WO2016131628A1 - Kühlsystem für mindestens eine brennstoffzelle eines brennstoffzellensystems sowie verfahren zum kühlen mindestens einer brennstoffzelle - Google Patents

Kühlsystem für mindestens eine brennstoffzelle eines brennstoffzellensystems sowie verfahren zum kühlen mindestens einer brennstoffzelle Download PDF

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cooling
heat exchanger
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pumping device
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Volker Formanski
Gustavo RIZO PATRON
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a cooling system for at least one fuel cell of a fuel cell system and a method of cooling at least one fuel cell.
  • Fuel cell systems for mobile applications such as motor vehicles are known in the art.
  • a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat.
  • hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell.
  • the reaction product of the reaction in the fuel cell is, for example, water. The gases are thereby in appropriate
  • Electrolytes are separated.
  • the cold start start at an ambient temperature of 0 ° C to 25 ° C
  • the frost start start at an ambient temperature below 0 ° C
  • the molecules of the catholyte and the ions traversing the separator have a comparatively low kinetics.
  • the polarization curves have lower voltages during a cold start than during a warm start.
  • the fuel cell system can be operated less efficiently at low temperatures. For this reason, there is a need that
  • a pump conveys the coolant through the circuit.
  • Fuel cell is controlled via a three-way valve, a heat exchanger bypass such that during the warm-up phase, the coolant does not flow through the heat exchanger.
  • the fuel cells operate at comparatively low temperatures of about 80 ° C to 90 ° C.
  • relatively high volume flows of several thousand liters per hour must circulate between the fuel cells and the heat exchanger.
  • relatively high-performance high-voltage pumps are used. Due to their power requirements, these high-voltage pumps can not be supplied via the 12 V vehicle electrical system. They require higher voltages so that they can provide the required pressure difference even at high flow rates. Such high-voltage pumps are not installed in conventional vehicles so far. Comparatively cheap and
  • Automotive-proven 12V pumps that are powered by the electrical system can not be used.
  • Vehicle electrical system voltage can be operated. Furthermore, it is an effort to further reduce the probability of default.
  • the technology disclosed herein relates to a cooling system for a
  • Fuel cell of a fuel cell system especially for mobile applications such as motor vehicles.
  • Fuel cell system may comprise at least one fuel cell and the peripheral system components (balance-of-plant components or BOP components) that can be used in the operation of the at least one fuel cell.
  • a fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated in particular by an ion-selective separator.
  • the anode has a supply for a fuel to the anode. In other words, the anode is in operation of the fuel cell system in
  • Preferred fuels for the fuel cell system are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels or liquefied natural gas.
  • the cathode has, for example, a supply of oxidizing agent.
  • Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preference is given to a cation-selective
  • the cooling system comprises at least one cooling circuit.
  • the cooling circuit comprises at least one heat exchanger and the at least one
  • Fuel cell The fuel cells can become one
  • the at least one heat exchanger is, for example, a cooler, which is traversed by air and can be supported by a fan.
  • the cooling circuit is designed such that coolant can circulate between the heat exchanger and the at least one fuel cell. In other words, therefore, the heated in the fuel cell coolant from the at least one fuel cell in the at least one
  • Heat exchangers flow, where it then cools before it then flows back into the at least one fuel cell.
  • this coolant is not limited to cooling. Rather, the coolant can also be used for heating or generally for controlling the temperature of the at least one fuel cell. Preferably comes as a coolant with water
  • the cooling system serves for heat equalization, i. the avoidance of higher ones
  • the cooling system further comprises at least two pumping devices, which are also part of the cooling circuit.
  • the pumping devices are thus arranged in the cooling circuit and designed to at least temporarily jointly promote or circulate the coolant in the cooling circuit, ie between the at least one fuel cell and the at least one heat exchanger.
  • the at least two pumping devices jointly convey or circulate the coolant, at least during a cooling phase or normal operating phase of the fuel cells. If at least two pumping devices are used, these pumping devices can be made smaller than a single one
  • Pumping devices are dimensioned so that they can be connected to the electrical system of the vehicle (for example, 12 V electrical system). If the pumps can be connected to the electrical system, then further components for voltage conversion to a higher voltage than the vehicle electrical system voltage can be omitted. Furthermore, already proven and used
  • a variety of pumps can serve as a pumping device, for.
  • a check valve pump as they are already installed in the automotive sector.
  • two equal pumping devices are used.
