DE102020200709A1

DE102020200709A1 - Brennstoffzellensystemverbund

Info

Publication number: DE102020200709A1
Application number: DE102020200709.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Nuber; Bernhard Zickgraf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22
Also published as: CN115004424A; US20230073323A1; WO2021148226A1; EP4094317A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellensystemverbund, umfassend mindestens zwei gekoppelte und bei unterschiedlichen Lastpunkten betreibbare Brennstoffzellensysteme (A, B), wobei jedes Brennstoffzellensystem (A, B) über eine Kühlmittelzuführleitung (1A, 1B) und eine Kühlmittelabführleitung (2A, 2B) an jeweils einen Kühlkreis (3A, 3B) mit einem zirkulierenden Kühlmittel angeschlossen ist. Erfindungsgemäß sind die Kühlkreise (3A, 3B) über eine gemeinsame Rückführleitung (4), über welche die Kühlmittelzuführleitungen (1A, 1B) mit Kühlmittel versorgbar sind, gekoppelt, wobei an die gemeinsame Rücklaufleitung (4) ein Rücklauf mindestens eines Nebenaggregats (5, 6), beispielsweise einer elektrischen Heizeinrichtung (5) und/oder eines Heizungswärmetauschers (6), angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellensystemverbund mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein derartiger Brennstoffzellensystemverbund umfasst mehrere gekoppelte und bei unterschiedlichen Lastpunkten betreibbare Brennstoffzellensysteme.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem oxidiert einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, durch Zusammenführen mit Sauerstoff. Bei diesem Prozess werden Elektronen frei und es baut sich eine elektrische Spannung auf, die durch Anlegen an einen geeigneten Widerstand zum Verrichten von elektrischer Arbeit verwendet werden kann. Bei kontinuierlicher Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff kann dieser Vorgang nahezu beliebig lange ablaufen.
Der in einem Brennstoffzellensystem ablaufende elektrochemische Prozess ist verlustbehaftet, da ein Teil der im Brennstoff enthaltenen Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese gilt es mit Hilfe einer geeigneten Kühleinrichtung abzuführen, um den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Systems zu erhalten. Die Menge der abzuführenden Wärme hängt unter anderem von den Betriebsparametern des Systems ab.
Eine häufig eingesetzte Kühlmethode ist die Anbindung des Brennstoffzellensystems an einen Kühlkreis. Das Kühlmittel des Kühlkreises wird durch geeignete Kanäle des Brennstoffzellensystems gepumpt, so dass es auf seinem Weg durch das System Wärme aufnimmt und abtransportiert. Die aufgenommene Wärme wird anschließend mittels einer geeigneten Kühleinrichtung, beispielsweise einem Wärmeübertrager, dem Kühlmittel wieder entnommen, so dass es erneut zur Kühlung des Brennstoffzellensystems einsetzbar ist. In den Kühlkreis sind dabei regelmäßig Nebenaggregate eingebunden, welche die Abwärme des Brennstoffzellensystems nutzen, beispielsweise zum Beheizen eines Fahrgastraums, und/oder das Brennstoffzellensystem im Startfall bei tiefen Außentemperaturen aufheizen.
Werden mehrere Brennstoffzellensysteme zur Abdeckung eines erhöhten Leistungsbedarfs zu einem Verbund gekoppelt, erweist sich die erforderliche Kühlung der Systeme aufgrund von Bauraumbeschränkungen häufig als schwierig. Soll zudem mindestens ein Nebenaggregat in das Kühlsystem eingebunden werden, steigt die Komplexität weiter.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einbindung mindestens eines Nebenaggregats in einen mehrere Brennstoffzellensysteme umfassenden Verbund zu erleichtern. Ferner soll die Effizienz des Nebenaggregats gesteigert werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Brennstoffzellensystemverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Brennstoffzellensystemverbund, der mindestens zwei gekoppelte und bei unterschiedlichen Lastpunkten betreibbare Brennstoffzellensysteme umfasst. Jedes Brennstoffzellensystem ist über eine Kühlmittelzuführleitung und eine Kühlmittelabführleitung an jeweils einen Kühlkreis mit einem zirkulierenden Kühlmittel angeschlossen. Erfindungsgemäß sind die Kühlkreise ebenfalls gekoppelt, und zwar über eine gemeinsame Rückführleitung, über welche die Kühlmittelzuführleitungen mit Kühlmittel versorgbar sind. An die gemeinsame Rücklaufleitung ist zudem ein Rücklauf mit mindestens einem Nebenaggregat angeschlossen. Bei dem Nebenaggregat kann es sich beispielsweise um eine elektrische Heizeinrichtung und/oder einen Heizungswärmetauscher handeln.
