DE102017200389A1 - Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug und Steuerverfahren desselben - Google Patents

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Abstract

Ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst eine erste Leitung, die eine Kühlmittelpumpe und einen Brennstoffzellenstapel umfasst, eine zweite Leitung, die eine Kühlmittelheizvorrichtung und ein Phasenübergangsmaterial umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel, die Kühlmittelheizvorrichtung und das PCM angeordnet sind. eine dritte Leitung, die einen Kühler umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel und der Kühler angeordnet sind, und ein Öffnungs- und Schließventil, das jede der ersten Leitung, der zweiten Leitung und der dritten Leitung öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufes und des zweiten Kreislaufes zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung und des Kühlmittels unterzogen zu werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Steuerverfahren desselben.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle stellt eine Art von elektrischer Energieerzeugungsvorrichtung dar, die chemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion innerhalb eines Brennstoffzellenstapels umwandelt, anstatt die chemische Energie durch Verbrennung in Wärme zu ändern. Brennstoffzellen können verwendet werden, um kleine elektrische/elektronische Produkte, insbesondere tragbare Vorrichtungen, mit Strom zu versorgen, sowie Strom für industrielle Zwecke, Strom für Haushaltszwecke und Strom zum Antreiben von Fahrzeugen zu liefern.
  • Als ein Beispiel einer Brennstoffzelle umfasst eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cell - proton exchange membrane fuel cell - PEMFC), die als eine Energiequelle zum Antreiben eines Fahrzeugs untersucht worden ist, eine Membranelektrodenanordnung (MEA), in der Katalysatorelektrodenschichten, wo eine elektrochemische Reaktion auftritt, auf gegenüberliegenden Seiten einer Elektrolytmembran, wo sich Wasserstoffionen bewegen, angebracht sind, eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer - GDL), die Reaktionsgase gleichmäßig verteilt und elektrische Energie überträgt, ein Dichtungs- und Klemmmechanismus zum Aufrechterhalten der Luftdichtheit von Reaktionsgasen und einem Kühlmittel und einer geeigneten Kompression, und eine Bipolarplatte, die ermöglicht, dass sich die Reaktionsgase und das Kühlmittel bewegen.
  • In der Brennstoffzelle werden Wasserstoff als ein Brennstoff und Sauerstoff (Luft) als ein Oxidationsmittel an eine Anode bzw. eine Katode der MEA durch einen Strömungskanal der Bipolarplatte zugeführt und hierbei wird Wasserstoff an eine Anode zugeführt und Sauerstoff (Luft) wird an eine Katode zugeführt.
  • Der an die Anode zugeführte Wasserstoff wird in Wasserstoffionen (Protonen) (H+) und Elektronen (e-) zersetzt und nur die Wasserstoffionen durchlaufen selektiv die Elektrolytmembran, eine Kationenaustauschmembran, und werden an die Katode übertragen, während Elektronen an die Katode durch die GDL und die Bipolarplatte als Leiter übertragen werden.
  • In der Katode findet eine Reaktion statt, dass durch die Elektrolytmembran zugeführten Wasserstoffionen und durch die Bipolarplatte übertragenen Elektronen auf Sauerstoff in der an die Katode durch eine Luftversorgungsvorrichtung zugeführten Luft treffen, um Wasser zu erzeugen. Hierbei führt die Bewegung der Wasserstoffionen zu einem Fluss von Elektronen durch einen externen Leitungsdraht, um einen Strom zu erzeugen.
  • Ein in einem Fahrzeug angebrachtes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, eine Brennstoffversorgungsvorrichtung, die einem Brennstoff (Wasserstoff) an den Brennstoffzellenstapel zuführt, eine Luftversorgungsvorrichtung, die Sauerstoff in der Luft zuführt, ein Oxidationsmittel, das für eine elektrochemische Reaktion an dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist, und ein Wärme-Management-System (thermal management system - TMS), das Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels an die Außenseite des Systems abführt und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert/regelt.
  • Durch diese Anordnung wird in dem Brennstoffzellensystem Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion basierend auf Wasserstoff als ein Brennstoff und Sauerstoff in der Luft erzeugt und Wärme und Wasser werden als Reaktionsnebenprodukte abgeführt.
  • In dem Brennstoffzellensystem wird insbesondere Wärme als ein Reaktionsnebenprodukt erzeugt und somit ist eine den Stapel kühlende Kühlvorrichtung unbedingt erforderlich, um einen Temperaturanstieg des Stapels zu verhindern. Auch ist die dringlichste und zugleich schwierigste Thematik des Brennstoffzellensystems eine Strategie zur Sicherstellung der Kaltstartleistung und somit spielt das Wärme-Management-System eine entscheidende Rolle.
  • Ein Kühlmittel einer Wärme-Management-System- (TMS) Leitung dient als ein Kühlmedium, das einen Stapel kühlt, und ebenfalls als ein Wärmemedium zum raschen Auftauen eines Stapels, wenn es durch eine Heizvorrichtung schnell erwärmt wird und an den Stapel zum Zeitpunkt eines Kaltstarts zugeführt wird.
  • Hierbei erfordert das Brennstoffzellensystem jedoch einen langen Zeitraum für das Kaltstarten, was den Komfort für den Fahrer verschlechtert.
  • Auch weist das Brennstoffzellensystem des Standes der Technik einen komplizierten Kühlmittelkreis zum Gewährleisten der Kaltstartleistung auf und weist eine große Anzahl von in dem Kreis installierten Ventilen auf, was zu einem Aufbau des Systems führt, der kompliziert ist, der schwer ist und hohe Installationskosten aufweist.
  • Zusätzlich ist in dem Brennstoffzellensystem des Standes der Technik eine Zeit, dass ein Kühlmittel eine hohe Temperatur aufweist, um einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert zu erreichen, so kurz, dass eine Ausgangsleistung eines Stapels verringert wird.
  • Die Offenbarung dieses Abschnitts soll einen Hintergrund der Erfindung schaffen. Die Anmelderin weist daraufhin, dass dieser Abschnitt Informationen enthalten kann, die vor dieser Anmeldung verfügbar waren. Jedoch erkennt die Anmelderin durch Bereitstellung dieses Abschnitts nicht an, dass in diesem Abschnitt enthaltene Informationen einen Stand der Technik begründen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Herausforderungen zu lösen, während die Vorteile, die durch das Brennstoffzellensystem des Standes der Technik erreicht werden, intakt gehalten werden.
  • Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Struktur aufweist, die verbessert ist, um eine hohe Kaltstartleistung aufzuweisen, und ein Steuerverfahren/Regelverfahren desselben bereit.
  • Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Struktur aufweist, die verbessert ist, um eine Zeit zu verlängern, dass eine Temperatur eines Kühlmittels einen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, und ein Steuerverfahren/Regelverfahren desselben bereit.
  • Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Struktur aufweist, die verbessert ist, um einen Kreislauf eines Kühlmittels zu vereinfachen, und ein Steuerverfahren/Regelverfahren desselben bereit.
  • Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Struktur aufweist, die verbessert ist, um die Anzahl von in einem Kreislauf eines Kühlmittels angebrachten Ventilen zu minimieren, und ein Steuerverfahren/Regelverfahren desselben bereit.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug: Eine erste Leitung mit einer Kühlmittelpumpe und einem Brennstoffzellenstapel; eine zweite Leitung, die eine Kühlmittelheizvorrichtung und ein Phasenübergangsmaterial (phase change material) umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel, die Kühlmittelheizvorrichtung und das PCM angeordnet sind; eine dritte Leitung, die einen Kühler umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel und der Kühler angeordnet sind; und ein Öffnungs- und Schließventil, dass die erste Leitung, die zweite Leitung und die dritte Leitung jeweils öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufes und des zweiten Kreislaufes zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit der Kühlmittelheizvorrichtung und dem Kühlmittel unterzogen zu werden.
  • Die Kühlmittelheizvorrichtung kann aufweisen ein Heizungsgehäuse, das eingerichtet ist, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel dort hindurchströmt, und einen Heizungskern, der innerhalb des Heizungsgehäuses angebracht ist und das Kühlmittel erwärmt, und das PCM kann innerhalb des Heizungsgehäuses angebracht sein und kann mit dem Kühlmittel in Kontakt stehen.
