-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem. Das Kühlsystem umfasst mehrere Kühlkreise, wobei jeder Kühlkreis der Kühlung eines Brennstoffzellen-Stacks dient.
-
Mit Hilfe eines Brennstoffzellen-Stacks kann chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese kann insbesondere zum Antreiben einer elektrischen Maschine in einem Fahrzeug genutzt werden. Die Erfindung betrifft daher ferner ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem zur Kühlung von Brennstoffzellen-Stacks.
-
Stand der Technik
-
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks hängt unter anderem von der Betriebstemperatur ab, wobei die ideale Betriebstemperatur - je nach Typ der Brennstoffzelle - variieren kann. Bei einem Kaltstart muss die Temperatur zügig erhöht werden, damit die Brennstoffzelle Leistung bringt. Im Betrieb dagegen muss die Brennstoffzelle gekühlt werden, um ein Überhitzen zu vermeiden.
-
In der
EP 2 287 952 A1 wurde daher bereits eine Temperiervorrichtung zum Temperieren mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, wobei die Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel, das in einem Kühlsystem strömbar ist, temperierbar ist. Die Temperiervorrichtung umfasst mindestens einen Kühler und eine Wärmepumpe, in der ein Kältemittel zirkulierbar ist. Die Wärmepumpe weist zudem mindestens eine Aufwärmvorrichtung zum Erwärmen des Kühlmittels durch das Kältemittel auf.
-
Die Aufwärmvorrichtung ist dabei in einem ersten Kühlmittelteilpfad des Kühlsystems angeordnet. In mindestens einem weiteren Kühlmittelpfad ist der mindestens eine Kühler zum Kühlen des Kühlmittels aufgenommen.
-
Mit Hilfe der aus der
EP 2 287 952 A1 bekannten Temperiervorrichtung kann eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellen-Stack temperiert werden. Ist das Fahrzeug mit mehr als nur einem Brennstoffzellen-Stack ausgestattet, vervielfältigen sich die zur Temperierung notwendigen Komponenten und Pfade, was zu einem sehr komplexen Aufbau der Vorrichtung führt.
-
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Temperierung bzw. Kühlung mehrerer Brennstoffzellen-Stacks in einem Fahrzeug zu vereinfachen und zugleich effizienter zu gestalten.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird das Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Fahrzeug mit einem derartigen Kühlsystem vorgeschlagen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das vorgeschlagene Kühlsystem umfasst mindestens einen Kühlkreis zum Kühlen eines Brennstoffzellen-Stacks, wobei der mindestens eine Kühlkreis einen Kühler, ein Bypass-Ventil zur Umgehung des Kühlers und eine Kühlmittelpumpe aufweist. Erfindungsgemäß sind mehrere, vorzugsweise drei, Kühlkreise vorgesehen, die über jeweils drei Anschlussleitungen an eine Kühlkreissammelleitung angeschlossen und über die Kühlkreissammelleitung mit einer Heizeinrichtung und/oder einem Wärmetauscher verbunden sind.
-
Mit Hilfe der mehreren Kühlkreise des vorgeschlagenen Kühlsystems können mehrere Brennstoffzellen-Stacks gekühlt werden, wobei vorzugsweise jedem Brennstoffzellen-Stack ein Kühlkreis zugeordnet ist. Bei zwei Kühlkreisen beträgt demnach die Anzahl der Brennstoffzellen zwei, bei drei Kühlkreisen drei usw. Das Kühlsystem eignet sich somit insbesondere für Fahrzeuge mit mindestens zwei, vorzugsweise drei Brennstoffzellen-Stacks, wobei es sich beispielsweise um ein Lastkraftfahrzeug handeln kann.
-
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Kühlsystems kann die Anzahl der notwendigen thermischen Komponenten reduziert werden, da diese über die gemeinsame Kühlkreissammelleitung allen Kühlkreisen und damit Brennstoffzellen-Stacks zur Verfügung stehen. Zu den thermischen Komponenten zählen beispielsweise die vorgeschlagene Heizeinrichtung und/oder der vorgeschlagene Wärmetauscher. Auf diese Weise kann das System vereinfacht und eine Kostenersparnis erzielt werden.
