DE102016114948A1

DE102016114948A1 - Vorrichtung zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung

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Publication number: DE102016114948A1
Application number: DE102016114948.9A
Authority: DE
Inventors: Jan-Christoph Albrecht; Carsten Wachsmuth; Luis Reinecke; Frank Jürgen Engler; Jens Diebener
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung (10) mit einem Wärmepumpenkreis (200), einem Verdichter (180), einem Kondensator (220) und einem Wärmeübertrager (210) zur Übertragung von Wärme aus einem Kühlkreislauf (100) auf den Wärmepumpenkreis (200). In dem Kühlkreislauf (100) ist im Vorlauf des Wärmeübertragers (210) ein Kühler (110) und im Nachlauf des Wärmeübertragers (210) ein noch weiterer Wärmeübertrager (310) angeordnet, mit dem Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf (300), mit dem der Brennstoffzellenstapel (800) gekühlt wird, auf den Kühlkreislauf (100) übertragen werden kann. Erfindungsgemäß ist in dem Kühlkreislauf (100) im Vorlauf des Wärmeübertragers (210) ein Kühler (110) und im Nachlauf des Wärmeübertragers (210) ein noch weiterer Wärmeübertrager (310) angeordnet, mit dem Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf (300), mit dem der Brennstoffzellenstapel (800) gekühlt wird, auf den Kühlkreislauf (100) übertragen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels und ein Kraftfahrzeug, das eine solche Kühlvorrichtung umfasst.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Ein Einsatzbeispiel für Brennstoffzellen ist die Verwendung in Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Elektromobile.
In Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenstapeln wird im Betrieb Wärme frei, die durch eine Kühlvorrichtung abgeführt werden muss. Um Kurzschlüsse in der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Stapel zu vermeiden, wird eine Kühlflüssigkeit mit sehr geringer Leitfähigkeit, beispielsweise deionisiertes Wasser, eingesetzt. Das Temperaturniveau liegt dabei bei etwa 70–95 °Celsius. Dies beschränkt die Leistung der Brennstoffzelle unter extremen klimatischen Bedingungen, wie sie beispielsweise in elektromobilen Anwendungen auftreten können.
Brennstoffzellenstapel werden oft zusammen mit Batterien eingesetzt, um elektrische Energie bereitzustellen. Dies ist auch im Bereich der Elektromobilität so.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Temperierung von Brennstoffzellenstapeln zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels gelöst.
Die Vorrichtung umfasst einen Wärmepumpenkreis, der einen Kondensator und einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels auf den Wärmepumpenkreis umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreislauf im Vorlauf des Wärmeübertragers ein Kühler und im Nachlauf des Wärmeübertragers ein noch weiterer Wärmeübertrager angeordnet sind, mit dem Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf, mit dem der Brennstoffzellenstapel gekühlt wird, auf den Kühlkreislauf übertragen werden kann.
In einer Ausführungsform ist im Nachlauf des Kondensators und im Vorlauf des Wärmeübertragers ein Expansionselement angeordnet.
Dies ist eine einfache Möglichkeit, über den Wärmepumpenkreis eine weitere Kühlung des Kühlkreislaufs zur Verfügung zu stellen.
Im Nachlauf des Kondensators und im Vorlauf des Ejektors kann ein Abzweig angeordnet sein, an dem ein Zweig des Wärmepumpenkreises beginnen kann, der ein Expansionsventil und einen weiteren, dem Expansionsventil nachgeordneten Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus einem Kühlkreislauf zur Kühlung einer Batterie umfasst und an einem Saugeinlass des Ejektors enden kann.
Da am Saugeinlass des Ejektors der Nachlauf des Wärmeübertragers zur Kühlung der Batterie anliegt, wird der Vorlauf des Wassers zum Kältemittel-Wärmeübertrager zur Kühlung der Brennstoffzelle mit Batterieabwärme vorgewärmt. Die Vorrichtung kann so an den beiden Wärmeübertragern zwei unterschiedliche Temperaturniveaus bereitstellen. Damit lässt sich mit einem Wärmepumpenkreis effektiv sowohl die Batterie als auch der Brennstoffzellenstapel kühlen.
