WO2010054769A1 - Brennstoffzellensystem für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2010054769A1 PCT/EP2009/007859 EP2009007859W WO2010054769A1 WO 2010054769 A1 WO2010054769 A1 WO 2010054769A1 EP 2009007859 W EP2009007859 W EP 2009007859W WO 2010054769 A1 WO2010054769 A1 WO 2010054769A1
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vehicle
cooling
cooling circuit
cell system
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Cosimo Mazzotta
David Wenger
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Ford Global Technologies LLC
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Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system for a vehicle having at least one fuel cell, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • the fuel cells used are stacks of individual fuel cells that operate on the basis of polymer membranes as the electrolyte. These so-called PEM fuel cell stacks typically have an operating temperature in the order of about 90 ° C.
  • PEM fuel cell stacks waste heat is generated during its operation, which must be dissipated via a cooling system. Due to the relatively low temperature difference to the environment, the cooling of such a fuel cell is rather difficult. In a vehicle, therefore, a comparatively large cooling surface is necessary for a reliable and reliable cooling of the fuel cell to a temperature level which does not harm the fuel cell.
  • the available cooling surface which is typically arranged in the vehicle to be flown by wind, is very limited due to design specifications and air-resistance optimized design, cooling of a fuel cell in a fuel cell system for vehicles appropriate challenge.
  • various components to be cooled are typically present in the fuel cell system, some of which must be cooled at very different temperature levels.
  • a common and common way is to arrange the components in series in a row in a cooling circuit so that in each case a sufficient cooling is ensured.
  • this is partly very problematic due to the problem already described with the available cooling surface.
  • the cooling heat exchanger of the cooling circuit for the further component to be cooled can be arranged at any point in the vehicle, in particular in the vicinity of the component, for example on the vehicle underbody. Its available cooling surface can be specific to the be set to be cooled component, so that with minimal cooling surface requirement their safe and reliable operation is possible.
  • each of the at least one further components to be cooled in each case has its own cooling circuit with its own coolant delivery device and its own cooling heat exchanger.
  • This structure with a decentralized cooling of the individual components, independent of the central cooling of the fuel cell itself, allows targeted cooling of the individual components, without the available area on the vehicle radiator for the fuel cell must be used with disadvantage, and without waste heat from the components is entered in the actual cooling circuit for the fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a vehicle with a fuel cell system.
  • Fig. 3 is a more detailed representation of the invention using the example of a component.
  • FIG. 1 shows a vehicle 1 indicated in principle, which has a fuel cell system 2.
  • the fuel cell system 2 is arranged by way of example in the floor area of the vehicle, other arrangements, for example in the front or rear area of the vehicle are of course also conceivable.
  • the fuel cell system 2 also has a cooling circuit 3, which is indicated by way of example in FIG.
  • the cooling circuit 3 connects the fuel cell system 2 with a vehicle radiator 4, which is arranged in the front region of the vehicle 1.
  • the vehicle radiator 4 can be designed as a conventional vehicle radiator, which is generally traversed by the wind, and if required by an additional fan 5, which is indicated here schematically, can be blown.
  • an electric drive motor 6 is shown by way of example in FIG. 1, which is arranged here by way of example in the region of the rear axle.
  • a fuel storage 7 is indicated, which can serve as a high-pressure tank for receiving high-pressure gaseous hydrogen as fuel for the fuel cell system 2, for example.
  • a cooling heat exchanger 9 is also indicated in principle in the region of a subfloor 8 of the vehicle 1, which will be discussed in more detail later.
  • the fuel cell system 2 together with the hydrogen storage device 7 and the electric drive motor 6 of the vehicle 1, is once again illustrated by way of example.
  • the motor 6 is connected via an example indicated electronics 10, for example, a suitable inverter, via line elements 11 to the fuel cell 12 of the fuel cell system 2.
  • the connection will be formed differently than shown, for example, by appropriate collectors and power distributors and various electronic components.
  • the exemplary illustration with the cables 11 and the electronic component 10 has been chosen here.
  • the fuel cell 12 itself should be designed as a stack of individual PEM fuel cells. Such a fuel cell 12 is commonly referred to as a fuel cell stack.
  • the fuel cell 12 has a cathode region 13 and an anode region 14, which are separated from one another by membranes.