-
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Heizeinrichtung, beispielsweise in Form eines PTC-Heizelements, können die Brennstoffzellen-Stacks im Startfall vorgeheizt werden, so dass über das vorgeschlagene Kühlsystem nicht nur ein Kühlen der mehreren Brennstoffzellen-Stacks möglich ist, sondern auch ein Beheizen.
-
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Wärmetauschers kann die üblicherweise im Betrieb der Brennstoffzellen-Stacks entstehende Abwärme einer Nutzung zugeführt werden. Beispielsweise kann mit der Abwärme ein Innenraum des Fahrzeugs beheizt werden.
-
Ferner ermöglicht die Kühlkreissammelleitung größere Freiheitsgrade in der Betriebsführung der Brennstoffzellen-Stacks. Denn wahlweise kann bzw. können ein oder mehrere Kühlkreise abgeschaltet werden. Hierzu wird einfach die im Kühlkreis aufgenommene Kühlmittelpumpe deaktiviert, so dass kein Kühlmittel mehr in dem jeweiligen Kühlkreis zirkuliert.
-
Durch Abschalten eines oder mehrere Kühlkreise kann beispielsweise das Vorheizen im Startfall auf einen Brennstoffzellen-Stack beschränkt werden. Auf diese Weise kann nicht nur ein zügigeres Vorheizen erzielt werden, sondern es kann zudem elektrische Energie eingespart werden. Das Kühlsystem arbeitet somit effizienter. Die Abwärme des bereits vorgeheizten Brennstoffzellen-Stacks kann anschließend zum Aufwärmen der übrigen Brennstoffzellen-Stacks genutzt werden.
-
Ferner kann eine beliebige Lastaufteilung zwischen den Brennstoffzellen-Stacks vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei Teillast nur ein Brennstoffzellen-Stack betrieben werden. Damit erhöht sich die Lebensdauer der übrigen Brennstoffzellen-Stacks. Zur Kühlung eines einzigen Brennstoffzellen-Stacks können alle Kühlkreise zugeschaltet werden, so dass sich die Kühlleistung der hierin aufgenommenen Kühler addieren. Die Kühlleistung eines einzelnen Kühlers kann somit herabgesetzt werden, was sich ebenfalls die Lebensdauer verlängernd auswirkt.
-
Eine weitere Energieeinsparung kann dadurch bewirkt werden, dass die mittels der vorgeschlagenen Heizeinrichtung erzeugte Wärme nicht nur zum Vorheizen eines Brennstoffzellen-Stacks, sondern ferner zur Innenraumerwärmung genutzt wird. Auf diese Weise kann zugleich eine Komforterhöhung erzielt werden, da noch vor Inbetriebnahme eines Brennstoffzellen-Stacks der Innenraum erwärmt wird. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Heizeinrichtung elektrisch betrieben wird, wobei vorzugsweise die Heizeinrichtung durch mindestens ein PTC-Heizelement ausgebildet wird. Nach Inbetriebnahme aller Brennstoffzellen-Stacks steht deren Abwärme zur Innenraumerwärmung des Fahrzeugs zur Verfügung.
-
Zur weiteren Vereinfachung des Kühlsystems wird vorgeschlagen, dass die jeweils ersten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich A, die jeweils zweiten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich B und die jeweils dritten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich C an die Kühlkreissammelleitung anschließen. Somit erfolgen die Anschlüsse konzentriert in bestimmten Bereichen, was Platz für den Anschluss der Heizeinrichtung und/oder des Wärmetauschers an die Kühlkreissammelleitung lässt.
