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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit einem eine Hauptkühlmittelleitung umfassenden Kühlmittelhauptkreislauf, in den ein Kühler sowie eine Haupt-Kühlmittelpumpe eingebunden sind, und mit einer durch einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems geführten Kühlmittelleitung eines Kühlmittelteilkreislaufs, in welche eine erste Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels durch den Kühlmittelteilkreislauf eingebunden ist.
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Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den bei der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren. Anodenseitig wird der Brennstoff zumeist aus einem Brennstoffreservoir bereitgestellt. Den Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Ressourcenschonung rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des nicht umgesetzten Brennstoffes werden ein Rezirkulationsgebläse oder eine Saugstrahlpumpe eingesetzt, welche weiterhin für eine gleichmäßige Durchmischung des rezirkulierten Brennstoffes und des frisch zugeführten Brennstoffes sorgen. Bei der Brennstoffzellenreaktion entsteht Wärme, so dass es üblich ist, diese Wärme mit einem Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen.
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Ein eingangs erwähntes Kühlsystem ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 10 2007 054 299 A1 , bekannt. Darin wird ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle mit einem Kühlkreislauf beschreiben. Weiterhin ist eine Kühlkreislauf-Bypass-Leitung mit einer Heizeinrichtung vorgesehen, die über Ventile mit dem Kühlkreislauf verbunden ist.
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Die
DE 10 2015 202 778 A1 beschreibt ein Kühlsystem und ein Verfahren zur Kühlung mindestens einer Brennstoffzelle, wobei der Kühlkreislauf zwei Pumpvorrichtungen aufweist. Weiterhin ist auch hier eine Kühlkreislauf-Bypass-Leitung offenbart.
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Die
DE 10 2016 110 964 A1 beschreibt ein Brennstoffzellenkühlsystem mit zwei Kühlkreisen, die über eine Kühleinrichtung miteinander verbunden sind. Mittels Ventilen sind die Kühlkreisläufe zueinander parallel geschaltet.
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Bei Anwendung von Brennstoffzellen in schweren Nutzfahrzeugen oder bei hohen Leistungsanforderungen teilt sich aufgrund des begrenzten Bauraums der Kühlmittelteilkreislauf des Brennstoffzellensystems den Hauptwasserkühler des Kühlmittelhauptkreislaufs. Aufgrund des begrenzten Bauraums wirkt die begrenzte Kühlfläche als limitierender Faktor bei der Abführung von Wärme aus dem Brennstoffzellensystem und somit als limitierender Faktor für die an das Brennstoffzellensystem gestellte Lastanforderung. Wärme könnte verstärkt abgeführt werden, wenn der Volumenstrom im Hauptwasserkühlkreislauf erhöht würde. Dies führt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen aber auch zu einer Erhöhung des Volumenstroms in dem Kühlmittelteilkreislauf des Brennstoffzellensystems, was sich aber nachteilig auf die Feuchteregulierung des Brennstoffzellenstapels auswirken würde.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems bereitzustellen, bei denen mehr Wärme abgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Kühlsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kühlmittelleitung des Kühlmittelteilkreislaufs stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe fluidmechanisch abzweigt und stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe wieder in die Hauptkühlmittelleitung mündet. Darüber hinaus ist eine Steuereinheit vorhanden und eingerichtet, eine Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe zu erhöhen, wenn eine erhöhte Lastanforderung an das mindestens eine Brennstoffzellensystem vorliegt, und die eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe zu reduzieren, wenn eine gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigere Lastanforderung vorliegt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein Brennstoffzellensystembypass mit einer Brennstoffzellensystembypassleitung im Kühlsystem gebildet wird. Somit kann der Volumenstrom bei erhöhter Lastanforderung im Kühlmittelhauptkreislauf erhöht werden, während der Volumenstrom im Kühlmittelteilkreislauf konstant bleibt. Die Volumenstromerhöhung wirkt sich somit nicht negativ auf die Feuchteregulierung im Brennstoffzellenstapel aus. In anderen Worten ist bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem eine Brennstoffzellensystem-Bypass-Leitung im Kühlmittelhauptkreislauf vorhanden oder in diese eingebunden.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, die Haupt-Kühlmittelpumpe erst dann in Betrieb zu setzen, wenn die Lastanforderung eine Grenzlast überschritten hat. Dies ermöglicht bei sehr hohen Lastanforderungen den Volumenstrom im Kühlmittelhauptkreislauf zu erhöhen, sodass mehr Wärme abgeführt werden kann, während der Volumenstrom im Kühlmittelteilkreislauf, in den das Brennstoffzellensystem eingebunden ist, konstant bleibt.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Haupt-Kühlmittelpumpe durch die in einen Brems-Kühlkreislauf eingebundene Pumpe gebildet ist. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Bauteile für das Kühlsystem und für das Brennstoffzellensystem bzw. das Brennstoffzellenfahrzeug. Bei sehr hohen Lasten, wenn also nicht gebremst werden muss und der Bremskühlkreislauf somit keine durch das Bremsen hervorgerufene Wärme abführen muss, wird diese Pumpe für den Einsatz in dem Hauptkühlkreislauf verwendet.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der Brems-Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher thermisch mit dem Kühlmittelhauptkreislauf gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine Abführung der durch Bremsen oder durch den Bremsvorgang hervorgerufenen Wärme.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelhauptkreislauf eingebunden ist. Um die Kühlmittelkreisläufe somit unabhängig vom Bremskühlkreislauf betreiben zu können, ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Wärmetauscher stromauf jeder Mündung der Kühlmittelteilkreisläufe jedes der Brennstoffzellensysteme angeordnet ist.