  • a heat exchanger 15 is arranged in the region of the fuel cell 12, which is integrated into the cooling circuit 3 for cooling the waste heat produced in the fuel cell 12.
  • the illustration chosen here of the heat exchanger 15 in the region of the anode 14 is to be understood purely by way of example. Typically, such heat exchangers 15 will be arranged between the individual cells of the stack, so that they can respectively cool the anode region 14 and the cathode region 13 of the fuel cell 12 accordingly.
  • the cooling circuit 3 also has a coolant delivery device 16 and a valve device 17. Via the valve device 17, the flow of the coolant can be switched via the vehicle radiator 4 or around it. This may be of interest, for example, at the start of the fuel cell 12 if the objective is rapid heating of the fuel cell 12 and the waste heat is to be used for this purpose without it being already cooled away via the vehicle cooler 4. As soon as the desired operating state has been reached, the valve device 17 is then correspondingly switched so that the cooling circuit 3 is used for cooling the fuel cell 12 via the heat exchanger 15 and the vehicle radiator 4.
  • a so-called recirculation line 18 can be seen.
  • the recirculation line 18 leads from the area to the anode 14 back into the area in front of the anode 14.
  • About the recirculation line 18 and a recirculation conveyor 19 located in it is unused fuel gas, typically fresh hydrogen, from the area after the anode 14 in the area returned before the anode 14.
  • This operating scheme which is very frequently used in fuel cells 12, allows a corresponding excess of hydrogen to flow into the anode region 14, so that all regions of the anode 14 are supplied with hydrogen in the best possible manner. Unconsumed hydrogen is not lost, but is recycled via the recirculation line 18 and the recirculation conveyor 19 and is available again.
  • the recirculation conveyor 19 is generally designed as a flow compressor in the form of a blower and commonly referred to as a hydrogen circulation blower or with the corresponding abbreviation HRB (Hydrogen Recirculation Blower).
  • HRB Hydrogen Recirculation Blower
  • a mixing point 20 can be seen, in which fresh hydrogen from the hydrogen storage device 7 mixes with the recirculated anode exhaust gas and flows back to the anode 14.
  • a pressure reduction valve 21 is exemplified.
  • the supply of the cathode region 13 with oxygen or an oxygen-containing oxidant is necessary to the electric power for to provide the engine 6 to the fuel cell 12.
  • air is used for this, which is conveyed via a compression device 22 to the cathode region 13 of the fuel cell 12.
  • the compression device 22 is designed as part of a so-called electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). This has, in addition to the compression device 22, a motor 23 and a turbine 24. Via the turbine 24 remaining residual energy, in particular residual pressure, is converted into the exhaust gas or the exhaust air downstream of the cathode region 13.
  • the motor 23 can be operated by a motor in order to support the compressor 22 accordingly or it can also be operated as a generator if more power is provided by the turbine 24 than the compressor 22 requires. Also, this structure is well known and common in fuel cell systems.
  • other gas can be supplied, for example, a mixture of anode and cathode exhaust gas, which is still chemically reacts with each other or is burned, so that in addition to the pressure energy and thermal energy Is available, which can be used by the turbine 24.
  • cooling circuits 25 are now shown in FIG. 2 as decentralized components of cooling circuits 25, which are designated by the reference numerals 25.1 to 25.4.
  • Each of these cooling circuits 25 has at least one cooling heat exchanger 26 (26.1 to 26.4), which serves to absorb waste heat from the component to be cooled.
  • the cooling medium is then transported into the area of its own cooling heat exchanger 9 (9.1 to 9.4) via its own coolant delivery device 27 (27.1 to 27.4).
  • These cooling heat exchangers 9 (9.1 to 9.4) can, as already mentioned in the explanation for FIG. 1, be arranged in particular in the area of the vehicle underbody 8, so that they are cooled accordingly by air flowing under the vehicle 1. If necessary, these cooling heat exchanger 9 (9.1 to 9.4) also each have their own fan 5 (5.1 to 5.4). In particular, in the construction of the fuel cell system 2 in the lower region of the vehicle 1, this has the decisive advantage that the line length of the individual cooling circuits 25 (25.1 to 25.4) can be kept very short.
