DE102013206701A1

DE102013206701A1 - Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102013206701A1
Application number: DE102013206701.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Bauer; Marcel Sterzenbach; Bernhard Zuck
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit einem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher, in dem ein Kühlmittel rückgekühlt wird, welches zuvor entweder durch den Brennstoffzellen-Stack oder durch einen Abluft-Kondensator, in dem aus dem Abgasstrom des Brennstoffzellensystems Wasser abgeschieden wird, welches zu Kühlzwecken wieder der Zuluft des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, sowie durch einen Ladeluftkühler zur zumindest teilweisen Rückkühlung der dem Brennstoffzellensystem zugeführten Zuluft geführt ist. Dabei ist das aus dem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher austretende Kühlmittel zunächst durch den Brennstoffzellen-Stack oder durch den besagten Kondensator und danach durch den genannten Ladeluftkühler geführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit einem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher, in dem ein Kühlmittel rückgekühlt wird, welches zuvor entweder durch den Brennstoffzellen-Stack oder durch einen Abluft-Kondensator, in dem aus dem Abgasstrom des Brennstoffzellensystems Wasser abgeschieden wird, welches zu Kühlzwecken der Zuluft des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, sowie durch einen Ladeluftkühler zur zumindest teilweisen Rückkühlung der dem Brennstoffzellensystem zugeführten Zuluft geführt ist. Zum Stand der Technik wird neben der DE 103 01 812 B4 auf die DE 10 2007 046 056 A1 verwiesen.
Brennstoffzellensysteme mit Einzel-Brennstoffzellen der PEM-Bauart müssen im Betrieb auf eine Temperatur kleiner ca. 100°C gekühlt werden, was entweder über einen durch den sog. Brennstoffzellen-Stack (= Stapel von Einzel-Brennstoffzellen) hindurch geführten Strom von üblicherweise flüssigem Kühlmittel erfolgen kann oder mittels der Verdunstung von Wasser, welches der sog. Prozessluft, d. h. der dem Brennstoffzellensystem für die Reaktion mit Wasserstoff zugeführten Zuluft zugegeben wird. Jedenfalls bei mit einer zuletzt erwähnten sog. Verdunstungskühlung arbeitenden und in Kraftfahrzeugen vorgesehenen Brennstoffzellensystemen wird das der Zuluft beigemengte Wasser aus dem Abgasstrom des Brennstoffzellensystems zurück gewonnen, indem dieser Abgasstrom durch einen sog. Abluft-Kondensator als Wärmetauscher geführt wird, durch den weiterhin ein üblicherweise flüssiges Kühlmittel geführt wird, welches ebenso wie das Kühlmittel bei der im vorhergehenden Satz erstgenannten Kühlmittel-Führung durch den Brennstoffzellen-Stack sowie vergleichbar dem Kühlmittel für in Kraftfahrzeugen verbauten Brennkraftmaschinen in einem üblicherweise im Fahrzeug-Frontbereich vorgesehenen (Umgebungs)-Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher rückgekühlt wird.
Weiterhin ist es bekannt, den Zuluftstrom eines Brennstoffzellensystems, welcher im Hinblick auf das im Brennstoffzellensystem herrschende Druckgefälle durch einen Verdichter oder dgl. geführt ist, in diesem verdichtet und dabei signifikant erwärmt wird, stromab des Verdichters in einem sog. Ladeluftkühler zumindest teilweise zurück zu kühlen, d. h. vor dem Eintritt in das Brennstoffzellensystem auf ein gegenüber dem Austritt aus dem Verdichter oder dgl. niedrigeres Temperaturniveau zu bringen. Bei diesem Ladeluftkühler handelt es sich um einen Wärmetauscher, durch den ebenfalls das bereits genannte üblicherweise flüssige Kühlmittel geführt ist.
In der eingangs genannten DE 103 01 812 B4 ist ein solcher Kühlmittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt, wobei das im Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher rückgekühlte Kühlmittel zunächst durch einen Ladeluftkühler und anschließend durch einen im Brennstoffzellensystem vorgesehenen Wärmetauscher geführt ist. Aus der weiterhin genannten DE 10 2007 046 056 A1 ist es bekannt, das Kühlmittel parallel, d. h. in zwei zueinander parallelen Zweigen durch den Brennstoffzellen-Stapel (= Brennstoffzellen-Stack) und einen Ladeluftkühler zu führen.