  • both pumps are designed to be identical, so that the parts variance decreases further.
  • the first pumping device is provided upstream of the fuel cell and downstream of the heat exchanger.
  • the second pumping device may be downstream of the fuel cell and upstream of the fuel cell
  • Heat exchanger can be provided.
  • the pressure losses can be well distributed to the two devices.
  • the fuel cells represent the greatest flow resistance. If the pump devices (directly) arranged in front of and after, results in an advantageous pressure curve in the cooling circuit.
  • the cooling circuit further comprises a bypass, which is of a fuel cell discharge downstream of the at least one fuel cell and branches off upstream of the at least one heat exchanger at a junction.
  • the bypass opens into an outlet in a fuel cell supply line upstream of the at least one fuel cell and downstream of the at least one heat exchanger.
  • the fuel cell discharge line is the flow path through which the coolant leaving the fuel cell flows to reach the heat exchanger.
  • the fuel cell supply line is the flow path through which the coolant flows as it flows from the heat exchanger to the fuel cell.
  • the bypass it is possible to realize a sub-cooling circuit with the exclusion of the heat exchanger. For example, it is advantageous to not circulate the fluid through the heat exchanger during the warm-up phase of the fuel cell system. This reduces the amount of coolant that must be heated during the warm-up phase to warm up the fuel cell. Furthermore, it is prevented that the coolant to be heated in the heat exchanger cools down again during the warm-up phase.
  • the warm-up phase is the phase in which the
  • Activation of the fuel cell system ends with the reaching of the operating temperature, from which the driving operation of the motor vehicle from the vehicle or a control is allowed.
  • the warm-up phase of the fuel cell is already before the actuation of the
  • the warm-up phase can be initiated by a radio signal or by a timer.
  • the driver can, for example, via a corresponding software of a mobile phone, the warming of the
  • the warm-up phase may begin with the signal to unlock the central lock.
  • the first pumping device may be upstream of the at least one
  • Fuel cell lead can be arranged.
  • the second pumping device may be disposed downstream of the branch of the bypass and upstream of the at least one heat exchanger in the fuel cell discharge line.
  • the cooling system further comprises a supply valve, which may be arranged in the fuel cell supply line upstream of the fuel cell, in particular upstream of the mouth of the bypass, and downstream of the at least one heat exchanger.
  • a bypass valve can be arranged in the bypass.
  • the supply line valve and / or the bypass valve can be designed as check valves or shut-off valves, in particular as throttle valves.
  • the supply valve can be designed such that it during the warm-up phase, a flow of coolant through the
  • the by-pass valve may be configured to inhibit backflow from the bypass mouth to the by-pass bypass.
  • the technology disclosed herein further includes a method of cooling the at least one fuel cell of the one shown here
  • Fuel cell system or cooling system During a warm-up phase of the at least one fuel cell is coolant through the first
  • the second pumping device will substantially promote no or no coolant to the heat exchanger. Further At the same time the supply valve is closed. Thus, it is ensured by simple means that during the warm-up phase only the
  • Coolant from the at least one fuel cell flows via the bypass back to the fuel cell without the fluid circulating through the heat exchanger.
  • Negligible, unwanted or tolerable flow rates of the second pumping device which influence the warm-up time only to a small or negligible extent.
  • at least one is in the bypass
  • Temperature control or heating device provided during the
  • the first pumping device may be at least temporarily preferred
  • two identical or identical pumping devices are used.
  • the same pumping devices are operated at different speeds.
  • the first pumping device is operated at a higher rotational speed than the second pumping device.
  • the first pumping device is operated at such a higher rotational speed that the first pumping device builds up a suction pressure that is sufficiently greater than the second pumping device, so that during a cooling or operating phase only small amounts or no amounts of cooled coolant flow back to the heat exchanger via the bypass ,
  • the technology disclosed herein further relates to a fuel cell system having the fuel cell cooling system disclosed herein.
  • FIGS. 2 and 3 show a cooling system according to the technology disclosed herein.
  • Fig. 1 shows a cooling system as shown in DE 1 1 2006 001 348 B4.
  • the cooling system comprises a cooling circuit 210, 220 with a cooler 300, which may be supported by a fan 310, as well as to a
  • Fuel cell stack combined fuel cells one
  • the pumping device P-i is designed so that it can provide sufficient coolant both during the warm-up phase and during the normal cooling or operating phase. Due to the low operating temperature of the fuel cell 100, a comparatively powerful pumping device is necessary, which is operated with a voltage above the vehicle electrical system voltage.