  • the cooling circuit 25.1 for cooling the compression device, and in particular the ETC, the cooling circuit 25.2 for cooling the heated in the compression in the compressor 22 and the cathode region 13 flowing Air and the cooling circuits 25.3 and 25.4 for the recirculation fan 19 and the engine 4 are performed independently of the actual cooling circuit 3 of the fuel cell system 2. Therefore, they do not affect the actual cooling circuit 3 either thermally or require their cooling heat exchanger 9 (9.1 to 9.4) front surface, which could be used by the vehicle radiator 4.
  • the recirculation fan 19 in this case has a rotating shaft 28 which is driven by a motor 29 of the recirculation fan 19 accordingly.
  • the rotating shaft 28 has at its one end a compressor impeller or blower impeller 30, which in a corresponding impeller housing 31 correspondingly compresses the unused anode exhaust gases flowing in via a line element 32 and then conveys them into the region of the mixing point 20 via a line element 33.
  • the other end of the shaft 28 also has a compressor impeller 34.
  • the coolant is conveyed in the component cooling circuit 25.3. It represents together with its housing so the coolant conveyor 27.3 of the component cooling circuit 25.3. Due to the direct connection via the rotating shaft 28 on the one hand and on the integrated housing executed on the other hand in the area of the coolant conveyor 27.3 of the component cooling circuit 25.3 also in the recirculation device 19 and here in particular in the region of its motor 29 and in power electronics components, not shown, in the region of this motor 29 accumulating waste heat transfer the coolant. Via appropriate line elements, the coolant then passes in the cooling circuit 25.3 to the cooling heat exchanger 9.3, in which it is discharged to the environment of the vehicle 1.
  • connection of the cooling conveyor 27.3 or its compressor impeller 34 to the rotating shaft 28 can be carried out directly, or at corresponding speed differences by a suitable gear, for example via a belt drive, a toothing or the like.
  • the cooling surface of the cooling heat exchanger 9.3 can be optimally adapted to the needs of the cooling of the Rezirkulationsgebläses 19, since the decentralized component cooling circuit 25.3 only serves to cool this one component.
  • the radiator 9 When arranging the radiator 9 in the region of the vehicle underbody 8, a construction with very short line lengths can also be realized.
  • This structure then relieves the actual main cooling circuit 3 of the fuel cell system 2 and can thus contribute to improved cooling of the fuel cell system 2 with the same available area of the vehicle radiator 4.
  • the fuel cell 12 is optimized in its reliability and service life.
  • the component cooling circuits 25 can be used at various points in the system and in any number in the system. It is particularly advantageous if the component to be cooled can provide the rotational energy for the coolant conveyor 27 itself, but there are also circuits 25 with a separately formed coolant conveyor with its own drive conceivable over which, for example, power electronics components, sensors or the like can be cooled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (6), wenigstens einer weiteren zu kühlenden Komponente (6, 19, 22, 24) sowie wenigstens einem Kühlkreislauf (3), welcher die von der wenigstens einen Brennstoffzelle (12) erzeugte Abwärme über einen Fahrzeugkühler (4) an die Umgebung abführt. Zur Kühlung der wenigstens einen weiteren zu kühlenden Komponente (6, 19, 22, 24) ist ein weiterer Kühlkreislauf (25) vorhanden, welcher eine Kühlmittelfördereinrichtung (27) und einen Kühlwärmetauscher (9) aufweist. Erfindungsgemäß ist der Kühlwärmetauscher (9) des weiteren Kühlkreislaufs (25) unabhängig vom Fahrzeugkühler (4) in dem Fahrzeug (1 ) angeordnet.

Description

Daimler AG und
Ford Global Technologies, LLC
Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Derartige Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Typischerweise kommen als Brennstoffzellen Stapel aus Einzelbrennstoffzellen zum Einsatz, weiche auf Basis von Polymermembranen als Elektrolyt arbeiten. Diese sogenannten PEM-Brennstoffzellenstapel haben dabei typischerweise eine Betriebstemperatur in der Größenordnung von ca. 90° C. In dem Brennstoffzellenstapel entsteht bei seinem Betrieb Abwärme, welche über ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Aufgrund der vergleichsweise geringen Temperaturdifferenz zur Umgebung ist das Kühlen einer solchen Brennstoffzelle eher schwierig. In einem Fahrzeug ist daher eine vergleichsweise große Kühlfläche für ein sicheres und zuverlässiges Kühlen der Brennstoffzelle auf ein Temperaturniveau, welches der Brennstoffzelle nicht schadet, notwendig. Da in üblichen Fahrzeugen jedoch die zur Verfügung stehende Kühlfläche, welche typischerweise im Fahrzeug so angeordnet ist, dass sie von Fahrtwind angeströmt wird, aufgrund von Designvorgaben und hinsichtlich des Luftwiderstands optimierter Gestaltung sehr begrenzt ist, stellt das Kühlen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge eine entsprechende Herauforderung dar.
