-
Die Erfindung betrifft ein eine Kühlvorrichtung aufweisendes Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
-
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in der chemisch gebundene Energie in elektrische Energie umgesetzt wird, wobei dieser Vorgang zwangsläufig auch mit der Generierung thermischer Energie verbunden ist. Brennstoffzellensysteme, welche eine Vielzahl einzelner, typischerweise in Stapelform angeordneter Brennstoffzellen umfassen, weisen häufig Kühlsysteme mit einem geschlossenen Kühlkreislauf auf.
-
Aus der
DE 11 2010 005 520 B4 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches unter anderem einen Betriebs-Controller sowie einen Klimatisierungsmechanismus umfasst. Der Klimatisierungsmechanismus soll dabei ein Heizen unter Nutzung von Abwärme aus der Brennstoffzelle ermöglichen.
-
Die
DE 10 2006 049 252 A1 offenbart eine aus Einzelzellelementen aufgebaute Brennstoffzelle, wobei in mindestens eines der Einzelzellelemente ein Wärmetauscher integriert ist.
-
In der
DE 102 56 922 A1 wird die Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle durch Walzen vorgeschlagen. Innerhalb der fertiggestellten Brennstoffzelle ist zwischen dem Separator und einer Gasdiffusionselektrode ein Kühlmittelströmungskanal gebildet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoffzellensysteme gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich des Thermomanagements weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Funktionalität, apparativem Aufwand und Raumbedarf angestrebt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein eine Kühlvorrichtung aufweisendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 9.
-
Dem Brennstoffzellensystem ist eine Kühlvorrichtung zuzurechnen, welche einen Wärmetauscher, einen Bypass und ein 3/2 Wegeventil umfasst. Das 3/2 Wegeventil ist zur Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Wärmetauscher und den Bypass in einem beliebigen, einstellbaren Aufteilungsverhältnis vorgesehen.
-
Unter einem 3/2 Wegeventil wird allgemein ein Ventil verstanden, welches drei Anschlüsse und zwei mögliche Schaltstellungen aufweist, wobei im vorliegenden Fall ein Kontinuum an Zwischenstellungen existieren kann. Durch das 3/2 Wegeventil entfällt die Notwendigkeit, ein gesondertes Bypassventil zu installieren. Vielmehr ist das 3/2 Wegeventil sowohl zur Einstellung des durch den Wärmetauscher strömenden Kühlmittelstroms als auch zur Einstellung des Kühlmittelstroms, welches durch den Bypass fließt, das heißt den Wärmetauscher umgeht, nutzbar. Dies impliziert, dass auch am Wärmetauscher kein gesondertes Ventil zur Beeinflussung des Kühlmittelstroms erforderlich ist. Insgesamt ermöglicht das 3/2 Wegeventil in Form eines einzigen Ventils vielfältige Einstell- und Regelmöglichkeiten hinsichtlich der beiden Funktionen „Wärme aus einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einem Brennstoffzellenstapel, abführen“ und „Volumenstrom durch die Kühlvorrichtung regeln“.
-
In kompakter Ausgestaltung kann das 3/2 Wegeventil sowie der Bypass in das Gehäuse der Kühlvorrichtung integriert sein, wobei Außenabmessungen, insbesondere der Grundriss des Gehäuses der Kühlvorrichtung, auf die Außenabmessungen eines Gehäuses eines Brennstoffzellenstapels abgestimmt sein können. In jedem Fall ist der Wärmetauscher dafür geeignet, Wärme aus einem Brennstoffzellenstapel des beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder auch in einer stationären Anlage zur Stromerzeugung zum Einsatz kommenden Brennstoffzellensystems abzuführen. Bedarfsweise, insbesondere beim Anfahren des Brennstoffzellensystems bei niedrigen Temperaturen, kann auch ein Wärmeeintrag in den Brennstoffzellenstapel über den Wärmetauscher vorgesehen sein.
-
Optional befindet sich innerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers auch ein Steuergerät, mit welchem das 3/2 Wegeventil ansteuerbar ist. Das Steuergerät kann mit verschiedenen Sensoren verknüpft sein, welche sich ebenfalls im Gehäuse des Wärmetauschers befinden können. Hierbei kann es sich insbesondere um Temperatur- und/oder Durchflusssensoren handeln.
-
Beispielsweise ist ein erster Temperatursensor in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem 3/2 Wegeventil und ein zweiter Temperatursensor nach dem Zusammenfluss des durch den Wärmetauscher geleiteten Kühlmittels mit dem durch den Bypass geleiteten Kühlmittel angeordnet, wobei zusätzlich ein weiterer Sensor, nämlich Volumenstromsensor, vorgesehen sein kann, mit welchem der gesamte Kühlmittelstrom erfassbar ist.
