EP4547509A2 - Nutzfahrzeug mit brennstoffzellen-kühlsystem - Google Patents

Nutzfahrzeug mit brennstoffzellen-kühlsystem

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EP4547509A2
EP4547509A2 EP23772083.4A EP23772083A EP4547509A2 EP 4547509 A2 EP4547509 A2 EP 4547509A2 EP 23772083 A EP23772083 A EP 23772083A EP 4547509 A2 EP4547509 A2 EP 4547509A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
commercial vehicle
fuel cell
cooling
cooling medium
bypass valve
Prior art date
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Pending
Application number
EP23772083.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Schmid
Michael Kordon
Georg BIEGELBAUER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by AVL List GmbH filed Critical AVL List GmbH
Publication of EP4547509A2 publication Critical patent/EP4547509A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/33—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K11/00—Arrangement in connection with cooling of propulsion units
    • B60K11/02—Arrangement in connection with cooling of propulsion units with liquid cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K1/00—Arrangement or mounting of electrical propulsion units
    • B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
    • B60K2001/005—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units the electric storage means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a commercial vehicle with a chassis, a fuel cell and a fuel cell cooling system and a method for operating a fuel cell cooling system.
  • the present invention is based on known fuel cell cooling systems in commercial vehicles.
  • Fuel cells are increasingly being used in commercial vehicles to convert chemical energy from the fuel into electrical energy with low emissions and high efficiency.
  • energy conversion also creates heat energy that must be dissipated to prevent damage to heat-sensitive parts of the fuel cell, such as the electrolyte membrane.
  • Proton exchange membrane fuel cells are often used in vehicles.
  • An optimal operating temperature for this type of low-temperature fuel cell is around 60 °C.
  • a coolant flows through the fuel cell and the temperature of the coolant is reduced by a refrigeration machine.
  • the coolant can also be cooled via a cooler, possibly also in combination with a fan, for example in the front of the vehicle.
  • the cooling performance of such coolers depends on the ambient temperature.
  • large radiator surfaces are necessary due to the typical drive power and the resulting heat output to be dissipated.
  • powerful fans are also required to ensure the necessary air flow through the radiator. This is due in particular to the smaller temperature differences between the ambient temperature and the fuel cell compared to those between the ambient temperature and the internal combustion engine.
  • a significant proportion of the heat energy is dissipated via the exhaust system, which does not occur in fuel cell vehicles and therefore results in a significantly lower cooling capacity.
  • the invention provides a commercial vehicle having a chassis, a fuel cell and a fuel cell cooling system, the fuel cell cooling system comprising: a cooling circuit connected to the fuel cell for carrying a cooling medium; a pump for circulating the cooling medium; a heat exchanger in thermal communication with the chassis; a bypass line that can be switched via a multi-way bypass valve to bypass the heat exchanger; and a control device for switching the multi-way bypass valve.
  • the core idea of a fuel cell cooling system according to the invention is that in a commercial vehicle with a chassis and a fuel cell and a fuel cell cooling system, at least parts of the chassis can be used as a heat sink. A heat exchanger through which cooling medium flows is thermally connected to the chassis, so that a transfer of thermal energy between the cooling medium and the chassis is possible.
  • the chassis of commercial vehicles is generally larger than that of passenger cars. As the size increases, the heat capacity of the chassis also increases and with it the ability to both absorb large amounts of excess heat and release it into the environment due to its large surface area. In commercial vehicles, areas such as the passenger compartment, which often require a different temperature control than the fuel cell, are generally smaller and located further away from the chassis than in passenger cars.
  • the passenger compartment of commercial vehicles is therefore less disruptive to the operation of the fuel cell cooling system than in passenger cars.
  • the chassis of commercial vehicles consists largely of solid metallic and therefore thermally conductive elements that are in thermal contact with one another. A surface area of chassis parts can easily be several m 2 . Furthermore, the chassis of commercial vehicles is fundamentally insensitive to temperature changes, which means that it is well suited to providing a heat buffer that can release heat to the environment without any adjustments being necessary.
  • the cooling system is a system designed to cool a self-heating or externally heated device to an appropriate level.
  • this system consists of piping, pumps and a heat sink.
  • An in The cooling medium circulating in the cooling system is guided along the heat source, heats up and releases the absorbed heat back into the heat sink.
  • the cooling system is not only suitable for cooling, but can also enable heating or stabilization of the temperature.
  • the cooling system is therefore a general temperature control system.
  • a commercial vehicle is a motor vehicle that is designed and designed to transport people or goods or to tow trailers, but is not a passenger car or motorcycle, but, for example, a bus, a truck, a tractor or a crane truck.
  • a commercial vehicle according to the invention can be a tractor or a truck.
  • the chassis includes in particular a frame, for example a ladder frame.
  • the fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • fuel cell is preferably meant a hydrogen-oxygen fuel cell.
  • the fuel cell is a low temperature fuel cell, particularly preferably a proton exchange membrane fuel cell.
  • the thermal connection is a connection that is set up for the transfer of thermal energy.
  • thermal energy can in principle be transferred by heat conduction, thermal radiation and convection, the transfer of thermal energy by thermal radiation is so inefficient without special precautions that it is not suitable for the transfer of thermal energy.
  • the suitability of various materials for heat conduction is described by the heat conduction coefficient. This is low for gases, liquids and certain solids, but much higher for metals.
  • a connection that is set up for the transmission of thermal energy must therefore include a thermal conduction bridge made of a material with a high thermal conductivity coefficient.
  • the heat exchanger is a device used to transfer heat between a source and a working fluid.
  • the heat exchanger is suitable for both cooling and heating the fuel cell.
  • the multi-way bypass valve and the bypass line that can be switched to bypass the heat exchanger make the system switchable and controllable. This makes it possible not to introduce heat energy into the cooling system when the ambient temperatures are too high and not to dissipate too large amounts of heat energy from the system when the outside temperatures are too low. It is also possible to control the fuel cell to a desired temperature level. This ensures that the fuel cell is always operated at the optimal operating temperature.