-
Die in zumindest einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließenden Anschlussleitungen sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Das heißt, dass jeweils zwei Anschlussleitungen einen Winkel von 90° umschließen. Die Ausrichtung der drei Anschlussleitungen erfolgt demnach in alle drei Raumrichtungen, das heißt, dass die Anschlussleitungen jeweils parallel zu einer Seitenkante eines Würfels verlaufen. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass bei Betrieb von beispielsweise nur einem Kühlkreis in einem Kühlkreis, dessen Kühlmittelpumpe abgeschaltet ist, keine Strömung induziert wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim elektrischen Vorheizen im Kaltstart keine Wärmeenergie in einem stillgelegten Kühlkreis verloren geht.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die in zumindest einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließenden Anschlussleitungen mit einer Längsachse der Kühlkreissammelleitung jeweils den gleichen Winkel α umschließen. Das heißt, dass der Anschlusswinkel aller Anschlussleitungen in einem Bereich der Kühlkreissammelleitung gleich ist. Vorzugsweise trifft dies auf alle Anschlussbereiche zu, so dass alle Anschlussleitungen den gleichen Anschlusswinkel an die Kühlkreissammelleitung aufweisen. Entsprechend sind die Anschlüsse aller Anschlussleitungen in gleicher Weise strömungsoptimiert. Bei zwei Kühlkreisen und somit zwei Anschlussleitungen, die in einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließen, beträgt der Winkel α vorzugsweise 45°. Bei drei Kühlkreisen und somit drei Anschlussleitungen beträgt der Winkel α vorzugsweise 55°. Diese Winkel erlauben - je nach Anzahl der Anschlussleitungen in einem Bereich - nicht nur eine symmetrische Anordnung der Anschlussleitungen in Bezug auf die Längsachse der Kühlkreissammelleitung, sondern zugleich eine rechtwinklige Ausrichtung der Anschlussleitungen zueinander.
-
Vorteilhafterweise ist mindestens einer der drei Bereiche, in dem jeweils eine Anschlussleitung eines Kühlkreises an die Kühlkreissammelleitung anschließt, an einem Ende der Kühlkreissammelleitung angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Bereiche jeweils an einem Ende der Kühlkreissammelleitung angeordnet. Auf diese Weise kann das Kühlmittel vollständig zirkuliert werden.
-
Bevorzugt ist über die ersten Anschlussleitungen jeweils der Brennstoffzellen-Stack eines Kühlkreises an die Kühlkreissammelleitung angeschlossen. Über die Kühlkreissammelleitung kann demnach das Kühlmittel gleichmäßig auf die anderen Anschlussleitungen verteilt und den Brennstoffzellen-Stacks zugeführt werden. Vorteilhafterweise ist jeweils in der ersten Anschlussleitung die Kühlmittelpumpe des jeweiligen Kühlkreises aufgenommen. Durch Deaktivieren der jeweiligen Kühlmittelpumpe kann somit in einfacher Weise ein Kühlkreis abgeschaltet werden.
-
Ferner bevorzugt ist über die dritten Anschlussleitungen jeweils der Kühler eines Kühlkreises an die Kühlmittelsammelleitung angeschlossen. Über den Kühler abströmendes Kühlmittel kann somit wieder der Kühlkreissammelleitung zugeführt werden.
-
Zudem wird vorgeschlagen, dass über die zweiten Anschlussleitungen jeweils das Bypass-Ventil eines Kühlkreises an die Kühlmittelsammelleitung angeschlossen ist.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an die Kühlkreissammelleitung zusätzlich ein lonentauscher und/oder ein Ausgleichsbehälter angeschlossen ist bzw. sind. Mit Hilfe des lonentauschers kann der Ionengehalt des Kühlmittels eingestellt werden, so dass der Ionengehalt optimal auf die Brennstoffzellen-Stacks abgestimmt werden kann. Der Ausgleichsbehälter ermöglicht eine Entlüftung der Brennstoffzellen-Stacks.
-
Darüber hinaus wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Lastkraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem vorgeschlagen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems kommen insbesondere in der mobilen Anwendung zum Tragen, da hier der zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel begrenzt ist und die Effizienzerhöhung zu einer Reichweitenerhöhung beiträgt.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreises eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
- 2 eine räumliche Darstellung der Kühlkreissammelleitung und der Anschlussleitungen der an die Kühlkreissammelleitung angeschlossenen Kühlkreise eines erfindungsgemäßen Kühlsystems sowie
- 3 eine schematische Darstellung der an eine Kühlkreissammelleitung angeschlossenen Komponenten eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Der 1 ist beispielhaft ein Kühlkreis 10 für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 1 zu entnehmen. Da das Kühlsystem 1 vorzugsweise drei Kühlkreise 10, 20, 30 umfasst, sind die Bezugszeichen der beiden weiteren Kühlkreise 20, 30 jeweils in Klammern angegeben. Denn die drei Kühlkreise 10, 20 30 sind vorzugsweise gleich ausgebildet.