  • the three-way valve closes flow path 224 and allows bypass flow via flow paths 212, 230, and 222.
  • FIG. 2 shows a cooling system according to the technology disclosed here and there are two identical pumps Pi, P 2 in the cooling circuit 210, 220 intended.
  • the first pumping device Pi is located in the flow path 222 between the fuel cell stack comprising the at least one fuel cell 100 and the mouth 234 of the bypass 230.
  • the structurally identical second pumping device P 2 is in the flow path 214
  • Heat exchanger 300 connects.
  • the check valve or bypass valve V 2 is arranged in the bypass 230.
  • the check valve V 2 is designed to pass a flow of coolant from the branch 232 to the mouth 234, whereas it blocks in the opposite direction.
  • a supply valve Vi is provided in the flow path 224.
  • the flow path 224 connects the heat exchanger 300 to the mouth 234 of the bypass 230
  • Shut-off valve Vi prevents a coolant flow through the heat exchanger 300 in the closed state. The coolant then flows out of the
  • the bypass valve V 2 can also be dispensed with if, for example, the pump devices P 1 , P 2 are activated in such a way that in the cooling or operating phase of the at least one fuel cell 100 there is no or only insignificant one Amounts of coolant from the supply line 220 via the bypass 230 into the discharge line 210 flows. This can be achieved, for example, by the fact that during a cooling or operating phase of the at least one fuel cell 100, the first pumping device Pi generates a larger suction pressure ⁇ -1 than the second pumping device P 2 .
  • the supply valve Vi shown here can be designed, for example, as a shut-off valve Vi (see FIG. 2).
  • the technology disclosed here can be comparatively expensive
  • Three-way valves are dispensed with. However comparatively simple and inexpensive valves are used. Overall, the manufacturing and service costs can be further reduced by the technology disclosed here. If the technology disclosed here has been disclosed in the singular, the majority should also be included at the same time. If, for example, the talk of a fuel cell or a heat exchanger, so should at the same time

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kühlsystem für mindestens eine Brennstoffzelle (100) eines Brennstoffzellensystems sowie ein Verfahren zum Kühlen von mindestens einer Brennstoffzelle. Das Kühlsystem umfasst mindestens zwei Pumpvorrichtungen (P1, P2) sowie einen Kühlkreislauf (210, 220) mit mindestens einen Wärmetauscher (300) und mindestens einer Brennstoffzelle (100). Die zwei Pumpvorrichtungen (P1, P2) sind ebenfalls Bestandteil des Kühlkreislaufs (210, 220). Die Pumpvorrichtungen (P1, P2) sind ausgebildet, zumindest zeitweise gemeinsam das Kühlmittel im Kühlkreislauf (210, 220) zu fördern.

Description

Kühlsystem für mindestens eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie Verfahren zum Kühlen mindestens einer Brennstoffzelle
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kühlsystem für mindestens eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein Verfahren zum Kühlen mindestens einer Brennstoffzelle.
Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende
Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen
Elektrolyten voneinander getrennt werden.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart (Start bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C bis 25 °C) sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0 °C) problembehaftet. Bei niedrigen Temperaturen verfügen beispielsweise die Moleküle des Katholyten sowie die den Separator durchquerenden Ionen über eine vergleichsweise geringe Kinetik. Dies führt dazu, dass die Polarisationskurven bei einem Kaltstart geringere Spannungen aufweisen als bei einem Warmstart. Mithin kann das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen weniger effizient betrieben werden. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis, das
Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei der das System einen besseren Wirkungsgrad aufweist. Aus der DE 1 1 2006 001 348 B4 ist ein Kühlkreiskauf mit einem
Wärmetauscher und einer Brennstoffzelle bekannt. Eine Pumpe fördert die Kühlmittel durch den Kreislauf. Während der Aufwärmphase der
Brennstoffzelle wird über ein Dreiwegeventil ein Wärmetauscher-Bypass derart angesteuert, dass während der Aufwärmphase die Kühlmittel nicht durch den Wärmetauscher fließt. Durch diese Maßnahme soll die
Brennstoffzelle schneller aufgewärmt werden.