  • the multi-way bypass valve can also be designed as a proportionality valve, with which the flow through the bypass line can in principle be switched into more than two discrete states. In particular, it is also possible to switch the multi-way bypass valve to one of several states with continuous gradation.
  • the term “switching” must therefore be interpreted broadly and also includes “regulation”.
  • the fuel cell cooling system further comprises a cooling machine for cooling the cooling medium.
  • the chiller is a machine that extracts heat from a liquid refrigerant via a vapor compression refrigeration cycle, adsorption refrigeration cycle or absorption refrigeration cycle. It allows the coolant to be cooled to a temperature below ambient temperature.
  • Fuel cell cooling system according to one of the preceding claims, wherein the chassis comprises a lead frame and the heat exchanger is in thermal communication with the lead frame.
  • a ladder frame is a type of vehicle frame in automobile construction that accommodates, among other things, the axles, engine, gearbox and body.
  • Several cross struts are inserted between two strong longitudinal beams, which give it the shape of a ladder.
  • ladder frames can be made from closed profiles and in this case are also referred to as box frames.
  • ladder frames of commercial vehicles are often made from supports with C-profiles.
  • the use in commercial vehicles, especially trucks with ladder frames, is particularly advantageous because the massive
  • the metal longitudinal members of the lead frame with a wall thickness of a few millimeters and a significant surface area are particularly suitable for conducting and dissipating thermal energy and also have a high heat capacity.
  • the large vehicle dimensions of the truck ladder frames require the large surface area of the heat sink ladder frame and therefore enable a particularly efficient transfer of heat energy to the environment.
  • the lead frame serves as a large heat sink, which makes controlling the radiator fan less necessary or unnecessary.
  • a surface of the lead frame is at least 7.5 m 2 , in particular at least 10 m 2 . Particularly preferably it can also be provided that the surface of the lead frame is at least 15 m 2 .
  • the large surface area enables thermal energy to be released more efficiently to the environment and thus higher cooling performance.
  • the commercial vehicle further comprises a front cooler that is in thermal connection to the cooling circuit and is set up to release thermal energy from the cooling medium to the ambient air.
  • the front cooler is a device intended for exchange with the ambient air, preferably with a fan.
  • the use of a front cooler can enable a further increase in the efficiency of the fuel cell cooling system due to its additional cooling capacity in low-energy operation.
  • the front cooler includes a fan.
  • cooling circuit is in thermal connection to high-voltage components of the commercial vehicle.
  • Hydrogen-powered commercial vehicles have high-voltage components that usually operate at around 800 volts and are specially protected. These can include, for example, drive inverters or auxiliary devices such as a power steering pump or an air compressor.
  • auxiliary devices such as a power steering pump or an air compressor.
  • superstructures are also added to the commercial vehicle, which are also operated with high voltage and connected to the high-voltage network via an interface of the commercial vehicle are connected.
  • High-voltage components also generate waste heat during operation.
  • the cooling circuit can also have thermal connections to each of these high-voltage components, which can increase the service life of the high-voltage components and ensure increased reliability of the individual components and the overall system.
  • cooling circuit is in thermal connection with a component of the vehicle frame.
  • cooling circuit is in thermal connection to a high-voltage battery.
  • This embodiment relates to a commercial vehicle that is operated electrically, wherein the electrical energy generated by the fuel cell can be used directly and/or stored in the high-voltage battery.
  • a drive is also known as a hydrogen hybrid drive.
  • an upper value for the coolant inlet temperature is around 40 °C and is therefore lower than for fuel cells.
  • the cooling system can still be used for both devices to be cooled if, for example, either a low cooling temperature is used or the high-voltage battery is arranged in front of the fuel cell in the direction of flow, or a cooling machine for cooling the cooling medium is provided in front of the high-voltage battery, or a bypass line with a three-way -Valve a section for cooling the high-voltage battery is switchably connected to the cooling circuit.
  • a low cooling temperature is used or the high-voltage battery is arranged in front of the fuel cell in the direction of flow
  • a cooling machine for cooling the cooling medium is provided in front of the high-voltage battery
  • a bypass line with a three-way -Valve a section for cooling the high-voltage battery is switchably connected to the cooling circuit.
  • the cooling medium comprises a mixture of deionized water and glycol.
  • Deionized coolant is used to cool the fuel cell because it is hardly electrically conductive and does not cause an undesirable flow of current.
  • the components of the fuel cell cooling system that come into contact with the coolant must be resistant to ionized water. Using deionized water with glycol still allows the fuel cell to operate more efficiently.
  • control device is set up to switch the multi-way bypass valve depending on a temperature of the cooling medium and/or an ambient temperature.
  • temperature measuring devices are arranged at one or preferably several points in the cooling circuit and the environment or a vehicle part that is in thermal contact with the environment.
  • Such a circuit enables more precise use of the heat exchanger connected to the chassis and thus further increased cooling efficiency.
  • control device is set up to switch the multi-way bypass valve depending on an operating mode of the commercial vehicle.
  • thermal energy must be dissipated from the fuel cell without the vehicle being in motion.
  • the heat capacity of the chassis can be used as a buffer via the multi-way bypass valve without having to operate an existing refrigeration machine or cooler.
  • the cooler is usually designed in such a way that the flow of airflow is essential. In these situations, the fan and/or the refrigeration machine must therefore be controlled regularly, which not only leads to energy consumption but also to noise pollution.
  • the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
  • Polymer electrolyte fuel cells are particularly compact compared to other fuel cells and therefore enable use in commercial vehicles with limited space requirements.
  • the space required by the fuel cell which is saved compared to other embodiments, can also be used to use larger hydrogen tanks and thus increase the range of the commercial vehicle.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell cooling system, comprising the steps: a) Providing a commercial vehicle according to one of the preceding claims; b) operating the pump to circulate the cooling medium; c) measuring a temperature of the cooling medium; d) measuring an ambient temperature; e) Switching the multi-way bypass valve depending on the measured temperature of the cooling medium and the ambient temperature.
  • step e) is also carried out depending on an operating mode of the commercial vehicle.
  • step e) is also carried out depending on a planned route of the commercial vehicle.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a truck with a fuel cell cooling system according to a special embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a flowchart of a method for operating a fuel cell cooling system.