Zwischen dem weiteren Wärmeübertrager und der Saugseite kann ein Absperrventil angeordnet sein. Dadurch können die Batteriekühlung und das Vorwärmen zusammen je nach Einsatz und Klimabedingung ein- und ausgeschaltet werden.
Zwischen dem weiteren Wärmeübertrager und dem Absperrventil kann ein weiterer Abzweig angeordnet sein. An dem weiteren Abzweig kann ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises beginnen, der ein weiteres Absperrventil umfasst und zwischen dem Wärmeübertrager und dem Verdichter endet.
Dadurch kann bei eingeschalteter Batteriekühlung das Vorwärmen je nach Einsatz und Klimabedingung ein- und ausgeschaltet werden.
Die Vorrichtung kann einen Verdichter umfassen. Zwischen dem Ejektor und dem Wärmeübertrager kann noch ein weiterer Abzweig angeordnet sein. An diesem weiteren Abzweig kann noch ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises beginnen, der noch ein weiteres Expansionsventil und einen Innenraumverdampfer umfasst und an dem Verdichter endet, wobei der weitere Zweig im Nachlauf des Innenraumverdampfers endet.
Die Vorrichtung kann so an den beiden Wärmeübertragern und am Innenraumverdampfer drei unterschiedliche Temperaturniveaus bereitstellen.
Zwischen dem Ejektor und dem Wärmeübertrager kann ein weiteres Expansionsventil angeordnet sein. So lässt sich eine Vorlauftemperatur des Wärmeübertragers noch genauer regeln.
In dem Kühlkreislauf können im Vorlauf des Wärmeübertragers ein Kühler und im Nachlauf des Wärmeübertragers ein noch weiterer Wärmeübertrager angeordnet sein, mit dem Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf, mit dem der Brennstoffzellenstapel gekühlt wird, auf den Kühlkreislauf übertragen werden kann.
Damit lässt sich ein regulierbarer Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle von anderen Kühl- beziehungsweise Kältekreisläufen stofflich trennen. Der Kühlmittelkreislauf für die Brennstoffzelle kann kleinvolumig ausgelegt werden, so dass der Bedarf an gering leitfähigem Kühlmittel sinkt und Verunreinigungen des Kühlmittelkreislaufs für die Brennstoffzelle unwahrscheinlicher werden. Zudem erfolgt die Wärmeabgabe des Wärmepumpenkreises auf einem Niveau, welches höher als die Vorlauftemperatur der Brennstoffzelle ist, so dass für die benötigte Leistungsübertragung eine kleinere Kühlerfläche ausreicht.
Die Vorrichtung kann mindestens einen über ein Dreiwegeventil steuerbaren Bypass im Kühlkreislauf umfassen, der den Kühler und den Wärmeübertrager umgeht.
Über den Bypass lässt sich die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers gezielt erhöhen, so dass der noch weitere Wärmeübertrager in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, der für die Kühlung des weiteren Kühlkreislaufes optimal ist.
Der Bypass kann eine weitere Fördervorrichtung zur Förderung des weiteren Kühlmittels von einem Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers zu einem Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers umfassen.
Der Kühlkreislauf kann einen weiteren, über ein weiteres Dreiwegeventil steuerbaren Bypass umfassen, der den noch weiteren Wärmeübertrager umgeht.
Damit kann die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers mittels des Bypasses durchflussmengenneutral erhöht werden.
Der weitere Bypass kann ausgebildet sein, eine Brennstoffzellenperipherie und/oder eine Leistungselektronik zu kühlen. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Kühlkreislauf im Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers einen Ladeluftkühler zum Temperieren von Ladeluft des Brennstoffzellenstapels umfassen.
