DE10325444A1

DE10325444A1 - Brennstoffzelle mit Kühlsystem

Info

Publication number: DE10325444A1
Application number: DE10325444A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Thomas Heid; Bernhard Denne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US20040247968A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Brennstoffzelle und Kühler zu deren Kühlung, wobei eine Verbindung (6) vom Kühler (2) zu einem gekühlten und/oder klimatisierten Raum (9) zur Nutzung dessen Raumabluft zum Zwecke der Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle (1) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellensysteme (BZ-Antrieb + APU(Auxiliary power unit)) werden über ein konventionell ausgelegtes Kühlsystem mit Komponenten, wie sie bei der Kühlung von Verbrennungsmotoren im Einsatz sind, gekühlt. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass das Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems mit vergleichbarer Leistung zu einem Verbrennungsmotor deutlich größer ausgelegt werden muss (z.B. Lüfterleistung, Kühleroberfläche), da das Temperaturniveau der Abwärme des Brennstoffzellensystems deutlich niedriger ausfällt als im Verbrennungsmotor. Dadurch ist der Temperaturunterschied zur Außenluft, an die die Abwärme über das Kühlsystem abgegeben wird, deutlich geringer.

Die Auswirkung der geringen Temperaturdifferenz ist dahingehend nachweisbar, dass der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems oder einer Brennstoffzellenvorrichtung immer schlechter wird, je niedriger die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und der Umgebungsluft ist.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiter zu entwickeln, dass diese eine verbesserte Kühlleistung für die Brennstoffzelle bewirkt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass zur Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Umgebungsluft bei einem vorhandenen gekühlten oder klimatisierten Raum die gekühlte oder klimatisierte Abluft dieses Raumes zur Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Umgebungsluft genutzt wird, um eine Leistungsverbesserung der Brennstoffzellenvorrichtung zu erzielen.

Ganz allgemein wird dazu Folgendes angemerkt. In einem Brennstoffzellensystem muss die bei der Energieumwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff anfallende Verlustwärme aus dem System abgeleitet werden. Dies wird üblicherweise über einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf gewährleistet. Das Kühlmittel wird in der Regel durch den Einsatz von Lüftern auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht.

Generell wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Brennstoffzellensysteme oder Brennstoffzellenvorrichtungen sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden können. Die vorliegende Erfindung beansprucht deshalb sowohl den stationären als auch den mobilen Betrieb von Brennstoffzellensystemen bzw. Brennstoffzellenvorrichtungen, die in Verbindung mit einem gekühlten oder klimatisierten Raum betrieben werden. Sie weisen einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlich gekühlten Brennstoffzellensystemen oder Brennstoffzellenvorrichtungen dadurch auf, dass zusätzlich zur als Kühlluft genutzten Umgebungsluft wenigstens ein bestimmter Teil der gekühlten oder klimatisierten Abluft eines gekühlten oder klimatisierten Raumes genutzt wird.

Nachfolgend wird nun als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft die Verwendung für einen mobilen Einsatzzweck, beispielsweise einem Fahrzeug beschrieben. Durch die Beimischung der Abluft aus dem gekühlten/klimatisierten Fahrgastinnenraum zur Kühlluft aus der Umgebung kann nun die Temperatur des Kühlluftstroms gesenkt werden. Die Beimischung kann über eine regelbare Innenraumentlüftung erfolgen.

Durch den Einsatz von Klimaanlagen herrscht heute sowohl in Gebäuden als auch in Fahrgastinnenräumen ein in engen Grenzen konstantes "niedriges" Temperaturniveau, insbesondere bei hohen, kühlleistungs-kritischen Außentemperaturen. Die Abluft aus den gekühlten/klimatisierten Räumen oder dem Fahrgastinnenraum wird kontrolliert über eine regelbare Innenraumlüftung der Kühlluft aus der Umgebung in einer Mischstrecke vor dem Kühlereintritt zugeführt. Dadurch wird die Kühllufttemperatur vor Eintritt in den Kühler gesenkt. Somit können Kühler und Lüfter gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden, da die größere Temperaturdifferenz der Kühlluft zur Kühlmitteltemperatur einen geringeren Kühlluftbedarf erfordert. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen wird dadurch die sonst an die Umgebung abgegebene Innenraumluft effizient zur Kühlung verwendet.

Im Umluftbetrieb der Klimaanlage können durch kurzzeitiges Öffnen der regelbaren Innenraumentlüftung Kühlleistungsspitzen des BZ-Systems abgefangen werden.

In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verbesserung der Kühlung der Brennstoffzelle bei einem mobilen Anwendungsfall eingesetzt. Hierzu wird beispielhaft eine Ausführungsform in einem Fahrzeug beschrieben.

