DE112007002347T5 - Klimatisierungssteuerungssystem - Google Patents

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Abstract

Klimatisierungssteuerungssystem, aufweisend:
eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle vermittels einer Hauptzirkulationspumpe; und
eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Klimatisierung in einem Fahrzeuginnenraum, wobei ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung möglich ist,
wobei, wenn die Brennstoffzelle intermittierend in dem Klimatisierungssteuerungssystem betrieben wird, die Hauptzirkulationspumpe kontinuierlich weiter läuft.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimatisierungssteuerungssystem, das eine Brennstoffzelle nutzt.
  • BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
  • Bei niedrigen Temperaturen erzeugen Brennstoffzellen keine ausreichende Leistung. Ein Versuch der sich diesem Problem widmet, ist eine Technik, bei der Brennstoffzellen erwärmt werden, indem durch Nutzung der elektrischen Energie der Brennstoffzelle eine Kühlflüssigkeit aufgeheizt wird, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist, wie es beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle der Fall ist. Um die Brennstoffzelle auf einer für den Betrieb geeigneten, bestimmten Temperatur zu halten, umfasst die Brennstoffzelle ebenso eine Kühlvorrichtung zur Zirkulation des Kühlmittels, um dadurch ungewünschte Wärme, die in der Brennstoffzelle produziert wird, über einen Kühler abzuführen.
  • Andererseits beinhalten Fortbewegungsmittel, die eine Brennstoffzelle als Energiequelle verwenden (z. B. Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, oder dergleichen), eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung, um die Fahrgastzelle oder den Innenraum des Fahrzeugs zu beheizen und zu kühlen. Ein Beispiel für eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung wäre eine Dampf komprimierende Wärmepumpe, die Wärme von der Seite mit niedriger Temperatur zu der Seite mit höherer Temperatur überleitet.
  • Es wurden auch andere Techniken vorgeschlagen, die in der Brennstoffzelle produzierte Wärme in der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zu nutzen oder abzuführen. Beispielsweise wird in einer Technik die in dem Brennstoffzellenstapel produzierte Wärme in einem Wärmetauscher zum Heizen gesammelt, und die ge speicherte Wärme wird als Wärmequelle für eine Heizung verwendet. Bei der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung für Fahrzeuge, bei der der Fahrzeuginnenraum durch die Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle, die durch einen Heizkörper geleitet wird, beheizt wird, kann, wenn die in der Brennstoffzelle produzierte überflüssige Wärme für die erforderliche Wärmemenge zur Klimatisierung nicht ausreicht, eine andere Technik angewandt werden, um die Wärmeproduktion zur Kompensation des Wärmemangels zu steuern. Bei einer weiteren Technik kann zusätzliche Wärme, die der Brennstoffzelle entzogen wird, über einen Kühler, der in dem Klimatisierungssteuerungssystem angeordnet ist, an die Luft abgeführt werden. Ferner gibt es ein System bei dem die Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle durch zusätzliche Energie erwärmt wird, die durch regeneratives Bremsen gewonnen wurde, wobei diese zusätzliche Energie verbraucht wird, während die Wärme der Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle für die Klimatisierung genutzt wird.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einem System, bei dem die Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle mit einer Klimatisierungssteuerungsvorrichtung kombiniert ist, kann die Brennstoffzelle intermittierend bzw. mit Unterbrechungen betrieben werden, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht ausreicht, um die erforderliche Leistung bereit zu stellen. In diesem Fall steigt die Umgebungstemperatur des Luftkompressors der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung an, was zu Störungen der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung führen kann. Um die Umgebungstemperatur des Luftkompressors auf einer niedrigen Temperatur zu halten, muss eine große Zirkulationspumpe zur Verfügung gestellt werden, um die Kühlflüssigkeit in der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zirkulieren zu lassen.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein Klimatisierungssteuerungssystem mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle mittels einer Hauptzirkulationspumpe, weiter aufweisend eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zur Steuerung der Klimatisierung in einem Fahrzeuginnenraum, wobei ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung möglich ist. Die Hauptzirkulationspumpe läuft kontinuierlich weiter, wenn die Brennstoffzelle in dem Klimatisierungssteuerungssystem intermittierend betrieben wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Anordnung eines Klimatisierungssteuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Klimatisierungssteuerungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Anordnung eines Klimatisierungssteuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Klimatisierungssteuerungssystem umfasst ein Brennstoffzellensystem und eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung. Das Brennstoffzellensystem und die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung, die in 1 gezeigt werden, sind in einem Fahrzeug verbaut. Das Brennstoffzellensystem produziert elektrische Energie, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung reguliert die Temperatur im Innenraum (Fahrgastzelle, usw.) des Fahrzeugs.
  • (Brennstoffzellensystem)
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle 10 und eine Kühlvorrichtung für die Brennstoffzelle 10.
  • Die Brennstoffzelle 10 wird durch das Stapeln einer Vielzahl von Einzelzellen gebildet, wobei jede Zelle eine Leistung bzw. Energie erzeugende Einheit ist. Jede Zelle beinhaltet ein Elektrolyt, eine Brennstoffelektrode (Anode) und eine Luftelektrode (Kathode), wobei zwei Elektroden ein Elektrolyt vergleichbar mit der Schichtanordnung eines Sandwichs umschließen, sowie zwei Separatoren, die jeweils an der Brennstoffelektrodenseite und der Luftelektrodenseite angeordnet sind.