  • the chassis 14 of the truck as a special form of a commercial vehicle 11, comprises a ladder frame 16 with longitudinal beams 18 and cross members 20 as well as a passenger cell 15.
  • the truck 10 has three axles 22 with drive wheels 24 extending over the ladder frame 16.
  • the fuel cell cooling system 12 is set up to cool a fuel cell 26.
  • the one to the Cooling circuit 30 connected to fuel cell 26 carries a cooling medium which is circulated by a pump 32 in a flow direction indicated by arrow 34.
  • Part of the fuel cell cooling system 12 is a heat exchanger 36 which is in thermal connection with the lead frame 16.
  • Steel beams with a C-profile are usually used as the longitudinal beams 18 in the truck 10.
  • the heat exchanger 36 is arranged flat on this C-profile.
  • heat-conducting foils, heat-conducting pads, heat-conducting film or heat-conducting pastes are arranged between the heat exchanger 36 and the longitudinal support 18, thus creating a particularly good thermal coupling.
  • the heat exchanger 36 has a flow channel (not shown in detail) through which the cooling medium flows during operation.
  • a meandering shape of the flow channel is provided in some embodiments, but in addition to better heat distribution, it also ensures a higher pressure loss and must be compensated for with appropriate pump power.
  • the heat exchanger it is also possible to design the heat exchanger as a line along the longitudinal beam 18, with which the cooling medium flows along the lead frame 16 in the longitudinal direction of the vehicle and, thanks to the large contact area between the heat exchanger 36 and the longitudinal beam 18, enables a lot of heat energy to be transferred into the lead frame 16 with little pressure loss.
  • the heat input is distributed over a large frame length and less heat conduction within the frame is required in order to achieve a similar heat capacity.
  • the heat exchanger extends over at least 50%, particularly preferably over at least 75%, of the length of the lead frame 16.
  • a multi-way bypass valve 38 is arranged in the flow direction in front of the heat exchanger 36.
  • the multi-way bypass valve 38 is set up as a three-way valve to activate a bypass line 40, which can be switched to bypass the heat exchanger 36, as an alternative to the flow through the heat exchanger 36. In this way, dissipation of heat to the lead frame 16 can be switched on or off.
  • the multi-way bypass valve 38 can also be designed as a proportional valve.
  • a proportional valve is a continuous valve that uses a proportional Portional magnets not only allow discrete switching positions, but also a constant transition of the valve opening.
  • a refrigeration machine 42 is arranged in the cooling circuit 30 in the flow direction after the heat exchanger 36 and the bypass line 40.
  • the multi-way bypass valve 38 is controlled via a control device (not shown in detail).
  • the control device receives measurement data of the temperature of the cooling medium measured at different positions (in front of the radiator, in front of the heat exchanger, in front of the battery/fuel cell).
  • the lead frame temperature is measured in the area of the heat exchanger 36, preferably before and after the heat exchanger. In addition, it can be provided that the lead frame temperature is measured at other points in order to be able to estimate a total amount of energy stored in the lead frame 16.
  • Figure 2 shows a flow chart of a method for operating a fuel cell cooling system 12. The method can be used to cool or heat the fuel cell of a commercial vehicle 11 according to the invention.
  • a second step 102 involves operating the pump 32 to circulate the cooling medium.
  • a cooling medium is circulated in the cooling circuit 30 by pumps.
  • a third step 103 involves measuring a temperature of the cooling medium.
  • the temperature of the cooling medium is measured at different positions, for example in front of the front cooler 44, in front of the heat exchanger 36, after the heat exchanger 36 and / or in front of the fuel cell 26.
  • a fourth step 104 involves measuring an ambient temperature.
  • the ambient temperature can be measured directly using an external thermometer attached in a suitable location or can be measured indirectly as the frame temperature on the lead frame 16.
  • a fifth step 105 involves switching the multi-way bypass valve 38 depending on the measured temperature of the cooling medium and the ambient temperature.
  • the control device switches the position of the multi-way bypass valve 38 based on the temperatures and the optimal temperature ranges of the fuel cell.
  • All components of the fuel cell cooling system typically have a comfort range from Tunten, soil to Toben, son, which lies within a maximum range Tmin to Tmax.
  • limits must be defined for hysteresis THyst, below and THyst, above, which lie within the comfort range.
  • the states 'heating', 'cooling' or 'no tempering' are set.
  • temperature control with the lowest possible energy consumption is selected. This can preferably be done with a frame heat exchanger 36, if the measured temperatures allow this, but without operating the fan 46 on the front cooler 44.
  • the multi-way bypass valve 38 is switched so that the Heat exchanger 36 is not flowed through or only to a reduced extent in order to keep the vehicle frame 14 to be thermally decoupled from the rest of the fuel cell cooling system 12 at least partially.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug (11), mit einem Fahrgestell (14), einer Brennstoffzelle (26) und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (12), wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem (12) umfasst: einen an die Brennstoffzelle (26) angeschlossenen Kühlkreislauf (30) zum Führen eines Kühlmediums; eine Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums; einen in thermischer Verbindung mit dem Fahrgestell (14) stehenden Wärmetauscher (36); eine über ein Mehrwege-Bypassventil (38) zur Umgehung des Wärmetauschers (36) schaltbare Bypassleitung (40); und eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38).

Description

Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellen-Kühlsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug mit einem Fahrgestell, einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Kühlsystems.
Die vorliegende Erfindung basiert auf bekannten Brennstoffzellen-Kühlsystemen in Nutzfahrzeugen. Brennstoffzellen werden in Nutzfahrzeugen verstärkt dazu genutzt, schadstoffarm und mit hohem Wirkungsgrad chemische Energie des Brennstoffs in elektrische Energie zu wandeln. Bei der Energiewandlung entsteht jedoch auch Wärmeenergie, die abgeführt werden muss, damit ein Schaden von hitzeempfindlichen Teilen der Brennstoffzelle, beispielsweise der Elektrolyt-Membran abgewendet wird. Häufig kommen im Fahrzeug Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) zum Einsatz. Eine optimale Betriebstemperatur dieser Art von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen liegt bei etwa 60 °C.