Die Brennstoffzellen arbeiten bei vergleichsweise geringen Temperaturen von ca. 80 °C bis 90 °C. Zur Kühlung müssen daher vergleichsweise hohe Volumenströme von mehreren tausend Litern pro Stunde zwischen den Brennstoffzellen und dem Wärmetauscher zirkulieren. Aus diesem Grund kommen vergleichsweise leistungsstarke Hochvoltpumpen zum Einsatz. Diese Hochvoltpumpen können aufgrund ihres Leistungsbedarfs nicht über das 12 V-Bordnetz versorgt werden. Sie benötigen höhere Spannungen, damit sie selbst bei hohen Volumenströmen die erforderliche Druckdifferenz bereitstellen können. Solche Hochvoltpumpen werden bis dato nicht in konventionellen Fahrzeugen verbaut. Vergleichsweise günstige und
Automotive-erprobte 12V-Pumpen, die über das Bordnetz mit Strom versorgt werden, können nicht verwendet werden.
Dreiwegeventile als solche sind aus nicht Automotive-Anwendungen bekannt. Aufgrund der hohen Volumenströme sowie dem begrenzten
Bauraum können handelsübliche Dreiwegeventile nicht im Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Vielmehr sind komplexe und somit vergleichsweise teure Sonderlösungen notwendig. Mithin werden bei den bisher bekannten
Kühlungskonzepten also vergleichsweise teure Spezialkomponenten eingesetzt, die sowohl die Herstellkosten als auch die Service- und
Lagerkosten signifikant steigern. Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Brennstoffzelle schnell und effizient auf ihre Betriebstemperatur zu bringen. Ferner ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Kosten für die benötigten Komponenten zu senken und gleichzeitig einfachere und weniger Bauteile einzusetzen, die bevorzugt mit der im Fahrzeug vorhandenen
Bordnetzspannung betrieben werden können. Femer ist es ein Bestreben, die Ausfallwahrscheinlichkeit weiter zu verringern.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kühlsystem für eine
Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für mobile Anwendungen wie beispielsweise Kraftfahrzeuge. Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie kann mindestens eine Brennstoffzelle sowie die peripheren Systemkomponenten (Balance-of-Plant Komponenten bzw. BOP-Komponenten) umfassen, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Mit anderen Worten ist die Anode beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in
Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Bevorzugte Brennstoffe für das Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive
Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche
Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Es wird vereinfachend oft ein System mit einer Brennstoffzelle diskutiert. Das Kühlsystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf. Der Kühlkreislauf umfasst mindestens einen Wärmetauscher und die mindestens eine
Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellen können dabei zu einem
Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sein, der von dem Kühlmittel durchflössen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt wird und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle zirkulieren kann. Mit anderen Worten kann also das in der Brennstoffzelle erwärmte Kühlmittel von der mindestens einen Brennstoffzelle in den mindestens einen
Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die mindestens eine Brennstoffzelle strömt.
Auch wenn hier von Kühlmittel die Rede ist, ist dieses Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren der mindestens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser mit
entsprechenden Additiven zum Einsatz. Bevorzugt dient das Kühlsystem zur Wärmegleichverteilung, d.h. die Vermeidung von höheren
Temperaturgradienten, innerhalb der Brennstoffzellen bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels.
Das Kühlsystem umfasst ferner mindestens zwei Pumpvorrichtungen, die ebenfalls Bestandteil des Kühlkreislaufes sind. Die Pumpvorrichtungen sind also im Kühlkreislauf angeordnet und ausgebildet, zumindest zeitweise gemeinsam das Kühlmittel im Kühlreislauf, also zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem mindestens einen Wärmetauscher zu fördern bzw. zu zirkulieren. Bevorzugt fördern bzw. zirkulieren die mindestens zwei Pumpvorrichtungen gemeinsam das Kühlmittel, zumindest während einer Kühlphase bzw. normalen Betriebsphase der Brennstoffzellen. Kommen mindestens zwei Pumpvorrichtungen zum Einsatz, so können diese Pumpvorrichtungen kleiner dimensioniert werden als eine einzige
Pumpvorrichtung. Insbesondere können die mindestens zwei
Pumpvorrichtungen derart dimensioniert sein, dass sie an das Bordnetz des Fahrzeugs (z.B. 12 V-Bordnetz) angeschlossen werden können. Sind die Pumpen an das Bordnetz anschließbar, so können weitere Bauteile zur Spannungswandlung auf eine höhere Spannung als die Bordnetzspannung entfallen. Ferner können bereits erprobte und verwendete
Pumpvorrichtungen eingesetzt werden. Dies wirkt sich insbesondere positiv auf die Herstell- und Servicekosten sowie auf die Ausfallsicherheit aus.
