DE102009012994B4

DE102009012994B4 - Heizsystem zum Optimieren einer Erwärmung in einem Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102009012994B4
Application number: DE102009012994.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lienkamp; Remy Fontaine
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2029-03-14
Also published as: DE102009012994A1; US9711808B2; CN101546841A; CN101546841B; US20090236436A1

Abstract

Heizsystem (100) zum Optimieren einer Erwärmung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend: einen Stapelkühlmittelkreislauf (104) mit einem Brennstoffzellenstapel (102), einer primären Pumpe (116) und einem Kühlermodul (112); und einem Bypasskühlmittelkreislauf (104b), der zumindest einen Wärmetauscher (110) und eine sekundäre Pumpe (106) aufweist; wobei der Bypasskühlmittelkreislauf (104b) parallel zu einem Teil des Stapelkühlmittelkreislaufs (104a) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (102) und dem Kühlermodul (112) verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskühlmittelkreislauf (104b) ferner einen Kühlmittelheizer (108) aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem zum Optimieren einer Erwärmung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der US 2007/0298298 A1 bekannt geworden ist.
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 in einer reinen Art und Weise verbraucht wird, wobei er zu Wasserdampf reagiert, 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.
Protonenaustauschmembran-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 einzelne 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 bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten 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 bipolaren Platten 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 bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Hochtemperaturkühlkreislauf (HT-Kreislauf) in einem Brennstoffzellenfahrzeug dient verschiedenen Zwecken, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt:

1. der Bereitstellung der Soll-Kühlmittelauslass/-einlasstemperatur für den Brennstoffzellenstapel selbst durch Zufuhr von Kühlmittel mit einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Durchfluss in den Stapel;
2. der Bereitstellung der Soll-Kühlmitteleinlasstemperatur und -strömung für den Wärmetauscher für den Fahrzeuginnenraum bzw. Fahrgastraum; und
3. der Bereitstellung der Soll-Kühlmitteleinlasstemperatur und -strömung für einen elektrischen Kühlmittelheizer, der überschüssige elektrische Energie während eines nachgeahmten Motorbremsvorganges dissipiert.