  • Die Kühlmittelheizvorrichtung kann ferner ein Wärmerohr (Heat Pipe) aufweisen, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und den Heizungskern und das PCM thermisch verbindet.
  • Die Kühlmittelheizvorrichtung kann zumindest einen Heizungskern aufweisen, der auf der Basis der zweiten Leitung angeordnet ist, und das PCM kann angebracht sein, um zumindest einen Teil/Abschnitt des Heizungskerns und der zweiten Leitung zu umgeben.
  • Die Kühlmittelheizvorrichtung kann ferner eine Metallspule aufweisen, die um den Heizungskern und einen äußeren Umfangsabschnitt der zweiten Leitung gewickelt ist, um den Heizungskern und die zweite Leitung thermisch zu verbinden.
  • Das PCM kann eine Phasenübergangstemperatur aufweisen, die niedriger als ein vorgegebener Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Steuerverfahren/Regelverfahren des Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug, wie oben beschrieben: (a) wenn ein Fahrzeug in einem Zustand gestartet wird, in dem das Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine vorgegebene Kaltstarttemperatur ist, Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung unter Verwendung von dem Stapel abgegebener elektrische Energie und Speichern der von der Kühlmittelheizvorrichtung abgegebenen Wärme in dem PCM; und (b) wenn eine Temperatur des PCM auf die Phasenübergangstemperatur oder mehr erhöht wird, Zirkulieren/Umwälzen des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (a).
  • Das Steuerverfahren/Regelverfahren kann ferner umfassen: (c) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Normalzustand betrieben wird, Zirkulieren/Umwälzen des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b).
  • Das Steuerverfahren/Regelverfahren kann ferner umfassen: (d) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Hochleistungszustand betrieben wird, Zirkulieren/Umwälzen des Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b); und (e) wenn eine Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, Zirkulieren/Umwälzen des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (d), wobei die Phasenübergangstemperatur des PCM niedriger als der Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist.
  • Wenn Operation (d) durchgeführt wird, kann die Kühlmittelpumpe mit einer vorgegebenen maximalen Leistung/Ausgangsleistung betätigt/betrieben werden.
  • Figurenliste
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
    • 1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2A und 2B zeigen Ansichten, die ein Verfahren zum Koppeln eine Kühlmittelheizvorrichtung und eines Phasenübergangmaterials (PCM), dargestellt in 1, darstellen.
    • 3 zeigt eine Ansicht, die ein weiteres Verfahren zum Koppeln einer Kühlmittelheizvorrichtung und eines PCM, dargestellt in 1, darstellt.
    • 4A und 4B zeigen Ansichten, die ein weiteres Verfahren zum Koppeln einer Kühlmittelheizvorrichtung und eines PCM, dargestellt in 1, darstellen.
    • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren des in 1 dargestellten Wärme-Management-Systems darstellt.
    • 6 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren des in 6 dargestellten Wärme-Management-Systems darstellt.
    • 8 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer dritten Ausführung vom der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 10 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren des in 10 dargestellten Wärme-Management-Systems darstellt.
    • 12 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es sollte beachtet werden, dass Begriffe/Ausdrücke oder Wörter, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, nicht im Sinne eines Wörterbuchs oder ihrem gewöhnlichen Sinn verstanden werden sollten und so ausgelegt werden sollten, dass sie Bedeutungen und Begrifflichkeiten aufweisen, die mit der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung übereinstimmen, basierend auf dem Grundsatz, dass der Erfinder das Konzept eines jeden Begriffs zum bestmöglichen Beschreiben der vorliegenden Offenbarung in geeigneter Weise definieren kann. Die Ausführungsform, die in der vorliegenden Offenbarung und der in den Zeichnungen dargestellten Konfiguration/Anordnung beschrieben wird, stellt lediglich die am meisten bevorzugte Ausführung der vorliegenden Offenbarung dar, anstatt alle technischen Konzepte der vorliegenden Offenbarung darzustellen, so dass die vorliegende Offenbarung alle Modifikationen/Änderungen, Ähnlichkeiten und Alternativen abdecken soll, die in der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Offenbarung umfasst sind.
  • Eine Größe jeder Komponente oder eines jede Komponente bildenden bestimmten Teils, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind zum besseren Verständnis und zum Zwecke der Klarheit übertrieben dargestellt, ausgeschlossen oder vereinfacht. Demzufolge spiegelt die Grüße jeder Komponente nicht vollständig eine tatsächliche Größe wieder. Auch kann jegliche Erläuterung des Standes der Technik, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung bekannt ist, weggelassen werden, wenn sie derart angesehen wird, dass sie den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unklar werden lässt.
  • 1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Wärme-Management-System 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfassen eine erste Leitung 10 bis vierte Leitung 40, die verbunden und getrennt werden, um einen ersten Kreislauf 130 bis dritten Kreislauf 150 zu bilden, in denen ein Kühlmittel zirkuliert, und ein Öffnungs- und Schließventil 50, dass die erste Leitung 10 bis vierte Leitung 40 öffnet und schließt.
  • Die erste Leitung 10 kann umfassen eine Kühlmittelpumpe 60, die ein Kühlmittel pumpt, und einen Brennstoffzellenstapel 70 (nachfolgend als „Stapel“ bezeichnet), der Elektrizität erzeugt. Ein Ende der ersten Leitung 10 ist mit einem ersten Anschluss 52 des Öffnungs- und Schließventils 50 verbunden (was nachfolgend beschrieben wird). Das andere Ende der ersten Leitung 10 ist mit einem Ende der zweiten Leitung 20 verbunden (was nachfolgend beschrieben wird). Die Kühlmittelpumpe 60 und der Stapel 70 sind derart angeordnet, so dass ein durch die Kühlmittelpumpe 60 gepumptes Kühlmittel in den Stapel 70 eingeführt wird. Auch sind vorzugsweise ein Temperatursensor 11, der eine Temperatur eines Kühlmittels misst, ein Drucksensor 12, der einen Druck eines Kühlmittels misst, und ein Leitfähigkeitssensor 13, der eine Leitfähigkeit eines Kühlmittels misst, zwischen der Kühlmittelpumpe 60 und dem Stapel 70 angebracht, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
  • Die zweite Leitung 20 kann umfassen eine Kühlmittelheizvorrichtung 80, die ein Kühlmittel erwärmt, und ein Phasenübergangsmaterial (phase change material - PCM) 90, das von der Kühlmittelheizvorrichtung 80 oder einem Kühlmittel übertragene Wärme speichert oder gespeicherte Wärme an ein Kühlmittel überträgt. Die Kühlmittelheizvorrichtung 80 ist vorzugsweise eine integrierte Kathoden-Sauerstoffverarmungs- (cathode oxygen depletion - COD) Heizvorrichtung, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Ein Ende der zweiten Leitung 20 ist mit einem Ende der ersten Leitung 10 verbunden und das andere Ende der zweiten Leitung 20 ist mit einem zweiten Anschluss 54 (nachfolgend beschrieben) des Öffnungs- und Schließventils 50 verbunden. Wenn die zweite Leitung 20 auf diese Weise installiert/angebracht ist, wird der erste Kreislauf 130 wie in 1 dargestellt gebildet, in dem die Kühlmittelpumpe 60, der Stapel 70, die Kühlmittel Heizvorrichtung 80 und das PCM 90 angeordnet sind.
  • [Tabelle 1]
    First Loop (130) Second Loop (140) Third Loop (150)
    Temperatursensor (11) X X
    Drucksensor (12) X X
    Leitfähigkeitssensor (13) X X
    Kühlmittelpumpe (60) X X X
    Brennstoffzellenstapel (70) X X
    Kühlmittelheizung (80) X
    PCM (90) X
    Kühler (100) X
    Fahrzeuginnenraumheizung (110) X
    Ionenfilter (120) X
  • Tabelle 1 gibt die Komponenten an, die durch die jeweiligen Kreisläufe in 1 verbunden sind.
  • 2A und 2B zeigen Ansichten, die ein Verfahren zum Koppeln einer Kühlmittelheizvorrichtung und eines Phasenübergangmaterials (PCM), dargestellt in 1, darstellen, und 3 zeigt eine Ansicht, die ein weiteres Verfahren zum Koppeln einer Kühlmittelheizvorrichtung und eines PCM, dargestellt in 1, darstellt, und 4A und 4B zeigen Ansichten, die ein weiteres Verfahren zum Koppeln einer Kühlmittelheizvorrichtung und eines PCM, dargestellt in 1, darstellen.