Hier soll nun ein demgegenüber verbesserter Kühlmittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher austretende Kühlmittel zunächst durch den Brennstoffzellen-Stack oder durch den besagten Abluft-Kondensator und danach durch den genannten Ladeluftkühler geführt ist. In anderen Worten ausgedrückt wird vorliegend eine serielle Kühlmittelführung vorgeschlagen wobei das aus dem Umgebungsluft-Kühlmittel-Wärmetauscher austretende Kühlmittel zuerst durch den Brennstoffzellen-Stapel oder – im Falle der eingangs genannten Verdunstungskühlung – durch den Abluft-Kondensator geführt wird und erst danach durch den Ladeluftkühler.
Es wurde erkannt, dass das im Kühlmittelkreislauf umgewälzte Kühlmittel bei sinnvoller Auslegung des Kühlmittelkreislaufes dann, wenn das im Umgebungsluft-Kühlmittel-Wärmetauscher rückgekühlte Kühlmittel als ersten zu kühlenden Bestandteil des Kreislaufs den Brennstoffzellen-Stapel oder den besagten Abluft-Kondensator durchströmt und damit die Betriebs-Abwärme der Einzel-Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems aufnimmt, nach dieser Abwärme-Aufnahme noch ausreichend kalt genug ist, um eine ausreichende Wärmemenge aus der verdichteten Prozessluft, d. h. aus dem Zuluftstrom des Brennstoffzellen-Systems stromab des besagten Verdichters oder dgl. aufnehmen zu können. Mit dieser erfindungsgemäßen Durchströmungs-Reihenfolge ist gewährleistet, dass das umgewälzte Kühlmittel bei Eintritt in den Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher eine möglichst hohe Temperatur aufweist, so dass vorteilhafterweise eine hohe Temperaturdifferenz zur in diesem das Kühlmittel rückkühlenden Umgebungsluft vorliegt. Der wesentlicher Vorteil einer solchen hohen Temperaturdifferenz besteht darin, dass die Wärme übertragende Fläche des (Umgebungs)-Luft-Kühlmittelwärmetauschers zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Umgebungs-Luftstrom damit geringer gewählt werden kann als bei Vorliegen einer niedrigeren Temperaturdifferenz bzw. bei einer niedrigeren Eintritts-Temperatur des Kühlmittels in den Luft-Kühlmittelwärmetauscher. Der (Umgebungs)-Luft-Kühlmittelwärmetauscher kann somit kleiner gestaltet werden als bei den bislang bekannten Kühlmittel-Kreisläufen, bei denen entweder der Ladeluftkühler und der Brennstoffzellen-Stack in der soeben genannten Reihenfolge nacheinander oder parallel zueinander durchströmt werden. Vorteilhafterweise tritt bei einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf das im Luft-Kühlmittelwärmetauscher rückgekühlte Kühlmittel mit einer möglichst niedrigen Temperatur entweder in den Brennstoffzellen-Stack oder in dessen Abluft-Kondensator ein und kann somit dort eine große Wärmemenge aufnehmen, so dass das Brennstoffzellen-System auch bei höheren Umgebungstemperaturen mit maximaler Leistungsabgabe betrieben werden kann, ohne eine Überhitzung befürchten zu müssen.
In den beigefügten Figuren sind erfindungsgemäße Kühlmittelkreisläufe prinzipiell dargestellt, wobei 1 einen Kühlmittelkreislauf mit darin vorgesehenem Abluft-Kondensator zeigt, während beim Kühlmittelkreislauf nach 2 das Kühlmittel direkt durch den Brennstoffzellen-Stack geführt ist. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Ein Brennstoffzellen-Stack 1 wird mittels eines durch Linien mit die Strömungsrichtung verdeutlichenden Pfeilen dargestellten Kühlmittelkreislaufes K, in dem flüssiges Kühlmittel umgewälzt wird, gekühlt. Gefördert wird dieses Kühlmittel durch eine Kühlmittelpumpe 2. Für die Rückkühlung des die Abwärme des Brennstoffzellen-Systems, welches neben dem Brennstoffzellen-Stack 1 weitere Elemente, wie bspw. einen Verdichter 3 für die dem Brennstoffzellen-Stack 1 zugeführte Zuluft enthält, aufnehmenden Kühlmittels ist ein Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 vorgesehen. Dieser ist als sog. Kühler im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, installiert. Ein mittels eines Bypass-Ventils 5 freigebbarer oder absperrbarer Bypass 6 zu diesem Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 ermöglicht in bekannter Weise bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems eine schnellere Erwärmung des Kühlmittels, indem dann der Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 nicht vom Kühlmittel durchströmt wird.