Grundsätzlich können verschiedenste Pumpen als Pumpvorrichtung dienen, z. B. eine Rückschlagventil-Pumpe, wie sie im Automotive-Bereich schon verbaut werden.
Ferner bevorzugt werden zwei gleiche Pumpvorrichtungen eingesetzt.
Bevorzugt sind beide Pumpen baugleich ausgeführt, so dass die Teilevarianz weiter sinkt.
Bevorzugt ist die erste Pumpvorrichtung stromauf der Brennstoffzelle und stromab des Wärmetauschers vorgesehen. Ferner bevorzugt kann die zweite Pumpvorrichtung stromab der Brennstoffzelle und stromauf des
Wärmetauschers vorgesehen sein. Somit lassen sich die Druckverluste gut auf die beiden Vorrichtungen verteilen. Die Brennstoffzellen stellen den größten Strömungswiderstand dar. Sind die Pumpvorrichtungen (direkt) davor und danach angeordnet, ergibt sich ein vorteilhafter Druckverlauf im Kühlkreislauf.
Bevorzugt umfasst der Kühlkreislauf ferner einen Bypass, der von einer Brennstoffzellen-Ableitung stromab der mindestens einen Brennstoffzelle und stromauf des mindestens einen Wärmetauschers an einer Abzweigung abzweigt. Der Bypass mündet in einer Mündung in eine Brennstoffzellen- Zuleitung stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle und stromab des mindestens einen Wärmetauschers. Die Brennstoffzellen-Ableitung ist dabei der Strömungspfad, durch den das die Brennstoffzelle verlassende Kühlmittel strömt, um zum Wärmetauscher zu gelangen. Die Brennstoffzellen-Zuleitung ist der Strömungspfad, durch den das Kühlmittel strömt, wenn es von dem Wärmetauscher zur Brennstoffzelle fließt.
Mit dem Bypass ist es möglich, einen Sub-Kühlkreislauf unter Ausschluss des Wärmetauschers zu realisieren. Beispielsweise ist es vorteilhaft, während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems das Fluid nicht durch den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Dadurch verringert sich die Menge an Kühlmittel, die während der Aufwärmphase zum Aufwärmen der Brennstoffzelle erhitzt werden muss. Ferner wird verhindert, dass während der Aufwärmphase das zu erhitzende Kühlmittel im Wärmetauscher wieder abkühlt. Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das
Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeuges auf die (optimale)
Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt mit der
Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Betriebstemperatur, ab welcher der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeug bzw. einer Steuerung zugelassen wird. Besonders bevorzugt wird die Aufwärmphase der Brennstoffzelle bereits vor der Betätigung des
Zündschlüssels bzw. des Starterknopfs aktiviert. Beispielsweise kann die Aufwärmphase durch ein Funksignal oder durch eine Zeitschaltuhr initiiert werden. In einer Ausgestaltung kann der Fahrzeugführer bspw. über eine entsprechende Software eines Mobiltelefons die Aufwärmung des
Brennstoffzellensystems starten. Alternativ kann die Aufwärmphase mit dem Signal zum Entriegeln der Zentralverriegelung beginnen. Die erste Pumpvorrichtung kann stromauf der mindestens einen
Brennstoffzelle und stromab der Mündung des Bypasses in der
Brennstoffzellen-Zuleitung angeordnet sein. Die zweite Pumpvorrichtung kann stromab der Abzweigung des Bypasses und stromauf des mindestens einen Wärmetauschers in der Brennstoffzellen-Ableitung angeordnet sein. Mit einer solchen Anordnung der mindestens zwei Pumpvorrichtungen ist es möglich, dass während der Aufwärmphase lediglich die erste
Pumpvorrichtung eingeschaltet werden muss. Diese Pumpe ist im Vergleich zu den Hochvoltpumpen kleiner und arbeitet zudem in einem Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad. Somit lässt sich der Energieverbrauch während der Aufwärmphase verringern.
