-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum optimierten Kühlen einer Antriebseinheit und einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als eine potentielle Alternative für den herkömmlichen Verbrennungsmotor, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird, erkannt worden. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein Fahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen.
-
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
-
Pro tonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
-
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die mit einem Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenreaktandengas, wie Wasserstoff, auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
-
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Verbundmaterial bzw. Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
-
Während ein Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine aufgrund seines höheren Wirkungsgrades insgesamt weniger Wärme abgibt, ist die in das Kühlmittel abgegebene Abwärme höher, da Wärmeverluste in das Abgas im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine geringer sind. Typische Stapelkühlmitteltemperaturen sind geringer als Kühlmitteltemperaturen einer Brennkraftmaschine, was es schwieriger macht, die Stapelwärmelast an die Umgebung innerhalb eines gegebenen Einbauraumes für alle Fahrzeugwärmetauscher abzugeben.
-
Zusätzliche Wärme, die von dem CRFM abgegeben werden soll, wird in der elektrischen Antriebseinheit von Brennstoffzellenfahrzeugen erzeugt. Diese Wärmeabgabe muss erreicht werden, ohne die Kühlleistung in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel zu gefährden.
-
Herkömmliche Kühlsysteme für einen Brennstoffzellenstapel und eine Antriebseinheit sind in den Druckschriften
US 2004/0 083 989 A1 und
US 2005/0 175 875 A1 beschreiben.
-
Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgend dargelegte Anwendung beschränkt, sondern ist zur Verwendung mit anderen Komponenten anwendbar, die gekühlt werden müssen, wie Leistungselektronik und Elektromotoren; beispielsweise kann ein Wärmetauscher für Leistungselektronik in dem Radkasten montiert sein.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung löst Kühlprobleme von Brennstoffzellensystemen, die bei gegenwärtigen Systemen auftreten. Während die vorliegende Erfindung ein PEMFC-System diskutiert, kann die hier offenbarte Ausführungsform mit einer beliebigen Brennstoffzellenanordnung verwendet werden.
-
Bei einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf ein thermisches System zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels und einer Antriebseinheit in einem Brennstoffzellenfahrzeug gerichtet. Das System umfasst eine Antriebseinheit und einen Brennstoffzellenstapel. Ein Ölkühlkreislauf für die Antriebseinheit umfasst ein Dreiwegeventil, einen Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher und eine Pumpe. Das Öl strömt um den Kreislauf herum von der Antriebseinheit durch das Dreiwegeventil und den Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher zu der Pumpe, an der es in die Antriebseinheit gepumpt wird. Der Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher kann dadurch umgangen werden, dass das Dreiwegeventil umgestellt und die Ölströmung entlang eines Ölströmungspfads von der Antriebseinheit durch die Pumpe in die Antriebseinheit erlaubt wird. Bei der gezeigten Ausführungsform enthält der Ölkühlkreislauf keinen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher.
-
Der Kühlmittelströmungspfad für den Brennstoffzellenstapel umfasst denselben Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher, einen Luft-Wärmetauscher, ein Dreiwegeventil und eine Pumpe. Das Kühlmittel strömt um den Kreislauf herum von dem Brennstoffzellenstapel durch den Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher, durch den Luft/Wärmetauscher zu der Pumpe, an der es in den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird. Der Luft-Wärmetauscher kann dadurch umgangen werden, dass das Dreiwegeventil umgestellt wird und erlaubt wird, dass das Kühlmittel entlang des Kühlmittelpfades von dem Brennstoffzellenstapel durch den Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher strömt und durch die Pumpe zu dem Brennstoffzellenstapel rückgeführt wird. Erfindungsgemäß sind der Kühlmittelströmungspfad und der Ölkühlkreislauf nur durch den Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher verbunden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
-
1 ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel und eine Antriebseinheit für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
-
2 ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel und eine Antriebseinheit für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
-
1 zeigt ein Kühlsystem 10 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Stand der Technik. Das Kühlsystem 10 umfasst eine Antriebseinheit 12 und einen Brennstoffzellenstapel 14. Ein Ölkühlkreislauf 16 für die Antriebseinheit 12 umfasst einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 18 und eine Pumpe 20. Wie gezeigt ist, strömt das Öl in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um den Kühlkreislauf 16 von der Antriebseinheit 12 durch den Wärmetauscher 18 zu der Pumpe 20, an der es zurück in die Antriebseinheit 12 gepumpt wird. Der Wärmetauscher 18 kann auch als ein Kühler bezeichnet werden.
