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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf, in den ein mindestens einen Brennstoffzellenstapel umfassendes Brennstoffzellensystem, ein Kühler sowie eine Haupt-Kühlmittelpumpe eingebunden sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kühlsystems.
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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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Es ist bekannt, mit dem Kühlsystem des Brennstoffsystems zugleich auch einen Bremswiderstand, insbesondere einen elektrischen Bremswiderstand für eine Bremse des Kraftfahrzeugs zu kühlen. Dies ist beispielsweise der
DE 10 2007 054 246 A1 zu entnehmen, wobei auch die durch den Bremswiderstand erzeugte Wärme zur Erwärmung des Kühlmittels genutzt werden kann. Auch die KR 10 2008 005 3550 A beschreibt einen Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems, der thermisch mit einem Bremswiderstand verbunden ist. Entsprechendes gilt für die
WO 2007 / 064 381 A2 , in der ebenfalls ein Bremswiderstand mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle thermisch gekoppelt ist.
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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, ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems anzugeben, bei denen selbst bei Erreichen der Grenzleistungsfähigkeit des Kühlers noch immer Wärme des Brennstoffzellensystems abgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in den Kühlkreislauf ein Wärmetauscher eingebunden ist, durch den die Kühlmittelleitung des Kühlkreislaufs stofflich getrennt mit einer Brems-Kühlmittelleitung eines Brems-Kühlkreislaufs thermisch gekoppelt ist, wobei in den Brems-Kühlkreislauf ein Bremswiderstand und eine Pumpe zur Zirkulation von Kühlmittel im Brems-Kühlkreislauf eingebunden sind.
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Mit dieser Ausgestaltung ist der Vorteil verbunden, dass der Brems-Kühlkreislauf als thermischer Puffer genutzt werden kann, da gerade in Hochlastphasen, also bei Autobahnfahrten oder bei Fahrten bergauf, durch die Nutzfahrzeuge keine Wärme über den Bremswiderstand in den Brems-Kühlkreislauf eingebracht wird. Daher steht das im Brems-Kühlkreislauf vorhandene Kühlmittel als thermischer Puffer in solchen Lastphasen zur Verfügung, insbesondere dann, wenn die Leistungsgrenze des Kühlers erreicht ist.
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In diesem Zusammenhang ist es daher von Vorteil, wenn eine Steuereinheit vorhanden und eingerichtet ist, eine Leistungsaufnahme der Pumpe des Brems-Kühlkreislaufs zu erhöhen, wenn eine erhöhte Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt, und die eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme der Pumpe des Brems-Kühlkreislaufs zu reduzieren, wenn eine gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigere Lastanforderung vorliegt. Auf diese Weise wird also das Kühlmittel im Brems-Kühlkreislauf stärker umgewälzt und dadurch eine homogenere Wärmeverteilung im Kühlmittel des Brems-Kühlkreislaufs bewirkt, der damit als zuverlässiger thermischer Puffer bereitsteht. In Niederlastphasen kann die im Brems-Kühlkreislauf zwischengespeicherte Wärme dann wieder in den Hauptkühlkreislauf zurückgeführt und über den Kühler an die Umgebung abgegeben werden.
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In diesem Zuge ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Steuereinheit vorhanden und eingerichtet ist, im Falle einer erhöhten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem einen Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers aus dem Kühlkreislauf in den Brems-Kühlkreislauf zu veranlassen.
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Um den Puffer in Form des Brems-Kühlkreislaufs wieder zu „entleeren“ hat es sich als Vorteil erwiesen, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, im Falle einer gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigeren Niederlastanforderung an das Brennstoffzellensystem einen Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers aus dem Brems-Kühlkreislauf in den Kühlkreislauf zu veranlassen. Dabei wird also bei einer niedrigen Lastanforderung, die beispielsweise bei einem Bremsvorgang vorliegt, die Wärme aus dem Brems-Kühlkreislauf in den Haupt-Kühlkreislauf übertragen, wodurch sie über den Kühler an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Der Kühlkreislauf kann auch mehrere Konstituenten eines Fahrzeugs, beispielsweise auch eine Klimaanlage versorgen. Aus diesem Grunde ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass der Kühlkreislauf aus einem Kühlmittelhauptkreislauf mit einer Haupt-Kühlmittelleitung und aus einem Kühlmittelteilkreislauf mit einer Kühlmittelleitung gebildet ist, wobei die Kühlmittelleitung des Kühlmittelteilkreislaufs stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe fluidmechanisch von der Haupt-Kühlmittelleitung abzweigt, und stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe wieder in die Haupt-Kühlmittelleitung mündet. Dabei ist in den Kühlmittelteilkreislauf der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebunden, sodass der Kühlmittelteilkreislauf zur Abfuhr der Wärme vom Brennstoffzellenstapel in den Kühlmittelhauptkreislauf genutzt werden kann. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich zudem die Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels gezielt regulieren.