-
Der dargestellte Kühlkreis 10 (20, (30) dient der Kühlung eines Brennstoffzellen-Stacks 11 (21) (31). Hierzu kann mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe 17 (27) (37) ein Kühlmittel im Kühlkreis 10 (20) (30) zirkuliert werden. Bei aktivierter Kühlmittelpumpe 17 (27) (37) wird dem Brennstoffzellen-Stack 11 (21) (31) Kühlmittel aus einer Kühlkreissammelleitung 40 über eine erste Anschlussleitung 12 (22) (32) zugeführt. Stromaufwärts des Brennstoffzellen-Stacks 11 (21) (31) ist vorliegend an die erste Anschlussleitung 12 (22) (32) ein Zwischenkühler 19 (29) (39) angeschlossen. Über den Zwischenkühler 19 (29) (39) abströmendes Kühlmittel wird über eine Drossel 18 (28) (39) wieder dem Kühlkreis 10 (20) (30) zugeführt. Im Kühlkreis 10 (20) (30) sind ferner ein Kühler 15 (25) (35) und ein Bypass-Ventil 16 (26) (36) aufgenommen, wobei das Bypass-Ventil 16 (26) (36) in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung eine Umgehung des Kühlers 15 (25) (35) ermöglicht. Das Bypass-Ventil 16 (26) (36) ist über eine zweite Anschlussleitung 13 (23) (33) und der Kühler 15 (25) (35) ist über eine dritte Anschlussleitung 14 (24) (34) an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen. Somit weist die Kühlkreissammelleitung 40 drei Anschlussbereiche, und zwar die Bereiche A, B und C auf.
-
Da das Kühlsystem 1 vorliegend drei Kühlkreise 10, 20, 30 aufweisen soll, müssen im Bereich A jeweils drei erste Anschlussleitungen 12, 22, 32, im Bereich B jeweils drei zweite Anschlussleitungen 13, 23, 33 und im Bereich C jeweils drei dritte Anschlussleitungen 14, 24, 34 mit der Kühlkreissammelleitung 40 verbunden werden. Wie dies idealerweise umgesetzt wird, ist in der 2 dargestellt.
-
2 zeigt die Kühlkreissammelleitung 40 mit den Bereichen A, B und C sowie den zugehörigen Anschlussleitungen 12, 22, 32 (Bereich A), 13, 23, 33 (Bereich B) und 14, 24, 34 (Bereich C). In jedem Bereich A, B und C sind die drei Anschlussleitungen senkrecht zueinander ausgerichtet, das heißt, dass jeweils zwei Anschlussleitungen in einem Bereich einen Winkel β von 90° umschließen. Die drei Anschlussleitungen verlaufen somit parallel zu den drei Seitenkanten eines Würfels (siehe durch gestrichelte Linien angedeutete Würfel). Ferner umschließt jede Anschlussleitung mit einer Längsachse 41 der Kühlkreissammelleitung 40 einen Winkel α von 55°. Auf diese Weise wird zum Einen eine Optimierung der Strömung im Kühlsystem 1 erreicht. Zum Anderen wird der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt.
-
Wie in der 3 dargestellt, kann das Kühlsystem 1 weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Heizeinrichtung 42, einen Wärmetauscher 43, einen lonentauscher 45 und einen Ausgleichsbehälter 46 umfassen. Werden - wie vorliegend der Fall - die weiteren Bestandteile an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen, stehen sie allen Kühlkreisen 10, 20, 30 zur Verfügung. Das Kühlsystem 1 wird somit vereinfacht. Mit Hilfe der Heizeinrichtung 42 kann im Startfall mindestens ein Brennstoffzellen-Stack 11, 21, 31 vorgeheizt werden. Die Heizvorrichtung 42 ist hierzu über einen eigenen Kreis 47 an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen, wobei im Kreis 47 eine Pumpe 44 aufgenommen ist. Im Kreis 47 ist vorliegend auch der Wärmetauscher 43 aufgenommen, welcher der Erwärmung eines Innenraums des Fahrzeugs dient. Als Wärmequelle dient die Abwärme der Brennstoffzellen-Stacks 11, 21, 31.
-
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
-
- EP 2287952 A1 [0004, 0006]