-
Bei dem 3/2 Wegeventil kann es sich insbesondere um ein elektrisch betätigtes Drehschieberventil handeln. Das Drehschieberventil weist zwei mögliche Endstellungen auf, in denen entweder ein an den Wärmetauscher angeschlossener Ventilauslass oder ein an den Bypass angeschlossener Ventilauslass vollständig geöffnet ist, während der jeweils andere Ventilauslass geschlossen ist. Darüber hinaus ist das Drehschieberventil in vorteilhafter Ausgestaltung zur kontinuierlichen Verstellung der Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Wärmetauscher einerseits und den Bypass andererseits sowie zur stufenlosen Drosselung des Kühlmittelstroms ausgebildet.
-
Der Wärmetauscher, mit welchem der Brennstoffzellenstapel temperierbar ist, kann insbesondere als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Hierbei können die einzelnen Platten des Plattenwärmetauschers beispielsweise parallel oder orthogonal zu aufeinander gestapelten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet sein. Theoretisch kann die Kühlvorrichtung auch eine Mehrzahl an parallel und/oder in Reihe geschalteter Wärmetauscher umfassen, welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können. Eine Pumpe zur Umwälzung des Kühlmittels kann sich innerhalb des Gehäuses der Kühlvorrichtung, im Gehäuse des Brennstoffzellenstapels oder an sonstiger Stelle befinden.
-
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren geht davon aus, dass aus einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems Kühlmittel ausgeleitet, mittels eines Wärmetauschers temperiert und in den Brennstoffzellenstapel zurückgeleitet wird. Das Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, wird mittels eines einzigen, in einem Gehäuse eines Wärmetauschers angeordneten Ventils und einer Kühlmittelpumpe umgewälzt, nach Bedarf gedrosselt sowie auf den Wärmetauscher und einen ebenfalls im Gehäuse des Wärmetauschers angeordneten Bypass aufgeteilt. Die Funktion der Drosselung kann hierbei durch das Ventil oder durch eine Kühlmittelpumpe, sofern diese die Möglichkeit der Veränderung der Drehzahl bietet, übernommen werden.
-
Der Wärmetauscher kann entweder als Wasser/Luft-Wärmetauscher ausgebildet oder Komponente eines Zwischenkreises sein, welcher einen Kühler als weiteren Wärmetauscher umfasst. Ein solcher Zwischenkreis kann auch genutzt werden, um beispielsweise Komponenten einer Leistungselektronik, einen Verdichter oder andere wärmeerzeugende Komponenten zu kühlen. Auch die Nutzung des Zwischenkreises in einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung ist möglich.
-
Unabhängig davon, inwieweit die Kühlvorrichtung des Brennstoffzellensystems weitere Komponenten, zusätzlich zum Brennstoffzellenstapel, temperiert, kann die Kühlvorrichtung ein Steuergerät umfassen. Das Steuergerät ist mit einer Kommunikationsschnittstelle ausgestattet, welche insbesondere Messwerte, unter anderem Temperaturmesswerte, an ein übergeordnetes System übermittelt sowie Daten, insbesondere Temperatursollwerte, vom übergeordneten System erhält. Das Steuergerät regelt die vom übergeordneten System angeforderte Temperatur durch geeignete Verstellung des 3/2 Wegeventils, gegebenenfalls unter Nutzung der Verstellmöglichkeiten der Kühlmittelpumpe. Die Regelung umfasst als Stellglied das 3/2-Wegeventil und als Messglied beispielsweise einen Temperatursensor auf der Kühlmittelausgangsseite. Der Regler ist auf dem Steuergerät implementiert.
-
Die Kommunikationsschnittstelle des Steuergerätes ist auch nutzbar, um beliebige sonstige Statusmitteilungen zu übermitteln. Der Status kann sich hierbei auch auf Fehler oder sonstige irreguläre Zustände, beispielsweise das Blockieren eines Ventils, insbesondere des 3/2 Wegeventils, oder die Unmöglichkeit, eine angeforderte Temperatur einzustellen, beziehen.
-
Je nach festgestelltem Status kann das übergeordnete System dazu ausgebildet sein, Meldungen oder Gegenmaßnahmen auszulösen, mit welchen insbesondere Beschädigungen des Brennstoffzellensystems vermieden werden. Beispielsweise kann das Steuergeräte des Brennstoffzellensystems, optional in Zusammenwirkung mit dem übergeordneten System, dazu ausgebildet sein, im Fall einer eingeschränkten Funktion des 3/2 Wegeventils oder bei unklarem Status den Strömungspfad durch den Wärmetauscher voll zu öffnen, um die größtmögliche thermische Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen.
