WO2021110420A1 - Kühlsystem, fahrzeug mit kühlsystem - Google Patents

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WO2021110420A1
WO2021110420A1 PCT/EP2020/082672 EP2020082672W WO2021110420A1 WO 2021110420 A1 WO2021110420 A1 WO 2021110420A1 EP 2020082672 W EP2020082672 W EP 2020082672W WO 2021110420 A1 WO2021110420 A1 WO 2021110420A1
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cooling
cooling circuit
cooling system
connection lines
manifold
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PCT/EP2020/082672
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Inventor
Joerg Heyse
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Cooling system vehicle with cooling system
  • the present invention relates to a cooling system.
  • the cooling system comprises several cooling circuits, each cooling circuit serving to cool a fuel cell stack.
  • the invention therefore also relates to a vehicle with a cooling system according to the invention for cooling fuel cell stacks.
  • the efficiency of the fuel cells in a fuel cell stack depends, among other things, on the operating temperature, whereby the ideal operating temperature - depending on the type of fuel cell - can vary. In the event of a cold start, the temperature must be increased quickly so that the fuel cell can perform well. In contrast, the fuel cell must be cooled during operation in order to avoid overheating.
  • a temperature control device for temperature control of at least one fuel cell of a fuel cell system has therefore already been proposed in EP 2 287 952 A1, the temperature of the fuel cell being controllable by a coolant that can flow in a cooling system.
  • the temperature control device comprises at least one cooler and a heat pump in which a refrigerant can be circulated.
  • the heat pump also has at least one warming device for heating the coolant by the coolant.
  • the heating device is arranged in a first coolant sub-path of the cooling system.
  • the at least one cooler for cooling the coolant is accommodated in at least one further coolant path.
  • the temperature control device known from EP 2 287 952 A1 can be used to control the temperature of a fuel cell or a fuel cell stack. If the vehicle is equipped with more than just one fuel cell stack, the components and paths necessary for temperature control are multiplied, which leads to a very complex structure of the device.
  • the present invention is based on the object of simplifying the temperature control or cooling of several fuel cell stacks in a vehicle and at the same time making it more efficient.
  • the proposed cooling system comprises at least one cooling circuit for cooling a fuel cell stack, the at least one cooling circuit having a cooler, a bypass valve for bypassing the cooler and a coolant pump.
  • several, preferably three, cooling circuits are provided which are each connected to a cooling circuit manifold via three connection lines and are connected to a heating device and / or a heat exchanger via the cooling circuit manifold.
  • cooling circuits of the proposed cooling system With the aid of the several cooling circuits of the proposed cooling system, several fuel cell stacks can be cooled, a cooling circuit preferably being assigned to each fuel cell stack. With two cooling circuits the number of fuel cells is two, with three cooling circuits three, etc.
  • the cooling system is therefore particularly suitable for vehicles with at least two, preferably three fuel cell stacks, which may be a truck, for example.
  • the number of thermal components required can be reduced, since these are available to all cooling circuits and thus fuel cell stacks via the common cooling circuit manifold.
  • the thermal components include, for example, the proposed heating device and / or the proposed heat exchanger. In this way, the system can be simplified and a cost saving can be achieved.
  • the fuel cell stacks can be preheated when starting, so that the proposed cooling system not only allows the multiple fuel cell stacks to be cooled, but also to heat them.
  • the waste heat that usually occurs when the fuel cell stacks are in operation can be used.
  • an interior of the vehicle can be heated with the waste heat.
  • the cooling circuit manifold enables greater degrees of freedom in the operational management of the fuel cell stacks. Because one or more cooling circuits can optionally be switched off. For this purpose, the coolant pump accommodated in the cooling circuit is simply deactivated, so that no more coolant circulates in the respective cooling circuit.
  • preheating can be limited to a fuel cell stack when starting. In this way, not only can more rapid preheating be achieved, but electrical energy can also be saved.
  • the cooling system works more efficiently.
  • the waste heat from the already preheated fuel cell stack can then be used to warm up the remaining fuel cell stacks.
  • any load sharing between the fuel cell stacks can be undertaken. For example, only one fuel cell stack can be operated at part load. This increases the service life of the remaining fuel cell stacks.
  • all cooling circuits can be switched on, so that the cooling capacity of the coolers accommodated therein add up. The cooling performance of an individual cooler can thus be reduced, which also has the effect of extending the service life.