Durch Kopplung der Kühlkreise werden Leitungslängen eingespart, so dass sich der Bauraumbedarf und die Kosten verringern. Zugleich kann die Kühlmittelmenge reduziert werden. Handelt es sich bei dem Nebenaggregat um eine elektrische Heizeinrichtung, kann diese bei einem Kaltstart zum Aufheizen aller gekoppelten Brennstoffzellensysteme genutzt werden. Denn über die elektrische Heizeinrichtung erwärmtes Kühlmittel gelangt über den Rücklauf in die gemeinsame Rückführleitung und wird von hier aus auf die Kühlmittelzuführleitungen der einzelnen Brennstoffzellensysteme verteilt. Die eine elektrische Heizeinrichtung kann somit als Standheizung für alle Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden. Im Ergebnis kann somit die Effizienz der elektrischen Heizeinrichtung gesteigert werden.
Bevorzugt sind über den Rücklauf mindestens zwei Nebenaggregate an die gemeinsame Rückführleitung angeschlossen. Diese können parallel oder in Reihe geschaltet sein. Bevorzugt sind eine elektrische Heizeinrichtung als erstes Nebenaggregat und ein Heizungswärmetauscher als zweites Nebenaggregat vorgesehen. Mit Hilfe des Heizungswärmetauschers kann beispielsweise eine Kabinenheizung realisiert werden. Der Heizungswärmetauscher kann hierzu die Abwärme der Brennstoffzellensysteme nutzen. Bevorzugt ist daher der Heizungswärmetauscher zulaufseitig - zumindest mittelbar - an mindestens eine Kühlmittelabführleitung eines Brennstoffzellensystems angeschlossen.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kühlmittelabführleitungen der Brennstoffzellensysteme jeweils über ein Abzweigventil und eine Abzweigleitung mit der entsprechenden Kühlmittelzuführleitung des jeweiligen Brennstoffzellensystems verbindbar sind. In die Kühlmittelzuführleitungen kann somit aus den Brennstoffzellensystemen abgeführtes bzw. erwärmtes Kühlmittel eingeleitet werden, um dieses zu temperieren. Da jedes Brennstoffzellensystem mit einem eigenen Abzweigventil und einer eigenen Abzweigleitung ausgestattet ist, kann die Temperierung für jedes System individuell, und zwar vorzugsweise lastabhängig vorgenommen werden. Die Abzweigventile sind hierzu bevorzugt als 3/2-Wegeventile ausgeführt und/oder stufenlos verstellbar.
Da die Abzweigleitungen erwärmtes Kühlmittel führen, wird als weiterbildende Maßnahme ferner vorgeschlagen, dass ein Zulauf des mindestens einen Nebenaggregats an mindestens eine Abzweigleitung angeschlossen ist. Auf diese Weise kann die Abwärme des Brennstoffzellensystems zur Effizienzsteigerung des Nebenaggregats genutzt werden. Bei dem Nebenaggregat handelt es sich in diesem Fall vorzugsweise um einen Heizungswärmetauscher und/oder eine elektrische Heizeinrichtung. Vorteilhafterweise ist das Nebenaggregat zulaufseitig an alle Abzweigleitungen angeschlossen, so dass die Abwärme aller Brennstoffzellensysteme genutzt wird.
Um dem Nebenaggregat eine definierte Menge an erwärmtem Kühlmittel zuzuführen, ist vorzugsweise im Zulauf eine Pumpe angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine einfache Pumpe handeln, die nach Art einer Wasserpumpe aufgebaut ist.
Des Weiteren bevorzugt ist auch in den Kühlmittelzuführleitungen der Brennstoffzellensysteme jeweils eine Pumpe angeordnet. Über die mit Hilfe der Pumpen erzeugten Kühlmittelvolumenströme wird jeweils eine definierte Menge an Kühlmittel aus der gemeinsamen Rückführleitung abgezweigt und dem jeweiligen Brennstoffzellensystem zugeführt. Mit Hilfe der Pumpen kann demnach das Kühlmittel auf die verschiedenen Kühlkreise verteilt werden.