  • Die Brennstoffelektrode weist eine Diffusionsschicht und eine Katalysatorschicht auf. Die Brennstoffelektrode wird von einer Brennstoffversorgungseinrichtung (nicht gezeigt) mit Brennstoffgas, wie etwa Wasserstoffgas, versorgt. Das Brennstoffgas mit dem die Brennstoffelektrode versorgt wird, wird in der Diffusionsschicht verteilt und gelangt an die Katalysatorschicht. In der Katalysatorschicht findet eine Oxidationsreaktion statt und der Wasserstoff wird in Protonen (d. h. Wasserstoffionen) und Elektronen aufgeteilt. Die Wasserstoffinonen durchdringen das Elektrolyt um zu der Luftelektrode zu gelangen, während die Elektronen über einen externen Kreis fließen um die Luftelektrode zu erreichen.
  • Die Luftelektrode weist eine Diffusionsschicht und eine Katalysatorschicht auf. Die Luftelektrode wird von einer Oxidationsgasversorgungseinrichtung (nicht gezeigt) mit Oxidationsgas, wie etwa Luft, versorgt. Das Oxidationsgas mit dem die Luftelektrode versorgt wird, wird in der Diffusionsschicht verteilt und gelangt an die Katalysatorschicht. In der Katalysatorschicht findet eine Reduktionsreaktion zwischen dem Oxidationsgas, den Wasserstoffionen, die durch das Elektrolyt an die Luftelektrode gelangt sind, und den Elektronen, die über den externen Kreis die Luftelektrode erreicht haben, statt. Wasser entsteht als ein Produkt dieser Reaktion.
  • Während der Oxidationsreaktion an der Brennstoffelektrode und der Reduktionsreaktion an der Luftelektrode, werden die Elektronen, die durch den externen Kreis fließen, als elektrische Energie an einen dazugehörigen Verbraucher geleitet, der zwischen den beiden Anschlüssen des Zellstapels in der Brennstoffzelle 10 angeschlossen ist.
  • Die Brennstoffzelle 10 produziert Wärme während sie Elektrizität erzeugt. Daher ist, da die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 bei einer dafür geeigneten spezifischen Temperatur stattfindet, in der Brennstoffzelle 10 ebenfalls eine Kühlvorrichtung vorgesehen, so dass diese bei einer geeigneten Temperatur betrieben werden kann. Üblicherweise wird bei der Kühlvorrichtung ein Kühlverfahren eingesetzt, welches das Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit durch einen in der Brennstoffzelle 10 ausgebildeten Kühlkanal umfasst.
  • In dieser Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung in folgender Weise ausgestaltet. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Einlass und einen Auslass für ein Kühlmittel auf, das von und zu einem Kühlflüssigkeitskanal der Brennstoffzelle 10 fließt bzw. strömt. Der Kühlmitteleinlass ist über Leitung A mit dem Auslass einer Zirkulationspumpe (Wasserpumpe) 12 verbunden, die die Kühlflüssigkeit zirkulieren lässt. Auf der anderen Seite ist der Auslass der Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle 10 über Leitung B mit dem Einlass eines Kühlkörpers (oder eines Kühlers) 16 verbunden, der das Kühlmittel kühlt.
  • Zudem ist der Kühlmittelauslass des Kühlkörpers 16 über Leitung C mit einem zweiten Einlass eines 3-Wege-Ventils 18 verbunden. Ein Ende einer Bypassleitung D steht in Verbindung mit Leitung B, wobei die Bypassleitung D von Leitung B abzweigt. Das andere Ende der Bypassleitung D ist mit einem ersten Einlass des 3-Wege-Ventils 18 verbunden. Der Auslass des 3-Wege-Ventils 18 ist über eine Leitung E mit dem Einlass der Zirkulationspumpe 12 verbunden.
  • Somit umfasst die Kühlvorrichtung einen ersten Kreislauf in dem das Kühlmittel über den Kühlkörper 16 zirkuliert, und einen zweiten Kreislauf in dem das Kühlmittel über die Bypassleitung D zirkuliert, ohne den Kühlkörper 16 zu durchlaufen (d. h. den Kühler überbrückt). Die Menge des Kühlmittels, die durch die Leitungen des ersten und zweiten Kreislaufs fließt, wird jeweils über das 3-Wege-Ventil 18 in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle 10 reguliert.
  • Insbesondere ist ein Temperatursensor 20 in jeder der Leitungen A, B und C vorgesehen, um die Temperatur des Kühlmittels das von der Brennstoffzelle 10 abfließt, zu ermitteln, so dass die Funktion des 3-Wege-Ventils 18 entsprechend der von den Sensoren 20 ermittelten Temperatur steuerbar ist.