  • Das PCM 90 ist angebracht/installiert, um einem Wärmeaustausch mit einem durch die Kühlmittelheizung 80 und die zweite Leitung 20 hindurchströmenden Kühlmittel unterzogen zu werden.
  • Beispielsweise kann, wie 2A und 2B dargestellt, die Kühlmittelheizvorrichtung 80 umfassen eine Mehrzahl von Heizungskernen 82, die auf der Basis der zweiten Leitung 20 angeordnet sind, und eine Metallspule 84, die die Heizungskerne 82 mit der zweiten Leitung 20 und dem PCM 90 thermisch verbindet. Das PCM 90 kann vorgesehen sein, um die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und die zweite Leitung 20 zu umgeben.
  • Die Heizungskerne 82 können in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sein, so dass die zweite Leitung 20 zwischen den Heizungskernen 82 angeordnet ist. Die Heizungskerne 82 können durch elektrische Energie betätigt werden, die von dem Stapel 70 und einer externen Stromquelle zugeführt wird. Die Metallspule 84 ist um die Heizungskerne 82 und einen äußeren Umfangsabschnitt der zweiten Leitung 20 gewickelt, um die Heizungskerne 82 und die zweite Leitung 20 thermisch zu verbinden. Die Metallspule 84 ist nicht speziell auf ein Material beschränkt und kann aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. Die Metallspule 84 kann einen Wärmeaustausch zwischen Kühlmitteln, die durch den Heizungskern 82, das PCM 90 und die zweite Leitung 20 strömen, beschleunigen.
  • Das PCM 90 ist vorgesehen, um zumindest einen Teil/Abschnitt des Heizungskerns 82 der Metallspule 84 und der zweiten Leitung 20 zu umgeben. Beispielsweise ist ein PCM-Paket/PCM-Pack 92 angebracht, so dass zumindest ein Teil des Heizungskerns 82, der Metallspule 84 und der zweiten Leitung 20 darin angeordnet ist, und das Innere des PCM-Packs 92 kann mit dem PCM 90 gefüllt/beladen sein. Dann kann auch ein zwischen dem Heizungskern 82, der Metallspule 84 und der zweiten Leitung 20 gebildeter Spalt mit dem PCM 90 gefüllt sein. Wie in 2A dargestellt, kann ein eine Temperatur des PCM 90 messender Temperatursensor 94 in dem PCM 90 angebracht sein.
  • Latente Wärme bezieht sich auf Wärme, die absorbiert oder freigesetzt wird, wenn ein bestimmtes Material seine Phase ändert, d.h. von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit (oder von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff) oder von einer Flüssigkeit zu einem Gas (oder von einem Gas zu einer Flüssigkeit) geändert wird. Latente Wärme ist relativ zu fühlbarer Wärme sehr groß, d.h., Wärme, die gemäß einer Temperaturänderung in einem Zustand absorbiert oder freigesetzt wird, in dem eine Phasenänderung bzw. ein Phasenübergang nicht erfolgt.
  • Das PCM ist ein Material, das zum Zwecke der Speicherung von Energie oder gleichmäßigen Aufrechterhaltung einer Temperatur unter Verwendung eines Wärmeabsorptions- oder Wärmeabgabeeffekts von latenter Wärme verwendet wird. Da eine Temperatur eines Phasenübergangs bzw. einer Phasenänderung, von latenter Wärme oder gleichen des PCM eindeutige Eigenschaften eines Materials darstellen, wird somit ein geeignetes PCM gemäß einem Verwendungszweck oder einer Nutzungsumgebung ausgewählt. Somit wird ein PCM, das als PCM 90 verwendet werden soll, unter Berücksichtigung eines Verwendungszwecks oder einer Nutzungsumgebung des PCM 90 ausgewählt.
  • Da das PCM 90 angebracht ist, um einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizung 80 und eines Kühlmittels unterzogen zu werden, wird das PCM 90 vorzugsweise als ein PCM ausgebildet, das in der Lage ist, eine Temperatur eines Kühlmittels bei einer Temperatur zu halten, die zum Betreiben des Stapels 70 geeignet ist. Das PCM 90 kann beispielsweise als ein PCM mit einer Phasenübergangstemperatur ausgebildet sein, die niedriger als ein vorgegebener Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist. Spezifische Beispiele des PCM, die als PCM 90 verwendet werden kann, sind in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]
    Name Schmelzpunkt (°C) Latente Wärme (KJ/Kg) Dichte von flüssiger Phase (Kg/m3) Spezifische Wärme von flüssiger Phase (KJ /Kg°C) Spezifische Wärme von fester Phase (KJ /Kg°C)
    SorbitanFettsäureester 64~68 38,5 1003,4 4,548 6,163
    Stearinsäure 70 327,1 794,2 3,92 3,19
    Cetearylalkohol 65 217,8 861,94 7,163 6,997
    Butylparaben 67~70 576,9 1059,14 7,235 3,414
    Butylmethoxydibenzoylmethan 81~84 140 1101,44 7,426 1,74
    Carnaubawachs 81~86 566,8 819,34 10,842 2,421
  • Das PCM 90 kann einem Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel in dem Prozess zum Durchlaufen/Durchströmen des Heizungskerns 82 und der zweiten Leitung 20 unterzogen werden. Das PCM 90 kann in dem Prozess zum Durchlaufen/Durchströmen der zweiten Leitung 20 zum Beispiel von dem Heizungskern 82 abgegebene/freigesetzte Wärme aufnehmen, Wärme von einem durch die zweite Leitung 20 hindurchströmenden Kühlmittel aufnehmen oder in einem Kühlmittel gespeicherte Wärme aufnehmen.
  • Wie in 2 dargestellt, kann die zweite Leitung 20 umfassen eine Mehrzahl von Abzweigrohren 22, die eingerichtet sind einen Innenraum des PCM-Pakets 92 zu durchdringen, eine Einlassöffnung 24, die ein Kühlmittel in dem Prozess zum Durchströmen der zweiten Leitung 20 zu den Abzweigrohr in 22 überträgt, und eine Auslassöffnung 26, die ein Kühlmittel, das durch die Abzweigrohre 22 geströmt ist, zu der zweiten Leitung 20 wieder zurück zu übertragen. Der Heizungskern 82, der Metallkern 84 und das PCM 90 können angebracht sein, um einem Wärmeaustausch mit den Abzweigrohren in 22 unterzogen zu werden. Wenn die Abzweigrohre 22 auf dies Weise hergestellt werden, wird ein Oberflächenbereich der zweiten Leitung 20, der einem Wärmeaustausch mit dem Heizungskern 82, der Metallspule 84 und dem PCM 90 unterzogen wird, erhöht, um den Wärmeaustausch zwischen dem Heizungskern 82, der Metallspule 84, der zweiten Leitung 20 und dem PCM 90 zu beschleunigen.
  • Beispielsweise kann wie in 3 dargestellt, die Kühlmittelheizvorrichtung 80 umfassen ein Heizungsgehäuse 86, das eingerichtet ist, so dass ein Kühlmittel dort hindurch strömen kann, und einen Heizungskern 82, der innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht ist und ein durch das Heizungsgehäuse 86 strömendes Kühlmittel erwärmt. Das PCM kann innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht sein.
  • Das Heizungsgehäuse 86 kann einen Einlass 86a und einen Auslass 86b, die mit der zweiten Leitung 20 verbunden sind, aufweisen. Dann kann ein Kühlmittel in dem Prozess zum Durchströmen der zweiten Leitung 20 in das Gehäuse 86 durch den Einlass 86a eingeführt werden, einem Wärmeaustausch mit dem Heizungskern 82 und dem PCM 90 unterzogen werden und anschließend wieder in die zweite Leitung 20 durch den Auslass 86b eingeführt werden. Der Heizungskern 82 ist in einem Innenraum des Heizungsgehäuses 86 angebracht, um ein durch das Heizungsgehäuses 86 strömendes Kühlmittel zu erwärmen.