Die Stapelkühlmittelströmung und die Kühlmitteleinlasstemperatur können von Betriebsbedingungen abhängen, wie der Stapeltemperatur, der Stapellast, etc.
Wenn die volle Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers für den Fahrzeuginnenraum erforderlich ist, beispielsweise für einen Enteisungsvorgang der Windschutzscheibe, kann eine Einlasstemperatur, die wesentlich höher als eine Stapelkühlmittelauslasstemperatur ist, erforderlich sein, während erforderliche Strömungen vergleichsweise klein sind. Jedoch ermöglichen die Einbauraumanforderungen in der HVAC-Einheit oftmals keine Konstruktion eines Kerns eines Wärmetauschers für den Fahrzeuginnenraum, die mit der vollständigen Kühlmittelströmung, die den Stapel verlässt, umgehen kann. Während es erwünscht ist, den Vorteil der Stapelabwärme zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraumes zu verwenden, ist typischerweise ein zusätzlicher Heizer erforderlich, um die Kühlmitteltemperatur zu maximieren, wenn die Stapellast klein ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die geschilderten Erwärmungsprobleme zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst die Erwärmungsprobleme des Brennstoffzellensystems, einschließlich Problemen der Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes, die bei gegenwärtigen Systemen auftreten. Während die vorliegende Erfindung ein PEMFC-System diskutiert, kann die Erfindung mit einer beliebigen Brennstoffzellenanordnung verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Heizsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Optimieren einer Ausführung von Erwärmungsaufgaben in einem Brennstoffzellenfahrzeug gerichtet. Das System umfasst einen Stapelkühlmittelkreislauf mit einem Brennstoffzellenstapel, einer primären Pumpe und einem Kühlermodul. Ein Bypasskühlmittelkreislauf verläuft parallel zu dem Stapelkühlmittelkreislauf bevorzugt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Kühlermodul und ist mit dem Stapelkühlmittelkreislauf bevorzugt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Kühlermodul verbunden. Der Bypasskreislauf umfasst zumindest einen Heizer und eine sekundäre Pumpe, um bei Bedarf Kühlmittel durch den Heizer zu pumpen. Der Bypasskreislauf umfasst typischerweise zumindest zwei Heizer: einen elektrischen Kühlmittelheizer und einen Wärmetauscher zum Wärmetausch von Kühlmittel zu Fahrzeuginnenraumluft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
1 ein schematisches Flussdiagramm eines bekannten thermischen Systems eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt; und
2 ein schematisches Flussdiagramm eines thermischen Systems eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Heizsystem 10 nach dem Stand der Technik. Das Heizsystem 10 steht in Kommunikation mit einem Brennstoffzellenstapel (FCS) 12. Ein Kühlmittelströmungspfad 14 umfasst drei parallele Strömungspfadabschnitte 14a, 14b, 14c. Der Kühlmittelströmungspfad 14 umfasst ferner ein Dreiwegeventil 26, um eine Strömung über das Kühlmittelströmungsverhältnis durch Pfadabschnitte 14b, 14c zu steuern, und eine Pumpe 28. Ein erster elektrischer Heizer (CoH2) 16 ist in dem Kühlmittelströmungspfad 14 unterstromig des FCS 12 angeordnet, um überschüssige elektrische Energie zu dissipieren und den FCS nach einem Durchkühlen aufzuwärmen. Die resultierende Wärme der Dissipation überschüssiger Energie kann entlang des Kühlmittelpfadabschnittes 14c an das Kühlermodul 18 geführt werden. Ein zweiter elektrischer Heizer (CoH1) 20 ist zusammen mit einem Wärmetauscher (CH) 22 für den Fahrzeuginnenraum in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 14a parallel zu dem Kühlermodul 18 angeordnet und hält eine Soll-Einlasstemperatur des Wärmetauschers des Fahrzeuginnenraumes aufrecht. Um bei heißen Umgebungsbedingungen eine maximale Kühlmittelströmung durch das Kühlermodul 18 bereitzustellen, d. h. volle Kühlerleistung, wenn keine Fahrzeuginnenraumerwärmung erforderlich ist, wird dem Strömungspfadabschnitt 14a ein Absperrventil 24 hinzugefügt.
Die Druckabfälle in dem Kühlmittelströmungspfad 14, die ein Strömungsverhältnis zwischen dem Kühlmittelströmungspfad 14 und dem Wärmetauscher 22 für den Fahrzeuginnenraum beeinflussen, sind so gewählt, dass die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers 22 für den Fahrzeuginnenraum bei voller Stapelströmung nicht überschritten wird. Eine volle Stapelströmung kann auftreten, wenn die gesamte Kühlmittelströmung, die nicht durch den Kühlmittelströmungspfadabschnitt 14a und den Wärmetauscher 22 für den Fahrzeuginnenraum strömt, durch das Kühlermodul 18 gelangt, das einen relativ hohen Druckabfall aufweist.
Jedoch müssen der Druckabfall und die Strömungsverhältnisse bei geringen Stapelkühlmittelströmungen eine ausreichende Kühlmittelströmung in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 14a ermöglichen. Um das Obige in den Fällen sicherzustellen, wenn das Ventil 26 einen Teil oder die gesamte Strömung an das Kühlermodul 18 durch den Bypasspfadabschnitt (14c) lenkt, ist stattdessen eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 30 in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 14b vorgesehen.
2 zeigt ein Heizsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Heizsystem 100 ist derart angepasst, um Erwärmungsaufgaben in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu optimieren. Das Heizsystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel (FCS) 102. Ein Stapelkühlmittelkreislauf 104 mit einem Strömungspfadabschnitt 104a, der parallel zu einem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b angeordnet ist, steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 102. Der Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b umfasst eine sekundäre Pumpe 106, einen Kühlmittelheizer 108 und einen Wärmetauscher 110 für den Fahrzeuginnenraum.