  • a further energy saving can be achieved in that the heat generated by means of the proposed heating device is used not only for preheating a fuel cell stack, but also for heating the interior. In this way, an increase in comfort can be achieved at the same time, since the interior space is heated before a fuel cell stack is started up.
  • the heating device is operated electrically, the heating device preferably being formed by at least one PTC heating element. After all fuel cell stacks have been put into operation, their waste heat is available for heating the vehicle's interior.
  • the respective first connection lines of the cooling circuits connect to the cooling circuit manifold in an area A, the respective second connection lines of the cooling circuits in an area B and the respective third connection lines of the cooling circuits in an area C.
  • the connections are thus concentrated in certain areas, which leaves space for the connection of the heating device and / or the heat exchanger to the cooling circuit manifold.
  • connection lines adjoining the cooling circuit manifold in at least one area are preferably aligned perpendicular to one another. This means that two connection lines each enclose an angle of 90 °.
  • the three connection lines are accordingly aligned in all three spatial directions, that is to say that the connection lines each run parallel to a side edge of a cube.
  • connection lines adjoining the cooling circuit manifold in at least one area each enclose the same angle a with a longitudinal axis of the cooling circuit manifold.
  • connection angle of all connection lines in one area of the cooling circuit manifold is the same.
  • connection areas so that all connection lines have the same connection angle to the cooling circuit manifold. Accordingly, the connections of all connection lines are flow-optimized in the same way.
  • the angle ⁇ is preferably 45 °. With three cooling circuits and thus three connection lines, the angle ⁇ is preferably 55 °. These angles allow - depending on the number of connection lines in an area - not only a symmetrical arrangement of the connection lines in relation to the longitudinal axis of the cooling circuit manifold, but at the same time a right-angled alignment of the connection lines to one another.
  • At least one of the three areas, in each of which a connection line of a cooling circuit connects to the cooling circuit manifold, is arranged at one end of the cooling circuit manifold.
  • two areas are each arranged at one end of the cooling circuit manifold. In this way the coolant can be fully circulated.
  • the fuel cell stack of a cooling circuit is preferably connected to the cooling circuit manifold via the first connection lines.
  • the coolant can accordingly be distributed evenly to the other connecting lines and fed to the fuel cell stacks via the cooling circuit manifold.
  • the coolant pump of the respective cooling circuit is advantageously accommodated in the first connection line. By deactivating of the respective coolant pump, a cooling circuit can thus be switched off in a simple manner.
  • the cooler of a cooling circuit is preferably connected to the coolant collecting line via the third connection lines. Coolant flowing out via the cooler can thus be fed back to the cooling circuit manifold.
  • bypass valve of a cooling circuit is connected to the coolant collecting line via the second connection lines.
  • an ion exchanger and / or a compensation tank is or are additionally connected to the cooling circuit manifold.
  • the ion exchanger With the help of the ion exchanger, the ion content of the coolant can be adjusted so that the ion content can be optimally matched to the fuel cell stacks.
  • the expansion tank enables the fuel cell stacks to be vented.
  • a vehicle in particular a truck, with a cooling system according to the invention is proposed.
  • the advantages of the cooling system according to the invention come into play in particular in mobile use, since here the available installation space is usually limited and the increase in efficiency contributes to an increase in range.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cooling circuit of a cooling system according to the invention
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of the cooling circuit manifold and the connection lines of the cooling circuit manifold connected cooling circuits of a cooling system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the components of a cooling system according to the invention connected to a cooling circuit manifold.
  • cooling circuit 10 for a cooling system 1 according to the invention. Since the cooling system 1 preferably comprises three cooling circuits 10, 20, 30, the reference symbols of the two further cooling circuits 20, 30 are each given in brackets. This is because the three cooling circuits 10, 20, 30 are preferably designed in the same way.
  • the cooling circuit 10 (20, (30) shown serves to cool a fuel cell stack 11 (21) (31).
  • a coolant can be circulated in the cooling circuit 10 (20) (30) with the aid of a coolant pump 17 (27) (37)
  • coolant pump 17 (27) (37) When the coolant pump 17 (27) (37) is activated, coolant is supplied to the fuel cell stack 11 (21) (31) from a cooling circuit manifold 40 via a first connection line 12 (22) (32). Upstream of the fuel cell stack 11 (21) ) (31)
  • an intercooler 19 (29) (39) is connected to the first connection line 12 (22) (32). Coolant flowing out via the intercooler 19 (29) (39) is discharged via a throttle 18 (28) (39 ) is fed back to the cooling circuit 10 (20) (30).