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Um daher die Fördermenge innerhalb des Kühlmittelteilkreislaufs einstellen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Kühlmittelpumpe in die Kühlmittelteilleitung eingebunden ist.
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In diesem Zusammenhang ist es ferner möglich, dass von der Kühlmittelteilleitung eine Bypassleitung stromab des Brennstoffzellenstapels abzweigt, die stromauf des Brennstoffzellenstapels über ein Mehrwegeventil wieder in die Kühlmittelteilleitung mündet. Somit kann also die Bypassleitung dazu genutzt werden, um den Kühler zu umgehen und Kühlmittel nur innerhalb des Kühlmittelteilkreislaufs zu zirkulieren, insbesondere dann, wenn ein Erwärmen des Brennstoffzellenstapels gewünscht oder erforderlich ist.
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Um den Anteil des über den Wärmetauscher strömenden Kühlmittels einstellen zu können, ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelhauptkreislauf eingebunden ist.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem genannten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug, welches mit einem solchen Kühlsystem ausgerüstet ist. Dabei besteht die Möglichkeit, auch bestehende Brennstoffzellenfahrzeuge mit einem solchen Kühlsystem nachzurüsten.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem erwähnten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlsystems. Dieses umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
- - Überwachen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf, insbesondere im Kühlmittelhauptkreislauf,
- - Abführen der im Betrieb des Brennstoffzellensystems erzeugten Wärmemenge über den Kühler an die Umgebung, und
- - Abführen eines Anteils der im Betrieb des Brennstoffzellesystems erzeugten Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf in den Brems-Kühlkreislauf, wenn die vom Brennstoffzellenstapel erzeugte Wärmemenge eine Grenzwärmemenge des Kühlers erreicht oder überschreitet.
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Auf diese Weise wird also bei Erreichen einer Leistungsgrenze des Kühlers zur Kühlung des im Kühlkreislauf strömenden Kühlmittels ein thermischer Puffer durch die Nutzung des Brems-Kühlkreislauf geschaffen. Auf diese Weise wird ein Teil der erzeugten Wärme also über den Wärmetauscher an den Brems-Kühlkreislauf abgegeben, ohne dass die Leistung des Brennstoffzellensystems reduziert werden müsste, womit sich ein Derating vermeiden lässt.
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Um die Wärme wieder an die Umgebung abzugeben, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Wärme aus dem Brems-Kühlkreislauf in den Kühlmittelkreislauf abgegeben wird, wenn die im Betrieb des Brennstoffzellensystems erzeugte Wärmemenge hinter der Grenzwärmemenge des Kühlers zurückbleibt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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 den Figuren 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 zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Kühlsystems, bei dem die Grenzleistung des Kühlers zur Wärmeabgabe an die Umgebung hinter der vom Brennstoffzellensystem verursachte Wärmemenge zurückbleibt und daher ein Teil der Wärme in den Brems-Kühlkreislauf (thermischer Puffer) abgegebenen wird (vgl. Pfeil mit Q), und
- 2 eine schematische Darstellung des Kühlsystems aus 1, bei dem die vom Brennstoffzellensystem verursachte Wärmemenge hinter der maximal möglichen Wärmeabgabe an die Umgebung zurückbleibt und daher ein Teil der Wärme aus dem Brems-Kühlkreislauf in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt wird, um diesen Teil ebenfalls über den Kühler an die Umgebung abzugeben.