  • Wenn, zum Beispiel, die Temperatur des Kühlmittels am ersten und zweiten Einlass des 3-Wege-Ventils 18 niedriger als eine erste Temperatur ist, wobei diese erste Temperatur einen Grenzwert darstellt, mit dem bestimmt werden kann, ob die Brennstoffzelle 10 erwärmt werden soll oder nicht, wird der erste Einlass des 3-Wege-Ventils 18 geöffnet, während der zweite Einlass geschlossen wird, wodurch die weitere Kühlung des Kühlmittels durch den Kühlkörper 16 unterbrochen wird. Wenn hingegen die Temperatur des Kühlmittels eine Obergrenze überschreitet, bis zu welcher ein normaler Betrieb der Brennstoffzelle 10 anzunehmen ist, wird der erste Einlass des 3-Wege-Ventils 18 geschlossen, während der zweite Einlass geöffnet wird, so dass der Kühlkörper 16 das Kühlmittel kühlt.
  • Es ist außerdem ein Ionentauscher 22 quer durch den Einlass und den Auslass des Kühlmittels der Brennstoffzelle 10 vorgesehen. Der Ionentauscher 22 filtert das Kühlmittel indem er Unreinheiten abscheidet, die in dem Kühlmittel, das durch die Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle zirkuliert, enthalten sind. Demzufolge kann die dielektrische Durchschlagsfestigkeit (dielectric strength voltage) des Kühlmittels erhöht werden.
  • Die Kühlvorrichtung umfasst ebenfalls ein Leitungssystem, das es ermöglicht, die Kühlvorrichtung mit der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zu verbinden. Insbesondere ist ein erster Einlass eines 3-Wege-Ventils 24 mit Leitung B verbunden, während ein zweiter Einlass desselben über Leitung F sowohl mit Leitung E verbunden ist, als auch mit einem Kühlmittelauslass eines Wärmetauschers 14 mit Heizelement verbunden ist. Ein Auslass des 3-Wege-Ventils 24 ist über Leitung G mit einem Einlass einer Zirkulationspumpe 26 verbunden. Ein Auslass der Zirkulationspumpe 26 ist über eine Leitung H mit einem Einlass eines wärmeleitenden Elements in einem ersten Innenraum-Wärmetauscher (oder einem Innen-Gaskühler GK) 28 verbunden. Ein Auslass des wärmeleitenden Elements des ersten Innenraum-Wärmetauschers 28 ist über Leitung I mit einem Einlass des Wärmetauschers 14 mit Heizelement verbunden. Ein erster Innenraum-Wärmetauscher 28 ist in einem Luftkanal 30, durch den Luft in den Innenraum eingeleitet wird, angeordnet und tauscht Wärme zwischen dem Kühlmittel von der Zirkulationspumpe 26 und der Luft aus, die dem Innenraum durch einen Ventilator 32 zugeführt wird.
  • (Klimatisierungssteuerungsvorrichtung)
  • Die Innenraum-Klimatisierungssteuerungsvorrichtung ist in folgender Weise ausgestaltet. Ein Auslass eines motorisierten Kompressors 34 der ein Kältemittel ansaugt und verdichtet, ist über eine Leitung a mit einem Einlass eines Kühlmagnetventils 36 verbunden. Ein Auslass des Kühlmagnetventils 36 ist über eine Leitung b mit einem Einlass eines Heizexpansionsventils 38 verbunden. Ein Auslass des Heizexpansionsventils 38 ist über eine Leitung c mit einem Einlass eines Außen-Wärmetauschers 40 verbunden.
  • Leitung a ist in Form einer Abzweigung mit einer Leitung d verbunden, und Leitung d ist mit einem Kältemitteleinlass des Wärmetauschers 14 mit Heizelement verbunden. Leitung e verbindet einen Kältemittelauslass des Wärmetauschers 14 mit Heizelement mit der Mitte von Leitung b. Somit stehen zwei parallele Kältemittel-Durchflusswege zwischen dem motorisierten Kompressor 34 und dem Außen-Wärmetauscher 40 zur Verfügung. Die Menge des Kältemittels, die durch diese beiden Wege fließt, kann abhängig von der Öffnungs/Schließ-Funktion des Kühlmagnetventils 36 reguliert werden.
  • Ein Auslass des Außen-Wärmetauschers 40 ist über eine Leitung f mit einem Kältemitteleinlass verbunden, der an der Außenseite eines Innen-Wärmetauschers 42 ausgebildet ist. Der Innen-Wärmetauscher 42 tauscht Wärme zwischen dem Kältemittel aus dem Außen-Wärmetauscher 40 und dem angesaugten Kältemittel des motorisierten Kompressors 34 aus. An der Außenseite des Innen-Wärmetauschers 42 ist ein Kältemittelauslass ausgebildet, der über Leitung g mit einem Einlass eines Kühlexpansionsventils 44 verbunden ist. Ein Auslass des Kühlexpansionsventils 44 ist über eine Leitung h mit einem Einlass eines zweiten Wärmeaustauschers für den Fahrgastraum (Verdampfer) 46 verbunden.
  • In dem Luftkanal 30 ist ein zweiter Innenraum-Wärmetauscher 46 stromauf von dem ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 angeordnet und tauscht Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft, die dem Innenraum zugeleitetet wird, aus. Ein Auslass des zweiten Innenraum-Wärmetauschers 46 ist über eine Leitung i mit einem Einlass eines Speichers (oder Gas-Flüssigkeits-Abscheider) 48 verbunden. Der Speicher 48 trennt das Kältemittel, das durch den Kältemittelkanal (oder einer Wärmepumpe) zirkuliert, in ein Kältemittel in Gasphase und ein Kältemittel in Flüssigphase auf, wobei die letztere Phase abfließt. Ein Auslass des Speichers 48 ist über eine Leitung j mit einem Kältemitteleinlass auf der Innenseite des Innen-Wärmetauschers 42 verbunden und ein Kältemittelauslass auf der Innenseite des Innen-Wärmetauschers 42 ist über eine Leitung k mit dem Einlass des motorisierten Kompressors 34 verbunden.