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Um höheren Lastanforderungen zu genügen und damit auch beispielsweise in Nutzfahrzeugen eingesetzt werden zu können, ist es bevorzugt, wenn wenigstens eine durch einen zweiten Brennstoffzellenstapel eines zweiten Brennstoffzellensystems geführte zweite Kühlmittelleitung eines zweiten Kühlmittelteilkreislaufs vorliegt, in welche eine zweite Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels durch den zweiten Kühlmittelteilkreislauf eingebunden ist, und wenn die zweite Kühlmittelleitung des zweiten Kühlmittelteilkreislaufs stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe fluidmechanisch abzweigt und stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe wieder in die Hauptkühlmittelleitung mündet.
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Um besonders hohen Lastanforderungen zu genügen und um möglichst viel Wärme abführen zu können, ist das System beliebig erweiterbar, das heißt es kann eine Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen parallel zueinander geschaltet werden. Somit ist es bevorzugt, wenn wenigstens eine durch einen weiteren Brennstoffzellenstapel eines weiteren Brennstoffzellensystems geführte weitere Kühlmittelleitung eines weiteren Kühlmittelteilkreislaufs vorliegt, in welche eine weitere Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels durch den weiteren Kühlmittelteilkreislauf eingebunden ist, und wenn die weitere Kühlmittelleitung des weiteren Kühlmittelteilkreislaufs stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe fluidmechanisch abzweigt und stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe wieder in die Hauptkühlmittelleitung mündet.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn in die Kühlmittelleitung stromab des Brennstoffzellenstapels und stromauf der Mündung des Kühlmittelteilkreislaufs ein Rückschlagventil eingebunden ist. Dies ermöglicht, dass bei Erreichen eines Grenzdrucks das Rückschlagventil auslöst, wodurch Kühlmittel von den Kühlmittelteilkreisläufen in den Kühlmittelhauptkreislauf und damit in den Kühler gelangen kann. In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn stromauf des Rückschlagventils die Kühlmittelleitung in einem Bypass verzweigt, der mittels eines Dreiwegeventils geschaltet werden kann, um ein Kühlen des Kühlmittels in der Haupt-Kühlmittelleitung zu vermeiden; beispielsweise dann, wenn der Brennstoffzellenstapel erwärmt werden soll..
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn in die Haupt-Kühlmittelleitung stromab der Abzweigung und stromauf der Mündung des Kühlmittelteilkreislaufs ein Haupt-Rückschlagventil in die Haupt-Kühlmittelleitung eingebunden ist. Das Haupt-Rückschlagventil ist somit vorzugsweise stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe und auch stromab des Wärmetauschers angeordnet. Bei Erreichen eines Grenzdrucks löst das Haupt-Rückschlagventil aus, wodurch Kühlmittel hindurch gelassen und somit der Brennstoffzellensystem-Bypass zugeschaltet werden kann.
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Das Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
- • Betreiben des ersten Kühlmittelteilkreislaufs mit der ersten Kühlmittelpumpe und damit Förderung des Kühlmittels durch die erste Kühlmittelleitung bei einem ersten Volumenstrom,
- • Erhöhen der Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe und damit Förderung des Kühlmittels in der Haupt-Kühlmittelleitung mit einem zweiten Volumenstrom, wobei der erste Volumenstrom in der Kühlmittelleitung konstant gehalten wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit, insbesondere bei einer hohen Lastenanforderung an das Brennstoffzellensystem, die Erhöhung des zweiten Volumenstroms, das heißt des Volumenstroms im Kühlmittelhauptkreislauf unter Beibehaltung des Volumenstroms im Kühlmittelteilkreislauf. Dadurch kann bei Bedarf die Wärmeabfuhr vergrößert werden und somit auch höhere Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem ermöglicht werden.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe und damit die Förderung des Kühlmittels in der Hauptkühlmittelleitung mit einem zweiten Volumenstrom genau dann erhöht wird, wenn eine an das Brennstoffzellensystem gestellte Lastanforderung eine Grenzlast überschritten hat. Umgekehrt ist es von Vorteil, wenn die Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe und damit die Förderung des Kühlmittels in der Haupt-Kühlmittelleitung mit einem zweiten Volumenstrom genau dann reduziert wird, wenn die Lastanforderung eine Grenzlast unterschreitet, wobei der erste Volumenstrom in der Kühlmittelleitung des mindestens einen Kühlmittelteilkreislaufs konstant gehalten wird.