Erfindungsgemäß werden weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 beispielhaft eine Verwendung des Ausführungsbeispiels nach 1 im Winter bei Kaltstart;
4 beispielhaft eine Verwendung des Ausführungsbeispiels nach 1 im Winter bei ausschließlichem Batteriebetrieb;
5 beispielhaft eine Verwendung des Ausführungsbeispiels nach 1 im Winter bei Dauerlast mit aktiver Kühlung der Batterie und Kühlung der Brennstoffzelle allein über den Kühler; und
6 beispielhaft eine Verwendung des Ausführungsbeispiels nach 1 im Sommer bei Dauerlast.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt einen Teilausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit einer Wärmepumpe mit integriertem Innenraumverdampfer. Optional kann, die Ausführung nach 2 mit den übrigen Komponenten des Ausführungsbeispiels aus 1 kombiniert werden kann.
Dargestellt ist eine Vorrichtung 10 mit einen Wärmepumpenkreis 200, der mit einem Kältemittel betrieben wird und einen Verdichter 180, einen Kondensator 220 und einen Wärmeübertrager 210 umfasst. Der Wärmeübertrager 210 dient zur Übertragung von Wärme aus einem beispielsweise mit Wasser betriebenen Kühlkreislauf 100 auf den Wärmepumpenkreis 200 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 800. Der Brennstoffzellenstapel 800 ist im Beispiel Teil eines Elektromobils und hat 65 kW Leistung. Im Nachlauf des Kondensators 220 und im Vorlauf des Wärmeübertragers 210 ist ein Expansionselement 245 angeordnet. Im dargestellten Beispiel ist dass Expansionselement 245 ein Ejektor. Im Nachlauf des Kondensators 220 und im Vorlauf des Ejektors 245 befindet sich ein Abzweig. An dem Abzweig beginnt ein Zweig des Wärmepumpenkreises 200. Der Zweig umfasst ein Expansionsventil 255 zur Anpassung einer Kühlmitteltemperatur an die Erfordernisse einer Batterie 900 und einen weiteren, dem Expansionsventil 255 nachgeordneten Wärmeübertrager 260. Der weitere Wärmeübertrager 260 dient zur Übertragung von Wärme aus einem weiteren, beispielsweise auch mit Wasser betriebenen Kühlkreislauf 400 zur Kühlung der Batterie 900 auf den Wärmepumpenkreis 200. An einem Saugeinlass des Ejektors 245 endet der Zweig, so dass Abwärme der Batterie 900 den Vorlauf des Wärmeübertragers 210 temperiert.
1 zeigt weiterhin folgende optionale Merkmale, die für die Erzielung des der Erfindung zugrundeliegenden technischen Effekts förderlich jedoch nicht notwendig sind:
Zwischen dem weiteren Wärmeübertrager 260 und der Saugseite des Ejektors 245 ist ein Absperrventil 265 zur selektiven Batteriekühlung und Vorwärmung angeordnet. Zwischen dem weiteren Wärmeübertrager 260 und dem Absperrventil 265 ist ein weiterer Abzweig angeordnet. An dem weiteren Abzweig zweigt ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises 200 ab, der ein weiteres Absperrventil 275 zur selektiven Vorwärmung bei betriebener Batteriekühlung umfasst und zwischen dem Wärmeübertrager 210 und dem Verdichter 180 endet.
Zwischen dem Ejektor 245 und dem Wärmeübertrager kann wie dargestellt noch ein weiteres Expansionsventil 295 angeordnet sein. So lässt sich eine Vorlauftemperatur des Wärmeübertragers 210 noch genauer regeln.
Der Kühlkreislauf 100 umfasst, in dieser Reihenfolge nacheinander angeordnet: einen Ladeluftkühler 530 mit beispielsweise 5 kW Leistung, einen noch weiteren Wärmeübertrager 310, ein Dreiwegeventil 130, einen Kühler 110, eine Pumpe 120, den Wärmeübertrager 210 und ein weiteres Dreiwegeventil 160. Der noch weitere Wärmeübertrager 310 dient dazu, Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf 300, mit dem der Brennstoffzellenstapel 800 temperiert wird und der stofflich getrennt ist von den anderen Kühl- beziehungsweise Kältekreisläufen, auf den Kühlkreislauf 100 zu übertragen.
