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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle mit einem derartigen Kühlsystem. Die Erfindung betrifft außerdem sowohl die Verwendung des Kühlsystems als auch des Verfahrens.
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Kühlsysteme für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle welche in einem Fahrzeug elektrische Antriebsleistung bereitstellt, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Das nächstliegende Kühlsystem wird beispielsweise durch die
JP 2007-294305 A beschrieben. Dieses System, das so ähnlich auch in der
US 2006/0147772 A1 desselben Erfinders zu finden ist, beschreibt im Wesentlichen einen Kühlkreislauf, in welchem ein flüssiges Kühlmedium zwischen einer Brennstoffzelle und einem Umgebungskühler, insbesondere einem Fahrzeugkühler, umgepumpt wird. Im regulären Betrieb wird dadurch Abwärme der Brennstoffzelle über den Umgebungskühler in die Umgebung des Fahrzeugs abgeführt. Da beim Starten einer Brennstoffzelle eine möglichst schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle angestrebt ist, wird für diesen speziellen Fall ein Bypass um den Umgebungskühler vorgesehen. Dieser Bypass ermöglicht im Startfall der Brennstoffzelle das Umwälzen des Kühlmediums in einer Art „kleinem Kühlkreislauf”, in welchem die Brennstoffzelle selbst mit dem Kühlmedium durchströmt wird, dieses jedoch nicht im Bereich des Umgebungskühlers abkühlt.
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Der Aufbau, wie er in den Schriften beschrieben ist, weist zwei parallele Bypassleitungen einmal zur Brennstoffzelle und einmal zum Umgebungskühler auf. Beide sind mit aufwändigen und teuren Ventileinrichtungen versehen. In einer der Bypassleitungen ist dabei eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet, über welche das Kühlmedium erwärmt werden kann. Insbesondere kann hierfür Leistung aus der Brennstoffzelle verwendet werden, welche durch die Leistungsabgabe an den elektrischen Heizer nicht nur diesen sondern durch ihre entsprechende Belastung auch sich selbst erwärmt. Der Aufbau lässt sich daher relativ schnell aufwärmen.
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Da nun ein entsprechend großer Volumenstrom an Kühlmedium durch die Brennstoffzelle immer auch mit einer unerwünscht großen Abkühlung derselben einhergeht, ist in der genannten JP-Schrift der Bypass um die Brennstoffzelle vorgesehen. Er ermöglicht eine Reduzierung des Volumenstroms durch die Brennstoffzelle, sodass diese sich entsprechend schneller erwärmen kann. Die am Abzweig des Bypass eingesetzten Ventileinrichtungen sind jedoch vergleichsweise groß, schwer und teuer. Außerdem sind sie relativ komplex und dadurch störanfällig. Der Einsatz einer derartigen Ventileinrichtung stellt also immer auch einen gewissen Nachteil für das Kühlsystem dar.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche einen sehr einfachen und effizienten Aufbau hat, welcher auch den Kaltstart einer Brennstoffzelle ideal begleiten kann, und dabei die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle mit einem derartigen Kühlsystem und mit den Merkmalen im Anspruch 7 die Aufgabe. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch. Letztlich sind außerdem in den Ansprüchen 8 und 9 besonders bevorzugte Verwendungen des Kühlsystems einerseits und des Verfahrens andererseits angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem für eine Brennstoffzelle ist es vorgesehen, dass dieses vergleichbar wie die Aufbauten im Stand der Technik einen Bypass um den Umgebungskühler einerseits und einen Bypass parallel hierzu bzw. um die Brennstoffzelle andererseits aufweist. Der Aufbau des Kühlsystems entspricht insoweit den Kühlsystemen aus dem Stand der Technik, welche einen Bypass um den Umgebungskühler und um die Brennstoffzelle zeigen. Anders als bei den