Zusätzlich sind in dem Kühlmittelströmungspfad 104 Kühlmittelströmungspfadabschnitte 104c, 104d vorgesehen. Eine Strömung des Kühlmittels durch die Kühlmittelströmungspfadabschnitte 104c, 104d wird durch ein Dreiwegeventil 114 gesteuert. Ähnlich dem Heizsystem 10 kann Wärme in dem Kühlmittel an das Kühlermodul 112 durch den Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104d gelenkt werden.
Der Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b, der den Wärmetauscher 110 für den Fahrzeuginnenraum und den Kühlmittelheizer 108 aufweist, sieht eine parallele Strömung zu dem Strömungspfadabschnitt 104a zwischen dem Brennstoffzellenstapel 102 und dem Kühlermodul 112 und eine serielle Strömung mit den Kühlmittelströmungspfadabschnitten 104c, 104d vor. Der Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b wird hier auch als ein Bypasskühlmittelkreislauf bezeichnet. Eine zwischen dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b und dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104a aufgeteilte Strömung wird durch eine sekundäre Pumpe 106 bestimmt, die in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b angeordnet ist. Der Wärmetauscher 110 für den Fahrzeuginnenraum und die sekundäre Pumpe 106 sind so bemessen, um die Erwärmungsanforderungen des Fahrgastraumes des Fahrzeugs wie auch die mit einer nachgeahmten Motorbremsung in Verbindung stehenden Anforderungen zu erfüllen, d. h. ohne lokales Sieden des Kühlmittels in dem Strömungspfadabschnitt 104b.
Während eines Erwärmungsvorganges des Fahrzeuginnenraumes ist nur eine begrenzte Strömung (d. h. geringe Leistung für die sekundäre Pumpe 106) für den Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b erforderlich, um hohe Kühlmitteltemperaturen an dem Einlass des Wärmetauschers für den Fahrzeuginnenraum mit geringer Kühlmittelheizerleistung zu erreichen.
Während eines Vorganges mit nachgeahmter Motorbremsung ist eine höhere Strömung (d. h. hohe Leistung für die sekundäre Pumpe 106) erforderlich, um zu ermöglichen, dass der Kühlmittelheizer 108 die hohe Leistung ohne lokales Sieden des Kühlmittels aufnehmen kann. Zusätzlich verringert, da der Kühlmittelheizer 108 dazu verwendet wird, überschüssige elektrische Energie zu dissipieren, der zusätzliche Leistungsverbrauch der sekundären Pumpe 106 während der höheren Strömungsanforderung gerade die Menge an überschüssiger Leistung, die an den Kühlmittelheizer 108 dissipiert wird. Daher wird der Brennstoffverbrauch des Brennstoffzellenstapels 102, das die Leistung erzeugt, nicht durch den zusätzlichen Leistungsbedarf der sekundären Pumpe beeinträchtigt.
Bei dem Heizsystem 100 ist die Kühlmittelströmung in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b nicht von der gesamten Kühlmittelströmung abhängig, und eine Komplexität der Konstruktion des Heizsystems 100 in Bezug auf den Druckabfall ist minimiert. Die Kühlmittelströmung zu dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b kann unabhängig während des Betriebs des Fahrzeugs gewählt werden und kann nach Bedarf mit einer Rate bereitgestellt werden, die höher als die Kühlmittelströmung in dem Brennstoffzellenstapel 102 ist. Wenn es erwünscht ist, eine Kühlmittelströmung an den Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b anstatt die Kühlmittelströmung an den Brennstoffzellenstapel zu liefern, dann hat dies eine Umkehr in der Strömungsrichtung in dem Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104a zur Folge.
Die Steuerbarkeit der Strömung zu dem Wärmetauscher 110 für den Fahrzeuginnenraum, die durch das Heizsystem 100 bereitgestellt wird, ist gegenüber dem Heizsystem 10 verbessert, das die Strömung nur durch das Absperrventil 24 steuert. In dem Heizsystem 10 kann die Strömung zu dem Wärmetauscher 22 für den Fahrzeuginnenraum im Vergleich zu dem Wert, der durch die Druckabfälle gegeben ist, nur reduziert werden, jedoch nicht erhöht werden oder sogar über die Stapelkühlmittelströmung erhöht sein.
Das Heizsystem 100 der vorliegenden Erfindung erlaubt die Verwendung von Stapelabwärme zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraumes durch Reduzierung der Last des Kühlmittelheizers 108, während zugelassen wird, dass die volle Stapelströmung an das Kühlermodul 112 gelenkt wird, ohne dass ein Absperrventil für den Kühlmittelströmungspfadabschnitt 104b erforderlich ist.
Das Absperrventil 24 ist durch die sekundäre Pumpe 106 ersetzt. Ein elektrischer Heizer kann weg gelassen werden, da der einzige verbleibende Heizer des Heizsystems 100 notwendigen Betriebsanforderungen dienen kann.
Aufgrund der sekundären Pumpe 106 kann die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 118 weg gelassen werden. Dies sieht eine noch weitere Vereinfachung einer Strömungsverteilungssteuerung durch das Ventil 114 zwischen den Strömungspfadabschnitten 104c, 104d vor, ist jedoch nicht erforderlich, um eine Strömung durch den Strömungspfadabschnitt 104b sicherzustellen.

Claims

Heizsystem (100) zum Optimieren einer Erwärmung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend: einen Stapelkühlmittelkreislauf (104) mit einem Brennstoffzellenstapel (102), einer primären Pumpe (116) und einem Kühlermodul (112); und einem Bypasskühlmittelkreislauf (104b), der zumindest einen Wärmetauscher (110) und eine sekundäre Pumpe (106) aufweist; wobei der Bypasskühlmittelkreislauf (104b) parallel zu einem Teil des Stapelkühlmittelkreislaufs (104a) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (102) und dem Kühlermodul (112) verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskühlmittelkreislauf (104b) ferner einen Kühlmittelheizer (108) aufweist.
Heizsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Strömungsbegrenzungsvorrichtung (118), die in dem Stapelkühlmittelkreislauf (104) angeordnet ist.