  • Ein Ende einer Bypassleitung m ist mit der Mitte von Leitung i verbunden, wobei das andere Ende mit einem Heizmagnetventil 50 verbunden ist. Ein Auslass des Heizmagnetventils 50 ist durch eine Bypassleitung n mit dem Kältemitteleinlass auf der Außenseite des Innen-Wärmetauschers 42 verbunden.
  • Ein Ventilator 32 ist in dem Luftkanal 30 angeordnet, um die von innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs eingeleitete Luft, in Richtung stromabwärts zu leiten. Eine Klappe zum Mischen der Luft (nicht abgebildet) ist an dem ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 angeordnet, um die Luftmenge, die diesen durchläuft, zu regulieren. Die Klappe zum Mischen der Luft ist derart ausgestaltet, dass sich die Luftmenge die den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 durchströmt vergrößert, wenn sich die Klappe weiter öffnet.
  • Der Wärmetauscher 14 mit einem Heizelement, umfasst das Heizelement (nicht gezeigt) mit einem Heizer zur Erzeugung von Wärme durch elektrischen Strom, eine Kühlmittelseite 52 mit einem Strömungskanal für das Kühlmittel und eine Kältemittelseite 54 mit einem Strömungskanal für das Kältemittel. Sowohl das Kühlmittel als auch das Kältemittel, das durch die jeweiligen Kanäle fließt, wird erwärmt wenn das Heizelement Wärme produziert. Es findet auch ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel statt, das durch die jeweiligen Kanäle fließt.
  • (Steuerungselement)
  • Im Folgenden wird ein Steuerungsmechanismus des oben genannten Brennstoffzellensystems und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung beschrieben. Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10, eine Speicherbatterie 60 die in paralleler Verbindung mit der Brennstoffzelle 10 steht, einen Motor 62, um die Antriebskraft für das Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, eine Steuerschaltung 64 für den Motor und ein Steuerungselement 66, um den Betrieb des Motors 62 durch Zufuhr von elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle 10 und/oder aus der Speicherbatterie 60 zur Steuerschaltung 64 zu steuern.
  • Der Motor 62 kann zeitweise als Generator genutzt werden, wenn das Fahrzeug verzögert (z. B. wenn die Bremsen des Fahrzeugs aktiviert werden). Wenn dies geschieht, wird regeneratives Bremsen angewandt. Eine regenerative Energie (oder regenerative Elektrizität), erzeugt durch das regenerative Bremsen, wird in der Speicherbatterie 60 gesammelt, wobei zusätzliche Leistung, die nicht in der Speicherbatterie 60 gespeichert werden kann, in Form von Wärmeproduktion durch das Heizelement abgeführt wird.
  • Das Steuerungselement 66 ist zwischen der Brennstoffzelle 10/Speicherbatterie 60 und der Steuerschaltung 64 angeordnet. Das Steuerungselement 66 ist über einen Stromversorgungsanschluss mit einzelnen Wärme erzeugenden Elementen (nicht gezeigt) des Wärmetauschers 14 mit Heizelement verbunden. Das Steuerungselement 66 umfasst verschiedene Komponenten, wie einen Inverter (nicht gezeigt), um Gleichstrom von der Brennstoffzelle 10 und/oder der Speicherbatterie 60 in Wechselspannung umzuwandeln, und ein Steuergerät (ECU (Electric Control Unit)) 68 zum Steuern des Brennstoffzellensystems und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von Signalen, die von verschiedenen Elementen derselben erhalten werden.
  • Ein Restkapazitätensensor 70 der Speicherbatterie ist mit den Anschlüssen der Speicherbatterie 60 verbunden. Der Restkapazitätensensor 70 misst die Werte von Spannung und Strom an der Speicherbatterie 60 und übermittelt den Ladezustand der Speicherbatterie 60 an das Steuerungselement 66. Das Steuerungselement 66 ist dafür ausgelegt, den Ladezustand von Speicherbatterie 60 zu überwachen. Wenn elektrische Energie beim regenerativen Bremsen erzeugt wird, und der Ladezustand einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, lädt das Steuerungselement 66 die Speicherbatterie 60 durch Zuführen von elektrischer Energie (elektrischer Strom), die beim regenerativen Bremsen erzeugt wird, von der Steuerschaltung 64 zur Speicherbatterie 60. Wenn hingegen der Ladezustand den vorbestimmten Wert überschreitet, leitet das Steuerungselement 66 die elektrische Leistung (den elektrischen Strom) zu dem Heizelement von Wärmetauscher 14 weiter, so dass Wärme durch das Heizelement produziert wird.
