DE102017103714A1

DE102017103714A1 - Brennstoffzellenstapel-Wärmemanagement

Info

Publication number: DE102017103714A1
Application number: DE102017103714.4A
Authority: DE
Inventors: Furqan Zafar Shaikh; Sunil Katragadda; W. Cary Cole; Colby Jason Buckman; Phillip Bonkoski
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US20170263954A1; US10388971B2; CN107180979A

Abstract

Brennstoffzellen-Wärmemanagementsysteme und Steuerschemata dafür sind offenbart. In einer Ausführungsform umfasst das System einen Brennstoffzellenstapel, einen Wärmetauscher, eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer Schmelztemperatur von 50–120 °C aufweist, eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt und den Wärmetauscher ausschließt, und eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt. Die erste und die zweite Kühlmittelschleife können dazu ausgelegt sein, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen bzw. zu kühlen. Das System kann einen Controller oder Prozessor umfassen, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um, basierend auf einem negativen Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von der Thermalbatterie auf den Brennstoffzellenstapel zu übertragen und um, basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf die Thermalbatterie zu übertragen, wenn die Thermalbatterie unter einer Zieltemperatur liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenstapel-Wärmemanagement, beispielsweise unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials.
Hintergrund
Brennstoffzellen wie etwa Wasserstoffbrennstoffzellen sind eine potentielle Quelle für emissionsarme Energie. Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen betrieben werden, können die Emissionen und die Abhängigkeit von ölbasiertem Brennstoff verringern. Jedoch kann die Verwendung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen gewisse Herausforderungen mit sich bringen. Ein Beispiel für eine technische Herausforderung kann ein angemessenes Wärmemanagement des Wasserstoffbrennstoffzellenstapels sein. Im Betrieb kann die Brennstoffzelle eine maximale Betriebstemperatur aufweisen, die nicht überschritten werden sollte. Dementsprechend können in dem Fahrzeug Wärmeabführungssysteme erforderlich sein. Andererseits haben Brennstoffzellen auch minimale Betriebstemperaturen und es sollte verhindert werden, dass die Komponenten der Brennstoffzelle einfrieren. Daher können in Gebieten, die sehr niedrige Temperaturen wie 0 °C aufweisen können, aktive Heizsysteme erforderlich sein, um die Brennstoffzellentemperatur zu halten. Sowohl Heiz- als auch Kühlsysteme können dem Brennstoffzellensystem zusätzliche Komponenten hinzufügen, die wiederum die Komplexität erhöhen, Platz im Fahrzeug einnehmen und die Kosten erhöhen können.
Kurzdarstellung
In mindestens einer Ausführungsform ist ein Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem bereitgestellt. Das System kann umfassen: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer Schmelztemperatur von 50–120 °C aufweist; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt und den Wärmetauscher ausschließt; und eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt. Die erste und die zweite Kühlmittelschleife können dazu ausgelegt sein, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen bzw. zu kühlen.
Das System kann auch eine dritte Kühlmittelschleife umfassen, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt, wobei die dritte Kühlmittelschleife dazu ausgelegt sein kann, Wärme von der Thermalbatterie zu dem Heizkern zu übertragen. Das System kann ferner umfassen: einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kühlmittels zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Auslasstemperatur des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittels zu messen. In einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Temperatursensor die einzigen Kühlmitteltemperatursensoren in dem System.
In einer Ausführungsform weist das Material eine latente Schmelzwärme von mindestens 100 kJ/kg auf. Das System kann ferner umfassen: eine erste Pumpe, die nur in der zweiten Kühlmittelschleife enthalten ist, und eine zweite Pumpe, die einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet angeordnet ist. Die erste Kühlmittelschleife kann einen Öffnungsbegrenzer, der der Thermalbatterie nachgeschaltet und einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist, umfassen. In einer Ausführungsform umfasst das System ein Dreiwegeventil, das der Thermalbatterie nachgeschaltet ist und dazu ausgelegt ist, Kühlmittel in die erste oder die zweite Kühlmittelschleife zu leiten. Die erste Kühlmittelschleife kann dazu ausgelegt sein, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wenn er unter einer Zielbetriebstemperatur liegt, und den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn er über der Zielbetriebstemperatur liegt.
In mindestens einer Ausführungsform ist ein Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem bereitgestellt. Das System kann umfassen: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer latenten Schmelzwärme von mehr als 100 kJ/kg enthält; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt; eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt; und eine dritte Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt.
In einer Ausführungsform umfasst das System ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kühlmittels zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Auslasstemperatur des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittels zu messen. In einer weiteren Ausführungsform weist das Material in der Thermalbatterie eine Schmelztemperatur von 50–120 °C auf. Das System kann zudem umfassen: eine erste Pumpe, die nur in der dritten Kühlmittelschleife enthalten ist, und eine zweite Pumpe, die einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet angeordnet ist. Die erste Kühlmittelschleife kann dazu ausgelegt sein, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wenn er unter einer Zielbetriebstemperatur liegt, und den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn er über der Zielbetriebstemperatur liegt. In einer Ausführungsform ist die dritte Kühlmittelschleife dazu ausgelegt, den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn der Brennstoffzellenstapel oberhalb der Zielbetriebstemperatur liegt, und die Thermalbatterie zu kühlen, wenn sie oberhalb einer Zieltemperatur liegt.
Ein System aus einem oder mehreren Computern kann dazu ausgelegt sein, bestimmte Operationen oder Aktionen durchzuführen, indem es Software, Firmware, Hardware oder eine Kombination davon auf dem System installiert hat, die im Betrieb das System dazu veranlasst oder veranlassen, die Aktionen auszuführen. Ein oder mehrere Computerprogramme können dazu ausgelegt sein, bestimmte Operationen oder Aktionen durchzuführen, indem sie Befehle enthalten, die bei Ausführung durch die Datenverarbeitungsvorrichtung veranlassen, dass die Vorrichtung die Aktionen durchführt. Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das einen Brennstoffzellenstapel, einen Wärmetauscher und eine Thermalbatterie umfasst. Das Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem umfasst auch einen Prozessor, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um basierend auf einem negativen Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels Wärme von der Thermalbatterie auf den Brennstoffzellenstapel zu übertragen und um basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf die Thermalbatterie zu übertragen, wenn die Thermalbatterie unter einer Zieltemperatur liegt. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Computersysteme, Vorrichtungen und Computerprogramme, die auf einer oder mehreren Computerspeichervorrichtungen aufgezeichnet sind und jeweils dazu ausgelegt sind, die Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das System, in dem der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um Wärme von der Thermalbatterie auf den Wärmetauscher zu übertragen, wenn die Thermalbatterieoberhalb der Zieltemperatur ist. Das System, in dem der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf den Wärmetauscher zu übertragen. Das System, in dem der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, um Kühlmittel zu leiten, um basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf die Thermalbatterie zu übertragen, wenn die Thermalbatterie oberhalb einer Zieltemperatur ist und der Wärmetauscher eine maximale Kühlkapazität aufweist. Das System, in dem der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um Wärme von der Thermalbatterie auf einen Heizkern einer Klimaanlage zu übertragen. Implementierungen der beschriebenen Techniken können Hardware, ein Verfahren oder einen Prozess oder eine Computersoftware auf einem computerzugänglichen Medium umfassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Wärmemanagementsystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Darstellung einer Thermalbatterie, die ein Phasenwechselmaterial enthält, gemäß einer Ausführungsform; und
3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Algorithmus zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Wie erforderlich sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in vielfältigen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert sein oder minimiert sein, um Einzelheiten einzelner Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um Fachleute zu lehren, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art anzuwenden.