Außerdem liegen in dem Brennstoffzellensystem typischerweise verschiedene zu kühlende Komponenten vor, welche zum Teil auf sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus gekühlt werden müssen. Eine gängige und allgemein übliche Möglichkeit besteht darin, die Komponenten in Reihe hintereinander in einem Kühlkreislauf so anzuordnen, dass jeweils eine ausreichende Kühlung sichergestellt ist. Dies ist aufgrund der bereits beschriebenen Problematik mit der zur Verfügung stehenden Kühlfläche teilweise jedoch sehr problematisch. Außerdem kann es vorkommen, dass einige Komponenten ein annähernd gleiches Temperaturniveau benötigen und somit nicht in Reihe hintereinander, sondern parallel in den Kühlkreislauf einbezogen werden müssen. Dadurch wird ein erheblicher Aufwand hinsichtlich der Leitungsführung des Kühlkreislaufs in dem Fahrzeug entstehen.
Aus der US 6,743,539 B2 ist ein Aufbau bekannt, welcher einen Hochtemperaturkühlkreislauf und einen Niedertemperaturkühlkreislauf in einem Brennstoffzellensystem beschreibt. Dabei sind die beiden Kreisläufe zur Kühlung jeweils verschiedener Komponenten vorgesehen. Sie nutzen jedoch einen gemeinsamen Fahrzeugkühler beziehungsweise in Fahrtrichtung hintereinander geschaltete Fahrzeugkühler, welche daher über die sie durchströmende Luft in wärmetauschendem Kontakt zueinander stehen. Auch hier wird zwar die zur Verfügung stehende Kühlfläche begrenzt, der zweite Kühlkreislauf kann jedoch nie unabhängig vom ersten Kühlkreislauf betrieben werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen zu schaffen, welches die zur Verfügung stehende Fläche des Fahrzeugkühlers zur Kühlung der Brennstoffzelle ideal nutzt, und welches mit wenig Aufwand hinsichtlich der Steuerung und der Leitungen wenigstens eine weitere zu kühlende Komponente in einem solchen Brennstoffzellensystem zu kühlen vermag.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Dadurch, dass der weitere Kühlkreislauf vollkommen unabhängig vom eigentlichen Brennstoffzellenkühlkreislauf aufgebaut ist, und dass sein Kühlwärmetauscher unabhängig vom Fahrzeugkühler in dem Fahrzeug angeordnet ist, kann eine gezielte Kühlung der weiteren zu kühlenden Komponente erreicht werden Diese trägt keine Abwärme in den Brennstoffzellenkühlkreislauf ein und verschlechtert somit die Kühlung der Brennstoffzelle nicht nachteilig. Der Kühlwärmetauscher des Kühlkreislaufs für die weitere zu kühlende Komponente kann dabei an beliebiger Stelle im Fahrzeug, insbesondere in Nähe der Komponente, beispielsweise am Fahrzeugunterboden, angeordnet sein. Seine zur Verfügung stehende Kühlfläche kann dabei speziell auf die weitere zu kühlende Komponente eingestellt werden, so dass mit minimalem Bedarf an Kühlfläche deren sicherer und zuverlässiger Betrieb ermöglicht wird.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass jede der wenigstens einen weiteren zu kühlenden Komponenten jeweils einen eigenen Kühlkreislauf mit eigener Kühlmittelfördereinrichtung und eigenem Kühlwärmetauscher aufweist. Dieser Aufbau mit einer dezentralen Kühlung der Einzelkomponenten, unabhängig von der zentralen Kühlung der Brennstoffzelle selbst, ermöglicht eine gezielte Kühlung der Einzelkomponenten, ohne dass die zur Verfügung stehende Fläche am Fahrzeugkühler für die Brennstoffzelle nachteilig mit benutzt werden muss, und ohne dass Abwärme aus den Komponenten in den eigentlichen Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle eingetragen wird.