  • Die ECU 68 umfasst eine CPU (Central Processing Unit), einen Speicher, eine I/O-Schnittstelle, usw., und führt ein vorbestimmtes, in dem Speicher gespeichertes, Steuerungsprogramm zur Ein/Aus-Steuerung der Wärmeerzeugung in dem Heizelement aus. In Verbindung mit der Ein/Aus-Steuerung führt die ECU 68 auch andere Aufgaben bezüglich der Steuerung der Temperatur der Brennstoffzelle 10, der Beheizung des Innenraums bzw. Fahrgastraums und dem Verbrauch der überschüssigen regenerativen Energie durch. Zudem steuert die ECU 68 die Öffnungs- und Schließvorgänge oder reguliert den Öffnungswinkel der Ventile, einschließlich der 3-Wege-Ventile 18, 24; des Kühlmagnetventils 36; des Heizexpansionsventils 38; des Kühlexpansionsventils 44 und des Heizmagnetventils 50. Des Weiteren regelt die ECU 68 die Drehzahl der Ventilatoren des Kühlkörpers 16 und des Außen-Wärmetauschers 40 und sie regelt ebenfalls die Luftströmung des Ventilators 32.
  • (Betrieb)
  • Das Klimatisierungssteuerungssystem mit der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung der Brennstoffzelle kann die Wärme, die in der Brennstoffzelle produziert wird, zur Beheizung des Innenraums verwenden. Im Folgenden werden die Heiz- und Kühlvorgänge der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung wird entsprechend des Flussdiagramms in 2 gesteuert.
  • In Schritt S10 wird zwischen Beheizen und Kühlen ausgewählt. In Abhängigkeit von einem Signal, das durch die Bedienung einer in der Fahrzeugkabine installierten Schalttafel zur Steuerung der Klimatisierung erzeugt wird, bestimmt das Steuerungselement 66 ob ein Kühlungs- oder ein Beheizungsvorgang erforderlich ist. Daraus resultierend fährt der Prozess mit Schritt S12 fort, wenn der Kühlungsvorgang erfolgen soll. Wenn der Beheizungsvorgang ausgewählt ist, fährt der Prozess mit S14 fort.
  • In Schritt S12 führt die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung den Kühlungsvorgang aus. Die ECU 68 des Steuerungselements 66, öffnet das Kühlmagnetventil 36 und schließt das Heizmagnetventil 50. Die ECU 68 aktiviert ebenso das Kühlexpansionsventil 44 und deaktiviert das Heizexpansionsventil 38. Infolge dessen gelangt das Kältemittel von dem motorisierten Kompressor 34 zu dem Außen-Wärmetauscher 40, ohne dabei den Wärmetauscher 14 mit Heizelement zu durchlaufen, noch von dem Heizexpansionsventil 38 beeinflusst zu werden. Ferner wird das Kältemittel von dem Außen-Wärmetauscher 40 durch das Kühlexpansionsventil 44 in den zweiten Innenraum-Wärmetauscher 46 eingeleitet.
  • In diesem Zustand verdichtet der motorisierte Kompressor 34 das Kältemittel und fördert es durch Leitung a. Das Kältemittel durchläuft anschließend das Kühlmagnetventil 36, das Heizexpansionsventil 38, den Außen-Wärmetauscher 40, den Innen-Wärmetauscher 42, das Kühlexpansionsventil 44, den zweiten Innenraum-Wärmetauscher 46, den Speicher 48, den innenliegenden Wärmespeicher 42 und kehrt zurück zu dem motorisierten Kompressor 34.
  • Die ECU 68 schließt ebenfalls die Klappe zum Mischen der Luft die im Kanal 30 vorgesehen ist, so dass die Luft die durch den Kanal 30 strömt, in die Fahrzeugkabine eingeleitet wird, ohne dabei den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 zu passieren.
  • Weiterhin sendet die ECU 68 ein Steuerungssignal an das 3-Wege-Ventil 24, um es derart umzuschalten, dass Leitung F mit Leitung G verbunden wird, und Leitung B von Leitung G getrennt wird. Als Ergebnis ist das Kühlmittel-Zirkulations-System der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle getrennt von dem Kältemittel-Zirkulations-System der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung.
  • In diesem Zustand führt der Außen-Wärmetauscher 40 durch den Wärmeaustausch zwischen der Außenluft und dem Kältemittel Wärme ab. Der zweite Innenraum-Wärmetauscher 46 tauscht Wärme zwischen der in die Fahrzeugkabine eingeleiteten Luft und dem Kältemittel aus, wodurch das Kältemittel Wärme aus der Luft entzieht, und verdampft dieses dann. Als Ergebnis wird die gekühlte Luft in die Fahrzeugkabine eingeleitet. Auf der anderen Seite läuft das Kühlmittel unabhängig von dem Kühlvorgang der Brennstoffzelle 10 von der Zirkulationspumpe 26, dem ersten Innenraum-Wärmetauscher 28, dem Wärmetauscher 14 mit Heizelement und dem 3-Wege-Ventil 24 durch den Zirkulationspfad zurück zur Zirkulationspumpe 26.
  • Während des Kühlungsvorgangs wird das Kühlmittel gezwungen, durch den Kühlmittelkanal der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle 10 zu fließen, so dass die Brennstoffzelle 10 fortlaufend gekühlt wird, unabhängig davon ob die Brennstoffzelle 10 kontinuierlich bzw. stetig oder intermittierend betrieben wird. Wenn die Brennstoffzelle 10 ausgeschaltet wird, wird auch die Zirkulationspumpe 12 zusammen mit anderen Pumpen zur Zufuhr des Brennstoffgases (z. B. Wasserstoff) und des Oxidationsgases (z. B. Luft) angehalten. Auf diese Weise kann der Gesamtenergieverbrauch des Klimatisierungssteuerungssystems reduziert werden.