Für das Abführen überschüssiger Wärmeenergie wird die Brennstoffzelle daher von einem Kühlmittel durchströmt und die Temperatur des Kühlmittels von einer Kältemaschine reduziert. Das Kühlmittel kann ferner über einen Kühler, möglich auch in Kombination mit einem Lüfter, beispielsweise in der Fahrzeugfront gekühlt werden. Die Kühlleistung solcher Kühler ist jedoch abhängig von der Umgebungstemperatur. Speziell bei Nutzfahrzeugen sind auf Grund der typischen Antriebsleistung und der daraus folgenden abzuführenden Wärmeleistung große Kühlerflächen nötig. Um die Wärmeenergie auch bei langsamen Fahrgeschwindigkeiten oder im Stand abzuführen, werden ferner leistungsstarke Lüfter benötigt, um für den nötigen Luftstrom durch die Kühler zu gewährleisten. Dies liegt insbesondere an den geringeren Temperaturunterschieden zwischen Umgebungstemperatur und Brennstoffzelle im Vergleich zu denjenigen zwischen Umgebungstemperatur und Verbrennungsmotor. Des Weiteren wird bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein wesentlicher Anteil der Wärmeenergie über das Abgassystem abgeführt, was beim Brennstoffzellenfahrzeug nicht erfolgt und daher eine wesentlich geringere Kühlleistung ausmacht.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Betrieb einer Kältemaschine oder der Kühlerlüfter selbst eine nicht unerhebliche Leistung benötigt, die ebenfalls zunächst von der Brennstoffzelle bereitgestellt werden muss. Eine solche Käl- temaschine oder der Kühlerlüfter reduzieren daher die für den Antrieb zur Verfügung stehende Gesamtleistung der Brennstoffzelle.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die für die Kühlung nötigen Kühlflächen Herausforderungen an das Fahrzeugpackage stellen und auch negativen Einfluss auf den cw- Wert haben.
Ferner ist nachteilhaft, dass es Zustände gibt, bei denen große Mengen an Wärmeenergie bei einem Stillstand des Fahrzeugs abgegeben werden müssen. Diese können beim Laden von Batterien eines vorhandenen Batteriesystems vorliegen, während das Fahrzeug steht oder langsam fährt. Ein gegebenenfalls vorhandener Kühler ist üblicherweise derart ausgelegt, dass die Durchströmung mit Fahrtwind essenziell ist. Somit muss bei diesen Situationen ein Lüfter des Kühlers oft angesteuert werden was neben dem Energieverbrauch auch Lärm erzeugt.
In Anbetracht dieses Stands der Technik besteht ein Bedarf, ein Brennstoffzellen- Kühlsystem für Nutzfahrzeuge mit höherer Effizienz bereitzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen mit höherer Effizienz zu kühlen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Nutzfahrzeug beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein Nutzfahrzeug, mit einem Fahrgestell, einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem, wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem umfasst: einen an die Brennstoffzelle angeschlossenen Kühlkreislauf zum Führen eines Kühlmediums; eine Pumpe zum Umwälzen des Kühlmediums; einen in thermischer Verbindung mit dem Fahrgestell stehenden Wärmetauscher; eine über ein Mehrwege-Bypassventil zur Umgehung des Wärmetauschers schaltbare Bypassleitung; und eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils.
Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlsystems liegt darin, dass in einem Nutzfahrzeug mit einer Fahrgestell und einer Brennstoffzelle und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem zumindest Teile des Fahrgestells als Kühlkörper genutzt werden können. Dabei ist ein mit Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher mit dem Fahrgestell thermisch verbunden, so dass eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen Kühlmedium und Fahrgestell ermöglicht wird. Das Fahrgestell ist bei Nutzfahrzeugen grundsätzlich größer als bei Personenkraftwagen. Mit der Größe steigt auch die Wärmekapazität des Fahrgestells und damit die Möglichkeit sowohl große Mengen an überschüssiger Wärme aufzunehmen als auch, diese auf Grund dessen großer Oberfläche an die Umgebung abzugeben. In Nutzfahrzeugen sind ferner auch Bereiche wie der Fahrgastraum, die häufig eine andere Temperierung benötigen als die Brennstoffzelle, grundsätzlich kleiner und in weiterer Entfernung zum Fahrgestell angeordnet als in Personenkraftwagen. Der Fahrgastraum von Nutzfahrzeugen ist daher weniger störend für den Betrieb des Brennstoffzellen- Kühlsystems als in Personenkraftwagen. Das Fahrgestell von Nutzfahrzeugen besteht zu einem Großteil aus massiven metallischen und damit thermisch leitfähigen Elementen, die in thermischem Kontakt miteinander stehen. Eine Oberfläche von Fahrgestellteilen kann leicht mehrere m2 betragen. Weiterhin ist das Fahrgestell von Nutzfahrzeugen gegenüber Temperaturänderungen grundsätzlich unempfindlich, womit es ohne, dass Anpassungen notwendig sind, gut geeignet ist, einen Wärmepuffer bereitzustellen, der Wärme an die Umgebung abgegeben kann.
Das Kühlsystem ist ein System, das dazu dient, eine sich selbst erhitzende oder von außen erhitzte Einrichtung auf ein angemessenes Maß abzukühlen. Im Allgemeinen besteht dieses System aus Rohrleitungen, Pumpen und einer Wärmesenke. Ein im Kühlsystem zirkulierendes Kühlmedium wird an der Wärmequelle entlanggeführt, erwärmt sich dabei und gibt die aufgenommene Wärme an der Wärmesenke wieder ab. Das Kühlsystem ist jedoch nicht ausschließlich zur Kühlung geeignet, sondern kann auch eine Heizung oder eine Stabilisierung der Temperatur ermöglichen. Das Kühlsystem ist daher ein allgemeines Temperierungssystem.
Ein Nutzfahrzeug ist ein ist ein Kraftfahrzeug, das nach seiner Bauart und Einrichtung zum Transport von Personen oder Gütern bestimmt ist, oder zum Ziehen von Anhängern, aber kein Personenkraftwagen oder Kraftrad ist, sondern beispielsweise ein Omnibus, ein Lastkraftwagen, eine Zugmaschine oder ein Kranwagen. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Nutzfahrzeug eine Zugmaschine oder ein Lastkraftwagen sein.
