-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle und mit einem thermoelektrischen Generator in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kühlkreislauf. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Durchströmung des thermoelektrischen Generators mit Kühlmedium in einem derartigen Brennstoffzellensystem.
-
Ein gattungsgemäßer Aufbau ist aus der
JP 2001-023 666 A bekannt. In dieser Schrift ist ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug beschrieben, bei welchem ein gemeinsamer Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle und den elektrischen Traktionsmotor vorgesehen ist. Innerhalb dieses Kühlkreislaufs befinden sich in wärmeleitendem Kontakt sowohl mit dem Kühlmedium als auch mit der Brennstoffzelle bzw. dem elektrischen Antriebsmotor thermoelektrische Generatoren, um aus der Abwärme elektrische Leistung zurückzugewinnen.
-
Ferner ist es aus der
KR 101 601 060 B1 bekannt, in das Innere einer Brennstoffzelle, zwischen eine Kühlmittelpassage und den Einzelzellen thermoelektrische Elemente einzusetzen, insbesondere Peltier-Elemente. Hierdurch lässt sich eine Temperierung, sowohl eine Kühlung als auch eine Heizung, der Brennstoffzelle selbst realisieren.
-
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
JP 2005 044 631 A verwiesen werden. In dieser Schrift ist ein Aufbau beschrieben, bei welchem die Kühlung eines Tanks für flüssigen Wasserstoff in einem Fahrzeug durch thermoelektrische Elemente unterstützt wird.
-
Die Einsatzmöglichkeiten dieser thermoelektrischen Elemente aus dem Stand der Technik sind eingeschränkt. Sie können lediglich durch die elektrische Ansteuerung beeinflusst werden, was einen vergleichsweise hohen Steuerungsaufwand nach sich zieht. Ferner ist die notwendige aktive Ansteuerung im Allgemeinen störungsanfällig.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle und mit einem thermoelektrischen Generator anzugeben, welche eine außerordentlich einfache und effiziente Energierückgewinnung ermöglicht, ohne die Funktionalität des Brennstoffzellensystems unnötig zu verschlechtern. Außerdem ist es die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung der Durchströmung des thermoelektrischen Generators mit einem Kühlmedium in einem derartigen Aufbau anzugeben.
-
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ein geeignetes Verfahren ist im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich jeweils aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass der thermoelektrische Generator in dem Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher einen steuerbaren Bypass um den thermoelektrischen Generator aufweist. Diese Anordnung des thermoelektrischen Generators in dem Kühlkreislauf ermöglicht ein Durchströmen bzw. Umströmen der einen (warmen) Seite des thermoelektrischen Generators mit dem heißen bzw. warmen Kühlmedium in dem Kühlkreislauf. Die andere Seite kann dann beispielsweise durch die Umgebung entsprechend kühler gehalten werden. Hierdurch wird elektrische Energie erzeugt, welche also aus der Abwärme des Kühlkreislaufs zurückgewonnen wird. Neben der Rückgewinnung von elektrischer Energie aus der Wärme des Kühlkreislaufs liegt der besondere Vorteil darin, dass die Kühlleistung in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems erhöht wird. Insbesondere bei warmen Umgebungsbedingungen und hoher benötigter Leistung des Brennstoffzellensystems ist dies ein erheblicher Vorteil. Dies gilt insbesondere bei einer Fahrzeuganwendung des Brennstoffzellensystems, da hier die zur Verfügung stehende Kühlfläche über einen Kühlwärmetauscher im Frontbereich des Fahrzeugs typischerweise durch das Design des Fahrzeugs stark eingeschränkt ist. Bei langsamer Bergauffahrt bei entsprechend hohen Umgebungstemperaturen ist die Kühlleistung damit häufig der limitierende Faktor für die Bereitstellung der Leistung durch das Brennstoffzellensystem. Eine Erhöhung der zur Verfügung stehenden Kühlleistung über den thermoelektrischen Generator stellt damit einen erheblichen Vorteil dar. Wenn darüber hinaus noch elektrische Energie aus der Abwärme des Brennstoffzellensystems zurückgewonnen werden kann, gewinnt dieser Vorteil nochmals erheblich an Bedeutung.