-
Kühlmittelströmungspfade 22a, 22b für den Brennstoffzellenstapel 14 umfassen einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 24 (auch als ein Kühler bezeichnet), ein Dreiwegeventil 26 und eine Pumpe 28. Wie gezeigt ist, erlaubt das Dreiwegeventil 26 die Kühlmittelströmung von dem Brennstoffzellenstapel 14 entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Pumpe 28, an der es in den Brennstoffzellenstapel 14 entlang des Kühlmittelströmungspfades 22a gepumpt wird. Alternativ dazu strömt, wenn eine größere Kühlung erforderlich ist, das Kühlmittel entlang des Kühlmittelströmungspfades 22b. Das Kühlmittel strömt von dem Brennstoffzellenstapel 14 durch den Wärmetauscher 24 und die Pumpe 28, an der es zurück in den Brennstoffzellenstapel 14 gepumpt wird.
-
Der Ölkühlkreislauf 16 für die Antriebseinheit 12 gibt Wärme an die Umgebung durch den Wärmetauscher 18 ab. Der Wärmetauscher 18 ist in demselben Luftströmungspfad 30 ausgerichtet, wie der Wärmetauscher 24 in dem Kühlmittelströmungspfad 22b. Der Luftströmungspfad 30 wird durch Stauluft oder ein Gebläse (nicht gezeigt) erzeugt.
-
2 zeigt ein Kühlsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Kühlsystem 100 umfasst eine Antriebseinheit 102 und einen Brennstoffzellenstapel 104. Ölkühlkreisläufe 106a, 106b für die Antriebseinheit 102 umfassen ein Dreiwegeventil 108, einen Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher 110 und eine Pumpe 112. Wie gezeigt ist, strömt das Öl in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um den Kreislauf 106a herum von der Antriebseinheit 102 durch das Dreiwegeventil 108 und den Wärmetauscher 110 an die Pumpe 112, an der es in die Antriebseinheit 102 gepumpt wird.
-
Alternativ dazu kann der Wärmetauscher 110 dadurch umgangen werden, dass das Dreiwegeventil 108 geschlossen und eine Ölströmung entlang des Ölströmungspfades 106b von der Antriebseinheit 102 durch die Pumpe 112 in die Antriebseinheit 102 zugelassen wird.
-
Kühlströmungspfade 114a, 114b für den Brennstoffzellenstapel 104 umfassen den Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher 110, der auch ein Teil des Ölströmungspfades 106a der Antriebseinheit 102 ist, einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 116 (Kühler), ein Dreiwegeventil 118 und eine Pumpe 120. Wie gezeigt ist, erlaubt das Dreiwegeventil 118 eine Kühlmittelströmung von dem Brennstoffzellenstapel 104 entgegen dem Uhrzeigersinn durch den Wärmetauscher 110 zu der Pumpe 118, an der es in den Brennstoffzellenstapel 104 entlang des Kühlströmungspfades 114a gepumpt wird. Alternativ dazu strömt, wenn eine größere Kühlung erforderlich ist, das Kühlmittel entlang des Kühlströmungspfades 114b von dem Brennstoffzellenstapel 104 durch sowohl den Wärmetauscher 110 als auch den Wärmetauscher 116 zu der Pumpe 120, an der es in den Brennstoffzellenstapel 104 gepumpt wird. Eine Luftströmung 122 wird durch Stauluft oder ein Gebläse (nicht gezeigt) erzeugt.