Am Dreiwegeventil 130 zweigt steuerbar ein Bypass 140 ab, der den Kühler 110, den Wärmeübertrager 210 und die Pumpe 120 umgeht. Der Bypass 140 führt in Abhängigkeit von der Stellung des Dreiwegeventils 130 den Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 ganz, teilweise oder gar nicht dem Vorlauf des Ladeluftkühlers 530 zu, so dass eine Vorlauftemperatur des Ladeluftkühlers 530 und des noch weiteren Wärmeübertragers 310 selektiv erhöhbar wird. An dem steuerbaren Dreiwegeventil 130 wird der Bypass 140 in den Kühlkreislauf 100 zurückgeführt. Im Bypass 140 ist noch eine weitere Pumpe 150 und ein PTC-Element 550 angeordnet.
Ein weiterer Bypass 170 ist über ein weiteres Dreiwegeventil 160 steuerbar. Der weitere Bypass 170 umgeht den noch weiteren Wärmeübertrager 310. Der weitere Bypass 170 kompensiert beispielswese über den Bypass 140 rückgeführtes Wasser.
Der weitere Bypass 170 temperiert gleichzeitig eine Brennstoffzellenperipherie 510, eine Leistungselektronik 520 und einen Elektromotor 540. Bei dem Elektromotor 540 handelt es sich um den Traktionsmotor für das Fahrzeug. Der Kühlkreislauf 100 temperiert zusätzlich im Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 den Ladeluftkühler 530 zum Temperieren von Kathodenluft des Brennstoffzellenstapels 800. Im Bypass 140 sind optional ein PTC-Element 550 (Element mit positivem Temperaturkoeffizienten) zum Heizen und/oder ein HWT-Element 560 (Heizungswärmetauschelement) zum Kühlen angeordnet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist zwischen dem Ejektor 245 und dem Wärmeübertrager 210 noch ein weiterer Abzweig angeordnet. An dem noch einen weiteren Abzweig kann noch ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises 200 beginnen, der noch ein weiteres Expansionsventil 285 zur Anpassung einer Kältemitteltemperatur an die Erfordernisse eines Innenraumverdampfers 290 und den Innenraumverdampfer 290 umfasst und an dem Verdichter 180 endet, wobei der weitere Zweig im Nachlauf des Innenraumverdampfers 290 endet. Die übrigen Komponenten der Vorrichtung 10 aus 2 sind analog 1 ausgestaltet und nicht noch einmal dargestellt.
3 zeigt beispielhaft eine Verwendung der Vorrichtung aus 1 im Winter bei Kaltstart. Der Kühlkreislauf 100 stellt beispielsweise an dem weiteren Dreiwegeventil 160 10 °Celsius warmes Wasser bereit. Das Dreiwegeventil 130 und das weitere Dreiwegeventil 160 sind jedoch so eingestellt, dass der Bypass 140 den Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 vollständig dem Vorlauf des Ladeluftkühlers 530 zuführt und der weitere Bypass 170 das gesamte vom Kühler 110 gekühlte Kühlmittel an dem noch weiteren Wärmeübertrager 310 vorbeiführt. Somit ist der die Brennstoffzelle 800 thermisch einbindende Kühlkreis 300 thermisch von dem Kühlkreis 100 entkoppelt. Das Absperrventil 265, das weitere Absperrventil 275 und das noch weitere Expansionsventil 295 sind geschlossen. Der Wärmepumpenkreis 200 ist daher in dieser Situation nicht im Betrieb. Der weitere Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 300 sowie der noch weitere Kühlkreislauf 400 können sich somit ohne Einfluss des Kühlers 110 erwärmen. Am Vorlauf des weiteren Wärmeübertragers 310 im Bypass 140 werden auf diese Weise beispielsweise maximal 70 °C erzielt, so dass im Brennstoffzellen-Kühlkreis 300 eine Temperaturerhöhung zwischen Vorlauf und Nachlauf des weiteren Wärmeübertragers 310 von 40 auf 50 °C erzielt werden kann und somit im Winter eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle 800 auf ihre Betriebstemperatur erreicht wird.