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In den Figuren ist ein Kühlsystem 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf beschrieben, in den ein mindestens einen Brennstoffzellenstapel 6 umfassendes Brennstoffzellensystem 7, ein Kühler sowie eine Haupt-Kühlmittelpumpe 5 eingebunden sind. Es besteht die Möglichkeit auch mehrere solcher Brennstoffzellensysteme 7 in den Kühlkreislauf einzubinden. Aus diesem Grunde ist der Kühlkreislauf aus einem Kühlmittelhauptkreislauf 3 mit einer Haupt-Kühlmittelleitung 2 und aus einem Kühlmittelteilkreislauf 9 mit einer Kühlmittelleitung 8 gebildet. Die Kühlmittelleitung 8 zweigt an einer Abzweigung 19 fluidmechanisch von der Haupt-Kühlmittelleitung 2 ab und führt zu dem Brennstoffzellenstapel 6 im Kühlmittelteilkreislauf 9. Nach dem Durchlaufen des Brennstoffzellenstapels 6 führt die Kühlmittelleitung 8 das Kühlmittel zu einer Mündung 18, sodass das Kühlmittel dann wieder in den Kühlmittelhauptkreislauf 3 und damit in die Haupt-Kühlmittelleitung 2 zurückgeführt wird. Außerdem weist der Kühlmittelteilkreislauf 9 eine Bypassleitung 14 auf, die von der Kühlmittelleitung 8 stromab des Brennstoffzellenstapels 6 abzweigt, und die stromauf des Brennstoffzellenstapels 6 über ein Mehrwegeventil 13 wieder in die Kühlmittelleitung 8 mündet. Außerdem liegt in der Kühlmittelleitung 8 eine Kühlmittelpumpe 10 vor, sodass sich ein geschlossener Kreislauf im Kühlmittelteilkreislauf 9 realisieren lässt in Abhängigkeit der Stellung des Mehrwegeventils 13. Durch geeignete Verschaltung strömt dabei das Kühlmittel über die Bypassleitung 14, sodass das Kühlmittel den Kühler 4 umgeht und damit nicht heruntergekühlt wird. Dies ist beispielsweise bei Froststartbedingungen erforderlich oder in anderen Fällen, in denen ein schnelles Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 6 erwünscht ist.
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Im Kühlmittelhauptkreislauf 3 liegt außerdem eine Haupt-Kühlmittelpumpe 5 vor, um das Kühlmittel in der Haupt-Kühlmittelleitung 2 umzuwälzen. Es ist zu erkennen, dass die Kühlmittelleitung 8 des Kühlmittelteilkreislaufs 9 stromauf der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 fluidmechanisch von der Haupt-Kühlmittelleitung 2 abzweigt, und dass die Kühlmittelleitung 8 des Kühlmittelteilkreislaufs 9 stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 wieder in die Haupt-Kühlmittelleitung 2 mündet. In den Kühlkreislauf, nämlich vorliegend in die Haupt-Kühlmittelleitung 2, ist außerdem ein Wärmetauscher 12 eingebunden, der stromab der Haupt-Kühlmittelpumpe 5 vorliegt.
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Dieser Wärmetauscher 12 bewirkt eine stofflich getrennte thermische Koppelung der Kühlmittelleitung 2 des Kühlkreislauf 3 und einer Brems-Kühlmittelleitung 16 eines Brems-Kühlkreislaufs 15. In diesem Brems-Kühlkreislauf 15 sind ein Bremswiderstand 17 sowie eine Pumpe 11 zur Zirkulation von Kühlmittel im Brems-Kühlkreislauf 15 eingebunden. Auf diese Weise kann also ein Wärmeaustausch zwischen dem Brems-Kühlkreislauf 15 und dem Kühlmittelhauptkreislauf 3 erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, dass bei Nutzfahrzeugen die thermische Leistung des Kühlers 4 schnell an ihre Grenzen stößt und daher eine Leistungsbegrenzung für das Brennstoffzellensystem 7 bereitgestellt werden müsste. Vorliegend wird dazu aber der Brems-Kühlkreislauf 15 genutzt, um einen thermischen Puffer bereitzustellen. Diese Situation ist in 1 dargestellt durch den Pfeil mit einem „Q“ darin. Beim Kühlsystem 1 ist eine nicht näher gezeigte Steuereinheit vorhanden und eingerichtet, um im Falle einer solchen erhöhten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 7 einen Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers 12 aus dem Kühlkreislauf in den Brems-Kühlkreislauf 15 zu veranlassen. Auf diese Weise kann also das Brennstoffzellensystem 7 bei einer Leistung betrieben werden, auch dann, wenn die Leistung des Kühlers 4 zur Kühlung des Kühlmittels nicht mehr ausreichen würde. Hierzu steht der Brems-Kühlkreislauf 15 als thermischer Puffer zur Verfügung. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme der Pumpe 11 des Brems-Kühlkreislaufs 15 zu erhöhen, wenn eine erhöhte Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 7 vorliegt, und die eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme der Pumpe 11 des Brems-Kühlkreislaufs 15 zu reduzieren, wenn eine gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigere Lastanforderung vorliegt.