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Zur Vereinfachung des Kühlsystems und zur Reduzierung der notwendigen Bauteile, ist es von Vorteil, wenn die Haupt-Kühlmittelpumpe durch die in einen Brems-Kühlkreislauf eingebundene Pumpe gebildet ist, und wenn diese Pumpe genau dann hinzugeschaltet wird, wenn keine Kühlungsleistung für die Bremsenkühlung benötigt wird.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Kühlsystems.
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1 zeigt ein Kühlsystem 1 mit einem eine Haupt-Kühlmittelleitung 2 umfassenden Kühlmittelhauptkreislauf 3, in den ein Kühler 4 sowie eine Haupt-Kühlmittelpumpe 5 eingebunden sind. Weiterhin ist ein durch einen Brennstoffzellenstapel 6 eines Brennstoffzellensystems 7 geführte Kühlmittelleitung 8 eines Kühlmittelteilkreislaufs 9 vorhanden, in welche eine erste Kühlmittelpumpe 10 zur Förderung eines Kühlmittels durch den Kühlmittelteilkreislauf 9 eingebunden ist. Dadurch wird ein Brennstoffzellensystembypass 26 mit einer Brennstoffzellensystemleitung 27 im Kühlsystem 1 gebildet
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Darüber hinaus ist optional - und in 1 gezeigt - parallel zum ersten Brennstoffzellensystem 7 ein zweites Brennstoffzellensystem 14 geschaltet. Durch einen zweiten Brennstoffzellenstapel 13 des zweiten Brennstoffzellensystems 14 führt eine zweite Kühlmittelleitung 15 eines zweiten Kühlmittelteilkreislaufs 16. Im Kühlmittelteilkreislauf 16 ist eine zweite Kühlmittelpumpe 17 zur Förderung eines Kühlmittels durch den zweiten Kühlmittelteilkreislauf 16 eingebunden.
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Die Kühlmittelleitung 8 des Kühlmittelteilkreislaufs 9 zweigt stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 fluidmechanisch ab und mündet stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 wieder in die Haupt-Kühlmittelleitung 2. Analog dazu zweigt die zweite Kühlmittelleitung 15 des zweiten Kühlmittelteilkreislaufs 16 stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 fluidmechanisch ab und mündet stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 wieder in die Haupt-Kühlmittelleitung 2. Die Abzweigung 23 des zweiten Kühlmittelteilkreislaufs 16 ist dabei stromab der Abzweigung 22 des ersten Kühlmittelteilkreislaufs 9 angeordnet. Durch diese Anordnung teilen sich die Kühlmittelteilkreisläufe 9, 16 und der Kühlmittelhauptkreislauf 3 den Kühler 4 in dem Kühlmittelhauptkreislauf 3.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass zusätzlich ein Brems-Kühlkreislauf 25 vorhanden ist, dem eine Pumpe 11 zugeordnet ist. Der Brems-Kühlkreislauf 25 ist dabei thermisch über einen Wärmetauscher 12 mit dem Kühlmittelhauptkreislauf 3 gekoppelt. Aufgrund von Reinheitsanforderungen ist der Brems-Kühlkreislauf 25 fluidtechnisch vom Kühlmittelhauptkreislauf 3 getrennt. Um die Anzahl der Bauteile zu reduzieren, ist die Haupt-Kühlmittelpumpe 5 durch die in den Brems-Kühlkreislauf 25 eingebundene Pumpe 11 gebildet. Der Wärmetauscher 12 ist dabei stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 und stromauf jeder Mündung 18, 19 der Kühlmittelteilkreisläufe 9, 16 jedes der Brennstoffzellensysteme 7, 14 in den Kühlmittelhauptkreislauf 3 eingebunden.