  • In Schritt S14 wird die Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle 10 und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von der Wärmemenge gesteuert, die der Brennstoffzelle 10 entnommen wird. Wenn ein Temperatursensor, wie z. B. Temperatursensor 20, ermittelt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher einer vorbestimmten Temperatur TR ist, sendet die ECU 68 ein Steuersignal an das 3-Wege-Ventil 24 um es derart umzuschalten, dass Leitung B mit Leitung G verbunden wird, und Leitung F von Leitung G getrennt wird.
  • Wenn also ermittelt wird, dass eine bedeutende Menge an Wärme von der Brennstoffzelle 10 abgeleitet wird, wird in Abhängigkeit von dem Betriebzustand der Brennstoffzelle 10 der Kreislauf des Kühlmittels in thermische Verbindung mit dem Kreislauf des Kältemittels der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung gesetzt.
  • Wenn dagegen der Temperatursensor 20 oder dergleichen einen Wert für die Temperatur der Brennstoffzelle 10 misst, der unter der vorbestimmten Temperatur TR liegt, schickt die ECU 68 ein anderes Steuersignal an das 3-Wege-Ventil 24 um es derart umzuschalten, dass Leitung F mit Leitung G verbunden wird und Leitung B von Leitung G getrennt wird. Wenn also ermittelt wird, dass eine kleine Wärmemenge von der Brennstoffzelle 10 abgeleitet wird, wird der Kreislauf des Kühlmittels thermisch getrennt von dem Kreislauf des Kältemittels der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung.
  • In dieser Ausführungsform ermittelt Temperatursensor 20 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 um diese weiter zu verarbeiten, jedoch ist dies nicht hierauf beschränkt, sondern es kann ebenso ein Temperatursensor in der Brennstoffzelle 10 angeordnet sein um deren Temperatur direkt zu messen.
  • In Schritt S16 wird bestimmt, ob die Brennstoffzelle 10 in einem stetigen Betriebsmodus oder in einem intermittierenden bzw. periodisch unterbrochenen Betriebsmodus läuft. Die ECU 68 steuert den Betriebsmodus der Brennstoffzelle 10 in Abhängigkeit von der geforderten Ausgangleistung, die von der Brennstoffzelle 10 benötigt wird. So kann beispielsweise die Brennstoffzelle 10 stetig betrieben werden, wenn festgestellt wird, dass die erforderliche Ausgangsleistung gleich oder mehr als 10% der Nennleistung der Brennstoffzelle 10 beträgt. Wenn andererseits die erforderliche Ausgangsleistung weniger als 10% der Nennleistung der Brennstoffzelle 10 beträgt, wird diese intermittierend betrieben. Wenn die Brennstoffzelle 10 in dem stetigen Betriebsmodus läuft, fährt der Prozess mit Schritt S18 fort. Wenn die Brennstoffzelle 10 in dem intermittierenden Betriebsmodus läuft, fährt der Prozess mit Schritt S20 fort.
  • In Schritt S18 wird der Beheizungsvorgang durchgeführt, während die Brennstoffzelle 10 stetig bzw. kontinuierlich betrieben wird. Die ECU 68 des Steuerungselements 66 schließt das Kühlmagnetventil 36 und öffnet das Heizmagnetventil 50. Die ECU 68 deaktiviert ebenfalls das Kühlexpansionsventil 44 und aktiviert das Heizexpansionsventil 38. Demzufolge wird das Kältemittel von dem motorisierten Kompressor 34 über den Wärmetauscher 14 mit Heizelement durch das Heizexpansionsventil 38 in Richtung des Außen-Wärmetauschers 40 geleitet. Ferner wird das Kältemittel von dem Außen-Wärmetauscher 40 über das Heizmagnetventil 50 zu dem Speicher 48 geleitet, ohne den zweiten Innenraum-Wärmetauscher 46 zu durchlaufen.
  • In diesem Zustand verdichtet der motorisierte Kompressor 34 das Kältemittel und fördert es durch Leitung a. Das Kältemittel durchlauft anschließend den Wärmetauscher 14 mit Heizelement, das Heizexpansionsventil 38, den Außen-Wärmetauscher 40, das Heizmagnetventil 50, den Speicher 48, den Innen-Wärmetauscher 42 und kehrt zurück zu dem motorisierten Kompressor 34.