Aufbauten im Stand der Technik ist in dem Bypass parallel zur Brennstoffzelle zusammen mit der Heizeinrichtung eine zusätzliche Kühlmittelhilfspumpe vorgesehen. Diese Kühlmittelhilfspumpe kann dabei deutlich kleiner ausgeführt werden, als die eigentliche Kühlmittelpumpe. Über sie kann bei Bedarf ein Volumenstrom durch den elektrischen Heizer aufgebaut werden, sodass das Kühlmedium in diesem sehr effizient aufgeheizt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist die Heizeinrichtung dabei als elektrische Heizeinrichtung, insbesondere als Hochvolt-PTC ausgebildet. Über eine solche elektrische Heizeinrichtung kann die Brennstoffzelle selbst sehr früh bei einem Starten des Brennstoffzellensystems elektrisch belastet werden. Zusammen mit dem Betrieb der Kühlmittelhilfspumpe wird so ein Volumenstrom an Kühlmedium durch die elektrische Heizeinrichtung und die beiden Bypassleitungen aufgebaut, ohne dass die Hauptpumpe, welche typischerweise ein vielfaches an Leistung gegenüber der Hilfspumpe hat, betrieben werden muss. Hierdurch kann einerseits ein vergleichsweise hoher Volumenstrom durch die Heizeinrichtung sichergestellt werden und andererseits ein entsprechend kleiner Volumenstrom durch die Brennstoffzelle, insbesondere dann, wenn die Kühlmittelhilfspumpe eine entgegengesetzte Förderrichtung wie die Kühlmittelpumpe aufweist. Das System lässt sich dann sehr schnell aufheizen, bevor beim aufgeheizten System auf die Kühlmittelpumpe als Hauptpumpe gewechselt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann es dabei vorgesehen sein, dass nur am Abzweig des Bypass um den Umgebungskühler eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Eine weitere Ventileinrichtung kann eingespart werden. Insbesondere wenn die Kühlmittelhilfspumpe sehr viel kleiner, idealerweise mit weniger als 10% der Nennleistung der Kühlmittelpumpe ausgebildet ist, wird diese sehr viel kostengünstiger sein als eine entsprechende Ventileinrichtung. Der Aufbau wird kleiner, leichter und kostengünstiger. Insbesondere benötigt er außerdem für den Start weniger Leistung, da zum Umpumpen des Kühlmediums über die Kühlmittelhilfspumpe sehr viel weniger Leistung benötigt wird, als wenn in dieser Situation die Kühlmittelpumpe selbst betrieben werden würde. Da durch den elektrischen Heizer eine annähernd beliebig große Lastsenke für die Brennstoffzelle realisiert werden kann, stellt dies auch hinsichtlich der Selbstaufheizung der Brennstoffzelle keinen Nachteil dar.
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Entsprechend den oben beschriebenen Vorteilen der einzelnen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist es nun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle mit einem derartigen Kühlsystem vorgesehen, dass zumindest bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser zuerst die Kühlmittelhilfspumpe und die Heizeinrichtung betrieben werden, insbesondere als Lastsenke der Brennstoffzelle. Dabei wird der Umgebungskühler im Bypass umgangen. Danach wird ab einer vorgegebenen Temperatur der Brennstoffzelle oder auch des Kühlmediums, welche ja zumindest mittelbar zusammenhängen, die Kühlmittelpumpe anstelle der Kühlmittelhilfspumpe eingeschaltet und die Kühlmittelhilfspumpe sowie die Heizeinrichtung ausgeschaltet. Das Brennstoffzellensystem wechselt dann in seinen regulären Betrieb, wobei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erst ab einem weiteren Temperaturgrenzwert das Kühlmedium teilweise oder ganz durch den Umgebungskühler geleitet wird. Das Kühlsystem sowie das Verfahren eignen sich ideal, um sehr einfach und effizient die Kühlung einer Brennstoffzelle während des regulären Betriebs zu gewährleisten und gleichzeitig die Aufheizung der Brennstoffzelle im Startbetrieb, insbesondere in einem Startbetrieb bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von –15°C, zu gewährleisten.