-
Sofern das Brennstoffzellensystem mindestens einen Volumenstromsensor umfasst oder die Ermittlung des Volumenstroms mit Hilfe sonstiger Sensoren vorgesehen ist, ist auch die Berechnung von Wärmebilanzen mit Hilfe des Steuergerätes und/oder übergeordneten Systems möglich. Teilströme des Volumenstroms, welche durch den Wärmetauscher beziehungsweise durch den Bypass fließen, können auf Basis der Einstellung des 3/2 Wegeventils geschätzt oder gesondert gemessen werden. Auch Informationen aus der Wärmebilanz können in eine Fehlerüberwachung eingehen.
-
Die gesamte Kühlvorrichtung weist, sofern der Wärmetauscher als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist, lediglich zwei Anschlüsse für Fluide, nämlich das im Kühlmittelkreislauf strömende Fluid, typischerweise Kühlwasser, auf. Ist der Wärmetauscher der Kühlvorrichtung als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet, so sind zwei zusätzliche Anschlüsse für den Zwischenkreis, in welchem ebenfalls ein Wärmeträger strömt, vorhanden.
-
In allen Fällen sind sämtliche Komponenten der Kühlvorrichtung in einer kompakten Baugruppe zusammengefasst. Diese Baugruppe, welche auch als „Smart Cooler“ bezeichnet wird, ist auf einfachste Weise als Ganzes im Brennstoffzellensystem montierbar sowie bei Bedarf, insbesondere zu Reparatur- oder Wartungszwecken, aus dem Brennstoffzellensystem entnehmbar.
-
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems in einem vereinfachten Fließbild,
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems in einer Darstellung analog 1,
- 3 in vereinfachter Darstellung die räumliche Anordnung von Komponenten des Brennstoffzellensystems nach 2,
- 4 und 5 Komponenten eines 3/2 Wegeventils einer Kühlvorrichtung eines Brennstoffzellensystems.
-
Die folgenden Erläuterungen gelten, soweit nicht anders angegeben, für sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst eine Kühlvorrichtung 2 zur Kühlung eines kurz als Stack bezeichneten Brennstoffzellenstapels 3. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
-
Die Kühlvorrichtung 2 ist als Modul ausgebildet, welches als Ganzes montierbar ist und ein Gehäuse 4 aufweist. Der Kühlmittelkreislauf, in welchem das Kühlmittel, typischerweise Kühlwasser, durch die Kühlvorrichtung 2 sowie durch den Stack 3 strömt, ist mit 5 bezeichnet. Am Gehäuse 4 befinden sich Kühlmittelanschlüsse 6, 7, wobei der Kühlmittelanschluss 6 der Zuleitung von Kühlmittel vom Stack 3 zur Kühlvorrichtung 2 und der Kühlmittelanschluss 7 der Rückführung von Kühlmittel von der Kühlvorrichtung 2 in den Stack 3 dient. Kühlmittelleitungen sind in den Figuren mit 8, Datenleitungen mit 9 bezeichnet.
-
Die Kühlvorrichtung 2 umfasst einen Wärmetauscher 10, welcher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Ferner weist die Kühlvorrichtung 2 einen Bypass 11 auf, mit welchem der Wärmetauscher 10 umgangen werden kann. Die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Wärmetauscher 10 und/oder den Bypass 11 erfolgt mittels eines elektromotorisch betätigten Ventils 12, welches als 3/2 Wegeventil ausgebildet ist. Das Ventil 12 ist datentechnisch und leistungstechnisch mit einem Steuergerät 13 verknüpft, welches sich, ebenso wie das Ventil 12, der Wärmetauscher 10 und der Bypass 11, innerhalb des Gehäuses 4 der Kühlvorrichtung 2 befindet. Ein zur Betätigung des Ventils 12 vorgesehener Elektromotor ist mit 18 bezeichnet.
-
Das Steuergerät 13 ist ferner mit mindestens einem Temperatursensor 26, 27 verknüpft. Hierbei misst ein erster Temperatursensor 26 die Temperatur des gemischten, in den Stack 3 zu leitenden Kühlmittels, welches aus dem Kühlmittelteilstrom, der im Wärmetauscher 10 temperiert wurde und dem Kühlmittelteilstrom, der den Bypass 11 durchströmte, gemischt wurde. Zusätzlich zum ersten Temperatursensor 26 ist in der Ausgestaltung nach 2 ein zweiter Temperatursensor 27 vorhanden, mit welchem die Temperatur des vom Stack 3 zum Ventil 12 strömenden Kühlmittels erfasst wird. Darüber hinaus wird in der Variante nach 2 mittels eines Volumenstromsensors 28 der gesamte Volumenstrom des Kühlmittels, welches durch die Kühlvorrichtung 2 strömt, gemessen.