  • Die ECU 68 öffnet außerdem die Klappe zum Mischen der Luft in Kanal 30, so dass die Luft, die durch den Kanal 30 strömt, in die Fahrzeugkabine eingeleitet wird und dabei den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 passiert.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 unter der vorbestimmten Temperatur TR liegt, wird der Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle 10 durch das 3-Wege-Ventil 24 von dem Kühlmittelkreislauf des ersten Innenraum-Wärmetauschers 28 thermisch getrennt. Das Kühlmittel das aus dem Auslass der Brennstoffzelle 10 austritt, wird durch den Kühlkörper 16 gekühlt und kehrt über die Zirkulationspumpe 12 zurück zu der Brennstoffzelle 10.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher als die vorbestimmte Temperatur TR ist, tritt ein Teil des Kühlmittels aus dem Auslass der Brennstoffzelle 10 aus und durchläuft das 3-Wege-Ventil 24, die Zirkulationspumpe 26, den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28, den Wärmetauscher 14 und kehrt über die Zirku lationspumpe 12 zurück zu der Brennstoffzelle 10. Während dieser Zeit wird die von der Brennstoffzelle 10 entzogene Wärme mittels des ersten Innenraum-Wärmetauschers 28 auf die Luft übertragen, die über den Ventilator 32 in die Fahrzeugkabine eingeleitet wird. In dem Wärmetauscher 14 wird die Wärme des Kühlmittels auf das Kältemittel übertragen, das durch die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zirkuliert.
  • Während dieser Zeit wird die Brennstoffzelle 10 stetig betrieben, ebenso wie die Zufuhrpumpe für das Brennstoffgas (nicht gezeigt), die die Brennstoffzelle 10 mit Brennstoffgas versorgt, und die Zufuhrpumpe für das Oxidationsgas (nicht gezeigt) ebenfalls stetig betrieben werden.
  • In Schritt S20 wird der Beheizungsvorgang durchgeführt, während die Brennstoffzelle 10 intermittierend betrieben wird. Der Beheizungsvorgang entspricht im Wesentlichen dem in Schritt S18.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 unter der Temperatur TR liegt, wird der Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle 10 durch das 3-Wege-Ventil 24 thermisch von dem Kühlmittelkreislauf des ersten Innenraum-Wärmetauschers 28 getrennt. Das Kühlmittel, das aus dem Auslass der Brennstoffzelle 10 austritt, wird durch den Kühlkörper 16 gekühlt und kehrt über die Zirkulationspumpe 12 zurück zu der Brennstoffzelle 10. Auf der anderen Seite durchlauft das Kühlmittel, das sich in dem ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 befindet, den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28, den Wärmetauscher 14, das 3-Wege-Ventil 24 und kehrt zu der Zirkulationspumpe 26 zurück.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer oder gleich der Temperatur TR ist, tritt ein Teil des Kühlmittels aus dem Auslass der Brennstoffzelle 10 aus und durchlauft das 3-Wege-Ventil 24, die Zirkulationspumpe 26, den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28, den Wärmetauscher 14 und kehrt dann über die Zirkulationspumpe 12 zurück zu der Brennstoffzelle 10. Zu diesem Zeitpunkt, wird die von der Brennstoffzelle 10 entzogene Wärme mittels des ersten Innenraum-Wärmetauschers 28 auf die Luft übertragen, die durch den Ventilator 32 in die Fahrzeugkabine eingeleitet wird, wodurch die Fahrzeugkabine beheizt wird. In dem Wärmetauscher 14 wird die Wärme des Kühlmittels auf das Kältemittel übertragen das durch die Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zirkuliert.
  • Während dieser Zeit wird die Zufuhr von zumindest einem Gas, dem Brennstoffgas oder dem Oxidationsgas in die Brennstoffzelle 10 intermittierend in Abhängigkeit von den intermittierenden Unterbrechungen Brennstoffzelle 10 gestoppt. Insbesondere wird zumindest eine der beiden Pumpen, die Brenngaszufuhrpumpe (nicht gezeigt) zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit dem Brennstoffgas, oder die Oxidationsgaszufuhrpumpe (nicht gezeigt), periodisch unterbrochen bzw. intermittierend betrieben.
  • Zur gleichen Zeit wird die Zirkulationspumpe 12 stetig zwangsbetrieben, unabhängig von den intermittierenden Unterbrechungen der Brennstoffzelle 10. Da die Zirkulationspumpe 12 stetig betrieben wird, ist es möglich den ersten Innenraum-Wärmetauscher 28 über die Zirkulationspumpe 12 auch dann noch mit Kühlmittel zu versorgen, wenn die Brennstoffzelle 10 angehalten ist. Demzufolge kann die Belastung von Zirkulationspumpe 26 minimiert werden. Obwohl herkömmlich die Zirkulationspumpe 12 simultan mit den Unterbrechungen der Brennstoffzelle 10 gestoppt wurde, wird die Zirkulationspumpe 12 dieser Erfindung während den Unterbrechungen der Brennstoffzelle stetig weiter betrieben. Dadurch kann das Kühlmittel mithilfe der Zirkulationspumpe 12, zusätzlich zur Zirkulationspumpe 26, die üblicherweise als einzige Pumpe für die Zirkulation des Kühlmittels während der Unterbrechung der Brennstoffzelle 10 zuständig war, zirkulieren. Es ist daher ausreichend, wenn die Zirkulationspumpe 26 nur eine geringe Nennleistung besitzt. Insbesondere kann die maximale Förderleistung der Zirkulationspumpe 26 auf weniger als ein Zehntel von der der Zirkulationspumpe 12 herab gesetzt werden. Vorzugsweise kann die maximale Förderausgangsleistung der Hauptzirkulationspumpe (d. h. Zirkulationspumpe 12) auf mehr als das Doppelte der Nennleistung der Nebenzirkulationspumpe (d. h. Zirkulationspumpe 26) ausgelegt werden. Ebenso kann die Zirkulationspumpe 26 für eine Ausgangsleistung ausgelegt werden, die weniger als die Hälfte von der Ausgangsleistung von Zirkulationspumpe 12 entspricht. Vorzugsweise kann die Ausgangsleistung der Hauptzirkulationspumpe (d. h. Zirkulationspumpe 12) für mehr als das Doppelte der Ausgangsleistung der Nebenzirkulationspumpe (d. h. Zirkulationspumpe 26) ausgelegt werden.