Ferner kann mit Hilfe der Pumpen erwärmtes Kühlmittel aus den jeweiligen Abzweigleitungen angesaugt werden. Bevorzugt münden daher die Abzweigleitungen der Brennstoffzellensysteme jeweils stromaufwärts der Pumpe in die jeweilige Kühlmittelzuführleitung.
Vorteilhafterweise ist in den Kühlkreisen oder in der gemeinsamen Rückführleitung mindestens ein Wärmeübertrager angeordnet. Mit Hilfe des Wärmeübertragers kann erwärmtem Kühlmittel, das über eine Kühlmittelabführleitung aus einem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, die Wärme wieder entzogen werden. Sofern jeder Kühlkreis einen Wärmeübertrager aufweist, ist dieser jeweils stromaufwärts der gemeinsamen Rückführleitung angeordnet. Alternativ kann ein Wärmeübertrager für mehrere Kühlkreise in der gemeinsamen Rückführleitung angeordnet werden. Auf diese Weise kann der Bauraumbedarf weiter gesenkt werden.
Über den mindestens einen Wärmeübertrager gelangt eine definierte Menge an gekühltem Kühlmittel in die gemeinsame Rückführleitung, die sich dort mit einer definierten Menge an erwärmtem Kühlmittel aus den Abzweigleitungen vermischt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemverbunds,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 2 im Bereich der angeschlossenen Nebenaggregate und
3 eine Abwandlung der in der 2 dargestellten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist beispielhaft ein Brennstoffzellensystemverbund zu entnehmen, das zwei Brennstoffzellensysteme A und B umfasst. Jedes Brennstoffzellensystem A, B kann bei einem unterschiedlichen Lastpunkt betrieben werden. Demzufolge kann der Kühlbedarf der Brennstoffzellensysteme A, B variieren. Jedem Brennstoffzellensystem A, B ist daher ein Kühlkreis 3A, 3B zugeordnet, wobei vorliegend die Kühlkreise 3A, 3B über eine gemeinsame Rückführleitung 4 gekoppelt sind. In beiden Kühlkreisen 3A, 3B zirkuliert demnach dasselbe Kühlmittel.
Das erste Brennstoffzellensystem A ist über eine erste Kühlmittelzuführleitung 1A und eine erste Kühlmittelabführleitung 2A an den Kühlkreis 3A angeschlossen. Das zweite Brennstoffzellensystem B ist über eine zweite Kühlmittelzuführleitung 1B und eine zweite Kühlmittelabführleitung 2B an den Kühlkreis 3B angeschlossen. In jedem Kühlkreis 3A, 3B ist ein Wärmeübertrager 12A, 12B angeordnet, um erwärmtem Kühlmittel, das aus einem Brennstoffzellensystem A, B über die jeweilige Kühlmittelabführleitung 2A, 2B in den jeweiligen Kühlkreis 3A, 3B eingeleitet wird, Wärme zu entziehen. Die Wärmeübertrager 12A, 12B sind jeweils stromaufwärts der gemeinsamen Rückführleitung 4 im jeweiligen Kühlkreis 3A, 3B aufgenommen. Alternativ kann ein Wärmeübertrager 12 in der gemeinsamen Rückführleitung 4 angeordnet werden.
Um die Temperatur des Kühlmittels in den jeweiligen Kühlmittelzuführleitungen 1A, 1B der Brennstoffzellensystems A, B individuell einzustellen, kann in die Kühlmittelzuführleitungen 1A, 1B erwärmtes Kühlmittel aus den Kühlmittelabführleitungen 2A, 2B eingeleitet werden. Die Kühlmittelabführleitungen 2A, 2B sind hierzu jeweils über ein Abzweigventil 7A, 7B und eine Abzweigleitung 8A, 8B mit der entsprechenden Kühlmittelzuführleitung 1A, 1B verbunden. Die Abzweigleitungen 8A, 8B münden jeweils stromaufwärts einer Pumpe 11A, 11B in die jeweilige Kühlmittelzuführleitung 1A, 1B. Mit Hilfe der Pumpen 11A, 11B kann jedem Brennstoffzellensystem A, B die aktuell benötigte Menge an Kühlmittel zugeführt werden.