Das Fahrgestell schließt insbesondere einen Rahmen, beispielsweise einen Leiterrahmen mit ein.
Die Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Mit Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine Wasserstoff- Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle, besonders bevorzugt eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Die thermische Verbindung ist eine Verbindung, die für eine Übertragung thermischer Energie eingerichtet ist. Thermische Energie kann zwar grundsätzlich durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion übertragen werden, die Übertragung von thermischer Energie durch Wärmestrahlung ist ohne besondere Vorkehrungen jedoch so ineffizient, dass sie sich nicht für eine Übertragung thermischer Energie eignet. Die Eignung verschiedener Materialien zur Wärmeleitung wird durch den Wärmeleitungskoeffizienten beschrieben. Dieser ist für Gase, Flüssigkeiten und bestimmte Feststoffe gering, für Metalle hingegen wesentlich höher. Eine Verbindung, die für eine Übertragung thermischer Energie eingerichtet ist, muss daher eine Wärmeleitbrücke aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten umfassen.
Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, mit dem Wärme zwischen einer Quelle und einem Arbeitsmedium übertragen wird. Der Wärmetauscher ist sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen der Brennstoffzelle geeignet. Das Mehrwege-Bypassventil und die damit, zur Umgehung des Wärmetauschers, schaltbare Bypassleitung machen das System schaltbar und regelbar. Dadurch wird bei zu hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht, keine Wärmeenergie ins Kühlsystem einzutragen und bei zu niedrigen Außentemperaturen nicht zu große Mengen an Wärmeenergie aus dem System abzuleiten. Auch eine Regelung der Brennstoffzelle auf ein Wunschtemperaturniveau ist möglich. Somit kann gewährleistet werden, dass die Brennstoffzelle stets bei optimaler Betriebstemperatur betrieben wird. Das Mehrwege-Bypassventil kann auch als Proportionalitätsventil ausgestaltet sein, mit dem der Durchfluss durch die Bypassleitung grundsätzlich auch in mehr als zwei diskrete Zustände geschaltet werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, das Mehrwege-Bypassventil in einen von mehreren Zuständen mit kontinuierlicher Abstufung zu schalten. Der Begriff des „Schaltens“ ist daher weit auszulegen und umfasst auch ein „Regeln“.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Brennstoffzellen-Kühlsystem ferner eine Kältemaschine zur Kühlung des Kühlmediums umfasst.
Die Kältemaschine ist eine Maschine, die einem flüssigen Kühlmittel über einen Dampfkompressionskältekreislauf, Adsorptionskältekreislauf oder Absorptionskältekreislauf Wärme entzieht. Sie ermöglicht die Kühlung des Kühlmittels auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur.
Hierdurch wird ein zuverlässiger Betrieb des Brennstoffzellen-Kühlsystems auch bei hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht.
Brennstoffzellen-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrgestell einen Leiterrahmen umfasst und der Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen steht.
Als Leiterrahmen bezeichnet man eine Bauart von Fahrzeugrahmen im Automobilbau, das unter anderem die Achsen, Motor, das Getriebe und den Aufbau aufnimmt. Zwischen zwei starken Längsholmen sind mehrere Querstreben eingefügt, die ihm die Form einer Leiter geben. Zur Verbesserung der Verwindungssteifheit können Leiterrahmen aus geschlossenen Profilen hergestellt werden und in diesem Fall auch als Kastenrahmen bezeichnet werden. Häufig werden Leiterrahmen von Nutzfahrzeugen aber aus Trägern mit C-Profilen hergestellt. Die Anwendung bei Nutzfahrzeugen, insbesondere LKW mit Leiterrahmen ist besonders vorteilhaft, da die massi- ven metallenen Längsträger des Leiterrahmens mit einigen Millimetern Wandstärke und signifikanter Oberfläche sich besonders gut eignen, um die Wärmeenergie zu leiten, abzuleiten und außerdem eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Die großen Fahrzeugabmessungen der LKW-Leiterrahmen bedingend die große Oberfläche des Kühlkörpers Leiterrahmen und ermöglichen daher eine besonders effiziente Übertragung der Wärmeenergie an die Umgebung. Speziell beim Laden des Batteriesystems dient der Leiterrahmen als großflächiger Kühlkörper, wodurch eine Ansteuerung des Kühlerlüfters weniger nötig oder unnötig wird.
In dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn eine Oberfläche des Leiterrahmens wenigstens 7,5 m2, insbesondere wenigstens 10 m2 beträgt. Besonders bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Leiterrahmens wenigstens 15 m2 beträgt.
Die große Oberfläche ermöglicht eine effizientere Abgabe der Wärmeenergie an die Umgebung und damit eine höhere Kühlleistung.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Nutzfahrzeug ferner einen in thermischer Verbindung zum Kühlkreislauf stehenden Frontkühler umfasst, der zur Abgabe von Wärmeenergie des Kühlmediums an die Umgebungsluft eingerichtet ist.
Der Frontkühler ist eine zum Austausch mit der Umgebungsluft vorgesehene Einrichtung, vorzugsweise mit einem Gebläse. In diesem Fall kann der Einsatz eines Frontkühlers durch dessen zusätzliche Kühlleistung bei energiearmer Betriebsweise eine weitere Effizienzsteigerung des Brennstoffzellen-Kühlsystems ermöglichen.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Frontkühler einen Lüfter umfasst.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung zu Hochspannungskomponenten des Nutzfahrzeugs steht.