Damit lässt sich eine verbesserte Kühlung der Brennstoffzelle mit dem zur Verfügung stehenden Fahrzeugkühler erreichen, so dass ohne den Aufbau und das Design des Fahrzeugs ändern zu müssen, eine verbesserte Kühlung der Brennstoffzelle und dadurch eine höhere Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem;
Fig. 2 eine mögliche Bauform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine detailliertere Darstellung der Erfindung am Beispiel einer Komponente.
In Figur 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, welches ein Brennstoffzellensystem 2 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 2 ist beispielhaft im Bodenbereich des Fahrzeugs angeordnet, andere Anordnungen beispielsweise im Frontoder Heckbereich des Fahrzeuges sind selbstverständlich ebenso denkbar. Das Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem einen Kühlkreislauf 3 auf, welcher in Figur 1 exemplarisch angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 3 verbindet das Brennstoffzellensystem 2 mit einem Fahrzeugkühler 4, welcher im Frontbereich des Fahrzeugs 1 angeordnet ist. Der Fahrzeugkühler 4 kann dabei als üblicher Fahrzeugkühler ausgeführt sein, welcher im Allgemeinen vom Fahrtwind durchströmt wird, und bei Bedarf durch ein zusätzliches Gebläse 5, welches hier schematisch angedeutet ist, angeblasen werden kann. Neben dem eigentlichen Brennstoffzellensystem 2 ist in Figur 1 beispielhaft ein elektrischer Antriebsmotor 6 dargestellt, welcher hier beispielhaft im Bereich der Hinterachse angeordnet ist. Außerdem ist ein Brennstoffspeicher 7 angedeutet, welcher beispielsweise als Hochdrucktank zur Aufnahme von hochverdichtetem gasförmigem Wasserstoff als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem 2 dienen kann.
In Figur 1 ist im Bereich eines Unterbodens 8 des Fahrzeugs 1 außerdem ein Kühlwärmetauscher 9 prinzipmäßig angedeutet, auf welchen später noch näher eingegangen werden wird. In Figur 2 ist nun das Brennstoffzellensystem 2 zusammen mit der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 und dem elektrischen Antriebsmotor 6 des Fahrzeugs 1 nochmals exemplarisch dargestellt. Der Motor 6 ist dabei über eine beispielhaft angedeutete Elektronik 10, beispielsweise einen geeigneten Umrichter, über Leitungselemente 11 mit der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 2 verbunden. Üblicherweise wird die Verbindung anders als dargestellt ausgebildet sein, beispielsweise durch entsprechende Sammler und Leistungsverteiler sowie diverse Elektronikkomponenten. Da dies für die vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung ist, wurde hier die beispielhafte Darstellung mit den Kabeln 11 und der einen Elektronikkomponente 10 gewählt.
Die Brennstoffzelle 12 selbst soll dabei als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Eine solche Brennstoffzelle 12 wird üblicherweise auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Kathodenbereich 13 und einen Anodenbereich 14 auf, welche durch Membranen voneinander getrennt werden. Außerdem ist im Bereich der Brennstoffzelle 12 ein Wärmetauscher 15 angeordnet, welcher zur Kühlung der in der Brennstoffzelle 12 entstehenden Abwärme in den Kühlkreislauf 3 eingebunden ist. Die hier gewählte Darstellung des Wärmetauschers 15 im Bereich der Anode 14 ist rein beispielhaft zu verstehen. Typischerweise werden derartige Wärmetauscher 15 zwischen den Einzelzellen des Stacks angeordnet sein, so dass diese jeweils den Anodenbereich 14 und den Kathodenbereich 13 der Brennstoffzelle 12 entsprechend kühlen können. Der Kühlkreislauf 3 weist außerdem eine Kühlmittelfördereinrichtung 16 sowie eine Ventileinrichtung 17 auf. Über die Ventileinrichtung 17 kann der Strom des Kühlmittels über den Fahrzeugkühler 4 oder um diesen herum geschaltet werden. Dies kann beispielsweise beim Start der Brennstoffzelle 12 von Interesse sein, wenn die Zielsetzung auf einer schnellen Erwärmung der Brennstoffzelle 12 liegt und die Abwärme für diesen Zweck genutzt werden soll, ohne dass diese über den Fahrzeugkühler 4 bereits weggekühlt wird. Sobald der gewünschte Betriebszustand erreicht ist, wird die Ventileinrichtung 17 dann entsprechend so geschaltet, dass der Kühlkreislauf 3 zur Kühlung der Brennstoffzelle 12 über den Wärmetauscher 15 und den Fahrzeugkühler 4 genutzt wird.