4 zeigt beispielhaft eine Verwendung der Vorrichtung 10 nach 1 bei rein batterieelektrischem Betrieb des Fahrzeugs im Winter. Der Kühlkreislauf 100 stellt weiterhin beispielsweise am weiteren Dreiwegeventil 160 10° Celsius warmes Wasser bereit. Das Dreiwegeventil 130 und das weitere Dreiwegeventil 160 sind jedoch so eingestellt, dass der Bypass 140 den Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 vollständig dem Vorlauf des Ladeluftkühlers 530 zuführt und der weitere Bypass 170 das gesamte vom Kühler 110 gekühlte Kühlmittel an dem noch weiteren Wärmeübertrager 310 vorbeiführt. Das Absperrventil 265 und das noch weitere Expansionsventil 295 sind geschlossen. Das weitere Absperrventil 275 hingegen ist offen. Der Wärmepumpenkreis 200 ist daher nicht mit dem Kühlkreislauf 100 gekoppelt und temperiert ausschließlich die Batterie 900.
5 zeigt beispielhaft eine Verwendung der Vorrichtung nach 1 im Winter bei Dauerlast mit aktiver Kühlung der Batterie 900 und ausschließlicher Kühlung der Brennstoffzelle 800 über den Kühler 110. Der Kühlkreislauf 100 stellt weiterhin beispielsweise am weiteren Dreiwegeventil 160 10 °Celsius warmes Wasser bereit. Das Dreiwegeventil 130 und das weitere Dreiwegeventil 160 sind jedoch so eingestellt, dass der Bypass 140 nur teilweise Fluid aus dem Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 dem Vorlauf des Ladeluftkühlers 530 zuführt und der weitere Bypass 170 entsprechend nur teilweise vom Kühler 110 gekühltes Kühlmittel an dem noch weiteren Wärmeübertrager 310 vorbeiführt. Das Absperrventil 265 und das noch weitere Expansionsventil 295 sind geschlossen. Das weitere Absperrventil 275 hingegen ist offen. Der Wärmepumpenkreis 200 ist daher nicht mit dem Kühlkreislauf 100 gekoppelt und temperiert ausschließlich die Batterie 900. Am Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 werden im Kühlkreislauf 100 so beispielsweise etwa 65 °Celsius erzielt, während eine typische Nachlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers 310 bei Dauerlast im Winter 77 °Celsius beträgt. Eine typische Temperaturabsenkung von 82 auf 70° Celsius ist somit im weiteren Kühlkreislauf 300 erzielbar. Im Kühlkreislauf 400 der Batterie 900 stellen sich Temperaturen um etwa 30 °Celsius ein.
6 zeigt beispielhaft eine Verwendung der Vorrichtung im Sommer bei Dauerlast. Der Kühlkreislauf 100 stellt beispielsweise im Nachlauf des Kühlers 110 Wasser mit 75 °Celsius bereit. Durch den Wärmeübertrager 210 wird dem Wasser weitere Wärme entzogen und dem Wärmepumpenkreis 200 zugeführt. Entsprechend steht im Nachlauf des Wärmeübertragers 210 beispielsweise 65 °Celsius heißes Wasser zur Verfügung.
Das Dreiwegeventil 130 und das weitere Dreiwegeventil 160 sind so eingestellt, dass der Bypass 140 gesperrt ist und der weitere Bypass 170 entsprechend nur eine sehr geringe Menge des vom Kühler 110 gekühlten Kühlmittels an dem weiteren Wärmeübertrager 310 zur Kühlung der Brennstoffzellenperipherie 510, der Leistungselektronik 520 und des Elektromotors 540 vorbeiführt. Dadurch ist die Durchflussmenge durch den Wärmeübertrager 310 sehr hoch, so dass dieser große Wärmemengen abführen kann. Das Absperrventil 265 und das noch weitere Expansionsventil 295 sind geöffnet. Das weitere Absperrventil 275 hingegen ist geschlossen. Der Wärmepumpenkreis 200 temperiert also die Batterie 900 und ist mit dem Kühlkreislauf 100 gekoppelt. Am Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers 310 werden im Kühlkreislauf 100 so beispielsweise etwa 65 °Celsius erzielt. Eine typische Temperaturabsenkung von 82 auf 70 °Celsius ist im weiteren Kühlkreislauf 300 erzielbar. Eine typische Nachlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers 310 bei Dauerlast im Sommer beträgt 77 °Celsius.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dient dazu, die Temperierung von Brennstoffzellenstapeln zu verbessern. Diese Ausführungsform umfasst einen ersten Kühlkreislauf mit einem Kühler und einem Wärmepumpenkreis mit einem Wärmeübertrager. Mit dem Wärmeübertrager kann Wärme aus einem Nachlauf des Kühlers auf den Wärmepumpenkreis übertragen werden. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kühlkreislauf vorhanden ist, mit dem der Brennstoffzellenstapel gekühlt wird. Dabei ist ein noch weiterer Wärmeübertrager in einem Nachlauf des Wärmeübertragers so angeordnet, dass auf ein Kühlmittel des ersten Kühlkreislaufs Wärme aus einem weiteren Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs übertragen werden kann.