Wasserstoffbetriebene Nutzfahrzeuge haben Hochspannungskomponenten, die in der Regel mit etwa 800 Volt arbeiten und besonders geschützt sind. Hierzu können beispielsweise Antriebsinverter oder Hilfseinrichtungen wie eine Lenkhilfepumpe oder ein Luft-Kompressor gehören. Bei einer Vielzahl von Nutzfahrzeugen werden dazu außerdem Aufbauten dem Nutzfahrzeug hinzugefügt, die ebenfalls mit Hochspannung betrieben werden und über eine Schnittstelle an das Hochspannungsnetz des Nutzfahrzeugs angeschlossen sind. Hochspannungskomponenten erzeugen im Betrieb ebenfalls Abwärme. Der Kühlkreislauf kann auch zu jeder dieser Hochspannungskomponenten thermische Verbindungen aufweisen, die die Lebensdauer der Hochspannungskomponenten erhöhen kann und für erhöhte Ausfallsicherheit der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems sorgt.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung mit einer Komponente des Fahrzeugrahmens steht.
In manchen Nutzfahrzeugen sind neben dem Fahrgestell auch Komponenten des Fahrzeugrahmens dazu geeignet, Wärmeenergie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben. In diesen kann eine thermische Verbindung des Kühlkreislaufs mit dem Fahrzeugrahmen beispielsweise über einen zweiten Wärmetauscher oder gegebenenfalls über den bereits vorhandenen Wärmetauscher erfolgen. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung kann zu einer höheren Kühlleistung und einer höheren Wärmekapazität des Kühlkreislaufs führen.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn der Kühlkreislauf in thermischer Verbindung zu einer Hochvoltbatterie steht.
Diese Ausführungsform betrifft ein Nutzfahrzeug, das elektrisch betrieben wird, wobei die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie direkt genutzt und/oder in der Hochvoltbatterie gespeichert werden kann. Ein solcher Antrieb wird auch als Wasserstoff-Hybridantrieb bezeichnet. Ein oberer Wert der Kühlmediumeintrittstemperatur liegt je nach Batterietyp im Bereich von Werten um 40 °C und damit niedriger als für Brennstoffzellen. Das Kühlsystem kann dennoch für beide zu kühlenden Einrichtungen genutzt werden, wenn beispielsweise entweder eine niedrige Kühltemperatur genutzt wird oder die Hochvolt-Batterie in Fließrichtung vor der Brennstoffzelle angeordnet ist oder eine Kältemaschine zum Kühlen des Kühlmediums vor der Hochvoltbatterie vorgesehen ist oder eine Bypassleitung mit einem Dreiwege-Ventil einen Abschnitt zur Kühlung der Hochvoltbatterie schaltbar an den Kühlkreislauf angeschlossen ist. Eine Kombination mehrerer dieser Möglichkeiten zur Nutzung ist selbstverständlich ebenfalls möglich.
Weitere Vorteile können erreicht werden, wenn das Kühlmedium eine Mischung aus deionisiertem Wasser und Glykol umfasst. Für die Kühlung der Brennstoffzelle wird deionisiertes Kühlmittel verwendet, da es kaum elektrisch leitfähig ist und keinen unerwünschten Stromfluss verursacht. In Folge müssen die in Kontakt mit dem Kühlmittel stehenden Komponenten des Brenn- stoffzellen-Kühlsystems gegen ionisiertes Wasser beständig sein. Die Verwendung von deionisiertem Wasser mit Glykol ermöglicht dennoch einen effizienteren Betrieb der Brennstoffzelle.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmediums und/oder einer Umgebungstemperatur zu schalten.
Hierzu sind Temperaturmessgeräte an ein oder vorzugsweise mehreren Stellen des Kühlkreislaufs und der Umgebung oder einem mit der Umgebung in thermischem Kontakt stehenden Fahrzeugteil angeordnet. Eine derartige Schaltung ermöglicht einen genaueren Einsatz des in Verbindung mit dem Fahrgestell stehenden Wärmetauschers und damit eine weiter gesteigerte Effizienz der Kühlung.
Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs zu schalten.
Es gibt Betriebszustände des Nutzfahrzeugs, in denen Wärmeenergie von der Brennstoffzelle abgeführt werden muss ohne, dass das Fahrzeug in Bewegung ist. Beispielsweise beim Laden von Batterien eines Batteriesystems oder auch bei AC- Laden über einen On Board Charger oder auch wenn des Brennstoffzellensystem die Batterien auflädt. Hierbei kann über das Mehrwege-Bypassventil die Wärmekapazität des Fahrgestells als Zwischenspeicher genutzt werden, ohne dass eine gegebenenfalls vorhandene Kältemaschine oder Kühler betrieben werden muss. Der Kühler ist normalerweise derart ausgelegt, dass die Durchströmung mit Fahrtwind essenziell ist. Somit muss bei diesen Situationen der Lüfter und/oder die Kältemaschine regelmäßig angesteuert werden, was neben einem Energieverbrauch auch zu Lärmbelastung führt. Diese Nachteile können durch ein Schalten des Mehrwege-Bypassventils in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs vermieden werden.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs zu schalten. Eine geplante Fahrtroute kann über ein Navigationssystem des Nutzfahrzeugs an die Steuerungseinrichtung übertragen werden. Auch eine manuelle Eingabe der Fahrtroute ist denkbar. Insbesondere bei geplanten Fahrten durch vorhersehbar wärmere oder kältere Abschnitte, beispielsweise bei Fahrten mit größeren Höhenunterschieden oder Tunnelfahrten kann das Fahrgestell besonders effizient als Wärmepuffer genutzt werden, was einen zusätzlichen Effizienzgewinn ermöglicht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist.
In einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Arbeitspunkt etwa 60 Prozent. Als Elektrolyt dient dabei normalerweise eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nation. Die Betriebstemperatur liegt im Bereich von 60 °C bis 120 °C, wobei für den kontinuierlichen Betrieb bevorzugt Temperaturen zwischen 60 °C und 85 °C gewählt werden. Die Membran ist beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet, einer Mischung aus Kohlenstoff und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, oder Platin und Cobalt. H2-Moleküle dissoziieren auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch den Elektrolyt transportierten Protonen entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode an den elektrischen Verbraucher angeschaltet.
Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen besonders kompakt und ermöglichen daher einen Einsatz in Nutzfahrzeugen mit begrenztem Platzbedarf. Ein gegenüber anderen Ausführungsformen eingesparter Platzbedarf der Brennstoffzelle kann je nach Fahrzeugtyp auch dazu genutzt werden, größere Wasserstofftanks einzusetzen und damit die Reichweite des Nutzfahrzeugs zu erhöhen.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn das Nutzfahrzeug mehr als 2 Achsen aufweist.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Betreiben der Pumpe zum Umwälzen des Kühlmediums; c) Messen einer Temperatur des Kühlmediums; d) Messen einer Umgebungstemperatur; e) Schalten des Mehrwege-Bypassventils in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstemperatur.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass Schritt e) ferner in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs durchgeführt wird.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn Schritt e) ferner in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs durchgeführt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigt schematisch:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Lastkraftwagens mit einem Brennstoff- zellen-Kühlsystem gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems.
Die in Figur 1 dargestellte Schnittansicht auf einen Lastkraftwagen 10 mit einer Schnittebene auf Höhe von dessen Brennstoffzellen-Kühlsystems 12.
Das Fahrgestell 14 des Lastkraftwagens 10, als einer besonderen Form eines Nutzfahrzeugs 11 , umfasst einen Leiterrahmen 16 mit Längsträgern 18 und Querträgern 20 sowie einer Fahrgastzelle 15. Der Lastkraftwaren 10 weist drei sich über den Leiterrahmen 16 erstreckende Achsen 22 mit Antriebsrädern 24 auf. Das Brennstoffzel- len-Kühlsystem 12 ist zur Kühlung einer Brennstoffzelle 26 eingerichtet. Der an die Brennstoffzelle 26 angeschlossene Kühlkreislauf 30 führt ein Kühlmedium, das mit einer Pumpe 32 in einer durch den Pfeil 34 angegebenen Fließrichtung umgewälzt wird. Teil des Brennstoffzellen-Kühlsystems 12 ist ein in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen 16 stehender Wärmetauscher 36. Als Längsträger 18 werden im Lastkraftwagen 10 üblicherweise Stahlträger mit C-Profil verwendet. Für eine gute Wärmeübertragung ist der Wärmetauscher 36 flächig auf diesem C-Profil angeordnet. Für eine noch bessere Wärmeübertragung werden Wärmeleitfolien, Wärmeleitpads, Wärmeleitfilm oder Wärmeleitpasten zwischen Wärmetauscher 36 und Längsträger 18 angeordnet und damit eine besonders gute thermische Kopplung geschaffen.
Der Wärmetauscher 36 weist einen Fließkanal (nicht im Detail dargestellt) auf, der im Betrieb vom Kühlmedium durchströmt wird. Eine Mäanderform des Fließkanals ist in einigen Ausführungsformen vorgesehen, sorgt jedoch neben einer besseren Wärmeverteilung auch für einen höheren Druckverlust und muss mit entsprechender Pumpleistung ausgeglichen werden. Es ist auch möglich den Wärmetauscher als Leitung entlang des Längsträgers 18 auszugestalten, womit das Kühlmedium entlang des Leiterrahmens 16 in Fahrzeuglängsrichtung fließt und durch die große Kontaktfläche zwischen Wärmetauscher 36 und Längsträger 18 ermöglicht, viel Wärmeenergie bei geringem Druckverlust in den Leiterrahmen 16 zu übertragen. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem vorteilhaft, dass der Wärmeeintrag auf eine große Rahmenlänge verteilt wird und eine geringere Wärmeleitung innerhalb des Rahmens benötigt wird, um eine ähnliche Wärmekapazität zu erreichen. Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass sich der Wärmetauscher über wenigstens 50%, besonders bevorzugst über wenigstens 75% der Länge des Leiterrahmens 16 erstreckt.
In Fließrichtung vor dem Wärmetauscher 36 ist ein Mehrwege-Bypassventil 38 angeordnet. Das Mehrwege-Bypassventil 38 ist als Dreiwegeventil dazu eingerichtet, eine Bypassleitung 40, die zur Umgehung des Wärmetauschers 36 schaltbar ist, als Alternative zum Durchfluss durch den Wärmetauscher 36 freizuschalten. Auf diese Weise kann ein Abführen der Wärme an den Leiterrahmen 16 angeschaltet bzw. abgeschaltet werden. Das Mehrwege-Bypassventil 38 kann auch als Proportionalventil ausgestaltet sein. Ein Proportionalventil ist ein Stetigventil, das mit Hilfe eines Pro- portionalmagneten nicht nur diskrete Schaltstellungen zulässt, sondern einen stetigen Übergang der Ventilöffnung.
In Fließrichtung nach dem Wärmetauscher 36 und der Bypassleitung 40 ist eine Kältemaschine 42 im Kühlkreislauf 30 angeordnet.
Die Steuerung des Mehrwege-Bypassventils 38 erfolgt über eine Steuerungseinrichtung (nicht im Detail dargestellt). Die Steuerungseinrichtung empfängt Messdaten der Temperatur des Kühlmediums an unterschiedlichen Positionen (vor Kühler, vor Wärmetauscher, vor Batterie/Brennstoffzelle) gemessen. Die Leiterrahmentemperatur wird im Bereich des Wärmetauschers 36, vorzugsweise vor und nach dem Wärmetauscher gemessen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leiterrahmentemperatur an weiteren Stellen gemessen wird, um eine gesamte im Leiterrahmen 16 gespeicherte Energiemenge abschätzen zu können.
An der Fahrzeugfront ist ein Frontkühler 44 mit einem Lüfter 46 im Kühlkreislauf angeordnet. Der Lüfter kann ebenfalls von der Steuerungseinrichtung gesteuert werden.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoff- zellen-Kühlsystems 12. Durch das Verfahren kann die Brennstoffzelle eines erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugs 11 gekühlt oder auch erhitzt werden.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Ein erster Schritt 101 betrifft ein Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs 11 nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Ein zweiter Schritt 102 betrifft ein Betreiben der Pumpe 32 zum Umwälzen des Kühlmediums.
Ein Kühlmedium wird im Kühlkreislauf 30 durch Pumpen umgewälzt.
Ein dritter Schritt 103 betrifft ein Messen einer Temperatur des Kühlmediums.