  • Das PCM 90 ist innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht, so dass es mit einem das Heizungsgehäuse 86 durchströmenden Kältemittel thermischen Kontakt stehen kann. Beispielsweise kann das PCM 90 in das PCM-Paket 92 eingebracht werden und das PCM-Paket 92 kann innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht werden. Das PCM 90 kann dann direkt einem Wärmeaustausch mit einem durch das Heizungsgehäuse 86 strömenden Kühlmittel unterzogen werden. Auch kann das PCM 90 indirekt einem Wärmeaustausch mit dem Heizungskern 82 durch das Medium eines durch das Heizungsgehäuses 86 strömenden Kühlmittels unterzogen werden. Das heißt, in dem Heizungskern 82 erzeugte Wärme wird an das PCM 90 aufgrund der innerhalb des Heizungsgehäuses 86 gebildeten natürlichen Konvektion des Kühlmittels übertragen.
  • Beispielsweise kann wie in 4A und 4B dargestellt, die Kühlmittelheizvorrichtung umfassen das Heizungsgehäuse 86, das eingerichtet ist, damit ein Kühlmittel dort hindurchströmen kann, den Heizungskern 82, der innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht ist und ein durch das Heizungsgehäuse 86 strömendes Kühlmittel erwärmt, und ein Wärmerohr 88, das den Heizungskern 82 und das PCM 90 thermisch verbindet. Das PCM 90 kann innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht sein.
  • Das Wärmerohr 88 kann innerhalb des Heizungsgehäuses 86 angebracht sein, so dass ein Ende desselben thermisch dem Heizungskern 82 verbunden ist und das andere Ende thermisch mit dem PCM 90 verbunden ist. Eine Anzahl von Anbringungen/Anordnungen des Wärmerohrs 88 ist nicht besonders begrenzt und zumindest ein Wärmerohr 88 kann in einem vorgegebenen Abstand angebracht sein. Das Wärmerohr 88 kann einen Wärmeaustausch zwischen dem Heizungskern 82 und dem PCM im Vergleich zu einem Fall, in dem der Heizungskern 20 und das PCM 90 thermisch direkt verbunden sind, beschleunigen, um Wärme von dem Heizungskern 82 zu dem PCM 90 durch das Medium eines Kühlmittels zu übertragen.
  • Die dritte Leitung 30 kann einen Kühler 100 aufweisen, der von einem Kühlmittel übertragene Wärme nach außen abgeleitet. Ein Ende der dritten Leitung 30 ist mit dem anderen Ende der ersten Leitung 10 und einem Ende der zweiten Leitung 20 verbunden und das andere Ende der vierten Leitung 40 ist mit einem dritten Anschluss 56 des Öffnungs- und Schließventils 60 (nachfolgend beschrieben) verbunden. Wenn die dritte Leitung 30 auf diese Weise angebracht ist, wird der zweite Kreislauf 140, in dem die Kühlmittelpumpe 60, der Stapel 70 und der Kühler 100 angeordnet sind, gebildet.
  • Die vierte Leitung 40 kann aufweisen eine Heizvorrichtung 110, die einen Innenraum eines Fahrzeugs unter Verwendung von Wärme erwärmt, das von einem Kühlmittel übertragen wird, und einen Ionenfilter 120, der in einem Kühlmittel umfasste Ionen entfernt. Ein Ende der vierten Leitung 40 ist mit einem bestimmten Punkt 14 der ersten Leitung 10 verbunden, der zwischen der Kühlmittelpumpe 60 und dem Stapel 70 angeordnet ist, und das andere Ende der vierten Leitung 40 ist mit einem vierten Anschluss 58 des Öffnungs-und Schließventils 60 verbunden (nachfolgend beschrieben). Wenn die vierte Leitung 40 auf diese Weise angebracht ist, wird der dritte Kreislauf 150, in dem die Kühlmittelpumpe 60, die Heizvorrichtung 110 und der Ionenfilter 120 angeordnet sind, gebildet.
  • Das Öffnungs-und Schließventil 50 kann aufweisen einen ersten Anschluss 52, der mit einem Ende der ersten Leitung 10 verbunden ist, einen zweiten Anschluss 54, der mit dem anderen Ende der zweiten Leitung 20 verbunden ist, einen dritten Anschluss 56, der mit dem anderen Ende der dritten Leitung 30 verbunden ist, und einen vierten Anschluss 58, der mit dem anderen Ende der vierten Leitung 40 verbunden ist. Eine Art von Ventilen, das als das Öffnungs-und Schließventil 50 verwendet werden kann, ist nicht besonders eingeschränkt und das Öffnungs-und Schließventil 50 kann als ein allgemein verwendetes 4-Wege-Ventil ausgebildet sein. Wie in 1 dargestellt, kann das Öffnungs-und Schließventil 50 wahlweise/selektiv den ersten Anschluss 52 bis vierten Anschluss 58 öffnen und schließen, um zu bewirken, dass ein von der Kühlmittelpumpe 60 gepumptes Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufs 130 bis dritten Kreislaufs 150 zirkuliert.
  • Die verschiedenen oben beschriebenen Sensoren können Abtastinformationen/Erfassungsinformationen an eine Steuerung eines Fahrzeugs übertragen und die Steuerung des Fahrzeugs kann verschiedene in dem Wärme-Management-System 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasste Elemente steuern/regeln, wie beispielsweise die Kühlmittelpumpe 60, den Stapel 70, die Kühlmittelheizvorrichtung 80, den Kühler 100, die Heizvorrichtung 110, das Öffnungs-und Schließventil 50 und dergleichen.
  • Nachfolgend wird ein Steuerverfahren des Wärme-Management-Systems 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
  • Wie in 5 dargestellt, kann das Steuerverfahren des Wärme-Management-Systems 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfassen einen Kaltstartbetrieb S10, einen normalen Fahrbetrieb/Normal-Fahrbetrieb S20 und einen Hochleistungs-Fahrbetrieb S30.
  • Zunächst kann der Kaltstartbetrieb S10 umfassen einen Betrieb S12 zum Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung 80 unter Verwendung von elektrischer Energie, die von dem Stapel 70 abgegeben wird, und Speichern von Wärme, die von der Kühlmittelheizvorrichtung 80 in dem PCM 90 gespeichert wird, und einen Betrieb S14 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem ersten Kreislauf 130 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, wenn eine Temperatur des PCM 90 auf eine Phasenübergangstemperatur oder höher erhöht wird, nach dem Betrieb S12.
  • Der Betrieb S12 kann durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem Fall startet, in dem eine von dem Temperatursensor 11 gemessene Temperatur eines Kühlmittels niedriger als eine Kaltstarttemperatur ist. Im Betrieb S12, in einem Zustand, in dem eine Betätigung der Kühlmittelpumpe 60 gestoppt wird und ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 bis dritten Kreislauf 150 nicht zirkuliert wird, wird der Stapel 70 betrieben/in Gang gesetzt und die Kühlmittelheizung Richtung 80 wird unter Verwendung von elektrischer Energie betätigt, die von dem Stapel 70 abgegeben wird. Die Temperatur des Stapels 70 wird dann aufgrund der in dem Stapel 70 erzeugten Wärme erhöht und das PCM 90 speichert die von der Kühlmittelheizvorrichtung 80 erzeugte Wärme.
  • Der Betrieb S14 kann durchgeführt werden, wenn eine Temperatur der von dem Temperatursensor 94 gemessenen Temperatur auf eine Phasenübergangstemperatur oder mehr erhöht wird. In Betrieb S14 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt, um ein Kühlmittel zu pumpen, und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 zu zirkulieren/umzuwälzen. Dann wird die in dem PCM 90 gespeicherte Wärme in Betrieb S12 an ein durch die zweite Leitung 20 strömendes Kühlmittel übertragen und das Kühlmittel mit einer durch das PCM 90 erhöhten Temperatur wird an den Stapel 70 durch die erste Leitung 10 übertragen. Das heißt, die in dem PCM 90 gespeicherte Wärme wird an den Stapel 70 durch das Medium eines Kühlmittels übertragen. Somit kann das Wärme-Management-System 1 für Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die zum Kaltstarten des Stapels 70 benötigte Zeit verglichen mit einem Fall, in dem ein Kaltstarten unter Verwendung von nur der durch den Stapel 70 selbst erzeugten Wärme durchgeführt wird, reduzieren.