Damit lässt sich ein regulierbarer Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle von anderen Kühl- beziehungsweise Kältekreisläufen stofflich trennen. Der Kühlmittelkreislauf für die Brennstoffzelle kann klein ausgelegt werden, so dass der Bedarf an gering leitfähigem Kühlmittel sinkt und Verunreinigungen des Kühlmittelkreislaufs für die Brennstoffzelle unwahrscheinlicher werden. Zudem erfolgt die Wärmeabgabe des Wärmepumpenkreises auf einem Niveau, welches höher als die Rücklauftemperatur der Brennstoffzelle ist, so dass für die benötigte Leistungsübertragung eine kleinere Kühlerfläche ausreicht.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung im ersten Kühlkreislauf eine Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmittels, wobei der Wärmeübertrager im Nachlauf der Kühlmittelfördervorrichtung angeordnet ist.
So bleibt eine Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers unbeeinflusst von der Fördervorrichtung und daher besonders gut einstellbar.
Diese Ausführungsform kann mindestens einen über ein Dreiwegeventil steuerbaren Bypass im ersten Kühlkreislauf umfassen, der den Kühler und den Wärmeübertrager umgeht.
Über den Bypass lässt sich die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers gezielt erhöhen, so dass der noch weitere Wärmeübertrager in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, der für die Kühlung des zweiten Kühlkreislaufes optimal ist.
Der Bypass kann eine weitere Fördervorrichtung zur Förderung des weiteren Kühlmittels von einem Nachlauf des noch weiteren Wärmeübertragers zu einem Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers umfassen.
Der erste Kreislauf kann einen weiteren, über ein weiteres Dreiwegeventil steuerbaren Bypass umfassen, der den noch weiteren Wärmeübertrager umgeht.
Damit kann die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers mittels des Bypasses durchflussmengenneutral erhöht werden.
Der weitere Bypass kann ausgebildet sein, eine Brennstoffzellenperipherie und/oder eine Leistungselektronik und/oder einen Elektromotor zu kühlen.
Der erste Kühlkreislauf kann im Vorlauf des noch weiteren Wärmeübertragers einen Ladeluftkühler umfassen.
Dies ist eine Möglichkeit, die Erwärmung des Brennstoffzellstapels zu begrenzen.
Der Wärmepumpenkreis kann einen Kondensator, der mit dem Kühler thermisch gekoppelt ist, und noch einen weiteren, über noch ein weiteres Dreiwegeventil steuerbaren Bypass umfassen, der den Wärmeübertrager umgeht.
So lässt sich die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers noch genauer steuern.
Der noch eine weitere Bypass kann einen weiteren Wärmeübertrager zum Temperieren einer Batterie und eine ventilgesteuerte Rückleitung umfassen, die einen Nachlauf des weiteren Wärmeübertragers mit einem Vorlauf des Wärmeübertragers verbindet, so dass ein Arbeitsmedium des Wärmepumpenkreises durch eine entsprechende Dreiwegeventilansteuerung über den Wärmeübertrager, über den weiteren Wärmeübertrager oder über beide Wärmeübertrager geführt werden kann.
Dies ist eine besonders einfache Form, flexibel die Vorlauftemperatur des noch weiteren Wärmeübertragers zu variieren und gleichzeitig die Batterie zu kühlen.