Außerdem ist in dem Brennstoffzellensystem 2 der Figur 2 eine sogenannte Rezirkulationsleitung 18 zu erkennen. Die Rezirkulationsleitung 18 führt dabei vom Bereich nach der Anode 14 zurück in den Bereich vor der Anode 14. Über die Rezirkulationsleitung 18 und über eine in ihr befindliche Rezirkulationsfördereinrichtung 19 wird unverbrauchtes Brenngas, typischerweise unverbrauchter Wasserstoff, aus dem Bereich nach der Anode 14 in den Bereich vor der Anode 14 zurückgeführt. Dieses bei Brennstoffzellen 12 sehr häufig angewandte Betriebsschema erlaubt es, mit einem entsprechenden Überschuss an Wasserstoff in den Anodenbereich 14 einzuströmen, so dass alle Bereiche der Anode 14 bestmöglich mit Wasserstoff versorgt werden. Unverbrauchter Wasserstoff geht dabei nicht verloren, sondern wird über die Rezirkulationsleitung 18 und die Rezirkulationsfördereinrichtung 19 entsprechend zurückgeführt und steht wieder zur Verfügung. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 19 wird dabei im Allgemeinen als Strömungsverdichter in Form eines Gebläses ausgebildet und üblicherweise auch als Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder mit der entsprechenden englischen Abkürzung HRB (Hydrogen Recirculation Blower) bezeichnet. In dem Bereich nach der Rezirkulationsfördereinrichtung 19 ist eine Mischstelle 20 zu erkennen, in der sich frischer Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 mit dem rezirkulierten Anodenabgas mischt und wieder der Anode 14 zuströmt. Zwischen der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 und dem Mischbereich 20 ist dabei ein Druckreduktionsventil 21 exemplarisch angedeutet.
Neben der Versorgung des Anodenbereichs 14 mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas ist die Versorgung des Kathodenbereichs 13 mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel notwendig um die elektrische Leistung für den Motor 6 an der Brennstoffzelle 12 bereitzustellen. Typischerweise wird dafür Luft verwendet, welche über eine Kompressionseinrichtung 22 zu dem Kathodenbereich 13 der Brennstoffzelle 12 gefördert wird. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kompressionseinrichtung 22 dabei als Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers oder ETC (Electric Turbo Charger) ausgeführt. Dieser weist neben der Kompressionseinrichtung 22 einen Motor 23 und eine Turbine 24 auf. Über die Turbine 24 wird in dem Abgas beziehungsweise der Abluft nach dem Kathodenbereich 13 noch verbleibende Restenergie, insbesondere Restdruck, umgesetzt. Je nach Betriebszustand kann der Motor 23 dabei motorisch betrieben werden, um den Kompressor 22 entsprechend zu unterstützen oder er kann auch generatorisch betrieben werden, wenn, durch die Turbine 24 mehr Leistung zur Verfügung gestellt wird, als der Kompressor 22 benötigt. Auch dieser Aufbau ist bei Brennstoffzellensystemen allgemein bekannt und üblich. Neben der reinen Nutzung von Abluft aus dem Bereich der Kathode 13 kann der Turbine 24 auch anderes Gas zugeführt werden, beispielsweise ein Gemisch aus Anoden- und Kathodenabgas, welches zuvor noch chemisch miteinander reagiert beziehungsweise verbrannt wird, so dass neben der Druckenergie auch thermische Energie zur Verfügung steht, welche durch die Turbine 24 genutzt werden kann.
Neben dem Kühlkreislauf 3, welcher die Brennstoffzelle 12 kühlt, sind in Figur 2 nun vier weitere Kühlkreisläufe 25 als dezentrale Komponenten Kühlkreisläufe 25 dargestellt, welche mit den Bezugszeichen 25.1 bis 25.4 bezeichnet sind. Jeder dieser Kühlkreisläufe 25 weist wenigstens einen Kühlwärmetauscher 26 (26.1 bis 26.4) auf, welcher zur Aufnahme von Abwärme aus der zu kühlenden Komponente dient. Über eine jeweils eigene Kühlmittelfördereinrichtung 27 (27.1 bis 27.4) wird das Kühlmedium dann in den Bereich eines jeweils eigenen Kühlwärmetauschers 9 (9.1 bis 9.4) transportiert.