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In die Kühlmittelleitung 8 und in die zweite Kühlmittelleitung 15 ist stromab des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 7, 14 und stromauf der jeweiligen Mündung 18, 19 des jeweiligen Kühlmittelteilkreislaufs 9, 16 ein Rückschlagventil 20, 21 eingebunden. Bei Erreichen eines Grenzdrucks löst das Rückschlagventil 20, 21 aus, wodurch Kühlmittel in die Haupt-Kühlmittelleitung 2 gelassen wird. Darüber hinaus ist stromauf des jeweiligen Rückschlagventils 20, 21 eine weitere Abzweigung der Kühlmittelleitung 8, 15 vorhanden, die mit der jeweiligen Kühlmittelleitung 8, 15 stromauf der Kühlmittelpumpe 10, 17 über ein Dreiwegeventil fluidverbunden sind. Dies ermöglicht, dass das Kühlmittel bei einem Druck unterhalb des Grenzdrucks des Rückschlagventils 20,21 ausschließlich in dem jeweiligen Kühlmittelteilkreislauf 9, 16 zirkuliert.
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Darüber hinaus ist in die Haupt-Kühlmittelleitung 2 stromab der Abzweigung 22, 23 und stromauf der Mündung 18, 19 des Kühlmittelteilkreislaufs 9, 16 ein Haupt-Rückschlagventil 24 in die Haupt-Kühlmittelleitung 2 eingebunden. Bei Erreichen eines Grenzdrucks löst das Haupt-Rückschlagventil 24 aus, wodurch Kühlmittel aus dem Brennstoffzellensystembypass 26 durch die Brennstoffzellensystembypassleitung 27 in die Kühlmittelhauptleitung 2 durchgelassen wird.
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Weiterhin ist eine nicht näher dargestellte Steuereinheit vorhanden und eingerichtet, eine Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 zu erhöhen, wenn eine erhöhte Lastanforderung an das mindestens eine Brennstoffzellensystem 7 vorliegt, und die Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 zu reduzieren, wenn eine gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigere Lastanforderung vorliegt. Die Steuereinheit ist insbesondere eingerichtet, die Haupt-Kühlmittelpumpe 5 erst dann in Betrieb zu setzen, wenn die Lastanforderung eine Grenzlast überschritten hat.
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Das Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems 1 läuft dabei wie folgt ab. Der erste Kühlmittelteilkreislauf 9 mit der ersten Kühlmittelpumpe10 wird betrieben und das Kühlmittel damit zumindest durch die erste Kühlmittelleitung 8 mit einem ersten Volumenstrom befördert. Bei hohen Leistungsanforderungen kann auch noch der zweite Kühlmittelteilkreislauf 16 betrieben werden mit der zweiten Kühlmittelpumpe 17, sodass das Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelleitung 15 mit einem dritten Volumenstrom befördert wird. Überschreitet die Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 7, 14 eine Grenzlast, so wird die Leistungsaufnahme der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 durch die Steuereinheit erhöht. Somit wird die in den Brems-Kühlkreislauf 25 eingebundene Pumpe 11 in ihrer Leistungsaufnahme erhöht bzw. dazugeschaltet, genau dann, wenn keine Kühlungsleistung für die Bremsenkühlung benötigt wird. Somit wird die Förderung des Kühlmittels - und damit der zweite Volumenstrom - in der Haupt-Kühlmittelleitung 2 erhöht, was zu einer stärkeren Wärmeabfuhr der Wärme aus den Brennstoffzellensystemen 7, 14 führt, ohne den ersten Volumenstrom in der ersten Kühlmittelleitung 8 oder den dritten Volumenstrom in der zweiten Kühlmittelleitung 15 zu verändern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Hauptkühlmittelleitung
- 3
- Kühlmittelhauptkreislauf
- 4
- Kühler
- 5
- Hauptkühlmittelpumpe
- 6
- Brennstoffzellenstapel
- 7
- Brennstoffzellensystem
- 8
- Kühlmittelleitung (erste Kühlmittelleitung)
- 9
- Kühlmittelteilkreislauf (erster Kühlmittelteilkreislauf)
- 10
- erste Kühlmittelpumpe
- 11
- Pumpe des Brems-Kühlkreislaufs
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- zweiter Brennstoffzellenstapel
- 14
- zweites Brennstoffzellensystem
- 15
- zweite Kühlmittelleitung
- 16
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- 17
- zweite Kühlmittelpumpe
- 18
- Mündung (erster Kühlmittelkreislauf)
- 19
- Mündung (zweiter Kühlmittelkreislauf)
- 20
- Rückschlagventil (erster Kühlmittelkreislauf)
- 21
- Rückschlagventil (zweiter Kühlmittelkreislauf)
- 22
- Abzweigung (erster Kühlmittelkreislauf)
- 23
- Abzweigung (zweiter Kühlmittelkreislauf)
- 24
- Haupt-Rückschlagventil
- 25
- Brems-Kühlkreislauf
- 26
- Brennstoffzellensystembypass
- 27
- Brennstoffzellensystembypassleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054299 A1 [0003]
- DE 102015202778 A1 [0004]
- DE 102016110964 A1 [0005]