  • Danach kann der Normalfahrbetrieb S20 durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem vorgegebenen Normalzustand in Betrieb gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist. In dem Normalfahrbetrieb S20 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt, um ein Kühlmittel zu pumpen, und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 und dem zweiten Kreislauf 140 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu zirkulieren. Hierbei ist das Verteilungsverhältnis des Kühlmittels nicht besonders beschränkt und kann wahlweise gemäß einem Zustand des Stapels 70 angepasst/eingestellt werden.
  • Danach kann der Hochleistungs-Fahrbetrieb S30 durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem vorgegebenen Hochleistungszustand in Betrieb gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist. Der Hochleistungs-Fahrbetrieb S30 kann durchgeführt werden, nachdem das Kaltstarten beendet ist, und Betrieb S32 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf 140 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, wenn der Stapel 70 in dem vorgegebenen Hochleistungszustand in Gang gesetzt wird, und Betrieb S34 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem ersten Kreislauf 130 und dem zweiten Kreislauf 140 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, wenn eine Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, nach dem Betrieb S32 umfassen.
  • Der Betrieb S32 kann durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem Hochleistungszustand in Betrieb gesetzt wird, aber eine Temperatur des Kühlmittels den Kühlmittel-Grenzwert noch nicht erreicht. Im Betrieb S32 wird die Kühlmittelpumpe 60 mit einer maximalen Ausgangsleistung betätigt und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel nur in dem zweiten Kreislauf 140 zu zirkulieren. In einem Fall, in dem eine Temperatur des Kühlmittels den Kühlmitteltemperatur-Grenzwert noch nicht erreicht, ist das PCM 90 nicht in der Lage, Wärme von einem Kühlmittel wirksam zu speichern, und somit wird ein Kühlmittel nur an den Kühler 100 in einem Zustand konzentriert zugeführt, in dem die Pumpe 60 mit einer maximalen Ausgangsleistung betätigt wird, um eine Wärmeableitung durch den Kühler 100 zu maximieren.
  • Der Betrieb S34 kann durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem Hochleistungszustand in Betrieb gesetzt wird und eine Temperatur eines Kühlmittels den Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht. Im Betrieb S34 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird ebenfalls betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 und dem zweiten Kreislauf 140 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu zirkulieren. In Betrieb S34 wird ein Kühlmittel nicht in die zweite Leitung 20 eingeführt und somit wird das PCM 90 auf eine Temperatur abgekühlt, die unter einer Phasenübergangstemperatur liegt. In diesem Zustand, wenn ein Kühlmittel mit einer Temperatur, die auf den Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erhöht ist, in die zweite Leitung 20 eingeführt wird, wird ein durch die zweite Leitung 20 strömendes Kühlmittel auf die Phasenübergangstemperatur durch das PCM 90 gekühlt. Somit wird eine Temperatur eines in den Stapel 70 eingeführten Kühlmittels auf eine Temperatur unter dem Kühlmitteltemperatur-Grenzwert aufgrund einer solchen Kühlung verringert. Das Kühlen eines Kühlmittels unter Verwendung des PCM 90 kann fortgesetzt werden, bis ein Phasenübergang beziehungsweise eine Phasenänderung des PCM 90 abgeschlossen ist, wenn eine Temperatur des PCM 90 auf die Phasenübergangstemperatur oder höher erhöht wird. Somit kann das Wärme-Management-System 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Begrenzung eine Ausgangsleistung des Stapels 70 aufgrund einer hohen Temperatur eines Kühlmittels im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Kühlmittel nur unter Verwendung des Kühlers 100 gekühlt wird, minimieren.
  • Das Steuerverfahren des Wärme-Management-Systems 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ferner einen Betrieb für eine Rückgewinnung von regenerativer Energie zum Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung 80 unter Verwendung von unter Verwendung eines Motors zu rückgewonnener regenerativer Energie. Der Betrieb für eine Rückgewinnung von regenerativer Energie kann durchgeführt werden, wenn die regenerative Energie nicht mehr in einer elektrischen/elektronischen Komponente gespeichert oder zugeführt werden kann. In dem Betrieb für eine Rückgewinnung von regenerativer Energie wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt, die Kühlmittelheizvorrichtung 80 wird unter Verwendung von regenerativer Energie betätigt und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 und dem zweiten Kreislauf 140 zu zirkulieren. Dann kann die regenerative Energie an den Stapel 70 übertragen werden oder kann in dem PCM 90 wärmegespeichert werden.
  • [0036] 6 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Eine Wärme-Management-System 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unterscheidet sich von dem Wärme-Management-System 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Einbauposition der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und des PCM 90.
  • Im Einzelnen, wie in 6 dargestellt, sind die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 in der ersten Leitung 10 angebracht, so dass die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 zwischen dem bestimmten Punkt 14, der mit einem Ende der vierten Leitung 40 verbunden ist, und der Kühlmittelpumpe 60 angeordnet sind. Das PCM 90 ist angebracht, um einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und eines durch die erste Leitung 10 strömenden Kühlmittels unterzogen zu werden.
  • [Tabelle 3]
    Erster Kreislauf (130) Zweiter Kreislauf (140) Dritter Kreislauf (150)
    Temperatursensor (11) X X
    Drucksensor (12) X X
    Leitfähigkeitssensor (13) X X
    Kühlmittelpumpe (60) X X X
    Brennstoffzellenstapel 70) X X
    Kühlmittelheizvorrichtung (80) X X X
    PCM (90) X X X
    Kühler (100) X
    Fahrzeuginnenraumheizung (110) X
    Ionenfilter (120) X
  • Tabelle 3 gibt die Komponenten an, die durch die jeweiligen Kreisläufe in 6 verbunden sind.
  • Nachstehend wird ein Steuerverfahren des Wärme-Management-Systems 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
  • Wie in 7 dargestellt, kann das Steuerverfahren des Wärme-Management-Systems 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Kaltstartbetrieb S110, einen normalen Fahrbetrieb/Normalfahrbetrieb S120 und einen Hochleistungs-Fahrbetrieb S130 umfassen.
  • Zunächst kann der Kaltstartbetrieb S110 umfassen einen Betrieb zum Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung 80 unter Verwendung von elektrischer Energie, die von dem Stapel 70 abgegeben wird, und Zirkulieren eines Kühlmittels in dem dritten Kreislauf 150 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, um von der Kühlmittelheizvorrichtung 80 abgegebene Wärme in dem PCM 90 in einem Fall zu speichern, in dem der Stapel 70 in einem Zustand gestartet wird, in dem ein Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine vorgegebene Kaltstarttemperatur ist, und einen Betrieb S114 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem ersten Kreislauf 130 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs-und Schließventils 50, wenn eine Temperatur des PCM 90 auf eine Phasenübergangstemperatur oder höher erhöht wird, nach dem Betrieb S112.
  • Der Betrieb S112 wird vorzugsweise durchgeführt, wenn der Stapel 70 in einem Zustand gestartet wird, in dem eine von dem Temperatursensor 11 gemessene Temperatur niedriger als eine Kaltstarttemperatur ist. Der Betrieb S112 ist der gleiche wie der oben beschriebene Betrieb S12, mit Ausnahme, dass ein Kühlmittel in dem dritten Kreislauf durch Betätigen der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50 zirkuliert wird. Gemäß dem Betrieb S112 wird die Temperatur des Stapels 70 aufgrund der durch den Stapel 70 selbst erzeugten Wärme erhöht und das PCM 90 speichert die durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 erzeugte Wärme.
  • Der Betrieb S114 wird vorzugweise in einem Fall durchgeführt, in dem eine von dem Temperatursensor 94 gemessene Temperatur des PCM erhöht ist, so dass sie gleich oder höher als eine Phasenübergangstemperatur ist. Der Betrieb S114 ist der gleiche wie der oben beschriebene Betrieb S14, in dem eine in dem PCM 90 gespeicherte Wärme an den Stapel 70 durch ein in dem ersten Kreislauf 130 strömendes Kühlmittel übertragen wird, um eine zum Kaltstarten benötigte Zeit zu reduzieren.
  • Der normale Fahrbetrieb S120 kann in einem Fall durchgeführt werden, in dem der Stapel 70 in einem vorgegebenen Normalzustand in Gang gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist. In dem normalen Fahrbetrieb S120 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt, um ein Kühlmittel zu pumpen, und das Öffnungs- und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 bis dritten Kreislauf 150 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu pumpen. Das Verteilungsverhältnis des Kühlmittels ist nicht besonders beschränkt und kann wahlweise gemäß einem Zustand des Stapels 70 angepasst/eingestellt werden.