-
Das Kühlsystem 100 nutzt den Vorteil der Tatsache, dass bei hohen Lasten die Öltemperatur in den Kühlkreisläufen 106a, 106b der Antriebseinheit erheblich höher als die Kühlmitteltemperatur in den Kühlkreisläufen 114a, 114b des Brennstoffzellenstapels sein kann. Das System 100 erlaubt einen Wärmeaustausch von Flüssigkeit zu Flüssigkeit zwischen dem Öl und dem Kühlmittel.
-
Wärmelasten, die von den Kühlkreisläufen 106a, 106b der Antriebseinheit an die Kühlmittelkreisläufe 114a, 114b des Stapels übertragen werden, führen zu einer höheren Kühlmitteltemperatur und Wärmelast an dem Wärmetauscher 116. Die höhere Wärmelast an dem Wärmetauscher 116 wird durch eine höhere Leistung des Wärmetauschers 116 aufgrund der größeren Differenz zwischen einer Temperatur des Kühlmittels und einer Temperatur der Umgebungsluft kompensiert. Ein Vorteil des Kühlsystems 100 ist eine Reduzierung eines Gesamtvolumens, das von dem Kühlsystem 100 verbraucht wird. Die Beschränkung der Stauluftströmung 122 des Luft-Wärmetauschers 116 wird dadurch reduziert, dass der Öl/Luft-Wärmetauscher weggelassen wird und daher eine größere Luftströmung zugelassen wird. Dies erhöht ferner die Fähigkeit, Wärme mit dem Kühler 116 an die Umgebung abzugeben.
-
Das System kann während verschiedener Antriebssituationen angewendet werden. Wenn die Antriebseinheit 102 wärmer als der Brennstoffzellenstapel 104 ist und beide eine Wärmeabgabe erfordern, wird das Ventil 108 geschaltet, um eine Strömung durch den Wärmetauscher 110 zu ermöglichen. Die Wärme der Antriebseinheit trägt zu der Wärme des Kühlkreislaufes 114b bei, erhöht jedoch auch eine Temperatur an einem Einlass des Wärmetauschers 116.
-
Wenn die Antriebseinheit 102 kälter als die Kühlmitteltemperatur an einem Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 ist und der Brennstoffzellenstapel 104 keine Abgabe von Wärme über die Kühlkreisläufe 106a, 106b erfordert, können die Kühlkreisläufe 106a, 106b von den Kühlkreisläufen 114a, 114b entkoppelt werden, indem das Dreiwegeventil 108 geschaltet wird, um zu bewirken, dass das Öl den Wärmetauscher 110 umgeht. Dies ist insbesondere bei einem Aufwärmen des Stapels nach einem Durchkühlen wichtig.
-
Wenn die Antriebseinheit 102 kälter als der Brennstoffzellenstapel 104 ist und der Brennstoffzellenstapel 104 eine zusätzliche Wärmeabgabe erfordert, ist es möglich, Wärme an die Antriebseinheit 102 zu übertragen, wodurch der Vorteil einer hohen Wärmekapazität derselben genutzt wird. Das Ventil 108 wird geschaltet, um eine Strömung des Öls durch den Wärmetauscher 110 der Antriebseinheit zu ermöglichen. Dies erhöht die Wärmeabgabe des Kühlkreislaufes 114a ohne Notwendigkeit nach zusätzlicher Gebläseleistung, zumindest für ein gewisses Zeitintervall. Dies stellt einen Vorteil während ziemlich kurzer Fahrzeugbeschleunigungsbetriebsarten bereit, bei denen der Puffereffekt hilft, eine Erhöhung einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 104 über einen gewünschten Sollwert zu vermeiden.