Für ein Kühlsystem für Brennstoffzellen (z. B. Wasserstoffbrennstoffzellen) müssen vielleicht mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Ein Faktor ist, dass die nominale Betriebstemperatur einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC, auch als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bekannt) eine obere Grenze, wie etwa 95 °C, aufweisen kann. Daher kann die Antriebskraft für die Wärmeabführung/-entfernung deutlich geringer sein als bei einem typischen Brennkraftmaschinen-Kühlsystem (ICE-Kühlsystem). Ein weiterer Faktor ist, dass ein Großteil oder die Gesamtheit der Abwärmebelastung durch ein zusätzliches Kühlsystem entfernt werden muss, da die Abgasströme wenig zu der Wärmeabführung beitragen können. Diese beiden Faktoren können es erforderlich machen, dass Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensysteme relativ große Kühler oder Wärmetauscher aufweisen. Die Bereitstellung von Volumen/Platz für solch große Kühler kann erhebliche Herausforderungen für das Design darstellen. Zusätzlich können PEM-Brennstoffzellen nur relativ geringe Temperaturschwankungen tolerieren. Beispielsweise kann eine Zellentemperatur unterhalb eines bestimmten Bereichs zu Wasserkondensation und zur Flutung von Elektroden führen, was zu einem Spannungsverlust führen kann, der durch einen zusätzlichen Widerstand gegenüber dem Reaktantmassentransport verursacht wird. Dementsprechend können Brennstoffzellen strenge thermische Anforderungen aufweisen, die ein erhebliches Wärmeübertragungsproblem darstellen können.
Zusätzlich zur Kühlung können Heizungsprobleme mit der Verwendung von Brennstoffzellen verbunden sein. Bei niedrigen Umgebungsbedingungen muss der Brennstoffzellenstapel niedrigen Temperaturen oder Temperaturen unter dem gefrierpunktstandhalten, ohne dass es zu Beschädigungen kommt. Beispielsweise muss ein Brennstoffzellenfahrzeug entweder zu allen Zeiten über einer bestimmten Temperatur (z. B. 0 °C) aufbewahrt werden oder es muss aktiv vor dem Gefrieren geschützt werden (z. B. durch Erwärmen). Ein Ansatz für dieses Problem kann die Verwendung einer elektrischen Widerstandsheizung sein, um bestimmte Teile oberhalb des Gefrierpunkts (oder einer anderen Mindesttemperatur) zu halten, und eine Isolierung kann verwendet werden, um die erforderliche Leistung zu reduzieren. Dieses System mit niedriger Leistung kann nur den Brennstoffzellenstapel schützen, und zwar beispielsweise unter Verwendung von Isolation oder Immersion oder Wasser/Ethylenglycol-Heizungen (WEG-Heizungen) und einer Pumpe, um den Stapel von einem 12 V-Hilfssystem angetrieben aufzuheizen. Selbst wenn der Stapel über dem Gefrierpunkt gehalten wird, können Beschädigungen auftreten, wenn das Brennstoffzellensystem gestartet wird, wenn einige Teile des Kühlsystems unter dem Gefrierpunkt sind, die dann durch den Stapel zirkulieren, bevor er beginnt, Wärme zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Wärmemanagementsystem (TMS) 10 (z. B. zum Heizen und/oder Kühlen) offenbart, das ein Phasenwechselmaterial (PCM) verwendet, um die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels zu puffern. Das offenbarte System kann in einem Fahrzeug verwendet werden, es kann jedoch auch in anderen Anwendungen verwendet werden. Das Wärmemanagementsystem 10 kann mit einem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sein. Der Brennstoffzellenstapel 12 kann jede bekannte Struktur und Gestaltung aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel 12 kann ein Wasserstoffbrennstoffzellenstapel sein. Die grundlegenden Strukturen von Brennstoffzellen sind Fachleuten bekannt und werden nicht im Einzelnen beschrieben.
Im Allgemeinen umfassen Brennstoffzellen wie beispielsweise Wasserstoffbrennstoffzellen einen sich wiederholenden Stapel von Brennstoffzellen-Einheitszellen. Jede Zelle kann eine negative Elektrode (Anode), einen Elektrolyten und eine positive Elektrode (Kathode) umfassen. In einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist der Elektrolyt eine feste, protonenleitende Membran, die elektrisch isolierend ist, aber Protonen durchlässt. Typischerweise wird die Brennstoffquelle, wie etwa Wasserstoff, an der Anode unter Verwendung einer Bipolarplatte oder Strömungsfeldplatte eingeführt, wo sie mit einem Katalysator reagiert und in Elektronen und Protonen zerfällt. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zu der Kathode und die Elektronen wandern durch einen externen Kreislauf und dann zur Kathode. An der Kathode reagiert Sauerstoff in der Luft, die von einer anderen Bipolarplatte eingeführt wird, mit den Elektronen und den Protonen an einem weiteren Katalysator, um Wasser zu bilden. Mehrere Brennstoffzellen-Einheitszellen können zusammengefasst sein, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Das TMS 10 kann eine Leitung 14 wie etwa ein Rohr, Schläuche oder Rohrleitungen umfassen, die dazu ausgelegt sind, um Kühlmittel zu führen oder zu transportieren. Die Leitung 14 kann mit einem Einlass 13 und einem Auslass 15 des Brennstoffzellenstapels 12 verbunden oder gekoppelt sein. Der Brennstoffzellenstapel 12 kann einen inneren Kühlmittelweg (nicht gezeigt) aufweisen, der das Kühlmittel innerhalb des Stapels leiten kann und Wärmenergie aus den Brennstoffzellenkomponenten entnehmen oder an diese liefern kann. Der in 1 gezeigte Brennstoffzellenstapel 12 ist nur schematisch und der Einlass 13 und der Auslass 15 können jede geeignete Platzierung oder Anordnung aufweisen. Die Leitung 14 kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein und kann starr oder flexibel sein. Nicht beschränkende Beispiele geeigneter Leitungsmaterialien können Kautschuk oder Elastomere wie Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM-Kautschuk) oder Metalle wie etwa Stahl (z B. Weichstahl), Kupfer, Aluminium oder andere umfassen. Zusätzlich kann das in dem TMS 10 verwendete Kühlmittel irgendein geeignetes Kühlmittel wie etwa Wasser, Ethylen oder Propylenglykol, das mit Wasser, Ölen oder anderen Fluiden gemischt ist, sein.