Diese Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4) können wie schon bei der Erklärung zu Figur 1 eingangs erwähnt insbesondere im Bereich des Fahrzeugunterbodens 8 angeordnet sein, so dass diese von unter dem Fahrzeug 1 strömender Luft entsprechend gekühlt werden. Bei Bedarf können diese Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4) auch jeweils ein eigenes Gebläse 5 (5.1 bis 5.4) haben. Insbesondere beim Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 im unteren Bereich des Fahrzeugs 1 hat dies den entscheidenden Vorteil, dass die Leitungslänge der einzelnen Kühlkreisläufe 25 (25.1 bis 25.4) sehr kurz gehalten werden können. Durch die eigenen Kühlkreisläufe 25 für die einzelnen zu kühlenden Komponenten, im hier dargestellten Beispiel der Kühlkreislauf 25.1 für die Kühlung der Kompressionseinrichtung, und hier insbesondere des ETC, den Kühlkreislauf 25.2 zur Kühlung der bei der Verdichtung in dem Kompressor 22 erwärmten und zum Kathodenbereich 13 strömenden Luft sowie die Kühlkreisläufe 25.3 und 25.4 für das Rezirkulationsgebläse 19 beziehungsweise den Motor 4, sind dabei unabhängig vom eigentlichen Kühlkreislauf 3 des Brennstoffzellensystems 2 ausgeführt. Sie beeinflussen daher den eigentlichen Kühlkreislauf 3 weder thermisch noch benötigen ihre Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4) Frontfläche, die durch den Fahrzeugkühler 4 genutzt werden könnte.
Selbstverständlich zeigt die Darstellung in Figur 2 nur beispielhafte Möglichkeiten. So ist eine dezentrale Kühlung von Komponenten sicherlich auch bei weiteren Komponenten sinnvoll einsetzbar. Andererseits wäre es auch denkbar, nur eine oder zwei der Komponenten, beispielsweise das Wasserstoffrezirkulationsgebläse 19 und den Antriebsmotor 6 über einen dezentralen Kühlkreislauf 25 zu kühlen.
Im Beispiel der Figur 3 wird nun ein solcher Kühlkreislauf 25 nochmals am Beispiel des Komponentenkühlkreislaufs 25.3 im Detail beschrieben. Er ist dabei am Rezirkulationsgebläse 19 als besonders gut geeignetes Beispiel dargestellt. Das Rezirkulationsgebläse 19 weist dabei eine rotierende Welle 28 auf, welche von einem Motor 29 des Rezirkulationsgebläses 19 entsprechend angetrieben wird. Die rotierende Welle 28 weist an ihrem einen Ende ein Verdichterlaufrad beziehungsweise Gebläselaufrad 30 auf, welches in einem entsprechenden Laufradgehäuse 31 das über ein Leitungselement 32 einströmende, unverbrauchte Anodenabgase entsprechend verdichtet und dann über ein Leitungselement 33 in den Bereich der Mischstelle 20 fördert. Das andere Ende der Welle 28 weist ebenfalls ein Verdichterlaufrad 34 auf. Über dieses Verdichterlaufrad 34 wird das Kühlmittel in dem Komponentenkühlkreislauf 25.3 gefördert. Es stellt zusammen mit seinem Gehäuse also die Kühlmittelfördereinrichtung 27.3 des Komponentenkühlkreislaufs 25.3 dar. Durch die unmittelbare Anbindung über die rotierende Welle 28 einerseits und über das integriert ausgeführte Gehäuse andererseits wird im Bereich der Kühlmittelfördereinrichtung 27.3 des Komponentenkühlkreislaufs 25.3 außerdem die in der Rezirkulationseinrichtung 19 und hier insbesondere im Bereich ihres Motors 29 und in nicht dargestellten Leistungselektronikkomponenten im Bereich dieses Motors 29 anfallende Abwärme auf das Kühlmittel übertragen. Über entsprechende Leitungselemente gelangt das Kühlmittel im Kühlkreislauf 25.3 dann zu dem Kühlwärmetauscher 9.3, in welchem sie an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgeführt wird.