-
Um den steuerbaren Bypass zu realisieren, kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee dabei vorgesehen sein, dass in dem Bypass und/oder an einem der Verzweigungspunkte des Bypass und des Kühlkreislaufs, also am Abzweig oder an der Zusammenführung derselben, eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Der Aufbau ermöglicht es, mit einer einzigen Ventileinrichtung die Durchströmung des Bypass einerseits und des thermoelektrischen Generators andererseits durch das Kühlmedium effizient zu steuern.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht es dabei vor, dass die Ventileinrichtung als Drei-Wegeventil ausgebildet ist. Ein solches Drei-Wegeventil kann eine Aufteilung der Medienströme in einem einzigen Bauteil effizient vornehmen.
-
Das Drei-Wegeventil kann gemäß einer außerordentlich günstigen und vorteilhaften Weiterbildung als Thermostatventil ausgebildet sein. Die Durchströmung des Bypass alleine, des thermoelektrischen Generators alleine oder beider in einem gewünschten Verhältnis zueinander kann über ein solches Thermostatventil ohne aktive Ansteuerung selbsttätig in Abhängigkeit der Temperatur vorgenommen werden. Dies stellt einen außerordentlich einfachen und effizienten Aufbau dar, welcher selbstregelnd ausgestaltet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann der thermoelektrische Generator und der steuerbare Bypass um den thermoelektrischen Generator in Strömungsrichtung eines Kühlmediums in dem Kühlkreislauf zwischen Wärmequellen, wie zumindest der Brennstoffzelle, und wenigstens einem Kühlwärmetauscher angeordnet sein. Der thermoelektrische Generator befindet sich idealerweise in einem Bereich, in welchem das Kühlmedium entsprechend warm ist. Er ist deshalb vorzugsweise in Strömungsrichtung nach Bauteilen angeordnet, welche Wärme in das Kühlmedium eintragen. Dies ist bei einem Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem typischerweise zumindest die Brennstoffzelle selbst. Darüber hinaus kann ein Ladeluftkühler und/oder eine Kühlung von leistungselektronischen Komponenten, oder einem Elektromotor mit vorgesehen sein. Sitzen diese in Reihe oder parallel zu der zu kühlenden Brennstoffzelle, dann können diese Kühlströme, nachdem sie die Wärmequellen durchströmt haben, ideal genutzt werden, um im Bereich des thermoelektrischen Generators aus der Abwärme elektrische Leistung zurückzugewinnen.
-
Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung sieht es ferner vor, dass ein weiterer Wärmeverbraucher parallel zu dem thermoelektrischen Generator und dem steuerbaren Bypass um den thermoelektrischen Generator in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Ein solcher Wärmeverbraucher kann beim bevorzugten Einsatz in einem Fahrzeug beispielsweise die Innenraumheizung des Fahrzeugs sein. Wird diese parallel zu dem thermoelektrischen Generator angeordnet, dann wird die dort benötigte Wärme nicht über den thermoelektrischen Generator geleitet und steht somit vollständig für den Wärmeverbraucher, also beispielsweise zur Beheizung des Innenraums, zur Verfügung. Dies schmälert zwar die Energieausbeute im Bereich des thermoelektrischen Generators, stellt aber einen hohen Komfort bezüglich des weiteren Wärmeverbrauchers sicher, was insbesondere bei einer Innenraumheizung eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestalteten Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern der Durchströmung des thermoelektrischen Generators mit Kühlmedium in einem derartigen Brennstoffzellensystem in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen sieht es erfindungsgemäß vor, dass der thermoelektrische Generator während eines Gefrierstarts nicht von dem Kühlmedium durchströmt wird, und dass der thermoelektrische Generator im Normalbetrieb in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ganz oder teilweise von dem Kühlmedium durchströmt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Steuerbarkeit des thermoelektrischen Generators, ohne auf diesen elektrisch einwirken zu müssen, nun in der Art, dass während eines Gefrierstarts der thermoelektrische Generator nicht durchströmt wird. Der thermoelektrische Generator liefert dann zwar keine elektrische Leistung, entzieht dem Kühlmedium jedoch auch keine Wärme. Während eines Gefrierstarts, bei welchem die schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle im Vordergrund steht, ist dies ideal. Im Normalbetrieb steht dann typischerweise Wärme zur Verfügung, um in dem thermoelektrischen Generator elektrische Leistung bereitzustellen. Diese Wärme wird dann gemäß der Erfindung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur entsprechend genutzt, sodass der thermoelektrische Generator ganz oder teilweise von dem Kühlmedium durchströmt wird. Somit kann die Abwärme ganz oder teilweise zur Energierückgewinnung genutzt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass oberhalb einer Umgebungstemperatur von 35° C der thermoelektrische Generator ganz von dem Kühlmedium durchströmt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur den thermoelektrischen Generator zur Abkühlung des gesamten Kühlmediums bei Temperaturen oberhalb von 35° C in der Umgebung des Brennstoffzellensystems, und nutzt diesen nur teilweise bei entsprechend niedrigeren Temperaturen. Dies kann insbesondere durch die Ausgestaltung mit dem oben angesprochenen Thermostatventil besonders einfach und effizient selbsttätig realisiert werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
-
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen prinzipmäßig angedeuteten Kühlkreislauf in einem Brennstoffzellensystem, welches bevorzugt in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen soll.