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Der letztgenannte Fall wird durch 2 illustriert, bei der die Wärmemenge „Q“ von dem Brems-Kühlkreislauf 15 auf den Kühlmittelhauptkreislauf 3 übertragen wird, um diese zwischengespeicherte Wärme über den Kühler 4 an die Umgebung abzugeben. In diesem Fall ist also die Steuereinheit eingerichtet, im Falle einer gegenüber der erhöhten Lastanforderung niedrigeren Niederlastanforderung an das Brennstoffzellensystem 7 einen Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers 12 aus dem Brems-Kühlkreislauf 15 in den Kühlkreislauf 3 zu veranlassen.
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Das Kühlsystem 1 wird dabei also insbesondere wie folgt betrieben. Es wird getaktet oder kontinuierlich die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf 3 gemessen und überwacht. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 7 wird die dabei erzeugte Wärmemenge über den Kühler 4 an die Umgebung abgeführt. Wenn die vom Brennstoffzellenstapel 6 erzeugte Wärmemenge eine Grenzwärmemenge des Kühlers 4 erreicht oder überschreitet, so wird ein Anteil der im Betrieb des Brennstoffzellensystems 7 erzeugten Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf 3 in den Brems-Kühlkreislauf 15 abgeführt, der damit als Puffer zur Verfügung steht, ohne dass ein Derating des Brennstoffzellensystems 7 erforderlich wird.
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Sobald die Leistung des Brennstoffzellensystems 7 wieder herabgesetzt wird, kann auch die Wärme im Brems-Kühlkreislauf 15 wieder an die Umgebung abgegeben werden. In diesem Zuge ist es daher vorteilhaft, wenn Wärme aus dem Brems-Kühlkreislauf 15 in den Kühlmittelhauptkreislauf 3 über den Wärmetauscher 12 abgegeben wird, sollte die im Betrieb des Systems 7 erzeugte Wärmemenge hinter der Grenzwärmemenge des Kühlers 4 zurückbleiben.
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Im Ergebnis wird also zusätzlich zum Abführen der Wärme am Hauptwasserkühler auch der Wärmetauscher 12 zum Kühlkreislauf des Bremswiderstandes 17 dazu genutzt, um die Energie aus dem Kühlmittelhauptkreislauf 3 abzuführen. Durch diese Maßnahme kann für eine begrenzte Zeit eine höhere Wärmeleistung abgeführt werden und eine Leistungsbegrenzung wird verhindert oder zumindest verzögert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Hauptkühlmittelleitung
- 3
- Kühlmittelhauptkreislauf
- 4
- Kühler
- 5
- Haupt-Kühlmittelpumpe
- 6
- Brennstoffzellenstapel
- 7
- Brennstoffzellensystem
- 8
- Kühlmittelleitung (Kühlmittelleitung)
- 9
- Kühlmittelteilkreislauf
- 10
- Kühlmittelpumpe
- 11
- Pumpe des Brems-Kühlkreislaufs
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Mehrwegeventil
- 14
- Bypassleitung
- 15
- Brems-Kühlkreislauf
- 16
- Brems-Kühlmittelleitung
- 17
- Bremswiderstand
- 18
- Mündung (Kühlmittelkreislauf)
- 19
- Abzweigung (Kühlmittelkreislauf)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054246 A1 [0003]
- WO 2007064381 A2 [0003]