Das TMS 10 kann ein Phasenwechselmaterial (PCM) 16 umfassen. Das PCM 16 kann in einem Gehäuse 18 verpackt oder angeordnet sein. Die Wände des Gehäuses 18 können unter Verwendung irgendeines geeigneten Isoliermaterials isoliert sein und/oder die Wände können vakuumversiegelt sein, um das PCM 16 zu isolieren. Das Gehäuse 18 kann einen Einlass 20 und einen Auslass 22 aufweisen, die dazu ausgelegt sind, Kühlmittel aus der Leitung 14 aufzunehmen und an sie zurückzugeben. Ähnlich wie der Brennstoffzellenstapel 12 ist das Gehäuse 18 in 1 schematisch und der Einlass 20 und der Auslass 22 können jede geeignete Platzierung oder Anordnung aufweisen. Das PCM 16 und das Gehäuse 18 können gemeinsam als ein PCM-Thermokondensator oder als eine Thermalbatterie 24 bezeichnet werden. Wie weiter unten genauer beschrieben ist, kann die Thermalbatterie 24 dazu ausgelegt sein, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu puffern, bei einem Kaltstart zu helfen, die Fahrzeugkabinen zu erwärmen und/oder die Wärmeabführung während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu unterstützen.
Das Phasenwechselmaterial (PCM) 16 kann ein Material mit einer hohen Wärmekapazität und/oder einer hohen latenten Schmelzwärme sein. Wärmekapazität (z. B. spezifische Wärmekapazität) bezieht sich im Allgemeinen auf die Menge an Wärme oder Energie, die notwendig ist, um die Temperatur von einem Gramm einer Substanz um einen Grad Celsius zu erhöhen. Latente Schmelzwärme bezieht sich im Allgemeinen auf die Menge an Wärme oder Energie, die notwendig ist, um den Zustand einer Substanz von fest zu flüssig zu ändern. Die spezifische Schmelzwärme kann die Menge an Wärme oder Energie sein, die erforderlich ist, um eine Einheit des Gewichts (z. B. 1 Gramm) ohne jegliche Änderung der Temperatur von fest zu flüssig umzuwandeln. Demgemäß bezieht sich die Wärmekapazität auf die Wärme/Energie, die die Temperatur einer Substanz in einem gegebenen Zustand (z. B. fest oder flüssig) erhöht, und die latente Schmelzwärme bezieht sich auf Wärme/Energie, die zu einer Phasenänderung (z. B. fest zu flüssig) bei einer konstanten Temperatur beiträgt. Die Wärme oder Energie, die während einer Phasenänderung absorbiert oder freigesetzt wird, kann als latente Wärme bezeichnet werden, während die Wärme oder Energie, die während einer Temperaturänderung absorbiert oder freigesetzt wird, als fühlbare Wärme bezeichnet werden kann.
Zum Speichern, Absorbieren und/oder Freisetzen einer hohen Energiemenge kann das PCM 16 in der Thermalbatterie 24 eine hohe Wärmekapazität und/oder eine hohe latente Schmelzwärme aufweisen. Dies kann bedeuten, dass das Material eine relativ große Menge an Energie benötigt, um seine Temperatur zu erhöhen bzw. von fest zu flüssig zu wechseln (zu schmelzen). Jede dieser Eigenschaften kann es dem PCM 16 ermöglichen, eine große Menge an Wärmeenergie aus dem Kühlmittel in der Leitung 14 zu absorbieren und dann eine große Menge an Energie zu einem späteren Zeitpunkt an das Kühlmittel abzugeben. Zusätzlich dazu kann anstelle des PCM 16 mit hoher Wärmekapazität und/oder latenter Schmelzwärme die Menge des PCM 16 in der Thermalbatterie 24 erhöht werden, um die Kapazität der Thermalbatterie 24 zu erhöhen. Je größer die Menge (z. B. Masse) des PCM 16 in der Thermalbatterie 24 ist, desto mehr Energie kann gespeichert und später freigesetzt werden.
Das Phasenwechselmaterial (PCM) 16 kann irgendein Material sein, das eine relativ hohe Wärmekapazität und/oder eine hohe latente Schmelzwärme aufweist. Das PCM 16 kann auch eine Schmelztemperatur aufweisen, die innerhalb des Bereichs von Temperaturen liegt, die das Kühlmittel erfahren kann (z. B. zwischen etwa 0 °C und 120 °C). Es können jedoch auch Materialien mit einer Schmelztemperatur außerhalb dieses Bereichs verwendet werden. In einer Ausführungsform kann das PCM eine Phasenänderungs- oder Schmelztemperatur von 0 °C bis 120 °C oder eines beliebigen Unterbereichs darin aufweisen, beispielsweise 50 °C bis 120 °C, 60 °C bis 120 °C, 70 °C bis 120 °C oder 80 °C bis 120 °C. In einer anderen Ausführungsform kann das PCM eine latente Schmelzwärme von mindestens 100 kJ/kg, beispielsweise mindestens 110, 120, 150, 200, 250, 300 oder 350 kJ/kg, aufweisen. Das PCM kann eine latente Schmelzwärme von 100 bis 400 kJ/kg, 120 bis 400 kJ/kg, 200 bis 400 kJ/kg oder 300 bis 400 kJ/kg aufweisen. Das PCM kann jede Art von Material sein, beispielsweise ein organisches Material, ein Wachs, ein Salz, ein Alkohol oder andere. Nicht beschränkende Beispiele für spezielle Materialien, die als PCM 16 verwendet werden können, umfassen organische PCM von der Rubitherm GmbH, wie RT 70 HC, RT 80 HC, RT 90 HC oder RT 100 (z. B. hat RT 100 eine Schmelztemperatur von 100 °C und eine latente Wärme von 124 kJ/kg); Wasser (z. B. Schmelztemperatur von 0 °C und eine latente Wärme von 334 kJ/kg); Paraffin (z. B. Schmelztemperatur von 60 °C und latente Wärme von 220 kJ/kg); Salze (z. B. NaNO₃; Schmelztemperatur von 306 °C und latente Wärme von 114 kJ/kg); Erythrit (z. B. Schmelztemperatur von 118 °C und latente Wärme von 349 kJ/kg); oder Sr(OH)₂·8H₂O (z. B. Schmelztemperatur von 90 °C und latente Wärme von 375 kJ/kg).