Diese Ausführungsform kann in einem System mit einem Brennstoffzellenstapel zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels verwendet werden sowie in einem Kraftfahrzeug mit einem solchen System.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
100: Kühlkreislauf
110: Kühler
120: Kühlmittelfördervorrichtung
130: Dreiwegeventil
140: Bypass
150: Fördervorrichtung (Pumpe)
160: weiteres Dreiwegeventil
170: weiterer Bypass
180: Verdichter
200: Wärmepumpenkreis
210: Wärmeübertrager
220: Kondensator
240: noch ein weiterer Bypass
245: Expansionselement, Ejektor
255: Expansionsventil
260: weiterer Wärmeübertrager
265: Absperrventil
275: weiteres Absperrventil
285: weiteres Expansionsventil
290: Innenraumverdampfer
295: noch weiteres Expansionsventil
300: weiterer Kühlkreislauf
310: noch weiterer Wärmeübertrager
350: weitere Fördervorrichtung (Pumpe)
400: noch weiterer Kühlkreislauf
410: noch weitere Fördervorrichtung (Pumpe)
510: Brennstoffzellenperipherie
520: Leistungselektronik
530: Ladeluftkühler
540: Elektromotor
550: PTC-Element
560: HWT-Element
800: Brennstoffzellenstapel
900: Batterie

Claims

Vorrichtung (10) zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels (800) mit einem Wärmepumpenkreis (200), der einen Kondensator (220) und einen Wärmeübertrager (210) zur Übertragung von Wärme aus einem Kühlkreislauf (100) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (800) auf den Wärmepumpenkreis (200) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreislauf (100) im Vorlauf des Wärmeübertragers (210) ein Kühler (110) und im Nachlauf des Wärmeübertragers (210) ein noch weiterer Wärmeübertrager (310) angeordnet ist, mit dem Wärme aus einem weiteren Kühlkreislauf (300), mit dem der Brennstoffzellenstapel (800) gekühlt wird, auf den Kühlkreislauf (100) übertragen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einen im Nachlauf des Kondensators (220) und im Vorlauf des Wärmeübertragers (210) ein Expansionselement (245) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionselement (245) ein Ejektor ist, wobei im Nachlauf des Kondensators (220) und im Vorlauf des Ejektors (245) ein Abzweig angeordnet ist, an dem ein Zweig des Wärmepumpenkreises beginnt, der ein Expansionsventil (265) und einen weiteren, dem Expansionsventil (255) nachgeordneten Wärmeübertrager (260) zur Kühlung einer Batterie (900) umfasst und an einem Saugeinlass des Ejektors (245) endet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem weiteren Wärmeübertrager (260) und der Saugseite ein Absperrventil (265) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem weiteren Wärmeübertrager (260) und dem Absperrventil (265) ein weiterer Abzweig, an dem ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises (200) beginnt, der ein weiteres Absperrventil (275) umfasst und zwischen dem Wärmeübertrager (210) und dem Verdichter (180) endet, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ejektor und dem Wärmeübertrager (210) noch ein weiterer Abzweig angeordnet ist, an dem noch ein weiterer Zweig des Wärmepumpenkreises (200) beginnt, der noch ein weiteres Expansionsventil (285) und einen Innenraumverdampfer (290) umfasst und an dem Verdichter (180) endet, wobei der weitere Zweig im Nachlauf des Innenraumverdampfers (290) endet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ejektor (245) und dem Wärmeübertrager (210) ein weiteres Expansionsventil (295) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen über ein Dreiwegeventil (130) steuerbaren Bypass (140) im Kühlkreislauf (100) umfasst, der den Kühler (110) und den Wärmeübertrager (210) umgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (100) einen weiteren, über ein weiteres Dreiwegeventil (160) steuerbaren Bypass (170) umfasst, der den noch weiteren Wärmeübertrager (310) umgeht.
Fahrzeug mit einem System (10) zur Bereitstellung elektrischer Energie mit einem Brennstoffzellstapel (800) und einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Temperierung des Brennstoffzellstapels (800).