Besonders bevorzugt umfasst das Kühlsystem ferner ein Zuleitungsventil, welches in der Brennstoffzellen-Zuleitung stromauf der Brennstoffzelle, insbesondere stromauf der Mündung des Bypasses, und stromab des mindestens einen Wärmetauschers angeordnet sein kann. Ferner bevorzugt kann im Bypass ein Bypass-Ventil angeordnet sein. Bevorzugt kann/können das Zuleitungsventil und/oder das Bypass-Ventil als Rückschlagventile oder Abschlussventile, insbesondere als Drosselklappen, ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Zuleitungsventil derart ausgebildet sein, dass es während der Aufwärmphase einen Kühlmittelstrom durch den
Wärmetauscher verringert bzw. verhindert. Das Bypass-Ventil kann derart ausgebildet sein, dass es einen Rückfluss von der Mündung des Bypasses zur Abzweigung des Bypasses unterbinden kann.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Brennstoffzelle des hier gezeigten
Brennstoffzellensystems bzw. Kühlsystems. Während einer Aufwärmphase der mindestens einen Brennstoffzelle wird Kühlmittel durch die erste
Pumpvorrichtung gefördert. Zeitgleich wird die zweite Pumpvorrichtung im Wesentlichen kein bzw. kein Kühlmittel zum Wärmetauscher fördern. Ferner ist zeitgleich das Zuleitungsventil geschlossen. Somit wird mit einfachen Mitteln sichergestellt, dass während der Aufwärmphase lediglich das
Kühlmittel aus der mindestens einen Brennstoffzelle über den Bypass zurück zur Brennstoffzelle fließt, ohne dass das Fluid über den Wärmetauscher zirkuliert. Im Wesentlichen kein Kühlmittel umfasst hierbei kleine
vernachlässigbare, ungewollte bzw. tolerierbare Förderströme der zweiten Pumpvorrichtung, die nur im geringen bzw. vernachlässigbaren Maße die Aufwärmzeit beeinflussen. Optional ist im Bypass mindestens eine
Temperier- bzw. Heizvorrichtung vorgesehen, die während der
Aufwärmphase das Kühlmittel, und somit die Brennstoffzellen, erwärmt.
Die erste Pumpvorrichtung kann zumindest zeitweise, bevorzugt
kontinuierlich, während einer sich an der Aufwärmphase anschließenden Kühl- bzw. Betriebsphase der Brennstoffzelle einen größeren Ansaugdruck erzeugen als die zweite Pumpvorrichtung, insbesondere derart, dass während der Kühl- bzw. Betriebsphase nur geringe Mengen an gekühltem Kühlmittel direkt von dem Wärmetauscher über den Bypass wieder zurück in den Wärmetauscher gelangt. Mit dieser Ausgestaltung ist es ferner vorteilhaft möglich, auf das Bypass-Ventil im Bypass ganz zu verzichten. Bevorzugt ist im Bypass also kein Bypass-Ventil angeordnet. Dies verringert weiter die Herstellungskosten und reduziert weiter die Ausfallwahrscheinlichkeit.
Gemäß einem besonders bevorzugten Verfahren kommen zwei gleiche bzw. baugleiche Pumpvorrichtungen zum Einsatz. Bevorzugt werden die gleichen Pumpvorrichtungen bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben. Besonders bevorzugt wird die erste Pumpvorrichtung mit einer höheren Drehzahl betrieben als die zweite Pumpvorrichtung. Insbesondere wird die erste Pumpvorrichtung mit einer derart höheren Drehzahl betrieben, dass die erste Pumpvorrichtung einen ausreichend größeren Ansaugdruck aufbaut als die zweite Pumpvorrichtung, so dass während einer Kühl- bzw. Betriebsphase nur geringe oder keine Mengen an gekühltem Kühlmittel über den Bypass zurück zum Wärmetauscher fließt. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit dem hier offenbarten Kühlsystem für eine Brennstoffzelle.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Kühlmittelkreislauf gemäß dem Stand der Technik, und
Fig. 2 und 3 ein Kühlsystem gemäß der hier offenbarten Technologie.
Fig. 1 zeigt ein Kühlsystem wie es in der DE 1 1 2006 001 348 B4 gezeigt ist. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf 210, 220 mit einem Kühler 300, der durch einen Ventilator 310 unterstützt sein kann, sowie zu einem
Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen eines
Brennstoffzellensystems. In der Zuleitung 220 ist zwischen dem
Dreiwegeventil 234 und dem Brennstoffzellenstapel die Pumpvorrichtung P-i angeordnet. Die Pumpvorrichtung Pi ist derart ausgelegt, dass sie genügend Kühlmittel sowohl während der Aufwärmphase als auch während der normalen Kühl- bzw. Betriebsphase bereitstellen kann. Aufgrund der geringen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 100 ist eine vergleichsweise leistungsstarke Pumpvorrichtung notwendig, die mit einer Spannung oberhalb der Bordnetzspannung betrieben wird. Während der Aufwärmphase schließt das Dreiwegeventil den Strömungspfad 224 und ermöglicht eine Bypass-Strömung über die Strömungspfade 212, 230 und 222.