In mindestens einer Ausführungsform kann das Wärmemanagementsystem (TMS) 10 eine oder mehrere Kühlmittelschleifen umfassen. Beispielsweise können wie in 1 gezeigt drei Kühlmittelschleifen 26, 28 und 30 vorhanden sein. Eine erste Kühlschleife 26, die als Kaltstart- oder Gefrierschutzschleife bezeichnet werden kann, kann Kühlmittel durch die Leitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 12 und die Thermalbatterie 24 zirkulieren lassen. Bei einer Ausführungsform sind der Brennstoffzellenstapel 12 und die Thermalbatterie 24 im Wesentlichen die einzigen thermischen Lasten auf der ersten Schleife 26. Hierin werden Komponenten wie Ventile, Sensoren und Pumpen nicht als thermische Lasten betrachtet, da sie keine signifikanten Mengen an Wärmenergie aus dem Kühlmittel absorbieren oder an es abgeben.
Eine zweite Schleife 28, die als Heizkern oder Kabinenschleife bezeichnet werden kann, kann Kühlmittel durch die Leitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 12, die Thermalbatterie 24 und einen Heizkern 32 zirkulieren lassen. In einer Ausführungsform sind der Brennstoffzellenstapel 12, die Thermalbatterie 24 und der Heizkern 32 im Wesentlichen die einzigen thermischen Lasten auf der zweiten Schleife 28. Der Heizkern 32 kann mit einer Klimaanlage des Fahrzeugs (z. B. eines Automobils, Boots, Flugzeugs etc.) verbunden oder gekoppelt sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 12 kein Fahrzeug antreibt, kann der Heizkern 32 mit einem anderen System, das überschüssige Wärme nutzen könnte, wie beispielsweise einem HVAC-System eines Gebäudes, verbunden sein.
Eine dritte Schleife 30, die als Wärmeabführung oder Kühlerkreislauf bezeichnet werden kann, kann Kühlmittel durch die Leitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 12, die Thermalbatterie 24 und einen Kühler oder Wärmetauscher 34 zirkulieren lassen. In einer Ausführungsform sind der Brennstoffzellenstapel 12, die Thermalbatterie 24 und der Kühler 34 im Wesentlichen die einzigen thermischen Lasten auf der dritten Schleife 30. Der Kühler oder Wärmetauscher 34 kann jede geeignete Vorrichtung zum Abführen von Wärme aus einem Kühlmittel sein. Beispielsweise kann der Kühler Rippen oder andere Komponenten mit hoher Oberfläche umfassen, die die Wärmeenergie von dem Kühlmittel auf die Umgebung übertragen. Der Kühler kann einen langen Kühlmittelweg wie etwa einen gewunden Kühlweg oder Serpentinen-Kühlweg umfassen, um die Kontaktzeit des Kühlmittels mit dem Kühler zu erhöhen.
Zusätzlich zu den oben erwähnten thermischen Lasten können zusätzliche Komponenten in einer oder mehreren Kühlmittelschleifen vorhanden sein. Die Temperatursensoren 36 können an einer oder mehreren Stellen innerhalb des TMS 10 angeordnet sein oder an diese gekoppelt sein. In einer Ausführungsform kann ein Temperatursensor 36 dazu ausgelegt sein, die Temperatur des Kühlmittels oder der Leitung 14, die das Kühlmittel leitet, an dem Einlass und dem Auslass irgendeiner oder aller der thermischen Lasten zu messen (z. B. indem sie an dem Einlass/Auslass oder einer nahe gelegenen Stelle angeordnet sind oder aus der Ferne daran gekoppelt sind). Beispielsweise können die Temperatursensoren 36 dazu ausgelegt sein, die Temperatur des Einlasses/Auslasses des Brennstoffzellenstapels 12, der Thermalbatterie 24, des Heizkerns 32 und/oder des Kühler 34 zu messen. In der gezeigten Ausführungsform können zwei Temperatursensoren 36 vorhanden sein, einer an dem Einlass 13 und einer an dem Auslass 15 des Brennstoffzellenstapels 12.
Andere Komponenten können auch In dem TMS 10 vorhanden sein, wie etwa Pumpen und Ventile. Die Anzahl der Pumpen kann in Abhängigkeit von der Konfiguration und Größe des TMS 10, wie etwa von der Länge der Leitung 14, variieren. In einer Ausführungsform kann das TMS 10 mindestens eine Pumpe 38 umfassen, die eine elektrische Pumpe sein kann. In dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst das TMS 10 zwei Pumpen 38. Eine Pumpe 38 kann nahe dem Einlass 13 des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet sein. Diese Pumpe 38 kann daher in allen drei Schleifen 26, 28, 30 positioniert sein. Eine zweite Pumpe 38 kann dem Kühler 34 vorgeschaltet angeordnet sein. Diese Pumpe kann nur in der dritten Schleife 30 positioniert sein und kann bei der Überwindung der Durchflussbehinderung durch den Kühler 34 helfen. Jedoch können wie oben beschrieben zusätzliche Pumpen 38 innerhalb des TMS 10 angeordnet sein, um die Durchflussrate zu verbessern oder Durchflussbehinderungen zu überwinden, oder für einen beliebigen anderen Zweck.
Außerdem kann in einigen Ausführungsformen nur eine einzige Pumpe 38 vorhanden sein.
Ein oder mehrere Ventile 40 können in dem TMS 10 enthalten sein. Die Ventile 40 können den Durchfluss des Kühlmittels durch die Leitung 14 steuern und können steuern, welche thermische Last aktiv ist (z. B. Energie aus dem Kühlmittel absorbiert oder an dieses abgibt). Das eine oder die mehreren Ventile 40 können elektronisch gesteuerte Ventile sein, wie z. B. Magnetventile. Das eine oder die mehreren Ventile 40 können ein-, zwei-, drei-, vier- oder mehrwegig oder eine beliebige Kombination davon sein. Bei mindestens einer Ausführungsform kann ein Dreiwegeventil 42 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Thermalbatterie 24 angeordnet sein. Dieses Ventil kann steuern, ob Kühlmittel in der Leitung 14 durch die Thermalbatterie 24 wandert oder nicht.