-
Wenn die Antriebseinheit 102 kälter als die Kühlmittelausgangstemperatur des Brennstoffzellenstapels 104 ist und die Kühlmitteltemperatur schnell reduziert werden muss, kann die Wärmekapazität der Kühlkreisläufe 106a, 106b dazu verwendet werden, die Temperatur auf eine ähnliche Art und Weise zu reduzieren. Dies hilft, die Verwendung von Gebläsen zu reduzieren, wodurch Geräuschniveaus minimiert und ein Wirkungsgrad maximiert werden. Dies kann für Übergänge nach unten/eine Fahrzeugverlangsamung verwendet werden.
-
Wenn die Antriebseinheit 102 wärmer als der Brennstoffzellenstapel 104 ist und der Brennstoffzellenstapel 104 Wärme erfordert, kann das Kühlsystem 100 dazu verwendet werden, Wärme an die Kühlkreisläufe 114a, 114b hinzuzufügen. Dies wird dadurch gemacht, dass das durch den Wärmetauscher 110 strömende Öl nach Bedarf gesteuert wird, um die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf 114a zu erhöhen. Dies kann stattfinden, wenn der Brennstoffzellenstapel 104 im Leerlauf läuft, bei dem konvektive/konduktive Wärmeverluste des Brennstoffzellenstapels 104 zu einer Situation führen, in der Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 104 benötigt wird, um eine Solltemperatur aufrecht zu erhalten.
-
Dies minimiert die Verwendung elektrischer Heizer und maximiert einen Wirkungsgrad bei Leerlauf/Niedrigleistung des Brennstoffzellenstapels 104.
-
Das Dreiwegeventil 108 kann ein kostengünstiges digitales Ventil sein, da die Temperatur der Antriebseinheit 102 nicht genau gesteuert werden muss. Typischerweise ist für die Antriebseinheit 102 jegliche Temperatur unterhalb einer maximalen Solltemperatur akzeptabel.
-
Da Temperaturen für die Kühlkreisläufe 106a, 106b, 114a, 114b typischerweise bereits zu anderen Zwecken (Leistungsbegrenzung, etc.) gemessen werden, kann leicht eine modellbasierte Vorgehensweise auf Grundlage von Charakteristiken des Wärmetauschers 110 in einem Controller implementiert werden, der dazu verwendet wird, eine Position des Dreiwegeventils 108 zu steuern.
-
Die Luftströmung 122 ist maximiert, wenn der Gesamtdruckabfall durch Weglassen des Wärmetauschers 18 minimiert ist, wie in 1 gezeigt ist. Aus demselben Grund ist der erforderliche Einbauraum für das Kühlsystem 100 minimiert. Der Wärmetauscher 110 ist typischerweise kleiner als der Wärmetauscher 18 und kann leichter eingebaut werden, da er nicht in der Luftströmung 122 positioniert werden muss. Zusätzlich können die Kühlkreisläufe 114a, 114b einen Vorteil der thermischen Kapazität der Antriebseinheit 102 nutzen, um eine Übergangskühlleistung zu maximieren.
-
Der Gesamtwirkungsgrad des Kühlsystems 100 ist in Situationen maximiert, bei denen die Kühlkreisläufe 106a, 106b den Gebrauch von elektrischen Kühlmittelheizern und -gebläsen ersetzen. Das Ersetzen des Gebläsegebrauchs minimiert auch Fahrzeuggeräuschemissionen.
-
Die Hauptaufgabe des oben beschriebenen Systems ist die Fähigkeit, die Kühlkreisläufe nach Bedarf zu entkoppeln. Die Erfindung erreicht dies durch ein Bypassventil auf der Ölseite. Alternativ dazu kann das Entkoppeln auch durch ein zweites Bypassventil auf einer Stapelkühlmittelseite oder ein anderes Mittel erreicht werden. Jedes Entkopplungsverfahren ist abhängig von den Ölströmungen des Systems akzeptabel: wenn Ölströmungen geringer als Stapelkühlmittelströmungen sind oder hochvolumige Strömungen durch das Bypassventil entweder eine komplexe/große Ventilkonstruktion erfordern oder einen hohen zusätzlichen Druckabfall in dem Kreislauf antreiben → erhöhter Pumpenleistungsverbrauch.
-
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