  • Danach kann der Hochleistungs-Fahrbetrieb S130 in einem Fall durchgeführt werden, in dem der Stapel 70 in einem vorgegebenen Hochleistungszustand in Betrieb gesetzt wird, nachdem. das Kaltstarten abgeschlossen ist. In dem Hochleistungs-Fahrbetrieb S130 wird die Kühlmittelpumpe 60 mit einer maximalen Ausgangsleistung betätigt, um ein Kühlmittel zu pumpen, und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel nur in dem zweiten Kreislauf 140 zu zirkulieren. Dann kann eine Wärmeableitung des Kühlers 100 maximiert werden und ein Kühlmittel kann unter Verwendung des PCM 90 gekühlt werden. Somit kann, da ein Zeitpunkt, zu dem eine Temperatur eines Kühlmittels einen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, auf einen maximalen Wert bzw. eine maximale Höhe verzögert wird, eine Begrenzung der Ausgangsleistung des Stapels 70 aufgrund einer hohen Temperatur eines Kühlmittels verhindert werden.
  • 8 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer dritten Ausführung vom der vorliegenden Offenbarung.
  • Unter Bezugnahme auf 8 unterscheidet sich ein Wärme-Management-System 3 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu dem Wärme-Management-System 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Kopplungsbeziehung zwischen der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und dem PCM 90 und einer Einbaustruktur der vierten Leitung 40.
  • Im Einzelnen sind die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 separat vorgesehen und durch ein Wärmeaustauschelement 160 thermisch verbunden. Das Wärmeaustauschelement 160 kann beispielsweise eine Wärmeableitungsrippe sein. Die erste Leitung 10 ist vorgesehen, um durch das PCM 90 zu verlaufen. Die vierte Leitung 40 ist vorgesehen, so dass ein Ende derselben mit einem bestimmten Punkt 15 der ersten Leitung 10 verbunden ist, der zwischen der Kühlmittelpumpe 60 und dem PCM 90 angeordnet ist, und geht durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 durch. Das heißt, die erste Leitung 10 verläuft durch das PCM 90 und die vierte Leitung 40 verläuft durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80. Somit wird das PCM 90 einem Wärmeaustausch mit jedem eines die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und die erste Leitung 10 durchströmenden Kühlmittels unterzogen. [Tabelle 4]
    Erster Kreislauf (130) Zweiter Kreislauf (140) Dritter Kreislauf (150)
    Temperatursensor (11) X X
    Drucksensor (12) X X
    Leitfähigkeitssensor (13) X X
    Kühlmittelpumpe (60) X X X
    Brennstoffzellenstapel 70) X X
    Kühlmittelheizvorrichtung (80) X
    PCM (90) X X
    Kühler (100) X
    Fahrzeuginnenraumheizung (110) X
    Ionenfilter (120) X
  • Tabelle 4 gibt die Komponenten an, die durch die jeweiligen Kreisläufe in 8 verbunden sind.
  • In dem Wärme-Management-System 3 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, da die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 durch das Wärmeaustauschelement 160 thermisch verbunden sind, kann das Wärme-Management-System 3 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf die gleiche Weise gesteuert/geregelt werden wie die des Wärme-Management-Systems 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • 9 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Unter Bezugnahme auf 9 unterscheidet sich das Wärme-Management-System 4 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung von dem oben beschriebenen Wärme-Management-System 3 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Kopplungsbeziehung der Kühlmittelheizvorrichtung 80, dem PCM 90, der ersten Leitung 10 und der vierten Leitung 40.
  • Im Einzelnen sind die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 separat vorgesehen und durch ein Wärmeaustauschelement 170 thermisch verbunden. Das Wärmeaustauschelement 170 kann beispielsweise eine Wärmeableitungsrippe sein. Die erste Leitung 10 ist vorgesehen, um durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 zu verlaufen. Die vierte Leitung 40 ist vorgesehen, so dass ein Ende derselben mit einem bestimmten Punkt 60 der ersten Leitung 10 verbunden ist, der zwischen der Kühlmittelpumpe 60 und der Kühlmittelheizvorrichtung 80 angeordnet ist, und verläuft durch das PCM 90. Das heißt, die vierte Leitung 40 verläuft durch das PCM 90 und die erste Leitung 10 verläuft durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80. Somit kann das PCM 90 einem Wärmeaustausch mit jedem eines durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und die vierte Leitung 40 strömenden Kühlmittels unterzogen werden. [Tabelle 5]
    Erster Kreislauf (130) Zweiter Kreislauf (140) Dritter Kreislauf (150)
    Temperatursensor (11) X X
    Drucksensor (12) X X
    Leitfähigkeitssensor (13) X X
    Kühlmittelpumpe (60) X X X
    Brennstoffzellenstapel (70) X X
    Kühlmittelheizvorrichtung (80) X X
    PCM (90) X
    Kühler (100) X
    Fahrzeuginnenraumheizung (110) X
    Ionenfilter (120) X
  • Tabelle 5 gibt die Komponenten an, die durch die jeweiligen Kreisläufe in 9 verbunden sind.
  • In dem Wärme-Management-System 4 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann, da die Kühlmittelweg Vorrichtung 80 und das PCM thermisch durch das Wärmeaustauschelement 170 verbunden sind, dass Wärme-Management-System 4 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf dieselbe Weise wie die des Wärme-Management-Systems 2 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gesteuert/geregelt werden.
  • 10 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Unter Bezugnahme auf 10 unterscheidet sich ein Wärme-Management-System 5 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung von dem oben beschriebenen Wärme-Management-System 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Einbauposition der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und des PCM 90.
  • Im Einzelnen, wie in 10 dargestellt, sind die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 in der vierten Leitung 40 angebracht, um so neben einem vierten Anschluss 58 des Öffnungs-und Schließventils 50 relativ zu der Heizvorrichtung 10 angeordnet zu sein. Das PCM 90 ist eingerichtet, um einem Wärmeaustausch mit der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und einem durch die vierte Leitung 40 strömenden Kühlmittel unterzogen zu werden. [Tabelle 6]
    Erster Kreislauf (130) Zweiter Kreislauf (140) Dritter Kreislauf (150)
    Temperatursensor (11) X X
    Drucksensor (12) X X
    Leitfähigkeitssensor (13) X X
    Kühlmittelpumpe (60) X X X
    Brennstoffzellenstapel (70) X X
    Kühlmittelheizvorrichtung (80) X
    PCM (90) X
    Kühler (100) X
    Fahrzeuginnenraumheizung (110) X
    Ionenfilter (120) X
  • Tab. 6 gibt die Komponenten an, die durch die jeweiligen Kreisläufe in 10 verbunden sind.
  • Nachfolgend wird ein Steuerverfahren eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
  • Wie in 11 dargestellt, kann das Steuerverfahren eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Kaltstartbetrieb S210, einen normalen Fahrbetrieb S220 und einen Hochleistungs-Fahrbetrieb S230 umfassen.
  • Zunächst kann der Kaltstartbetrieb S210 umfassen einen Betrieb S212 zum Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung 80 unter Verwendung von elektrischer Energie, die von dem Stapel 70 abgegeben wird, und Zirkulieren eines Kühlmittels in dem dritten Kreislauf 150 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, um von der Kühlmittelheizvorrichtung 80 abgegebene Wärme in dem PCM 90 zu speichern, und einen Betrieb S214 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem ersten Kreislauf 130 und dem dritten Kreislauf 150 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50 in einem Fall, in dem eine Temperatur des PCM 90 auf eine Phasenübergangstemperatur oder höher erhöht wird, nach dem Betrieb S212.
  • Der Betrieb S212 wird vorzugsweise durchgeführt, wenn der Stapel 70 in einem Zustand gestartet wird, in dem eine durch den Temperatursensor 11 gemessene Temperatur niedriger als eine Kaltstarttemperatur ist. Der Betrieb S212 ist der gleiche wie der oben beschriebene Betrieb S12, mit Ausnahme, dass ein Kühlmittel in dem dritten Kreislauf 150 durch Betätigen der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50 zirkuliert wird. Gemäß dem Betrieb S212 wird die Temperatur des Stapels 70 aufgrund der von dem Stapel 70 selbst erzeugten Wärme erhöht und das PCM 90 speichert die durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 erzeugte Wärme.
