6 zurückgeführt.
  • Ausgehend von der zweiten Abzweigung 15 und der Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Ring 5 weiter folgend ist eine Kühlmittelpumpe 16 angeordnet, die durch einen Motor M angetrieben wird, wobei der Motor M über eine Steuereinrichtung aKwM-P1 (Aktuator Kühlwassermotor-P1) angesteuert wird. Die Kühlmittelpumpe 16 dient zur Bewegung des Kühlmittels durch den Kühlkreislauf 1.
  • Im Ring 5 ist in Strömungsrichtung als nächstes Element insbesondere unmittelbar hinter der Kühlmittelpumpe 16 folgend eine Heizeinrichtung 17 seriell in dem Ring 5 zur Temperaturerhöhung des Kühlmittels angeordnet. Die Anordnung der Heizeinrichtung 17 in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter der Kühlmittelpumpe 16, insbesondere unmittelbar hinter der Kühlmittelpumpe 16, hat sich auch bei anderen Auslegungen von Kühlkreisläufen bewährt. Die Heizeinrichtung 17 wird über eine Steuervorrichtung aKwE-So (Aktuator Kühlwasserenergie-Stack out) gesteuert.
  • Im weiteren Verlauf des Rings 5 ist stromabwärts eine dritte Abzweigung 18 vorgesehen, die einen Teilstrom des Kühlmittels über ein zweites Ventil aKwY-Iho (Aktuator Kühlwasserventil-Innenraumheizung out) zu der Innenraumheizung 8 leitet. Auch das zweite Ventil aKwY-Iho weist einen Ventilantrieb auf, so dass der Durchfluss des Kühlmittels durch die Innenraumheizung 8 insbesondere statisch oder dynamisch steuerbar ist. Die Innenraumheizung 8 ist als Wärmetauscher ausgebildet und dient der Erwärmung des Fahrgastraumes. Nach der Innenraumheizung 8 wird der Kühlmittelstrom stromaufwärts unmittelbar vor dem Rücklauf aus der Ionentauschervorrichtung 7 in den Ring 5 zurückgeführt. Sowohl das erste Ventil aKwY-Lki als auch das zweite Ventil aKwY-Iho sind im normalen Betrieb offen (normally open).
  • In dem Ring 5 in Strömungsrichtung nach der dritten Abzweigung 18 ist eine vierte Abzweigung 19 angeordnet, die einen Teilstrom in die Bypassleitung 9 leitet. Der nicht abgezweigte Reststrom des Kühlmittels gelangt in den Wärmetauscher 10, wird dort gekühlt und dem Ring 5 folgend in einen ersten Eingang 20 eines 3-Wegeventils 21 geleitet, an dessen zweiten Eingang 22 die Bypassleitung 19 angeschlossen ist. Der Ausgang 23 des 3-Wegeventils führt das Kühlmittel über den Ring 5 wieder zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zurück.
  • In Strömungsrichtung vor und nach dem Wärmetauscher 10 ist jeweils eine Messvorrichtung KwT-Küli (Kühlwassertemperatur-Kühler in) bzw. KwT-Külo (Kühlwassertemperatur-Kühler out) zur Messung der Ein- bzw. Ausgangstemperatur des Kühlmittels angeordnet. Der Wärmetauscher 10 wird optional durch Lüfter aLR-Lül und aLR-Lül (Aktuator Lüftregelung – Lüfter 1 bzw. 2) gekühlt.
  • Das 3-Wegeventil 21 dient dazu, ungekühltes Kühlmittel aus der Bypassleitung 9 mit gekühltem Kühlmittel aus dem Radiator 10 zu mischen. Je nach Mischungsverhältnis der beiden Teilströme ist es möglich eine Temperatur zwischen der Temperatur des gekühlten und des ungekühlten Kühlmittels zu erhalten und über den Ausgang 23 dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen. Die Änderung des Mischungsverhältnisses kann durch Ansteuerung des 3-Wegeventils über eine Steuervorrichtung aKwR-Si (Aktuator Kühlwasserregelung – Stack in) mit geringem Energieaufwand und hochdynamisch gesteuert werden.