Der in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystemverbund weist darüber hinaus zwei Nebenaggregate 6 auf, die in einen Nebenkreis, umfassend einen Zulauf 9 und einen Rücklauf 5, integriert sind. Der Nebenkreis ist stark vergrößert in der 2 dargestellt. Über den Zulauf 9, der mehrere Zweige aufweist, sind die Nebenaggregate 6 an die Abzweigleitungen 8A, 8B angeschlossen. Über eine im Zulauf 9 angeordnete Pumpe 10 wird den Nebenaggregaten 6 Kühlmittel aus den Abzweigleitungen 8A, 8B zugeführt. Die Nebenaggregate 6 sind vorliegend parallel geschaltet, können jedoch auch in Reihe geschaltet werden, wie beispielhaft in der 3 dargestellt. Über den Rücklauf 5 des Nebenkreises sind die Nebenaggregate 6 an die gemeinsame Rückführleitung 4 angeschlossen.
Bei den Nebenaggregaten 6 handelt es sich vorliegend um eine elektrische Heizeinrichtung 6.1, mittels welcher den Brennstoffzellensystemen A, B bei einem Kaltstart erwärmtes Kühlmittel zugeführt werden kann. Die elektrische Heizeinrichtung 6.1 kann somit als Standheizung für alle Brennstoffzellensysteme A, B genutzt werden. Die mittels der elektrischen Heizeinrichtung 6.1 erwärmte Kühlmittelmenge muss zudem nur eine kurze Kühlmittelstrecke bis zu den Brennstoffzellensystemen A, B zurücklegen. Ferner muss nur eine vergleichsweise geringe Menge an Kühlmittel erwärmt werden, so dass die Effizienz der Standheizung gesteigert wird.
Bei dem zweiten Nebenaggregat 6 handelt es sich vorliegend um einen Heizungswärmetauscher 6.2, der die Abwärme der Brennstoffzellensysteme A, B zum Beheizen eines Fahrgastraums nutzt. Dem Heizungswärmetauscher 6.2 werden hierzu über die Abzweigleitungen 8A, 8B und den Zulauf 9 erwärmtes Kühlmittel aus den Brennstoffzellensystemen A, B zugeführt. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennstoffzellensysteme A, B zur Effizienzsteigerung des Heizungswärmetauschers 6.2 genutzt werden.

Claims

Brennstoffzellensystemverbund, umfassend mindestens zwei gekoppelte und bei unterschiedlichen Lastpunkten betreibbare Brennstoffzellensysteme (A, B), wobei jedes Brennstoffzellensystem (A, B) über eine Kühlmittelzuführleitung (1A, 1B) und eine Kühlmittelabführleitung (2A, 2B) an jeweils einen Kühlkreis (3A, 3B) mit einem zirkulierenden Kühlmittel angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkreise (3A, 3B) über eine gemeinsame Rückführleitung (4), über welche die Kühlmittelzuführleitungen (1A, 1B) mit Kühlmittel versorgbar sind, gekoppelt sind, wobei an die gemeinsame Rücklaufleitung (4) ein Rücklauf (5) mit mindestens einem Nebenaggregat (6), beispielsweise einer elektrischen Heizeinrichtung (6.1) und/oder eines Heizungswärmetauschers (6.2), angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystemverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Rücklauf (5) mindestens zwei Nebenaggregate (6.1, 6.2), die parallel oder in Reihe geschaltet sind, an die gemeinsame Rückführleitung (4) angeschlossen sind.
Brennstoffzellensystemverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelabführleitungen (2A, 2B) der Brennstoffzellensysteme (A, B) jeweils über ein Abzweigventil (7A, 7B) und eine Abzweigleitung (8A, 8B) mit der entsprechenden Kühlmittelzuführleitung (1A, 1B) des jeweiligen Brennstoffzellensystems (A, B) verbindbar sind.
Brennstoffzellensystemverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (9) des mindestens einen Nebenaggregats (6) an mindestens eine Abzweigleitung (8A, 8B) angeschlossen ist, wobei vorzugsweise im Zulauf (9) eine Pumpe (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystemverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlmittelzuführleitungen (1A, 1B) der Brennstoffzellensysteme (A, B) jeweils eine Pumpe (11A, 11B) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystemverbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitungen (8A, 8B) der Brennstoffzellensysteme (A, B) jeweils stromaufwärts der Pumpe (11A, 11B) in die jeweilige Kühlmittelzuführleitung (1A, 1B) münden.
Brennstoffzellensystemverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkreisen (3A, 3B) oder in der gemeinsamen Rückführleitung (4) mindestens ein Wärmeübertrager (12A, 12B) angeordnet ist.