  • Der Betrieb S214 wird vorzugweise in einem Fall durchgeführt, in dem eine durch den Temperatursensor 94 gemessene Temperatur des PCM 90 erhöht ist, so dass sie gleich oder höher als eine Phasenübergangstemperatur ist. Der Betrieb S214 ist der gleiche wie der oben beschriebene Betrieb S14, mit Ausnahme, dass ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 130 und dem dritten Kreislauf 150 zirkuliert wird, um in dem PCM 90 gespeicherte Wärme an den Stapel 70 durch ein in dem ersten Kreislauf 130 strömendes Kühlmittel zu übertragen. Gemäß dem Betrieb S214 wird die Temperatur des Stapels 70 aufgrund der von dem Stapel 70 selbst erzeugten Wärme erhöht und das PCM 90 speichert die durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 erzeugte Wärme.
  • Der normale Fahrbetrieb S220 kann in einem Fall durchgeführt werden, in dem der Stapel 70 in einem vorgegebenen Normalzustand in Betrieb gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist. In dem normalen Fahrbetrieb S220 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt, um ein Kühlmittel zu pumpen, und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem ersten Kreislauf 150 bis dritten Kreislauf 150 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu zirkulieren. Das Verteilungsverhältnis des Kühlmittels ist nicht besonders beschränkt und kann gemäß einem Zustand des Stapels 70 wahlweise eingestellt/angepasst werden.
  • Danach kann der Hochleistungs-Fahrbetrieb S230 in einem Fall durchgeführt werden, in dem der Stapel 70 in einem vorgegebenen Hochleistungszustand in Gang gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist. Der Hochleistungs-Fahrbetrieb S230 kann umfassen einen Betrieb S232 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf 140 unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50 in einem Fall, in dem der Stapel 70 in einem vorgegebenen Hochleistungszustand im Betrieb gesetzt wird, nachdem das Kaltstarten abgeschlossen ist, und einem Betrieb S234 zum Zirkulieren eines Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf 140 und dem dritten Kreislauf 150 in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 60 und des Öffnungs-und Schließventils 50, wenn eine Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, nach dem Betrieb S232.
  • Der Betrieb S232 kann durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem Hochleistungszustand in Gang gesetzt wird, aber eine Temperatur des Kühlmittels den Kühlmitteltemperatur-Grenzwert noch nicht erreicht. In dem Betrieb S232 wird die Kühlmittelpumpe 60 mit einer maximalen Ausgangsleistung betätigt und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel nur in dem zweiten Kreislauf 140 zu zirkulieren. Somit kann in einem Zustand, in dem die Kühlmittelpumpe 60 mit einer maximalen Ausgangsleistung betätigt wird, ein Kühlmittel konzentriert nur an den Kühler 100 zugeführt werden, um eine Wärmeableitung des Kühlers 100 zu maximieren.
  • Der Betrieb S234 kann durchgeführt werden, wenn der Stapel 70 in einem Hochleistungszustand in Gang gesetzt wird und eine Temperatur eines Kühlmittels einen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht. In dem Betrieb S234 wird die Kühlmittelpumpe 60 betätigt und das Öffnungs-und Schließventil 50 wird betätigt, um ein Kühlmittel in dem zweiten Kreislauf 140 und dem dritten Kreislauf 150 in einem vorgegebenen Verteilungverhältnis zu zirkulieren. In dem Betrieb S234 wird, da ein Kühlmittel nicht in die vierte Leitung 40 eingeführt wird, das PCM 90 unterhalb eine Phasenübergangstemperatur abgekühlt. In diesem Zustand, wenn ein Kühlmittel mit einer auf einen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erhöhte Temperatur in die vierte Leitung 40 eingeführt wird, wird das durch die vierte Leitung 40 strömende Kühlmittel auf die Phasenübergangstemperatur durch das PCM 90 abgekühlt. Somit kann das Wärme-Managements-System 5 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Begrenzung der Ausgangsleistung des Stapels 70 aufgrund einer hohen Temperatur eines Kühlmittels im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Kühlmittel nur unter Verwendung des Kühlers 100 gekühlt wird, minimieren.
  • 12 zeigt eine konzeptionelle Ansicht eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Ein Wärme-Management-System 6 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unterscheidet sich von dem Wärme-Management-System 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Einbauposition der Kühlmittelheizvorrichtung 80 und dem PCM 90.
  • Im Einzelnen können die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 in der dritten Leitung 30 angebracht sein, so dass die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und das PCM 90 zwischen dem Kühler 100 und dem dritten Anschluss 56 des Öffnungs-und Schließventils 50 angeordnet sind. Das PCM 90 wird einem Wärmeaustausch mit einem durch die Kühlmittelheizvorrichtung 80 und die dritte Leitung 30 strömenden Kühlmittel unterzogen.
  • Das Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug und das Steuerverfahren desselben gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weist die folgenden Vorteile auf.
  • Zunächst wird in der vorliegenden Offenbarung, um ein Kaltstarten durchzuführen, durch die Kühlmittelheizvorrichtung erzeugte Wärme in dem PCM gespeichert und an den Stapel durch ein Kühlmittel zugeführt, und somit kann eine zum Kaltstarten benötigte Zeit reduziert werden, verglichen mit einem Fall, in dem das Kaltstarten nur unter Verwendung der von dem Stapel selbst erzeugten Wärme durchgeführt wird.
  • Zweitens wird in der vorliegenden Offenbarung in dem Fall eines Hochleistungs-Fahrbetriebs Wärme eines Kühlmittels jeweils zu dem Kühler und dem PCM übertragen, um eine Zeit zu verzögern, dass eine Temperatur des Kühlmittels einen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, und somit wird eine Begrenzung der Ausgangsleistung des Stapels aufgrund einer hohen Temperatur des Kühlmittels minimiert.
  • Drittens kann in der vorliegenden Offenbarung ein zum Kaltstarten benötigter Kreislauf eines Kühlmittels vereinfacht werden und die Anzahl von installierten/eingebauten Ventilen zum Einstellen eines Durchflusses eines Kühlmittels kann reduziert werden.
  • Vorstehend, obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, sondern kann durch einen Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem die vorliegende Offenbarung gehört, auf verschiedene Weise modifiziert und verändert werden, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung, die in den folgenden Ansprüchen beansprucht wird, abzuweichen.
  • Bezugszeichen von jedem der Elemente in den Figuren
    • 1, 2, 3, 4, 5, 6:
    Wärme-Management-System
    10:
    Erste Leitung
    11:
    Temperatursensor
    12:
    Drucksensor
    13:
    Leitfähigkeitssensor
    20:
    Zweite Leitung
    22:
    Abzweigrohre
    24:
    Einlassöffnung
    26:
    Auslassöffnung
    30:
    Dritte Leitung
    40:
    Vierte Leitung
    50:
    Öffnungs- und Schließventil
    52:
    Erster Anschluss
    54:
    Zweiter Anschluss
    56:
    Dritter Anschluss
    58:
    Vierter Anschluss
    60:
    Kühlmittelpumpe
    70:
    Brennstoffzellenstapel
    80:
    Kühlmittelheizvorrichtung
    82:
    Heizungskerne
    84:
    Metallspule
    86:
    Heizungsgehäuse
    86a:
    Einlass
    86b:
    Auslass
    88:
    Wärmerohr
    90:
    PCM
    92:
    PCM-Paket
    94:
    Temperatursensor
    100:
    Kühler
    110:
    Heizvorrichtung
    120:
    Ionenfilter
    130:
    Erste Kreislauf
    140:
    Zweiter Kreislauf
    150:
    Dritter Kreislauf

Claims (20)

  1. Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das Wärme-Management-System aufweisend: eine erste Leitung, die eine Kühlmittelpumpe und einen Brennstoffzellenstapel umfasst; eine zweite Leitung, die eine Kühlmittelheizvorrichtung und ein Phasenübergangsmaterial umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel, die Kühlmittelheizvorrichtung und das PCM angeordnet sind; eine dritte Leitung, die einen Kühler umfasst und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel und der Kühler angeordnet sind; und ein Öffnungs- und Schließventil, das jede der ersten Leitung, der zweiten Leitung und der dritten Leitung öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufes und des zweiten Kreislaufes zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung und des Kühlmittels unterzogen zu werden.