  • a cooler 15 (25) (35) and a bypass valve 16 (26) (36) are also accommodated in the cooling circuit 10 (20) (30), the bypass Valve 16 (26) (36) enables bypassing the cooler 15 (25) (35) depending on its switching position.
  • the bypass valve 16 (26) (36) is via a e second connection line 13 (23) (33) and the cooler 15 (25) (35) are connected to the cooling circuit manifold 40 via a third connection line 14 (24) (34).
  • the cooling circuit manifold 40 thus has three connection areas, namely areas A, B and C.
  • cooling system 1 is intended to have three cooling circuits 10, 20, 30 in the present case, three first connection lines 12, 22, 32, in each case must be in area A Area B each have three second connection lines 13, 23, 33 and in area C each three third connection lines 14, 24, 34 with the
  • Cooling circuit manifold 40 are connected. How this is ideally implemented is shown in FIG.
  • each connection line is aligned perpendicular to one another, that is to say that two connection lines in each case enclose an angle [3 of 90 ° in one area.
  • the three connection lines thus run parallel to the three side edges of a cube (see cube indicated by dashed lines).
  • each connection line encloses an angle ⁇ of 55 ° with a longitudinal axis 41 of the cooling circuit busbar 40.
  • the cooling system 1 can comprise further components, such as, for example, a heating device 42, a heat exchanger 43, an ion exchanger 45 and an expansion tank 46. If - as is the case here - the other components are connected to the cooling circuit manifold 40, they are available to all cooling circuits 10, 20, 30. The cooling system 1 is thus simplified.
  • the heating device 42 is connected to the cooling circuit manifold 40 via its own circuit 47, a pump 44 being accommodated in circuit 47.
  • the heat exchanger 43 which is used to heat an interior of the vehicle, is also included in the circle 47.
  • the waste heat from the fuel cell stacks 11, 21, 31 serves as the heat source.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (1), umfassend mindestens einen Kühlkreis (10, 20, 30) zum Kühlen eines Brennstoffzellen-Stacks (11, 21, 31), wobei der mindestens eine Kühlkreis (10, 20, 30) einen Kühler (15, 25, 35), ein Bypass-Ventil (16, 26, 36) zur Umgehung des Kühlers (15, 25, 35) und eine Kühlmittelpumpe (17, 27, 37) aufweist. Erfindungsgemäß sind mehrere, vorzugsweise drei, Kühlkreise (10, 20, 30) vorgesehen, die über jeweils drei Anschlussleitungen (12-14, 22-24, 32-34) an eine Kühlkreissammelleitung (40) angeschlossen und über die Kühlkreissammelleitung (40) mit einer Heizeinrichtung (42) und/oder einem Wärmetauscher (43) verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem (1).

Description

Beschreibung
Titel:
Kühlsystem, Fahrzeug mit Kühlsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem. Das Kühlsystem umfasst mehrere Kühlkreise, wobei jeder Kühlkreis der Kühlung eines Brennstoffzellen- Stacks dient.
Mit Hilfe eines Brennstoffzellen-Stacks kann chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese kann insbesondere zum Antreiben einer elektrischen Maschine in einem Fahrzeug genutzt werden. Die Erfindung betrifft daher ferner ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem zur Kühlung von Brennstoffzellen-Stacks.
Stand der Technik
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks hängt unter anderem von der Betriebstemperatur ab, wobei die ideale Betriebstemperatur - je nach Typ der Brennstoffzelle - variieren kann. Bei einem Kaltstart muss die Temperatur zügig erhöht werden, damit die Brennstoffzelle Leistung bringt. Im Betrieb dagegen muss die Brennstoffzelle gekühlt werden, um ein Überhitzen zu vermeiden.
In der EP 2 287 952 Al wurde daher bereits eine Temperiervorrichtung zum Temperieren mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, wobei die Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel, das in einem Kühlsystem strömbar ist, temperierbar ist. Die Temperiervorrichtung umfasst mindestens einen Kühler und eine Wärmepumpe, in der ein Kältemittel zirkulierbar ist. Die Wärmepumpe weist zudem mindestens eine Aufwärmvorrichtung zum Erwärmen des Kühlmittels durch das Kältemittel auf. Die Aufwärmvorrichtung ist dabei in einem ersten Kühlmittelteilpfad des Kühlsystems angeordnet. In mindestens einem weiteren Kühlmittelpfad ist der mindestens eine Kühler zum Kühlen des Kühlmittels aufgenommen.