Wenn bestimmt wird (nachfolgend näher beschrieben), dass Kühlmittel die Thermalbatterie 24 durchlaufen soll, kann das Ventil geöffnet werden, so dass das Kühlmittel zu dem Einlass 20 des Gehäuses 18, durch das PCM 16 und aus dem Auslass 22 des Gehäuses heraus fließt. Wenn bestimmt wird, dass Kühlmittel die Thermalbatterie 24 nicht durchlaufen soll, kann das Ventil die Leitung schließen, die zu dem Einlass 20 führt, und eine Leitung öffnen, die die Thermalbatterie 24 umgeht. Um einen umgekehrten Durchfluss zu vermeiden, können irgendwelche oder alle der Einlässe und Auslässe der thermischen Lastkomponenten in dem TMS 10 Einwegventile oder Rückschlagventile aufweisen.
Ein weiteres Dreiwegeventil 44 kann der Thermalbatterie nachgeschaltet angeordnet sein. Dieses Ventil kann steuern, welche Schleife(n) das Kühlmittel in der Leitung 14 durchlaufen kann. In der gezeigten Ausführungsform kann dieses Dreiwegeventil steuern, ob der Kühlmittelfluss durch die erste und die zweite Schleife 26, 28 oder durch die dritte Schleife 30 erfolgt. Wenn bestimmt wird, dass Kühlmittel durch die erste und/oder zweite Schleife 26, 28 laufen soll, kann sich das Ventil so öffnen, dass kein Kühlmittel durch den Kühler 34 fließt. Wenn bestimmt wird, dass Kühlmittel durch die dritte Schleife 30 laufen soll, kann sich das Ventil so öffnen, dass Kühlmittel durch den Kühler 34 fließt.
Die erste und die zweite Schleife 26, 28 können sich anfänglich die gleiche Leitung 14 teilen, aber es kann eine dem Dreiwegeventil 44 nachgeschaltete Aufteilung vorhanden sein, die die beiden Schleifen trennt. Die Aufteilung zwischen den beiden Schleifen kann ein Ventil aufweisen oder nicht. In der gezeigten Ausführungsform gibt es kein Ventil, und die erste und die zweite Schleife können parallel fließen. Es kann jedoch ein Ventil wie etwa ein Dreiwegeventil, das an der Aufteilung angeordnet ist, vorhanden sein, um zu steuern, ob der Durchfluss durch die erste Schleife 26, die zweite Schleife 28 oder beide erfolgt. Alternativ kann ein Vierwegeventil das Dreiwegeventil 44 ersetzen und die drei Schleifen können an dem Vierwegeventil voneinander getrennt werden (z. B. anstatt sich dieselbe Leitung zu teilen). Fachleute werden auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung verstehen, dass die genaue Konfiguration der Leitung 14 und der Ventile 40 in Abhängigkeit von der Konstruktion des TMS 10 variieren kann.
Zusätzlich zu Pumpen und Ventilen können andere Komponenten in dem TMS 10 vorhanden sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Öffnungsbeschränker 46 in der Leitung 14 angeordnet sein oder an ihr befestigt sein. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Öffnungsbeschränker in der Leitung 14 in der ersten Schleife 26 angeordnet oder an ihr befestigt. Dieser Beschränker kann die Durchflussrate durch die erste Schleife 26 und die zweite Schleife 28, die einen Heizkern 32 darin aufweisen können, zumindest teilweise steuern. Der Öffnungsbeschränker kann dabei helfen, eine Durchflusserosion in dem System zu verhindern. Es kann auch eine Entgasungsflasche 48, die in dem TMS 10 enthalten ist, vorhanden sein und beispielsweise mit dem Kühler 34 gekoppelt sein. Die gezeigten und beschriebenen Komponenten sollen nicht beschränkend sein und andere Komponenten, die Teil von Kühlmittelsystemen sein können, können enthalten sein. Wie oben beschrieben können Fachleute angesichts der vorliegenden Offenbarung Komponenten des Systems basierend auf dem Fahrzeug und dem TMS-Entwurf neu anordnen oder neu konfigurieren.
Die Komponenten des TMS 10 können mit einem Controller verbunden oder mit diesem elektrisch gekoppelt sein. Zum Beispiel können der Brennstoffzellenstapel, der eine oder die mehreren Temperatursensoren, die eine oder die mehreren elektrischen Pumpen und das eine oder die mehreren Ventile mit einem Controller oder mehreren Controllern verbunden sein. Dementsprechend können die Temperatur, die Durchflussmenge oder andere Eigenschaften des Kühlmittels an verschiedenen Stellen innerhalb des Systems empfangen und durch den Controller verarbeitet/analysiert werden. Der Controller kann auch Informationen bezüglich Fahrzeugbetriebsbedingungen wie beispielsweise Geschwindigkeit oder Beschleunigung empfangen und/oder berechnen. Der Controller kann daher auf der Grundlage der empfangenen oder berechneten/geschätzten Informationen (z. B. basierend auf Modellen) bestimmte Parameter des TMS 10 und/oder des Brennstoffzellenstapels 12 berechnen.
Durch Berechnen oder Schätzen bestimmter Parameter des TMS 10 kann die Anzahl der Sensoren oder anderer Komponenten reduziert werden. Obwohl beispielsweise Temperatursensoren an dem Einlass und Auslass jeder thermischen Last in dem System angeordnet sein können, kann die Anzahl der Sensoren beispielsweise auf zwei Temperatursensoren an dem Einlass 13 und an dem Auslass 15 des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert werden (z. B. wie in 1 gezeigt). Die Temperatur des Kühlmittels an anderen Stellen des TMS 10 kann dann basierend auf anderen bekannten Werten oder Berechnungen geschätzt werden. Beispielsweise kann die Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Kühlers auf der Grundlage der Temperatur des Kühlmittels an dem Einlass/Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 und den Fahrzeugbetriebsbedingungen (z. B. wenn Kühlmittel eine dritte Schleife 30 durchläuft) berechnet oder geschätzt werden.