Über die Fahrzeugklimaanlage wird dem Fahrgastinnenraum niedrig temperierte Umgebungsluft zugeführt, die in der Regel im hinteren Bereich des Fahrgastinnenraums über Entlüftungsöffnungen nach außen abgeführt wird. Diese Abluft kann über Verbindungen, beispielsweise in der Form von Kanälen mit integrierter regelbarer Innenraumentlüftung gesammelt und einer Mischkammer zugeführt werden. Mit Hilfe eines Lüfters wird dann die Mischluft dem Kühler für das Brennstoffzellensystem zugeführt.

Die Regelbarkeit des Entlüftungs- und Zumischbetriebs wird über eine Drossel- oder Klappenvorrichtung realisiert, die durch einen Motor angesteuert wird. Der Betrag der zugemischten Kühlluft des Fahrzeuginnenraums ist in der Größenordnung des z.B. für die Kühlung einer BZ-APU benötigten Kühlluftmassenstroms.

Für die Regelung des Zumischbetriebes kann es vorgesehen werden, dass die Drossel- oder Klappenvorrichtung entweder die gesamte Raumluft der Mischkammer zuführt, in welcher die Raumabluft mit der Umgebungsluft gemischt wird und anschließend dem Kühler zugeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass ein Teil oder sogar die gesamte Raumabluft von der Drossel- oder Klappenvorrichtung direkt an die Umgebungsluft abgegeben wird, ohne dass davon etwas in die Mischkammer zugeführt wird.

Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt und wird anhand der 1 nachfolgend noch näher erläutert.
Die einzige 1 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 15, die für die Brennstoffzelle 1 die Raumabluft 11 eines gekühlten oder klimatisierten Raumes 9 zur zusätzlichen Kühlung und damit zur Erhöhung der Temperaturdifferenz im Kühlsystem zeigt.
Grundsätzlich wird eine Brennstoffzelle 1 über einen Kühlmittelstrom 3 gekühlt. Der Kühlmittelstrom 3 fließt dabei sowohl durch die Brennstoffzelle 1 als auch durch den entsprechenden Kühler 2. Solche Kühlkreisläufe sind hinlänglich bekannt. Ebenfalls bekannt ist es, mittels eines Lüfters 4 Umgebungsluft 14 dem Kühler zuzuführen, so dass die dadurch durchfließende Kühlflüssigkeit entsprechend gekühlt wird.
Erfindungsgemäß wird nun zusätzlich zur Umgebungsluft 14, die als Kühlluft in herkömmlicher Weise benutzt wird, der Luftstrom der Raumabluft 11 eines gekühlten oder klimatisierten Raumes 9 einer Mischerkammer 5 zugeführt, in welcher die Umgebungsluft 14 mit der Raumabluft 11 gemischt wird. Dieses Gemisch aus Umgebungsluft 14 und Raumabluft 11 wird dann mittels des Lüfters 4 dem Kühler zugeführt. Durch diese erfindungsgemäße Beimischung der Raumabluft 11 ergibt sich eine in der Temperatur gegenüber der normalen Umgebungsluft abgesenkte Kühlluft für den Kühler 2 und damit für das Kühlsystem der Brennstoffzelle 1. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß eine erhöhte Temperaturdifferenz für das Kühlsystem der Brennstoffzelle 1, wodurch diese wiederum einen höheren Wirkungsgrad erzielt, so dass gegebenenfalls sogar kleinere Bauteile für das Kühlsystem der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen werden können.
Durch die Verwendung kleinerer oder leistungsschwächerer Elemente im Kühlsystem der Brennstoffzellenvorrichtung ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Ein Vorteil liegt darin, dass dieses System kleiner gebaut werden kann, so dass es auch einfacher und leichter in einem Fahrzeug unterzubringen ist. Ein weiterer Vorteil liegt selbstverständlich auch bei den Herstellungs- und Betriebskosten.
Bezogen auf das Beispiel einer Ausführungsform in einem Fahrzeug bedeutet das, dass dadurch weniger nutzbarer Raum für das Kühlsystem verloren geht.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 15 mit der Brennstoffzelle 1 und dem Kühler 2 werden also erfindungsgemäß mit der gekühlten oder klimatisierten Raumabluft 11 wenigstens zusätzlich zur Umgebungsluft gekühlt. Die gekühlte oder klimatisierte Raumabluft kommt aus dem Entlüftungssystem für den klimatisierten Raum 9, welcher durch eine Klimaanlage mit klimatisierter Luft 10 versorgt wird. Durch die Versorgung mit klimatisierter Luft 10 wird der klimatisierte Raum 9 mehr oder weniger auf einer konstanten Temperatur gehalten, die eine umso höhere Temperaturdifferenz gegenüber dem Umgebungsluft aufweist, je höher die Temperatur der Umgebungsluft ist. Das bedeutet also, erfindungsgemäß wird der Vorteil der bereits abgekühlten Luft genutzt, um das Kühlsystem für die Brennstoffzelle 1 mit Kühlluft tieferer Temperatur zu versorgen, als dies durch die Umgebungsluft möglich ist. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen der Umgebungsluft wirkt sich die Beimengung der gekühlten oder klimatisierten Raumabluft 11 vorteilhaft auf das Kühlsystem der Brennstoffzelle 1 aus. Dies insbesondere deshalb, da bei steigender Außentemperatur der Umgebungsluft 14 der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ohne Beimischung geringer wird. Die erfindungsgemäße Beimischung der gekühlten oder klimatisierten Raumabluft 11 wirkt dieser Tendenz entgegen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann aber selbstverständlich auch stationär, d.h. also bei Gebäuden verwendet werden, in denen klimatisierte oder gekühlte Räume zur Verfügung stehen. Die Wirkungsweise ist entsprechend der in einem Fahrzeug.
Um die Beimengung der gekühlten oder klimatisierten Raumabluft 11 zur Umgebungsluft 14 regeln oder steuern zu können, ist es vorgesehen, dass in der Verbindung 6 zwischen dem Abluftsystem des klimatisierten Raumes 9 und dem Eingang in die Mischkammer 5 eine Drossel- oder Klappenvorrichtung 8 angeordnet ist. Diese Drossel- oder Klappenvorrichtung 8 kann nun gesteuert oder geregelt betätigt werden. Die Betätigung der Drossel- oder Klappenvorrichtung 8 kann beispielsweise durch einen Stellantrieb 7 erfolgen.
Die Funktionsweise der Drossel- oder Klappenvorrichtung 8 kann nun so sein, dass entweder die gesamte Raumabluft 11 weiter an die Mischkammer 5 geleitet wird oder dass ein Teil der Raumabluft 11 als nicht genutzte Raumabluft 12 abgezweigt und ins Freie weitergeleitet wird. Im Weiteren kann vorgesehen sein, dass sogar die gesamte Raumabluft 11 als nicht genutzte Raumabluft 12 vorübergehend oder über einen bestimmten Zeitraum nicht zur Mischerkammer 5, sondern ins Freie abgeleitet wird.
Im Weiteren ist eine Regelung vorgesehen, die in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzellenvorrichtung 15 und/oder der Temperatur der Raumabluft 11 die Einstellung der Drossel- oder Klappenvorrichtung regelt oder steuert.
Im Weiteren kann vorgesehen sein, dass entweder die gleiche Regelung oder eine zusätzliche Regelung dafür sorgt, dass bei Umluftbetrieb des gekühlten oder klimatisierten Raumes 9 von Zeit zu Zeit, gegebenenfalls auch wiederholt, von Umluftbetrieb auf Durchluftbetrieb umgestellt wird, so dass für den Kühlkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung 15 neben der Kühlung durch die Umgebungsluft zusätzliche Kühlung für die Brennstoffzelle 1 sichergestellt wird. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle durch einen niedrigen Temperaturdifferenzbetrag abzusinken beginnt. Dann wird von Umluftbetrieb auf Durchluftbetrieb umgestellt und damit ein weiteres Absinken des Wirkungsgrades für die Brennstoffzelle 1 verhindert bzw. sogar wieder eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle 1 erzielt.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit Brennstoffzelle und Kühler zu deren Kühlung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung (6) vom Kühler (2) zu einem gekühlten und/oder klimatisierten Raum (9) zur Nutzung dessen Raumabluft (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (15) in oder an einem Fahrzeug angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (15) in oder an einem Gebäude angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischkammer (5) zur Mischung der Raumabluft (11) des gekühlten und/oder klimatisierten Raumes (9) mit der Umgebungsluft (14) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drossel- oder Klappenvorrichtung (8) für die Steuerung und/oder Regelung der Zufuhr der Raumabluft (11) zur Mischkammer (5) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zufuhr der Raumabluft (11) zur Mischkammer (5) in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzellenvorrichtung (15) und/oder der Temperatur der Raumabluft (11) eine Steuerung oder Regelung vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel- oder Klappenvorrichtung (8) zu ihrer Steuerung oder Regelung mit einem Stellantrieb (7) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung oder Steuerung vorhanden ist, die für den Fall, dass die Kühl- oder Klimaanlage auf Umluftbetrieb gestellt ist, für bestimmte Zeit, ggf. wiederholt, von Umluftbetrieb auf Durchluftbetrieb umstellt, so dass sie für den Kühlkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung (15) zusätzliche Kühlung veranlasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel- oder Klappenvorrichtung (8) in der Verbindung (6) zwischen dem klimatisierten oder gekühlten Raum (9) und dem Kühler (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel- oder Klappenvorrichtung (8) die Raumabluft (11) aufnimmt und an die Mischkammer (5) weiterleitet, und/oder an die Umgebung abführt.