Mit Hilfe der aus der EP 2 287 952 Al bekannten Temperiervorrichtung kann eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellen-Stack temperiert werden. Ist das Fahrzeug mit mehr als nur einem Brennstoffzellen-Stack ausgestattet, vervielfältigen sich die zur Temperierung notwendigen Komponenten und Pfade, was zu einem sehr komplexen Aufbau der Vorrichtung führt.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Temperierung bzw. Kühlung mehrerer Brennstoffzellen-Stacks in einem Fahrzeug zu vereinfachen und zugleich effizienter zu gestalten.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Fahrzeug mit einem derartigen Kühlsystem vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Kühlsystem umfasst mindestens einen Kühlkreis zum Kühlen eines Brennstoffzellen-Stacks, wobei der mindestens eine Kühlkreis einen Kühler, ein Bypass-Ventil zur Umgehung des Kühlers und eine Kühlmittelpumpe aufweist. Erfindungsgemäß sind mehrere, vorzugsweise drei, Kühlkreise vorgesehen, die über jeweils drei Anschlussleitungen an eine Kühlkreissammelleitung angeschlossen und über die Kühlkreissammelleitung mit einer Heizeinrichtung und/oder einem Wärmetauscher verbunden sind.
Mit Hilfe der mehreren Kühlkreise des vorgeschlagenen Kühlsystems können mehrere Brennstoffzellen-Stacks gekühlt werden, wobei vorzugsweise jedem Brennstoffzellen-Stack ein Kühlkreis zugeordnet ist. Bei zwei Kühlkreisen beträgt demnach die Anzahl der Brennstoffzellen zwei, bei drei Kühlkreisen drei usw.
Das Kühlsystem eignet sich somit insbesondere für Fahrzeuge mit mindestens zwei, vorzugsweise drei Brennstoffzellen-Stacks, wobei es sich beispielsweise um ein Lastkraftfahrzeug handeln kann.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Kühlsystems kann die Anzahl der notwendigen thermischen Komponenten reduziert werden, da diese über die gemeinsame Kühlkreissammelleitung allen Kühlkreisen und damit Brennstoffzellen-Stacks zur Verfügung stehen. Zu den thermischen Komponenten zählen beispielsweise die vorgeschlagene Heizeinrichtung und/oder der vorgeschlagene Wärmetauscher. Auf diese Weise kann das System vereinfacht und eine Kostenersparnis erzielt werden.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Heizeinrichtung, beispielsweise in Form eines PTC-Heizelements, können die Brennstoffzellen-Stacks im Startfall vorgeheizt werden, so dass über das vorgeschlagene Kühlsystem nicht nur ein Kühlen der mehreren Brennstoffzellen-Stacks möglich ist, sondern auch ein Beheizen.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Wärmetauschers kann die üblicherweise im Betrieb der Brennstoffzellen-Stacks entstehende Abwärme einer Nutzung zugeführt werden. Beispielsweise kann mit der Abwärme ein Innenraum des Fahrzeugs beheizt werden.
Ferner ermöglicht die Kühlkreissammelleitung größere Freiheitsgrade in der Betriebsführung der Brennstoffzellen-Stacks. Denn wahlweise kann bzw. können ein oder mehrere Kühlkreise abgeschaltet werden. Hierzu wird einfach die im Kühlkreis aufgenommene Kühlmittelpumpe deaktiviert, so dass kein Kühlmittel mehr in dem jeweiligen Kühlkreis zirkuliert.
Durch Abschalten eines oder mehrere Kühlkreise kann beispielsweise das Vorheizen im Startfall auf einen Brennstoffzellen-Stack beschränkt werden. Auf diese Weise kann nicht nur ein zügigeres Vorheizen erzielt werden, sondern es kann zudem elektrische Energie eingespart werden. Das Kühlsystem arbeitet somit effizienter. Die Abwärme des bereits vorgeheizten Brennstoffzellen-Stacks kann anschließend zum Aufwärmen der übrigen Brennstoffzellen-Stacks genutzt werden. Ferner kann eine beliebige Lastaufteilung zwischen den Brennstoffzellen-Stacks vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei Teillast nur ein Bren nstoff zellen - Stack betrieben werden. Damit erhöht sich die Lebensdauer der übrigen Brennstoffzellen-Stacks. Zur Kühlung eines einzigen Brennstoffzellen-Stacks können alle Kühlkreise zugeschaltet werden, so dass sich die Kühlleistung der hierin aufgenommenen Kühler addieren. Die Kühlleistung eines einzelnen Kühlers kann somit herabgesetzt werden, was sich ebenfalls die Lebensdauer verlängernd auswirkt.