Die Anbindung der Kühlfördereinrichtung 27.3 beziehungsweise ihres Verdichterlaufrads 34 an die rotierende Welle 28 kann dabei direkt erfolgen, oder bei entsprechenden Drehzahlunterschieden durch ein geeignetes Getriebe, beispielsweise über einen Riementrieb, eine Verzahnung oder dergleichen.
Die Kühlfläche des Kühlwärmetauschers 9.3 kann dabei auf die Bedürfnisse der Kühlung des Rezirkulationsgebläses 19 optimal abgestimmt werden, da der dezentrale Komponentenkühlkreislauf 25.3 lediglich zur Kühlung dieser einen Komponente dient. Beim Anordnen des Kühlers 9 im Bereich des Fahrzeugunterbodens 8 kann außerdem ein Aufbau mit sehr kurzen Leitungslängen realisiert werden.
Dieser Aufbau entlastet dann den eigentlichen Hauptkühlkreislauf 3 des Brennstoffzellensystems 2 und kann somit zu einer verbesserten Kühlung des Brennstoffzellensystems 2 bei gleicher zur Verfügung stehender Fläche des Fahrzeugkühlers 4 beitragen. Dadurch wird die Brennstoffzelle 12 in ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer optimiert.
Wie bereits erwähnt und in Figur 2 an einigen Beispielen exemplarisch dargestellt, können die Komponentenkühlkreisläufe 25 an verschiedenen Stellen im System und in beliebiger Anzahl in dem System eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die zu kühlende Komponente die Rotationsenergie für die Kühlmittelfördereinrichtung 27 selbst bereitstellen kann, es sind jedoch auch Kreisläufe 25 mit einer getrennt ausgebildeten Kühlmittelfördereinrichtung mit eigenem Antrieb denkbar, über welche beispielsweise Leistungselektronikkomponenten, Sensoren oder dergleichen gekühlt werden können.

Claims

Daimler AG undFord Global Technologies, LLCPatentansprüche
1. Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelle, wenigstens einer weiteren zu kühlenden Komponente sowie wenigstens einem Kühlkreislauf, welcher die von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugte Abwärme über einen Fahrzeugkühler an die Umgebung abführt, wobei die wenigstens eine weitere zu kühlende Komponente einen weiteren Kühlkreislauf mit Kühlmittelfördereinrichtung und Kühlwärmetauscher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwärmetauscher (9) des weiteren Kühlkreislaufs (25) unabhängig vom
Fahrzeugkühler (4) in dem Fahrzeug (1) angeordnet ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Kühlkreislauf (25) für jede zu kühlende Komponente (19, 6, 24, 22) als eigener Kühlkreislauf (25, 25.1 - 25.4) mit einer eigenen Kühlmittelfördereinrichtung (27, 27.1 - 27.4) und einem eigenen Kühlwärmetauscher (9, 9.1 - 9.4) ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere zu kühlende Komponente (19, 6, 24, 22) eine rotierende Welle (28) aufweist, wobei die rotierende Welle (28) die Kühlmittelfördereinrichtung (27) des weiteren Kühlkreislaufs (25) antreibt.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zu kühlende Komponente (19, 6, 24, 22) eine Rezirkulationsfördereinrichtung (19), insbesondere ein Anodengas- Rezirkulationsgebläse, und/oder ein elektrischer Motor (6, 24), insbesondere ein Motor in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs, und/oder eine Kompressionseinrichtung (22) für zu der Brennstoffzelle (12) geförderte Luft, insbesondere ein elektrischer Turbolader, ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwärmetauscher (9) des weiteren Kühlkreislaufs (25) im Bereich des Fahrzeugunterbodens (8) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelfördereinrichtung (27) des weiteren Kühlkreislaufs (25) in die zu kühlende Komponente (19, 6, 24, 22) integriert ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Welle (28) eine Komponente oder dergleichen antreibt und gleichzeitig eine Fördereinrichtung (Verdichterlaufrad 34) antreibt.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Abwärme der zu kühlenden Komponente (6, 19, 22, 24) durch das Kühlmedium ausschließlich in der Kühlmittelfördereinrichtung (27) erfolgt.
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