Die Fig. 2 zeigt ein Kühlsystem gemäß der hier offenbarten Technologie und es sind hier zwei gleiche Pumpen P-i , P2 im Kühlkreislauf 210, 220 vorgesehen. Die erste Pumpvorrichtung Pi befindet sich im Strömungspfad 222 zwischen dem die mindestens eine Brennstoffzelle 100 umfassenden Brennstoffzellenstapel und der Mündung 234 des Bypasses 230. Die baugleiche zweite Pumpvorrichtung P2 ist im Strömungspfad 214
angeordnet, der die Abzweigung 232 des Bypasses 230 mit dem
Wärmetauscher 300 verbindet. Im Bypass 230 ist das Rückschlagventil bzw. Bypass-Ventil V2 angeordnet. Das Rückschlagventil V2 ist so gestaltet, dass es einen Kühlmittelstrom von der Abzweigung 232 zur Mündung 234 hin durchlässt, wohingegen es in entgegengesetzter Richtung sperrt.
Ferner ist in der hier dargestellten Ausgestaltung ein Zuleitungsventil Vi im Strömungspfad 224 vorgesehen. Der Strömungspfad 224 verbindet den Wärmetauscher 300 mit der Mündung 234 des Bypasses 230. Das
Absperrventil Vi verhindert im geschlossenen Zustand einen Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher 300. Das Kühlmittel fließt dann aus dem
Brennstoffzellenstapel 100 über den Strömungspfad 212 in den Bypass 230 und die Pumpvorrichtung Pi saugt aus dem Bypass 230 das Kühlmittel an und fördert es über den Strömungspfad 222 zur Brennstoffzelle 100.
Nicht dargestellt in den Figuren 1 bis 3 ist der Wärmetauscher bzw. die Heizvorrichtung, die während der Aufwärmphase das Kühlmittel und letztendlich die Brennstoffzelle 100 erwärmt. Während der Kühl- bzw.
Betriebsphase fördert die Pumpvorrichtung P2 das Kühlmittel zum Kühler 300. Im Kühler 300 kühlt sich das Kühlmittel ab, bevor es über die Zuleitung 220 wieder in die Brennstoffzelle gefördert wird. Die beiden
Pumpvorrichtungen Ρ-ι , P2 sind hier in Serie geschaltet und stellen
zusammen die notwendige Pumpleistung bereit, um den notwendigen Druckhub und den notwendigen Volumenstrom zu liefern. Jede
Pumpvorrichtung Pi , P2 für sich muss dabei weniger Leistung bereit stellen als die Pumpvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, (vgl. Fig. 1). Wie in Fig. 3 gezeigt, kann auf das Bypass-Ventil V2 auch verzichtet werden, wenn bspw. die Pumpvorrichtungen Pi , P2 derart angesteuert werden, dass in der Kühl- bzw. Betriebsphase der mindestens einen Brennstoffzelle 100 keine bzw. nur unwesentliche Mengen an Kühlmittel von der Zuleitung 220 über den Bypass 230 in die Ableitung 210 fließt. Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass während einer Kühl- bzw. Betriebsphase der mindestens einen Brennstoffzelle 100 die erste Pumpvorrichtung Pi einen größeren Ansaugdruck Δρ-ι erzeugt als die zweite Pumpvorrichtung P2.
Wie in Fig. 4 dargestellt, lassen sich für zwei baugleiche Pumpen Pi , P2 unterschiedliche Ansaugdrücke Δρ-ι , Δρ2 erzeugen, indem die baugleichen Pumpen Pi , P2 bei unterschiedlichen Drehzahlen ni , n2 betrieben werden. Wird bspw. die Pumpe Ρ-ι bei der Drehzahl ni betrieben, so ergibt sich für einen konstanten Volumenstrom VB ein größerer Ansaugdruck Δρι als für die zweite Pumpvorrichtung P2, die bei einer niedrigeren Drehzahl n2 bei gleichem Volumenstrom VB betrieben wird. Die beiden Pumpvorrichtungen P-i , P2 sind in Reihe geschaltet. Aufgrund des größeren Ansaugdruckes Ap^ der ersten Pumpvorrichtung Ρ-ι fließt kein Kühlmittel durch den Bypass 230. Folglich sind die Volumenströme Bi , VB2, die durch die beiden
Pumpvorrichtungen Pi , P2 fließen, annähernd gleich. Das hier dargestellte Zuleitungsventil Vi kann bspw. als Absperrventil Vi (vgl. Fig. 2) ausgeführt sein.