Die Innentemperatur des PCM 16, die als "Ladezustand" der Thermalbatterie 24 bezeichnet werden kann, kann auf ähnliche Weise basierend auf der Temperatur des Kühlmittels an dem Einlass/Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 und den Fahrzeugbetriebsbedingungen berechnet oder geschätzt werden (z. B. wenn Kühlmittel die erste Schleife 26 und/oder die zweite Schleife 28 durchläuft). Der Controller kann diese Werte basierend auf Modellen und auf Informationen wie beispielsweise thermischen (z. B. Wärmeleitfähigkeit, Schmelzwärme, Wärmekapazität usw.) und physikalischen (z. B. Größe, Form, Geometrie, Durchflussrate usw.) Eigenschaften des PCM 16, des Kühlmittels, der Leitung 14, des Heizkerns 32 und/oder des Kühlers 34 sowie Eigenschaften bezüglich der Wärmeabführung des Brennstoffzellenstapels 12 berechnen oder abschätzen. Dementsprechend können durch Überwachen einer kleinen Anzahl von Stellen (z. B. zwei oder drei) Temperaturen bei anderen Komponenten des TMS 10 genau abgeschätzt werden und die Anzahl der Sensoren kann reduziert werden. Eine Verringerung der Anzahl von Sensoren kann das TMS 10 weniger komplex, weniger voluminös und weniger kostspielig machen.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Schema einer Ausführungsform der Thermalbatterie 24 gezeigt. Wie oben beschrieben kann die Thermalbatterie 24 ein Gehäuse 18 aufweisen. Wie in 2 gezeigt kann das Gehäuse 18 zylindrisch sein, es kann jedoch auch jede andere geeignete Form aufweisen. Beispielsweise kann das Gehäuse 18 ein rechteckiges Prisma (z. B. kastenförmig) oder eine andere Art von Prisma sein oder es kann eine unregelmäßige Form aufweisen. Das Gehäuse 18 kann isoliert oder vakuumversiegelt sein, um Wärme-/Energieverlust oder -zuwachs von/in dem PCM zu verhindern, abhängig von dem Zustand des PCM. Das PCM 16 kann lose in dem Gehäuse 18 gelagert sein oder es kann in einem anderen Material eingekapselt sein. Wenn das PCM lose gelagert ist, können das PCM und die Gehäusematerialien so gewählt werden, dass zwischen ihnen keine Korrosion oder Verschlechterung stattfindet. Alternativ kann das Gehäuse 18 eine Auskleidung oder Beschichtung aufweisen, die eine Wechselwirkung mit dem PCM verhindert.
In anderen Ausführungsformen kann das PCM 16 innerhalb des Gehäuses 18 eingekapselt sein. In einer Ausführungsform kann es ein oder nur wenige (z. B. 2–4) PCM-Abteile oder -Einkapselungen geben, wobei eine relativ große Menge an PCM in jeder Verkapselung gespeichert ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das PCM in einer Vielzahl von kleineren Einkapselungen, beispielsweise mindestens 5, 10, 15, 25 oder 50 Einkapselungen, eingekapselt sein. Das eingekapselte PCM kann dann als Perlen oder Mikrokapseln bezeichnet werden. In jeder dieser Ausführungsformen kann das Einkapselungsmaterial irgendein Material sein, das mit dem PCM nicht reaktiv ist und zudem eine Schmelztemperatur aufweist, die höher die des PCM ist und höher als die maximale Temperatur des Kühlmittels, das in die Thermalbatterie 24 eintritt, ist. Das Einkapselungsmaterial kann ein Polymer, ein Metall oder eine Keramik sein. Bei mindestens einer Ausführungsform kann das Einkapselungsmaterial ein guter Wärmeleiter sein, um die Wärmeenergie von dem PCM zu dem Kühlmittel oder zurück zu übertragen. Das Verkapselungsmaterial kann starr oder flexibel sein.
Es können ein oder mehrere Rohre 50 vorhanden sein, die sich durch oder innerhalb des Gehäuses 18 erstrecken. Das Rohr 50 kann das Kühlmittel von dem Gehäuseeinlass (nicht gezeigt) aufnehmen und letztendlich zu dem Auslass (nicht gezeigt) transportieren. In 2 gibt es mehrere Rohre 50, die sich vertikal durch das Gehäuse 18 erstrecken. Dementsprechend kann das Kühlmittel auf mehrere Rohre aufgeteilt werden und dann rekombiniert werden, um aus dem Auslass transportiert zu werden. In anderen Ausführungsformen können ein einzelnes oder mehrere Rohre (z. B. 2–4) vorhanden sein, aber sie können durch das Gehäuse 18 winden, anstatt sich im Wesentlichen gerade durch es hindurch zu erstrecken. Beispielsweise können die Rohre einen gewundenen Pfad wie etwa eine Wicklung oder Serpentine aufweisen, auf dem sie kehrtmachen, um den Oberflächenkontakt des PCM (lose oder verkapselt) zu erhöhen. Daher können es die Rohre 50, ob durch viele Rohre oder durch gewunden Rohre (oder beides), dem Kühlmittel ermöglichen, länger auf das PCM einzuwirken, um Wärmeenergie zwischen dem Kühlmittel und dem PCM zu übertragen.
Obwohl mehrere Ausführungsformen der Thermalbatterie 24 gezeigt und beschrieben sind, können andere Konfigurationen vorgesehen sein. Zusätzliche Konfigurationen von Phasenwechselmaterialien und Thermalbatterien sind in den US-Patenten US 8661800 , das am 4. März 2014 erteilt wurde, US 8794195 , das am 5. August 2014 erteilt wurde; und US 8839613 , das am 23. September 2014 erteilt wurde, beschrieben, deren Offenbarungen hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden. Jeder Teil (oder alle) der dort offenbarten Phasenwechselmaterialsysteme kann in die vorliegende Offenbarung einbezogen werden.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Ablaufdiagramm 100 gezeigt, das ein Beispiel eines Algorithmus zum Betreiben des TMS 10 beschreibt. Die Schritte in dem Algorithmus 100 können durch einen oder mehrere Controller (z. B. einschließlich eines CPU/Mikroprozessors und eines Speichers) ausgeführt werden. Der Algorithmus kann in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. In Schritt 102 können die Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Kühlers und/oder die Innentemperatur des PCM geschätzt werden (z. B. durch den Controller). Wie oben beschrieben können diese Temperaturen basierend auf den durch Temperatursensoren gemessenen Einlass-/Auslasstemperaturen des Brennstoffzellenstapels sowie auf Fahrzeugbetriebsbedingungen und/oder anderen Faktoren geschätzt werden. Diese Werte können verwendet werden, um das Wärmesenkenpotential des TMS zu bestimmen, also beispielsweise die Menge an Wärme/Energie, die freigesetzt werden kann, um den Brennstoffzellenstapel aufzuheizen, oder die Menge an Wärme/Energie, die absorbiert oder von dem Brennstoffzellenstapel zu dem PCM und/oder dem Kühler gezogen werden kann.
In Schritt 104 können die Wärmeabführungsanforderungen des Systems bestimmt werden. Dies kann die Brennstoffzellen-Wärmebelastung, den Ladungszustand der Thermalbatterie (z. B. die Innentemperatur), die Anforderung aus dem Heizkern oder Anderes einschließen. Diese Werte können durch den Controller auf der Grundlage der physikalischen und thermischen Eigenschaften der Systemkomponenten, der Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels und der oben beschriebenen Temperaturdaten bestimmt werden.