  • Durch die herab gesetzte Ausgangsleistung von Zirkulationspumpe 26 ist es möglich, den Gesamtenergieverbrauch des Systems während des Betriebs der Zirkulationspumpe 26 zu reduzieren, wenn die Brennstoffzelle 10 vollständig abgeschaltet und die Kühlvorrichtung thermisch von der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung der Brennstoffzelle 10 getrennt ist.
  • Wenn hingegen die Brennstoffzelle 10 intermittierend betrieben wird und die abgegebene Wärme der Brennstoffzelle 10 in der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung der Brennstoffzelle 10 genutzt wird, ist es, auch bei herab gesetzter Ausgangsleistung der Zirkulationspumpe 26, möglich, ausreichend Kühlmittel zirkulieren zu lassen, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle 10 und dem Kältemittel der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zu ermöglichen. Mit anderen Worten kann ein Anstieg der Temperatur im Luftkompressor der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung vermieden werden, ohne während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle 10 eine große Zirkulationspumpe für das Kühlmittel auf Seiten der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung einzusetzen. Die Belastung bzw. Last des motorisierten Kompressors 34 der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung kann bei dieser Ausführungsform reduziert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittelzirkulationssystem der Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle 10 und dem Kältemittelzirkulationssystem der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung ermöglicht, wodurch es möglich wird, die von der Brennstoffzelle 10 abgeführte Wärme zum Heizen der Fahrzeugkabine zu nutzen.
  • Zusammenfassung
  • KLIMATISIERUNGSSTEUERUNGSSYSTEM
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimatisierungssteuerungssystem mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle mittels einer Hauptzirkulationspumpe, weiter aufweisend eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zur Steuerung der Klimatisierung in einem Fahrzeuginnenraum, wobei ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung möglich ist. Wenn die Brennstoffzelle intermittierend in dem Klimatisierungssteuerungssystem betrieben wird, läuft diese Hauptzirkulationspumpe kontinuierlich weiter.

Claims (6)

  1. Klimatisierungssteuerungssystem, aufweisend: eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle vermittels einer Hauptzirkulationspumpe; und eine Klimatisierungssteuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Klimatisierung in einem Fahrzeuginnenraum, wobei ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung möglich ist, wobei, wenn die Brennstoffzelle intermittierend in dem Klimatisierungssteuerungssystem betrieben wird, die Hauptzirkulationspumpe kontinuierlich weiter läuft.
  2. Klimatisierungssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Hauptzirkulationspumpe in Betrieb ist, während die Zufuhr von zumindest einem Brennstoffgas und/oder einem Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle unterbrochen ist.
  3. Klimatisierungssteuerungssystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung; ein 3-Wege-Ventil zum Umschalten zwischen einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert, und einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit unabhängig von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert; und eine Nebenzirkulationspumpe zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zu dem Wärmetauscher unabhängig von der Kühlvorrichtung, wobei die Nennleistung der Hauptzirkulationspumpe größer oder gleich dem Doppelten der Nennleistung der Nebenzirkulationspumpe ist.
  4. Klimatisierungssteuerungssystem nach Anspruch 2, weiter aufweisend: einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung; ein 3-Wege-Ventil zum Umschalten zwischen einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert, und einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit unabhängig von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert; und eine Nebenzirkulationspumpe zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zu dem Wärmetauscher unabhängig von der Kühlvorrichtung, wobei die Nennleistung der Hauptzirkulationspumpe größer oder gleich dem Doppelten der Nennleistung der Nebenzirkulationspumpe ist.
  5. Klimatisierungssteuerungssystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung; ein 3-Wege-Ventil zum Umschalten zwischen einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert, und einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit unabhängig von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert; und eine Nebenzirkulationspumpe zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zu dem Wärmetauscher unabhängig von der Kühlvorrichtung, wobei die Nennleistung der Hauptzirkulationspumpe größer oder gleich dem Zehnfachen der Nennleistung der Nebenzirkulationspumpe ist.
  6. Klimatisierungssteuerungssystem nach Anspruch 2, weiter aufweisend: einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der Kühlvorrichtung und der Klimatisierungssteuerungsvorrichtung; ein 3-Wege-Ventil zum Umschalten zwischen einem Zustand, bei dem die Kühlflüssigkeit von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert, und einem Zu stand, bei dem die Kühlflüssigkeit unabhängig von der Kühlvorrichtung zu dem Wärmetauscher zirkuliert; und eine Nebenzirkulationspumpe zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zu dem Wärmetauscher unabhängig von der Kühlvorrichtung, wobei die Nennleistung der Hauptzirkulationspumpe größer oder gleich dem zehnfachen der Nennleistung der Nebenzirkulationspumpe ist.
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