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Solche Temperaturanforderungen an die Startfähigkeit von Brennstoffzellensystemen treten typischerweise nur beim Einsatz in Fahrzeugen auf. Daher liegt die besonders bevorzugte Verwendung des Kühlsystems gemäß der Erfindung im Einsatz zur Kühlung einer Brennstoffzelle, welche in einem Fahrzeug elektrische Antriebsleistung erzeugt. Auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle mit einem solchen Kühlsystem findet seine bevorzugte Verwendung beim Starten einer Brennstoffzelle, welche in einem Fahrzeug die elektrische Antriebsleistung bereitstellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlsystems, des beschriebenen Verfahrens sowie ihrer Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei ein Kühlsystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der einzigen Figur ist ein Kühlsystem 1 zu erkennen. Es soll zur Kühlung einer Brennstoffzelle 2 dienen, welche in der Darstellung der Figur lediglich prinzipmäßig angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 2 soll insbesondere als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, insbesondere in PEM-Technologie, aufgebaut sein und zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug dienen. In der Darstellung der Figur ist dabei ein Kathodenraum 3 sowie ein Anodenraum 4 der Brennstoffzelle angedeutet. Dazwischen liegt ein Kühlwärmetauscher 5, welcher von dem Kühlmedium des Kühlsystems 1 durchströmt wird. Das Kühlmedium in dem Kühlsystem 1 wird über eine Kühlmittelpumpe 6 umgepumpt. Diese wird nachfolgend zum besseren Verständnis als Kühlmittelhauptpumpe 6 bezeichnet. Das Kühlmedium durchströmt im regulären Betrieb der Brennstoffzelle 2, wie durch die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen I angedeutet, ausgehend von der Kühlmittelhauptpumpe 6 den Kühlwärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 und strömt dann über eine Ventileinrichtung 7 im regulären Betrieb typischerweise durch einen Umgebungskühler 8, in welchem das Kühlmedium wieder abgekühlt wird. Das Kühlmedium strömt anschließend von dem Umgebungskühler 8 zurück zur Kühlmittelhauptpumpe 6 und beginnt diesen Kreislauf von neuem. Je nach Temperatur des Kühlmediums und/oder der Brennstoffzelle 2 kann über die Ventileinrichtung 7 das Kühlmedium auch ganz oder teilweise durch einen Bypass 9 geleitet werden. Dieser Bypass 9 wird zum besseren Verständnis nachfolgend als Kühlerbypass 9 bezeichnet. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Parallel oder in Reihe zu den beschriebenen Komponenten können weitere zu kühlende Komponenten des Fahrzeugs angeordnet sein, beispielsweise eine Leistungselektronik, ein elektrischer Fahrmotor oder dergleichen. Auch dies ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Deshalb wird hierauf nicht näher eingegangen.
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Der Kühlerbypass 9 wird überwiegend dann durchströmt, wenn keine oder eine geringere Abkühlung des Kühlmediums gewünscht ist, beispielsweise bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder wenn die Brennstoffzelle 2 erst kürzlich gestartet worden ist.
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Parallel zwischen dem Kühlerbypass 9 und dem Kühlwärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 ist ein weiterer Bypass 10 angeordnet, welcher nachfolgend als Brennstoffzellenbypass 10 bezeichnet wird. In diesem Brennstoffzellenbypass 10 sind eine Heizeinrichtung 11, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung 11, sowie eine weitere Kühlmittelpumpe 12, welche nachfolgend als Kühlmittelhilfspumpe 12 bezeichnet wird, angeordnet. Wie aus den symbolischen Darstellungen der Kühlmittelhauptpumpe 6 und der Kühlmittelhilfspumpe 12 zu erkennen ist, hat diese eine umgekehrte Förderrichtung. Im Kaltstartfall der Brennstoffzelle 2, und zwar insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, insbesondere weit unterhalb des Gefrierpunkts, also beispielsweise unterhalb von –15°C, wird nun die Brennstoffzelle 2 in Betrieb genommen, wobei die vorzugsweise als elektrische Heizeinrichtung ausgebildete Heizeinrichtung 11 als Lastsenke dient. Hierdurch kommt es zu einer gewissen Selbsterwärmung der Brennstoffzelle 2. In dieser Situation ist eine übermäßige Durchströmung der Brennstoffzelle 2 mit Kühlmedium nicht erwünscht. Die Kühlmittelhauptpumpe 6 wird deshalb nicht betrieben. Dafür wird die sehr viel kleinere Kühlmittelhilfspumpe 12 betrieben. Diese kann insbesondere in der Größenordnung von 10 bis 50 Watt Nennleistung aufweisen, während die Kühlmittelhauptpumpe 6 eine Nennleistung von 400 bis 800 Watt aufweist. Mit vergleichsweise wenig Förderenergie kann also ein Kühlmedienstrom aufgebaut werden, welcher dem strichpunktiert dargestellten und mit dem Bezugszeichen II bezeichneten Kühlmedienstrom bei entsprechender Stellung der Ventileinrichtung 7 entspricht.