  • Die Ansteuerung des 3-Wegevenils 21 erfolgt auf Basis einer vorgegebenen Soll-Temperatur für das Kühlmittel am Kühlmitteleingang 4 des Brennstoffzellenstapels 2, wobei eine Kontrolleinrichtung auf Basis der Soll-Temperatur durch Ansteuerung des 3-Wegeventils 21 die Kühlmitteltemperatur nachregelt oder -steuert. Bei komplexeren Kontrolleinrichtungen werden als weitere Eingangsgrößen die Messgrößen von einigen oder von allen in der 1 gezeigten Messvorrichtungen berücksichtigt. Optional ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung neben dem 3-Wegeventil 21 einige oder alle der Aktuatoren in 1, insbesondere die Lüfter steuert und/oder regelt.
  • Als weitere Komponenten weist der Kühlkreislauf unmittelbar vor dem Kühlmitteleingang 3 einen Filter 24 und nach der Kühlmittelpumpe 16 eine Überdruckeinrichtung 25 auf, die beispielsweise ab einem Überdruck von 0,8 bar öffnet.
    • 1
    Kühlkreislauf
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Kühlmitteleingang
    4
    Kühlmittelausgang
    5
    Ring
    6
    Verdichtungsvorrichtung
    7
    Ionentauschervorrichtung
    8
    Innenraumheizung
    9
    Bypassleitung
    10
    Wärmetauscher
    11
    erste Abzweigung
    12
    Brennstoffzellenluftkühler
    13
    Kompressor
    14
    Drossel
    15
    zweite Abzweigung
    16
    Kühlmittelpumpe
    17
    Heizeinrichtung
    18
    dritte Abzweigung
    19
    vierte Abzweigung
    20
    erster Eingang des 3-Wegeventils
    21
    3-Wegeventil
    22
    zweiter Eingang des 3-Wegeventils
    23
    Ausgang des 3-Wegeventils
    24
    Filter
    25
    Überdruckeinrichtung

Claims (12)

  1. Kühlkreislauf (1) zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels (2) für ein Fahrzeug mit einer Heizeinrichtung (17) zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels und mit einer Kühleinrichtung (10) zur Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels, wobei die Kühleinrichtung (10) und die Heizeinrichtung (17) in dem Kühlkreislauf strömungstechnisch in Serie geschaltet und/oder schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung als Außenkühler (10) für das Fahrzeug ausgebildet ist.
  2. Kühlkreislauf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkühler (10) der Heizeinrichtung (17) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nachgeschaltet und/oder nachschaltbar ist.
  3. Kühlkreislauf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) in Strömungsrichtung des Kühlmittels einer Kühlmittelpumpe (16) nachgeschaltet ist.
  4. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchfluss durch den Außenkühler (10) unabhängig von dem Kühlmitteldurchfluss durch die Heizeinrichtung (17) steuerbar ist.
  5. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchfluss durch den Außenkühler (10) in Stufen oder stufenlos steuerbar ist.
  6. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreislauf (1) parallel zu dem Außenkühler (10) eine Bypassleitung (9) angeordnet ist.
  7. Kühlkreislauf (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Kühlmitteldurchflusses durch den Außenkühler (10) und die Bypassleitung (9) über ein strömungstechnisches Steuerelement (21) steuerbar ist.
  8. Kühlkreislauf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement als Ventil (21) ausgebildet ist, welches in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Bypassleitung (9) und/oder dem Außenkühler (10) angeordnet ist.
  9. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) und/oder der Außenkühler (10) mit Fremdenergie betrieben sind und/oder als aktive Einrichtungen ausgebildet sind.
  10. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als elektrischer Heizer (17) und/oder der Außenkühler (10) als Wärmetauscher (10) optional mit Kühlventilatoren (aLR) ausgebildet ist bzw. sind.
  11. Kühlkreislauf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sensorelement (KwT-Si) zur Erfassung der Eingangstemperatur des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapel (2) und eine Kontrollvorrichtung die zur Kontrolle der Eingangstemperatur durch Änderung der durch den Außenkühler (10) fließende Kühlmittelmenge ausgebildet ist.
  12. Verfahren zur Temperierung eines Brennstoffzellenstapels (2), vorzugsweise unter Verwendung des Kühlkreislaufes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Außenkühler (10) zur Erniedrigung der Temperatur eines Kühlmittels und eine Heizeinrichtung (17) zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels in einem oder dem Kühlkreislauf in Serie schaltbar sind und/oder geschaltet werden.
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