Eine weitere Energieeinsparung kann dadurch bewirkt werden, dass die mittels der vorgeschlagenen Heizeinrichtung erzeugte Wärme nicht nur zum Vorheizen eines Brennstoffzellen-Stacks, sondern ferner zur Innenraumerwärmung genutzt wird. Auf diese Weise kann zugleich eine Komforterhöhung erzielt werden, da noch vor Inbetriebnahme eines Brennstoffzellen-Stacks der Innenraum erwärmt wird. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Heizeinrichtung elektrisch betrieben wird, wobei vorzugsweise die Heizeinrichtung durch mindestens ein PTC-Heizelement ausgebildet wird. Nach Inbetriebnahme aller Brennstoffzellen-Stacks steht deren Abwärme zur Innenraumerwärmung des Fahrzeugs zur Verfügung.
Zur weiteren Vereinfachung des Kühlsystems wird vorgeschlagen, dass die jeweils ersten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich A, die jeweils zweiten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich B und die jeweils dritten Anschlussleitungen der Kühlkreise in einem Bereich C an die Kühlkreissammelleitung anschließen. Somit erfolgen die Anschlüsse konzentriert in bestimmten Bereichen, was Platz für den Anschluss der Heizeinrichtung und/oder des Wärmetauschers an die Kühlkreissammelleitung lässt.
Die in zumindest einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließenden Anschlussleitungen sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Das heißt, dass jeweils zwei Anschlussleitungen einen Winkel von 90° umschließen. Die Ausrichtung der drei Anschlussleitungen erfolgt demnach in alle drei Raumrichtungen, das heißt, dass die Anschlussleitungen jeweils parallel zu einer Seitenkante eines Würfels verlaufen. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass bei Betrieb von beispielsweise nur einem Kühlkreis in einem Kühlkreis, dessen Kühlmittelpumpe abgeschaltet ist, keine Strömung induziert wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim elektrischen Vorheizen im Kaltstart keine Wärmeenergie in einem stillgelegten Kühlkreis verloren geht.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die in zumindest einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließenden Anschlussleitungen mit einer Längsachse der Kühlkreissammelleitung jeweils den gleichen Winkel a umschließen. Das heißt, dass der Anschlusswinkel aller Anschlussleitungen in einem Bereich der Kühlkreissammelleitung gleich ist. Vorzugsweise trifft dies auf alle Anschlussbereiche zu, so dass alle Anschlussleitungen den gleichen Anschlusswinkel an die Kühlkreissammelleitung aufweisen. Entsprechend sind die Anschlüsse aller Anschlussleitungen in gleicher Weise strömungsoptimiert.
Bei zwei Kühlkreisen und somit zwei Anschlussleitungen, die in einem Bereich an die Kühlkreissammelleitung anschließen, beträgt der Winkel a vorzugsweise 45°. Bei drei Kühlkreisen und somit drei Anschlussleitungen beträgt der Winkel a vorzugsweise 55°. Diese Winkel erlauben - je nach Anzahl der Anschlussleitungen in einem Bereich - nicht nur eine symmetrische Anordnung der Anschlussleitungen in Bezug auf die Längsachse der Kühlkreissammelleitung, sondern zugleich eine rechtwinklige Ausrichtung der Anschlussleitungen zueinander.
Vorteilhafterweise ist mindestens einer der drei Bereiche, in dem jeweils eine Anschlussleitung eines Kühlkreises an die Kühlkreissammelleitung anschließt, an einem Ende der Kühlkreissammelleitung angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Bereiche jeweils an einem Ende der Kühlkreissammelleitung angeordnet. Auf diese Weise kann das Kühlmittel vollständig zirkuliert werden.
Bevorzugt ist über die ersten Anschlussleitungen jeweils der Brennstoffzellen- Stack eines Kühlkreises an die Kühlkreissammelleitung angeschlossen. Über die Kühlkreissammelleitung kann demnach das Kühlmittel gleichmäßig auf die anderen Anschlussleitungen verteilt und den Brennstoffzellen-Stacks zugeführt werden. Vorteilhafterweise ist jeweils in der ersten Anschlussleitung die Kühlmittelpumpe des jeweiligen Kühlkreises aufgenommen. Durch Deaktivieren der jeweiligen Kühlmittelpumpe kann somit in einfacher Weise ein Kühlkreis abgeschaltet werden.