In Schritt 106 wird eine Bestimmung vorgenommen (z. B. durch den Controller), ob eine positive Wärmeabführung erwünscht oder erforderlich ist. Eine positive Wärmeabführung kann gewünscht oder erforderlich sein, wenn der Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur oberhalb einer Zielbetriebstemperatur arbeitet, die die optimale Betriebstemperatur oder nahe/bei der maximalen Betriebstemperatur sein kann. Zum Beispiel kann die maximale oder obere Betriebstemperatur eines Wasserstoff-PEMFC etwa 95 °C betragen. Die maximale Temperatur kann jedoch je nach Brennstoffzellengestaltung variieren.
Wenn in Schritt 106 keine positive Wärmeabführung gewünscht oder erforderlich ist (z. B. negativer Wärmeabführungszustand), kann in Schritt 108 Wärme aus der Thermalbatterie abgegeben werden, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Anders ausgedrückt, wenn zusätzliche Wärmeenergie im Brennstoffzellenstapel erwünscht oder benötigt ist, wie z. B. während des Kaltstarts oder bei kalten Temperaturen, kann die Thermalbatterie zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Die Wärme oder Energie kann von der Thermalbatterie an den Brennstoffzellenstapel übertragen werden, indem Kühlmittel durch die Thermalbatterie, wo sie Wärme aus dem PCM aufnehmen kann, und dann durch den Brennstoffzellenstapel, wo die Wärme durch das Kühlmittel freigesetzt werden kann und durch den Stapel absorbiert werden kann, geleitet wird. Ein Beispiel für diese Übertragung von Kühlmittel ist oben und in 1 als die erste Schleife 26 beschrieben. Wenn der Brennstoffzellenstapel bei oder nahe der optimalen Temperatur arbeitet und keine zusätzliche Wärmeenergie benötigt oder keine Wärmeenergie abführen muss, kann der Algorithmus enden (z. B. kein Kühlmittelfluss).
Wenn in Schritt 106 eine positive Wärmeabführung gewünscht oder erforderlich ist (z. B. positiver Wärmeabführungszustand), dann kann in Schritt 110 bestimmt werden, ob die Thermalbatterie unter ihrer Ziel-Innentemperatur liegt (Ladezustand). Wenn dies der Fall ist, kann in Schritt 112 Wärmeenergie auf die Thermalbatterie übertragen werden, um deren Innentemperatur zu erhöhen oder die Thermalbatterie "aufzuladen". Dies kann auf ähnliche Weise wie in Schritt 108 durchgeführt werden, wobei Kühlmittel durch die Thermalbatterie und den Brennstoffzellenstapel übertragen wird. Im Unterschied zu Schritt 108 kann in Schritt 112 jedoch der Brennstoffzellenstapel die Wärmeenergie bereitstellen, die von dem Kühlmittel absorbiert wird, und das PCM kann die Wärmeenergie aus dem Kühlmittel absorbieren, wenn es darin zirkuliert.
Wenn die Thermalbatterie in Schritt 110 auf oder über ihrer Ziel-Innentemperatur liegt, kann in Schritt 114 bestimmt werden, ob der Kühler oder der Wärmetauscher die Wärmeabführungsanforderungen des Brennstoffzellenstapels erfüllen kann. Dies kann auf der Grundlage der bekannten Eigenschaften des Kühlers oder Wärmetauschers (z. B. Größe, Geometrie, thermische Eigenschaften), der Kühlmitteldurchflussrate, der Kühlmitteltemperatur, der aktuellen Temperatur des Kühlers oder anderen Faktoren bestimmt werden. Wenn der Kühler die Abführungsanforderungen nicht erfüllen kann, kann in Schritt 116 die überschüssige Wärmeenergie auf die Thermalbatterie übertragen werden. Dies kann erfolgen, indem mindestens ein Teil des Kühlmittels durch die Thermalbatterie transportiert wird, so dass das PCM etwas Wärmeenergie von der überschüssigen Wärme absorbieren kann, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird. Ein Beispiel für diese Übertragung von Kühlmittel ist oben und in 1 als dritte Schleife 30 beschrieben. Dies kann die Innentemperatur der Thermalbatterie auf über ihre Zieltemperatur erhöhen. Jedoch kann es einen Temperaturbereich geben, der oberhalb der Zieltemperatur aber unterhalb einer maximal akzeptablen Betriebstemperatur der Thermalbatterie liegt.
Wenn der Kühler oder Wärmetauscher die Wärmeabführungsanforderungen erfüllen kann, kann in Schritt 118 der Kühler verwendet werden, um die überschüssige Wärmeenergie aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen. Der Kühler kann verwendet werden, um die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte überschüssige Wärmeenergie zu verteilen. Dies kann durch Transport von Kühlmittel durch den Kühler und den Brennstoffzellenstapel, aber unter Umgehung der thermischen Batterie (z. B. unter Verwendung eines Dreiwegeventils), erfolgen. Ein Beispiel für diese Übertragung von Kühlmittel ist oben und in 1 als dritte Schleife 30 beschrieben.
In Schritt 120 kann bestimmt werden, ob der Kühler oder Wärmetauscher eine übermäßige Kühlkapazität oberhalb der aktuellen Wärmeabgabe des Brennstoffzellenstapels aufweist. Wenn dies nicht der Fall ist, kann der Algorithmus in Schritt 122 enden. Wenn eine übermäßige Kühlkapazität vorliegt, kann in Schritt 124 bestimmt werden, ob die Thermalbatterie Kühlung erfordert oder davon profitieren kann. Wie oben offenbart, kann die Thermalbatterie in bestimmten Situationen über ihre Ziel-Innentemperatur erwärmt werden, beispielsweise wenn der Kühler mit den Wärmeabführungsanforderungen des Brennstoffzellenstapels nicht umgehen kann. Wenn die Thermalbatterie keine Kühlung benötigt oder nicht von Kühlung profitiert, kann der Algorithmus in Schritt 126 enden. Wenn die Thermalbatterie jedoch eine Kühlung erfordert oder davon profitiert, kann in Schritt 128 die überschüssige Kühlkapazität des Kühlers verwendet werden, um die Thermalbatterie zu kühlen. Dies kann erfolgen, indem ermöglicht wird, dass Kühlmittel durch den Kühler und die Thermalbatterie fließt, beispielsweise durch die dritte Schleife 30.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Schritten kann dann, wenn an irgendeinem Punkt zusätzliche Wärme in der Fahrzeugkabine angefordert wird und überschüssige Wärmeenergie aus der Thermalbatterie, dem Brennstoffzellenstapel und/oder dem Kühler vorhanden ist, diese an den Heizkern in der TMS abgegeben werden. Der Heizkern kann mit einer Klimaanlage des Fahrzeugs verbunden oder gekoppelt sein, und die Wärmeenergie von den anderen Komponenten kann verwendet werden, um die Lufttemperatur der Fahrzeugkabine zu erhöhen. Ein Controller kann bestimmen, ob die Kabinentemperatur unter einer bestimmten Schwelle liegt, und wenn dies der Fall ist, kann er den Kühlmittelfluss in dem TMS so steuern, dass die Heizkerntemperatur erhöht wird. Dies kann verwendet werden, um die Kabine während des Anlaufens bei kalten Temperaturen zu erwärmen. Es kann auch verwendet werden, um herkömmliche Erwärmungsprozesse zu ergänzen oder zu ersetzen, sobald der Brennstoffzellenstapel bei oder oberhalb der optimalen Betriebstemperatur arbeitet. Im Allgemeinen kann der Fahrgastwärmebedarf im Vergleich zu den Spitzen-Brennstoffzellen-Wärmeabführungsanforderungen relativ klein sein. Daher kann in einigen Ausführungsformen die Wärmeabführung aus dem Heizkern vernachlässigt werden und der Controller verwendet sie vielleicht nicht als Steuereingabe oder Ziel.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Worte Worte der Beschreibung und nicht der Einschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Es wird ferner beschrieben:

A. Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer Schmelztemperatur von 50–120 °C aufweist; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt und den Wärmetauscher ausschließt; und eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt; wobei die erste und die zweite Kühlmittelschleife dazu ausgelegt sind, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen bzw. zu kühlen.