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Dieser Kühlmedienstrom wird durch die Heizeinrichtung 11 sehr schnell und effizient aufgeheizt. Gleichzeitig kann, wenn die Brennstoffzelle 2 als Lastsenke insbesondere für die Heizeinrichtung 11 und ihre eigene Luftfördereinrichtung verwendet wird, diese aufgeheizt werden, ohne dass sie durch einen zu großen Kühlmedienstrom durch ihren Kühlwärmetauscher 5 wieder unerwünscht abgekühlt wird. Das System kann so außerordentlich schnell und effizient hochgeheizt werden. Sobald eine entsprechende Temperatur, beispielsweise der Brennstoffzelle 2 oder des Kühlmediums erreicht worden ist, wird dann die Kühlmittelhauptpumpe 6 entsprechend eingeschaltet, und die Heizeinrichtung 11 und die Kühlmittelhilfspumpe 12 werden abgeschaltet. Es stellt sich dann vorzugsweise der mit I bezeichnete Kühlmedienstrom ein, wobei, ohne dass die Ventileinrichtung 7 bereits umgeschaltet worden ist, der Umgebungskühler 8 über den Kühlerbypass 9 umgangen wird. Hierdurch wird das Kühlmedium weiter erwärmt, ohne sich im Umgebungskühler 8 abzukühlen. Erst wenn das Gesamtsystem eine ausreichende Temperatur erreicht hat, sodass Abwärme an die Umgebung abgeführt werden muss, wird über die Ventileinrichtung 7 der Kühlmedienstrom ganz oder teilweise durch den Umgebungskühler 8 geschickt, um dort für den regulären Betrieb der Brennstoffzelle 2 abgekühlt zu werden.
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Der Aufbau ist außerordentlich einfach und kompakt und kommt insbesondere mit einer einzigen Ventileinrichtung 7 aus. Die zusätzliche Kühlmittelhilfspumpe 12 ist dabei außerordentlich einfach, klein und kostengünstig, insbesondere kann es sich um ein Standardbauteil in 12 V- oder 24 V-Technik handeln, wie es aus dem Fahrzeugbau üblich ist. Die Kosten liegen dann in der Größenordnung von etwa einem Zehntel der Kosten, welche für eine Ventileinrichtung 7 anzusetzen sind. Außerdem kann die kleine Kühlmittelhilfspumpe 12 den benötigten Volumenstrom sehr effizient aufbauen, ohne dass die vergleichsweise leistungsstarke Kühlmittelhauptpumpe 6 betrieben werden muss, und insbesondere ohne dass durch eine zu große Strömung von Kühlmedium in dem Kühlwärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 eine unerwünschte Abkühlung derselben erfolgt. Das Kühlsystem 1 und das beschriebene Verfahren ermöglichen so einen idealen Kaltstart insbesondere bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen. Da diese Situation vor allem beim Starten von Fahrzeugen im Winter auftritt, eignet sich das beschriebene Kühlsystem sowie das Verfahren insbesondere für eine derartige Anwendung zur Kühlung einer Brennstoffzelle 2, welche in einem Fahrzeug elektrische Antriebsleistung bereitstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-294305 A [0002]
- US 2006/0147772 A1 [0002]