Bereits erwähnt wurde ein Verdichter 3, in dem der Zuluftstrom Z des Brennstoffzellen-Systems bzw. Stacks 1 auf ein gegenüber dem Umgebungs-Luftdruck erhöhtes Druckniveau gebracht wird. Der aus dem Verdichter 3 austretende Zuluftstrom ist danach durch einen Ladeluftkühler 7 in Form eines Wärmetauschers geführt, in dem eine teilweise Rückkühlung der durch die Druckerhöhung erwärmten Zuluft erfolgt. Hierfür ist das Kühlmittel bzw. der erfindungsgemäße Kühlmittelkreislauf K durch den Ladeluftkühler 7 geführt.
Insbesondere jedoch ist der Kühlmittelkreislauf K für die Abfuhr der im Betrieb entstehenden Abwärme der Einzel-Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 1 vorgesehen. Dabei wird beim Ausführungsbeispiel nach 1 in grundsätzlich bekannter Weise die Abwärme durch Verdunstungskühlung aus dem Stack 1 abgeführt, wobei dem dem Stack 1 zugeführten Zuluftstrom Z Wasser beigemengt wird, welches aus dem Abgas des Brennstoffzellen-Systems in einem als Wärmetauscher ausgeführten Abluft-Kondensator 8 rückgewonnen wird. Für diese Rückgewinnung ist der Kühlmittelreislauf K durch den Abluft-Kondensator 8 geführt. Abweichend hiervon wird beim Ausführungsbeispiel nach 2 der Brennstoffzellen-Stack 1 direkt durch den Kühlmittelkreislauf K gekühlt, indem der Kühlmittelkreislauf K geeignet durch den Stack 1 hindurch geführt ist.
Wie aus den beiden Figuren ersichtlich wird, ist das aus dem Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 austretende Kühlmittel zuerst durch den Brennstoffzellen-Stack (Ausführungsbeispiel nach 2) bzw. durch den Abluft-Kondensator 8 (Ausführungsbeispiel nach 1) geführt und erst im Anschluss daran durch den Ladeluftkühler 7, wobei die Positionierung der Kühlmittelpumpe 2 im Kühlmittelkreislauf K eigentlich unerheblich ist, jedoch am sinnvollsten – wie figürlich dargestellt – nach dem Austritt des Kühlmittels aus dem Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 liegt. Wesentlich hingegen ist – wie vor der Figurenbeschreibung ausführlich erläutert wurde – dass das aus dem Brennstoffzellen-Stack 1 (2) oder aus dem Abluft-Kondensator 8 (1) austretende Kühlmittel anschließend durch den Ladeluftkühler 7 geführt ist, um danach mit maximal hoher Temperatur in den Umgebungsluft-Kühlmittelwärmetauscher 4 einzutreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10301812 B4 [0001, 0004]
DE 102007046056 A1 [0001, 0004]

Claims

Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit einem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher (4), in dem ein Kühlmittel rückgekühlt wird, welches zuvor entweder durch den Brennstoffzellen-Stack (1) oder durch einen Abluft-Kondensator (8), in dem aus dem Abgasstrom des Brennstoffzellensystems Wasser abgeschieden wird, welches zu Kühlzwecken wieder der Zuluft (Z) des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, sowie durch einen Ladeluftkühler (7) zur zumindest teilweisen Rückkühlung der dem Brennstoffzellensystem zugeführten Zuluft (Z) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher (4) austretende Kühlmittel zunächst durch den Brennstoffzellen-Stack (1) oder durch den besagten Abluft-Kondensator (8) und danach durch den genannten Ladeluftkühler (7) geführt ist.