B. System nach A, das ferner eine dritte Kühlmittelschleife umfasst, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt, wobei die dritte Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, Wärme von der Thermalbatterie auf den Heizkern zu übertragen.
C. System nach A, das ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kühlmittels zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Auslasstemperatur des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittels zu messen, umfasst.
D. System nach C, wobei der erste und der zweite Temperatursensor die einzigen Kühlmitteltemperatursensoren in dem System sind.
E. System nach A, wobei das Material eine latente Schmelzwärme von mindestens 100 kJ/kg aufweist.
F. System nach A, das ferner eine erste Pumpe, die nur in der zweiten Kühlmittelschleife enthalten ist, und eine zweite Pumpe, die einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet angeordnet ist, umfasst.
G. System nach A, wobei die erste Kühlmittelschleife einen Öffnungsbegrenzer umfasst, der der Thermalbatterie nachgeschaltet und einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist.
H. System nach A, das ferner ein Dreiwegeventil umfasst, das der Thermalbatterie nachgeschaltet ist und dazu ausgelegt ist, Kühlmittel in die erste oder die zweite Kühlmittelschleife zu leiten.
I. System nach A, wobei die erste Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wenn er unter einer Zielbetriebstemperatur liegt, und den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn er über der Zielbetriebstemperatur liegt.
J. Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer latenten Schmelzwärme von mehr als 100 kJ/kg enthält; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt; eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt; und eine dritte Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt.
K. System nach J, das ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kühlmittels zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Auslasstemperatur des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittels zu messen, umfasst.
L. System nach J, wobei das Material in der Thermalbatterie eine Schmelztemperatur von 50–120 °C aufweist.
M. System nach J, das ferner eine erste Pumpe, die nur in der dritten Kühlmittelschleife enthalten ist, und eine zweite Pumpe, die einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet angeordnet ist, umfasst.
N. System nach J, wobei die erste Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wenn er unter einer Zielbetriebstemperatur liegt, und den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn er über der Zielbetriebstemperatur liegt.
O. System nach N, wobei die dritte Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn der Brennstoffzellenstapel oberhalb der Zielbetriebstemperatur liegt, und die Thermalbatterie zu kühlen, wenn sie oberhalb einer Zieltemperatur liegt.
P. Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie; und einen Prozessor, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um, basierend auf einem negativen Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von der Thermalbatterie auf den Brennstoffzellenstapel zu übertragen und um, basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf die Thermalbatterie zu übertragen, wenn die Thermalbatterie unter einer Zieltemperatur liegt.
Q. System nach P, wobei der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um Wärme von der Thermalbatterie auf den Wärmetauscher zu übertragen, wenn die Thermalbatterie oberhalb der Zieltemperatur liegt.
R. System nach P, wobei der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um, basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf den Wärmetauscher zu übertragen.
S. System nach R, wobei der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um, basierend auf einem positiven Wärmeabführungszustand des Brennstoffzellenstapels, Wärme von dem Brennstoffzellenstapel auf die Thermalbatterie zu übertragen, wenn die Thermalbatterie oberhalb einer Zieltemperatur liegt und der Wärmetauscher bei einer maximalen Kühlkapazität liegt.
T. System nach P, wobei der Prozessor ferner dazu ausgelegt ist, Kühlmittel zu leiten, um Wärme von der Thermalbatterie auf einen Heizkern einer Klimaanlage zu übertragen.

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

US 8661800 [0040]
US 8794195 [0040]
US 8839613 [0040]

Claims

Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer Schmelztemperatur von 50–120 °C aufweist; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt und den Wärmetauscher ausschließt; und eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt; wobei die erste und die zweite Kühlmittelschleife dazu ausgelegt sind, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen bzw. zu kühlen.
System nach Anspruch 1, das ferner eine dritte Kühlmittelschleife umfasst, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt, wobei die dritte Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, Wärme von der Thermalbatterie auf den Heizkern zu übertragen.
System nach Anspruch 1, das ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kühlmittels zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, eine Auslasstemperatur des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittels zu messen, umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Temperatursensor die einzigen Kühlmitteltemperatursensoren in dem System sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Material eine latente Schmelzwärme von mindestens 100 kJ/kg aufweist.
System nach Anspruch 1, das ferner eine erste Pumpe, die nur in der zweiten Kühlmittelschleife enthalten ist, und eine zweite Pumpe, die einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet angeordnet ist, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Kühlmittelschleife einen Öffnungsbegrenzer umfasst, der der Thermalbatterie nachgeschaltet und einem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Dreiwegeventil umfasst, das der Thermalbatterie nachgeschaltet ist und dazu ausgelegt ist, Kühlmittel in die erste oder die zweite Kühlmittelschleife zu leiten.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Kühlmittelschleife dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wenn er unter einer Zielbetriebstemperatur liegt, und den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, wenn er über der Zielbetriebstemperatur liegt.
Brennstoffzellen-Wärmemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Wärmetauscher; eine Thermalbatterie, die ein Material mit einer latenten Schmelzwärme von mehr als 100 kJ/kg enthält; eine erste Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel und die Thermalbatterie einschließt; eine zweite Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und einen Heizkern, der mit einer Klimaanlage verbunden ist, einschließt; und eine dritte Kühlmittelschleife, die den Brennstoffzellenstapel, die Thermalbatterie und den Wärmetauscher einschließt.