-
Der schematisch angedeutete Kühlkreislauf 1 in der Darstellung der Figur soll innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordnet sein, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dient. Von dem Brennstoffzellensystem ist hier rein beispielhaft lediglich der Brennstoffzellenstapel 2 prinzipmäßig angedeutet. Das Kühlmedium, ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und einer Frostschutzkomponente, wird über eine Kühlmedienpumpe 3 in dem Kühlkreislauf 1 umgewälzt. Es gelangt von der Kühlmedienpumpe 3 aus zuerst in den Bereich einer mit 4 bezeichneten Ventileinrichtung, welche insbesondere den Volumenstrom des Kühlmediums zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und einem parallel dazu angeordneten Ladeluftkühler 5 aufteilt. Das Kühlmedium strömt dann durch den Brennstoffzellenstapel 2, um die Brennstoffzelle zu kühlen. Ein weiterer Teil des Kühlmediums strömt durch den Ladeluftkühler 5, um die verdichtete zu der Brennstoffzelle geförderte Luft entsprechend abzukühlen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel folgt in Strömungsrichtung auf den Ladeluftkühler 5 eine Wasserstoffvorwärmung 6, welche den entspannten und dadurch abgekühlten Wasserstoff entsprechend vorwärmt, insbesondere um eine Auskondensation beim Vermischen des frischen Wasserstoffs mit rezirkuliertem Abgas des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern. Diese mit Wärme aufgeladenen Volumenströme treffen sich dann wieder im Bereich einer mit 7 bezeichneten Ventileinrichtung. Über diese Ventileinrichtung 7 kann der erwärmte Volumenstrom des Kühlmediums aufgeteilt werden, um einerseits zu einer weiteren Ventileinrichtung 8 zu strömen oder andererseits zu einem Wärmetauscher 9, welcher der Innenraumbeheizung des Fahrzeugs dient. Bei Bedarf strömt also ein Teil oder das gesamte Kühlmedium durch diesen Wärmetauscher 9 zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums. Das Kühlmedium gelangt dann wieder zurück in den Kühlkreislauf. Parallel dazu oder je nach Stellung der Ventileinrichtung 7 ausschließlich strömt das Kühlmedium zu der Ventileinrichtung 8. Über die Ventileinrichtung 8 kann der Volumenstrom des Kühlmediums aufgeteilt werden, um einerseits durch einen thermoelektrischen Generator 10 und andererseits über einen Bypass 11 um diesen thermoelektrischen Generator 10 herumgeführt zu werden. Das Kühlmedium gelangt dann gegebenenfalls vermischt mit dem Kühlmedium nach dem Wärmetauscher für den Fahrzeuginnenraum zu einer Ventileinrichtung 12, welche das Kühlmedium zwischen der Durchströmung eines Kühlwärmetauschers 13 sowie eines parallel dazu angeordneten weiteren Kühlwärmetauschers 14, welcher insbesondere als Radlaufwärmetauscher ausgebildet sein kann, entsprechend abzukühlen. Ist eine solche Abkühlung nicht angedacht, beispielsweise weil der Kühlkreislauf im Gefrierstart des Brennstoffzellensystems betrieben wird und eine möglichst schnelle Aufheizung des Brennstoffzellenstapels 2 gewünscht ist, dann kann der Volumenstrom über die Ventileinrichtung 12 ganz oder teilweise über einen Kühlerbypass 15 um die beiden Kühlwärmetauscher 13, 14 herumgeleitet werden, um so die Abkühlung entsprechend zu reduzieren. Das Kühlmedium gelangt dann wieder zu der Kühlmedienpumpe 3. Über eine weitere Ventileinrichtung 16 kann ein Teil des Kühlmediums um die Kühlmedienpumpe 3 herumgeführt werden. Es strömt dann durch einen mit 17 bezeichneten lonentauscher, um die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums zu reduzieren, was insbesondere für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels mit dem Kühlmedium, welches diesen direkt durchströmt, von entscheidender Bedeutung ist.