Die Temperatur des Kühlmediums wird an unterschiedlichen Positionen, beispielsweise vor dem Frontkühler 44, vor dem Wärmetauscher 36, nach dem Wärmetauscher 36 und/oder vor der Brennstoffzelle 26 gemessen. Ein vierter Schritt 104 betrifft ein Messen einer Umgebungstemperatur.
Die Umgebungstemperatur kann direkt über ein an geeigneter Stelle angebrachtes Außenthermometer gemessen werden oder als Rahmentemperatur am Leiterrahmen 16 indirekt gemessen werden.
Ein fünfter Schritt 105 betrifft ein Schalten des Mehrwege-Bypassventils 38 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstemperatur.
Die Steuerungseinrichtung schaltet auf Basis der Temperaturen und der optimalen Temperaturbereiche der Brennstoffzelle die Stellung des Mehrwege-Bypassventils 38.
Alle Komponenten des Brennstoffzellen-Kühlsystems haben, insbesondere die Brennstoffzelle 38 hat, typischerweise einen Wohlfühlbereich von Tunten, soil bis Toben, son, welcher innerhalb eines Maximalbereichs Tmin bis Tmax liegt. Beim Wohlfühlbereich sind Grenzen für Hysterese THyst, unten und THyst, oben zu definieren, welche Innerhalb des Wohlfühlbereichs liegen.
Je nach Temperatur der zu temperierenden Komponente und der Richtung des Wärmeübertrags werden die Zustände , Heizen', .Kühlen' oder .keine Temperierung' gesetzt.
Innerhalb des Wohlfühlbereichs, zwischen den engeren Hysterese-Grenzen THyst, unten und THyst, oben, wird eine Temperierung mit möglichst geringen Energieaufwand gewählt. Diese kann vorzugsweise mit Rahmenwärmetauscher 36, falls die gemessenen Temperaturen dies ermöglichen, aber ohne Betrieb des Lüfters 46 am Frontkühler 44 erfolgen.
Erst wenn diese Art der Temperierung nicht ausreicht, werden weitere kühlende Komponenten wie beispielsweise der Lüfter 46 oder die Kältemaschine 42 aktiviert.
Falls die Temperatur des Leiterrahmens 16 nicht mehr der Temperierung hilft, da dieser beim Zustand .Kühlen' über dem Wert von Toben, son liegt oder beim Kühlen unter dem Wert von Tunten, son liegt, wird das Mehrwege-Bypassventil 38 so geschaltet, dass der Wärmetauscher 36 nicht oder nur reduziert durchströmt wird, um das Fahr- gestell 14 thermisch vom Rest des Brennstoffzellen-Kühlsystems 12 zumindest teilweise zu entkoppeln.
Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Lastkraftwagen
11 Nutzfahrzeug
12 Brennstoffzellen-Kühlsystem
14 Fahrgestell
15 Fahrgastzelle
16 Leiterrahmen
18 Längsträger
20 Querträger
22 Achse
24 Antriebsräder
26 Brennstoffzelle
30 Kühlkreislauf
32 Pumpe
34 Pfeil
36 Wärmetauscher
38 Mehrwege-Bypassventil
40 Bypassleitung
42 Kältemaschine
44 Frontkühler
46 Lüfter
101 erster Schritt
102 zweiter Schritt
103 dritter Schritt
104 vierter Schritt
105 fünfter Schritt

Claims

Patentansprüche Nutzfahrzeug (11 ), mit einem Fahrgestell (14), einer Brennstoffzelle (26) und einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (12), wobei das Brennstoffzellen- Kühlsystem (12) umfasst: einen an die Brennstoffzelle (26) angeschlossenen Kühlkreislauf (30) zum Führen eines Kühlmediums; eine Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums; einen in thermischer Verbindung mit dem Fahrgestell (14) stehenden Wärmetauscher (36); eine über ein Mehrwege-Bypassventil (38) zur Umgehung des Wärmetauschers (36) schaltbare Bypassleitung (40); und eine Steuerungseinrichtung zum Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38). Nutzfahrzeug (11 ) nach Anspruch 1 , wobei das Brennstoffzellen-Kühlsystem (12) ferner eine Kältemaschine (42) zur Kühlung des Kühlmediums umfasst. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrgestell (14) einen Leiterrahmen (16) umfasst und der Wärmetauscher (36) in thermischer Verbindung mit dem Leiterrahmen (16) steht. Nutzfahrzeug (11 ) nach Anspruch 3, wobei eine Oberfläche des Leiterrahmens (16) wenigstens 7,5 m2, insbesondere wenigstens 10 m2 beträgt. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen in thermischer Verbindung zum Kühlkreislauf (30) stehenden Frontkühler (44), der zur Abgabe von Wärmeenergie des Kühlmediums an die Umgebungsluft eingerichtet ist. Nutzfahrzeug (11 ) nach Anspruch 5, wobei der Frontkühler (44) einen Lüfter (46) umfasst. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkreislauf (30) in thermischer Verbindung zu Hochspannungskomponenten des Nutzfahrzeugs (11) steht. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (36) ferner in thermischer Verbindung mit einer Komponente des Fahrzeugrahmens steht. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Hochvoltbatterie, wobei der Kühlkreislauf (30) in thermischer Verbindung mit der Hochvoltbatterie steht. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmedium eine Mischung aus deionisiertem Wasser und Glykol umfasst. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmediums und/oder einer Umgebungstemperatur zu schalten. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs (11) zu schalten. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Mehrwege-Bypassventil (38) in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs (11 ) zu schalten. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (26) eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist. Nutzfahrzeug (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nutzfahrzeug (11) mehr als 2 Achsen (22) aufweist. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kühlsystems (12), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Nutzfahrzeugs (11), nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Betreiben der Pumpe (32) zum Umwälzen des Kühlmediums; c) Messen einer Temperatur des Kühlmediums; d) Messen einer Umgebungstemperatur; e) Schalten des Mehrwege-Bypassventils (38) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und der Umgebungstemperatur. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Schritt e) ferner in Abhängigkeit eines Betriebsmodus des Nutzfahrzeugs (11 ) durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei Schritt e) ferner in Abhängigkeit einer geplanten Fahrtroute des Nutzfahrzeugs (11) durchgeführt wird.
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