  2. Wärme-Management-System nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelheizvorrichtung aufweist ein Heizungsgehäuse, das eingerichtet ist, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel dort hindurchströmt, und einen Heizungskern, der innerhalb des Heizungsgehäuses angebracht ist und das Kühlmittel erwärmt, und das PCM innerhalb des Heizungsgehäuses angebracht ist und mit dem Kühlmittel in Kontakt steht.
  3. Wärme-Management-System nach Anspruch 2, wobei die Kühlmittelheizvorrichtung ferner ein Wärmerohr aufweist, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und den Heizungskern und das PCM thermisch verbindet.
  4. Wärme-Management-System nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelheizvorrichtung zumindest einen Heizungskern aufweist, der auf der Basis der zweiten Leitung angeordnet ist, und das PCM angebracht ist, um zumindest einen Abschnitt des Heizungskerns und der zweiten Leitung zu umgeben.
  5. Wärme-Management-System nach Anspruch 4, wobei die Kühlmittelheizvorrichtung ferner eine Metallspule aufweist, die um den Heizungskern und einen äußeren Umfangsabschnitt der zweiten Leitung gewickelt ist, um den Heizungskern und die zweite Leitung thermisch zu verbinden.
  6. Wärme-Management-System nach Anspruch 1, wobei das PCM eine Phasenübergangstemperatur aufweist, die niedriger als ein vorgegebener Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist.
  7. Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das Wärme-Management-System aufweisend: eine erste Leitung, die eine Kühlmittelpumpe, eine Kühlmittelheizvorrichtung, ein Phasenübergangsmaterial (PCM) und einen Brennstoffzellenstapel umfasst; eine zweite Leitung, die mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel, die Kühlmittelheizvorrichtung, das PCM und der Brennstoffzellenstapel angeordnet sind; eine dritte Leitung, die einen Kühler aufweist und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, die Kühlmittelheizvorrichtung, das PCM, der Brennstoffzellenstapel und der Kühler angeordnet sind; eine vierte Leitung, die einen Ionenfilter aufweist und mit der ersten Leitung verbunden ist, um eine dritten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, zumindest eines aus der Kühlmittelheizvorrichtung und dem PCM und der Ionenfilter angeordnet sind; und ein Öffnungs- und Schließventil, das jede der ersten Leitung, der zweiten Leitung, der dritten Leitung und der vierten Leitung öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufes, des zweiten Kreislaufes und des dritten Kreislaufes zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung und des Kühlmittels unterzogen zu werden.
  8. Wärme-Management-System nach Anspruch 7, wobei die vierte Leitung eine Heizvorrichtung aufweist, wobei die vierte Leitung mit der ersten Leitung verbunden ist, so dass die Kühlmittelpumpe, zumindest eines aus der Kühlmittelheizvorrichtung und dem PCM, die Heizvorrichtung und der Ionenfilter in dem dritten Kreislauf angeordnet sind.
  9. Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das Wärme-Management-System aufweisend: eine erste Leitung, die eine Kühlmittelpumpe und einem Brennstoffzellenstapel umfasst; eine zweite Leitung, die mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe und der Brennstoffzellenstapel angeordnet sind; eine dritte Leitung, die einen Kühler aufweist und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Brennstoffzellenstapel Unterkühler angeordnet sind; eine vierte Leitung, die eine Kühlmittelheizvorrichtung, ein Phasenübergangsmaterial (PCM) und einen Ionenfilter aufweist und mit der ersten Leitung verbunden ist, um eine dritten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, die Kühlmittelheizvorrichtung, das PCM und der Ionenfilter angeordnet sind; und ein Öffnungs- und Schließventil, das jede der ersten Leitung, der zweite Leitung, der dritten Leitung und der vierten Leitung öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufs, des zweiten Kreislaufs und des dritten Kreislaufs zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung und des Kältemittels unterzogen zu werden.
  10. Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das Wärme-Management-System aufweisend: eine erste Leitung, die eine Kühlmittelpumpe und einem Brennstoffzellenstapel umfasst; eine zweite Leitung, die mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen ersten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe und der Brennstoffzellenstapel angeordnet sind; eine dritte Leitung, die einen Kühler, eine Kühlmittelheizvorrichtung und ein Phasenübergangsmaterial (PCM) aufweist und mit der ersten Leitung verbunden ist, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, in dem die Kühlmittelpumpe, der Stapel, der Kühler, die Kühlmittelheizvorrichtung und das PCM angeordnet sind, ein Öffnungs- und Schließventil, das jede der ersten Leitung, der zweite Leitung und der dritten Leitung öffnet und schließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in zumindest einem des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs zirkuliert, wobei das PCM eingerichtet ist, einem Wärmeaustausch mit jedem der Kühlmittelheizvorrichtung und des Kühlmittels unterzogen zu werden.
  11. Regelverfahren eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 1, das Regelverfahren aufweisend: (a) wenn ein Fahrzeug in einem Zustand gestartet wird, in dem das Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine vorgegebene Kaltstarttemperatur ist, Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung unter Verwendung von dem Stapel abgegebener elektrische Energie und Speichern der von der Kühlmittelheizvorrichtung abgegebenen Wärme in dem PCM; und (b) wenn eine Temperatur des PCM auf die Phasenübergangstemperatur oder mehr erhöht wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (a).
  12. Regelverfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: (c) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Normalzustand be- trieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b).
  13. Regelverfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: (d) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Hochleistungszustand betrieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b); und (e) wenn eine Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (d), wobei die Phasenübergangstemperatur des PCM niedriger als der Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist.
  14. Regelverfahren nach Anspruch 13, wobei wenn Operation (d) durchgeführt wird, die Kühlmittelpumpe mit einer vorgegebenen maximalen Leistung betätigt wird.
  15. Regelverfahren eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 7, das Regelverfahren aufweisend: (a) wenn ein Fahrzeug in einem Zustand gestartet wird, in dem das Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine vorgegebene Kaltstarttemperatur ist, Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung unter Verwendung von dem Stapel abgegebener elektrische Energie und Zirkulieren des Kühlmittels in dem dritten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils, um die von der Kühlmittelheizvorrichtung abgegebene Wärme in dem PCM zu speichern; und (b) wenn eine Temperatur des PCM auf die Phasenübergangstemperatur oder mehr erhöht wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (a).
  16. Regelverfahren nach Anspruch 15, ferner aufweisend: (c) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Normalzustand betrieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf, dem zweiten Kreislauf und dem dritten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b).
  17. Regelverfahren nach Anspruch 15, ferner aufweisend: (d) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Hochleistungszustand betrieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b).
  18. Regelverfahren eines Wärme-Management-Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 9, das Regelverfahren aufweisend: (a) wenn ein Fahrzeug in einem Zustand gestartet wird, in dem das Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine vorgegebene Kaltstarttemperatur ist, Betätigen der Kühlmittelheizvorrichtung unter Verwendung von dem Stapel abgegebener elektrische Energie und Zirkulieren des Kühlmittels in dem dritten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils, um die von der Kühlmittelheizvorrichtung abgegebene Wärme in dem PCM zu speichern; und (b) wenn eine Temperatur des PCM auf die Phasenübergangstemperatur oder mehr erhöht wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf und dem dritten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (a).
  19. Regelverfahren nach Anspruch 18, ferner aufweisend: (c) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Normalzustand betrieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem ersten Kreislauf, dem zweiten Kreislauf und dem dritten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b).
  20. Regelverfahren nach Anspruch 18, ferner aufweisend: (d) wenn der Stapel in einem vorgegebenen Hochleistungszustand betrieben wird, Zirkulieren des Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (b); und (e) wenn eine Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Grenzwert erreicht, Zirkulieren des Kühlmittels in dem zweiten Kreislauf und dem dritten Kreislauf in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis unter Verwendung der Kühlmittelpumpe und des Öffnungs- und Schließventils nach Operation (d), wobei die Phasenübergangstemperatur des PCM niedriger als der Kühlmitteltemperatur-Grenzwert ist.
DE102017200389.8A 2016-10-26 2017-01-11 Wärme-Management-System für ein Brennstoffzellenfahrzeug und Steuerverfahren desselben Pending DE102017200389A1 (de)

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