-
Im Gefrierstartbetrieb des Brennstoffzellensystems soll die gesamte Wärme dem Brennstoffzellenstapel 2 zur Verfügung gestellt werden, um diesen schnellstmöglich aufzuheizen. In dieser Situation wird, sofern dies aufgrund der Komfortanforderungen des Fahrzeugs möglich ist, auf eine Durchströmung des Wärmetauschers 9 für den Fahrzeuginnenraum verzichtet. Gleichzeitig wird auf eine Durchströmung des thermoelektrischen Generators 10 verzichtet. Die Ventileinrichtung 8, welche vorzugsweise als Thermostatventil ausgebildet sein kann, leitet in dieser Situation den gesamten Volumenstrom durch den Bypass 11 um den thermoelektrischen Generator 10. Gleichzeitig wird in an sich bekannter Art und Weise der gesamte Volumenstrom durch den Kühlerbypass 15 geführt, um eine Abkühlung in den Kühlwärmetauschern 13, 14 zu vermeiden.
-
Beim Wechsel in den Normalbetrieb ist nun eine Abfuhr von Abwärme in die Umgebung notwendig. Deshalb wird die Ventileinrichtung 12 ganz oder teilweise geöffnet und ein Teil der Abwärme kann auch genutzt werden, um beispielsweise durch den Wärmetauscher 9 zu strömen. Gleichzeitig wird ein Teil der Abwärme in dieser Betriebssituation des Normalbetriebs auch durch den thermoelektrischen Generator 10 strömen, um hierin elektrische Leistung bereitzustellen. Aus der Abwärme wird also elektrische Leistung zurückgewonnen. Dies erfolgt dabei typischerweise nur in dem Rahmen, in dem die Abwärme auch in dem thermoelektrischen Generator sinnvoll genutzt werden kann. Bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen von beispielsweise weniger als 35° C wird typischerweise ein Teil des Kühlmediums durch den Bypass 11 und ein anderer Teil durch den thermoelektrischen Generator 10 strömen. Dies kann durch die Ventileinrichtung 8 in Form eines Thermostatventils eigenständig in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur eingestellt werden. Mit steigender Umgebungstemperatur wird die Abkühlung in den beiden Kühlwärmetauschern 13, 14 entsprechend erschwert. Über den thermoelektrischen Generator 10 kann dann mehr Abwärme in elektrische Leistung umgewandelt werden, um so einerseits elektrische Leistung zurückzugewinnen und andererseits die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 1 zu verbessern. Typischerweise ab einer Grenztemperatur von ca. 35° C wird die Ventileinrichtung 8 als Thermostatventil dann so gestellt sein, dass der Bypass 11 nicht mehr durchströmt wird, sondern dass das gesamte Kühlmedium durch den thermoelektrischen Generator 10 strömt, um hier das Maximum an elektrischer Leistung aus der Abwärme zurückzugewinnen und gleichzeitig die Kühlleistung des Kühlkreislaufs zu verbessern. Da bei solchen Temperaturen typischerweise der Innenraum des Fahrzeugs nicht beheizt wird, wird über die Ventileinrichtung 7 auch ein Durchströmen des Wärmetauschers 9 unterbunden, sodass tatsächlich der gesamte verfügbare Volumenstrom durch den thermoelektrischen Generator 10 strömt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2001023666 A [0002]
- KR 101601060 B1 [0003]
- JP 2005044631 A [0004]