Bei der hier offenbarten Technologie kann auf vergleichsweise teure
Dreiwegeventile verzichtet werden. Indes werden vergleichsweise einfache und kostengünstige Ventile eingesetzt. Insgesamt lassen sich die Herstell- und Servicekosten durch die hier offenbarte Technologie weiter senken. Sofern die hier offenbarte Technologie in der Einzahl offenbart wurde, soll gleichzeitig auch die Mehrzahl mit umfasst sein. Ist bspw. die Rede von einer Brennstoffzelle oder einem Wärmetauscher, so soll gleichzeitig deren
Mehrzahl mit umfasst sein. Die vorhergehende Beschreibung der
vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Kühlsystem für mindestens eine Brennstoffzelle (100) eines
Brennstoffzellensystems, umfassend:
- einen Kühlkreislauf (210, 220), der mindestens einen Wärmetauscher (300) und die mindestens eine Brennstoffzelle (100) umfasst; und
- mindestens zwei Pumpvorrichtungen (Pi , P2), die ebenfalls Bestandteil des Kühlkreislaufs (210, 220) sind, wobei die Pumpvorrichtungen (Pi , P2) ausgebildet sind, zumindest zeitweise gemeinsam das Kühlmittel im Kühlkreislauf (210, 220) zu fördern.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1 , wobei eine erste Pumpvorrichtung (P-i) stromauf der Brennstoffzelle (100) und stromab des Wärmetauschers (300) vorgesehen ist, und wobei eine zweite Pumpvorrichtung (P2) stromab der Brennstoffzelle und stromauf des Wärmetauschers (300) vorgesehen ist.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Pumpvorrichtungen (Pi , P2) baugleich sind.
4. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kühlkreislauf (210, 220) ferner einen Bypass (230) umfasst, der von einer Brennstoffzellen-Ableitung (210) stromab der Brennstoffzelle (100) und stromauf des Wärmetauschers (300) abzweigt und in einer
Brennstoffzellen-Zuleitung (220) stromauf der Brennstoffzelle (100) und stromab des Wärmetauschers (300) mündet.
5. Kühlsystem nach Anspruch 4, wobei die erste Pumpvorrichtung (P-i) stromauf der Brennstoffzelle (100) und stromab der Mündung (234) des Bypasses (230) angeordnet ist, und wobei die zweite Pumpvorrichtung (P2) stromab der Abzweigung (232) des Bypasses (230) und stromauf des Wärmetauschers (300) angeordnet ist.
6. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche , ferner umfassend ein Zuleitungsventil (Vi), welches in der Brennstoffzellen- Zuleitung (220) stromauf der erste Pumpvorrichtung (P-i) insbesondere der Mündung (234) des Bypasses (230) angeordnet ist, und/oder wobei im Bypass (230) ein Bypassventil (V2) angeordnet ist.
7. Verfahren zum Kühlen von mindestens einer Brennstoffzelle (100) eines Brennstoffzellensystems mit einem Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einer Aufwärmphase der mindestens einen Brennstoffzelle (100) Kühlflüssigkeit durch die erste Pumpvorrichtung (Pi) gefördert wird, wobei die zweite Pumpvorrichtung (P2) zeitgleich im Wesentlichen keine Kühlflüssigkeit fördert, und wobei zeitgleich das Zuleitungsventil (Vi) geschlossen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Pumpvorrichtung (Ρ-ι) während einer Betriebsphase der Brennstoffzellen (100) einen größeren Ansaugdruck (Δρ-ι) erzeugt als die zweite Pumpvorrichtung (P2).
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei zwei gleiche Pumpvorrichtungen (Pi , P2) bei unterschiedlichen Drehzahlen (ni , n2) betrieben werden, und wobei die erste Pumpvorrichtung (Ρ-ι) bei einer höheren Drehzahl (η-ι) betrieben wird als die zweite Pumpvorrichtung (P2).
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