-
Sowohl in der Variante nach 1 als auch in der Variante nach 2 überträgt der Wärmetauscher 10 Wärme in einen Zwischenkreislauf 14, welcher allgemein auch als Wärmeträgerkreislauf bezeichnet wird. Der Zwischenkreislauf 14 umfasst einen Kühler 15, welcher an Anschlüsse 16, 17, die sich am Gehäuse 4 befinden und die fluidtechnische Verbindung zum Wärmetauscher 10 herstellen, angeschlossen ist. Die in 3 skizzierte räumliche Anordnung der verschiedenen Komponenten 4, 6, 7, 10, 12, 16, 17 der Kühlvorrichtung 2 bezieht sich sowohl auf das Ausführungsbeispiel nach 1 als auch auf das Ausführungsbeispiel nach 2.
-
Einzelheiten des Ventils 12, das heißt 3/2 Wegeventils, welches sowohl im Brennstoffzellensystem 1 nach
1 als auch im Brennstoffzellensystem 1 nach
2 zum Einsatz kommt, gehen aus den
4 und
5 hervor. Das Ventil 12 weist ein Gehäuse 19 auf, in welchem ein Drehschieber 23 sowohl verschiebbar als auch verschwenkbar ist. Der Elektromotor 18 ist zu diesem Zweck in der Lage, sowohl axiale Bewegungen als auch Drehbewegungen auszuführen. Derartige Motoren sind grundsätzlich beispielsweise aus den Dokumenten
EP 0 221 228 B1 ,
DE 10 2005 029 545 A1 und
DE 24 51 718 A1 bekannt.
-
Das Kühlmittel wird im Kühlmittelkreislauf 5 mittels einer Kühlmittelpumpe 29 umgewälzt, welche lediglich in 1 dargestellt, jedoch ebenso in der Ausführungsform nach 2 vorhanden ist. Bei der Kühlmittelpumpe 29 handelt es sich um eine Pumpe mit verstellbarer Drehzahl. Mit Hilfe der Kühlmittelpumpe 29 kann somit der gesamte Kühlmittelstrom auch in Fällen eingestellt werden, in denen die Drosselungsfunktion nicht vom Ventil 12 übernommen wird. Die Kühlmittelpumpe 29 ist, wie aus 1 hervorgeht, im Gehäuse 4 angeordnet.
-
In dem in 4 skizzierten Gehäuse 19 des Ventils 12 befinden sich eine Einlassöffnung 20, die an den Kühlmittelanschluss 6 angeschlossen ist, sowie eine erste Auslassöffnung 21, an welche der Wärmetauscher 10 angeschlossen ist, und eine zweite Auslassöffnung 22, durch welche Kühlmittel in den Bypass 11 einleitbar ist. Der ebenso wie das Gehäuse 19 hohle Drehschieber 23 weist eine einlassseitige Öffnung 24 und eine auslassseitige Öffnung 25 auf. Eine mögliche Lage der Öffnungen 20, 21, 22 des Gehäuses 19 in Relation zum Drehschieber 23 ist in 5 gestrichelt angedeutet. Eine Verschiebung des Drehschiebers 23 im Gehäuse 19 geht mit einer Drosselung oder Freigabe des Kühlmittelstroms einher. Gleichzeitig ist durch eine Verschwenkung des Drehschiebers 23 um seine Mittelachse jede beliebige Aufteilung des Kühlmittelstroms durch den Wärmetauscher 10 einerseits und den Bypass 11 andererseits einstellbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Kühlvorrichtung
- 3
- Brennstoffzellenstapel, Stack
- 4
- Gehäuse der Kühlvorrichtung
- 5
- Kühlmittelkreislauf
- 6
- Kühlmittelanschluss vom Stack
- 7
- Kühlmittelanschluss zum Stack
- 8
- Kühlmittelleitung
- 9
- Datenleitung
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Bypass
- 12
- 3/2 Wegeventil, Ventil
- 13
- Steuergerät
- 14
- Wärmeträgerkreislauf, Zwischenkreislauf
- 15
- Kühler
- 16
- Anschluss zum Kühler
- 17
- Anschluss vom Kühler
- 18
- Elektromotor
- 19
- Gehäuse des Ventils
- 20
- Einlassöffnung des Gehäuses
- 21
- Auslassöffnung zum Wärmetauscher
- 22
- Auslassöffnung zum Bypass
- 23
- Drehschieber
- 24
- einlassseitige Öffnung im Drehschieber
- 25
- auslassseitige Öffnung im Drehschieber
- 26
- Temperatursensor
- 27
- Temperatursensor
- 28
- Volumenstromsensor
- 29
- Kühlmittelpumpe
-
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
-
- DE 112010005520 B4 [0003]
- DE 102006049252 A1 [0004]
- DE 10256922 A1 [0005]
- EP 0221228 B1 [0030]
- DE 102005029545 A1 [0030]
- DE 2451718 A1 [0030]