Ferner bevorzugt ist über die dritten Anschlussleitungen jeweils der Kühler eines Kühlkreises an die Kühlmittelsammelleitung angeschlossen. Über den Kühler abströmendes Kühlmittel kann somit wieder der Kühlkreissammelleitung zugeführt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass über die zweiten Anschlussleitungen jeweils das Bypass-Ventil eines Kühlkreises an die Kühlmittelsammelleitung angeschlossen ist.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an die Kühlkreissammelleitung zusätzlich ein lonentauscher und/oder ein Ausgleichsbehälter angeschlossen ist bzw. sind. Mit Hilfe des lonentauschers kann der lonengehalt des Kühlmittels eingestellt werden, so dass der lonengehalt optimal auf die Brennstoffzellen-Stacks abgestimmt werden kann. Der Ausgleichsbehälter ermöglicht eine Entlüftung der Brennstoffzellen-Stacks.
Darüber hinaus wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Lastkraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem vorgeschlagen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems kommen insbesondere in der mobilen Anwendung zum Tragen, da hier der zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel begrenzt ist und die Effizienzerhöhung zu einer Reichweitenerhöhung beiträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreises eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
Fig. 2 eine räumliche Darstellung der Kühlkreissammelleitung und der Anschlussleitungen der an die Kühlkreissammelleitung angeschlossenen Kühlkreise eines erfindungsgemäßen Kühlsystems sowie
Fig. 3 eine schematische Darstellung der an eine Kühlkreissammelleitung angeschlossenen Komponenten eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Fig. 1 ist beispielhaft ein Kühlkreis 10 für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 1 zu entnehmen. Da das Kühlsystem 1 vorzugsweise drei Kühlkreise 10, 20, 30 umfasst, sind die Bezugszeichen der beiden weiteren Kühlkreise 20, 30 jeweils in Klammern angegeben. Denn die drei Kühlkreise 10, 20 30 sind vorzugsweise gleich ausgebildet.
Der dargestellte Kühlkreis 10 (20, (30) dient der Kühlung eines Brennstoffzellen- Stacks 11 (21) (31). Hierzu kann mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe 17 (27) (37) ein Kühlmittel im Kühlkreis 10 (20) (30) zirkuliert werden. Bei aktivierter Kühlmittelpumpe 17 (27) (37) wird dem Brennstoffzellen-Stack 11 (21) (31) Kühlmittel aus einer Kühlkreissammelleitung 40 über eine erste Anschlussleitung 12 (22) (32) zugeführt. Stromaufwärts des Brennstoffzellen- Stacks 11 (21) (31) ist vorliegend an die erste Anschlussleitung 12 (22) (32) ein Zwischenkühler 19 (29) (39) angeschlossen. Über den Zwischenkühler 19 (29) (39) abströmendes Kühlmittel wird über eine Drossel 18 (28) (39) wieder dem Kühlkreis 10 (20) (30) zugeführt. Im Kühlkreis 10 (20) (30) sind ferner ein Kühler 15 (25) (35) und ein Bypass-Ventil 16 (26) (36) aufgenommen, wobei das Bypass-Ventil 16 (26) (36) in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung eine Umgehung des Kühlers 15 (25) (35) ermöglicht. Das Bypass-Ventil 16 (26) (36) ist über eine zweite Anschlussleitung 13 (23) (33) und der Kühler 15 (25) (35) ist über eine dritte Anschlussleitung 14 (24) (34) an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen. Somit weist die Kühlkreissammelleitung 40 drei Anschlussbereiche, und zwar die Bereiche A, B und C auf.
Da das Kühlsystem 1 vorliegend drei Kühlkreise 10, 20, 30 aufweisen soll, müssen im Bereich A jeweils drei erste Anschlussleitungen 12, 22, 32, im Bereich B jeweils drei zweite Anschlussleitungen 13, 23, 33 und im Bereich C jeweils drei dritte Anschlussleitungen 14, 24, 34 mit der
Kühlkreissammelleitung 40 verbunden werden. Wie dies idealerweise umgesetzt wird, ist in der Fig. 2 dargestellt.
Fig. 2 zeigt die Kühlkreissammelleitung 40 mit den Bereichen A, B und C sowie den zugehörigen Anschlussleitungen 12, 22, 32 (Bereich A), 13, 23, 33 (Bereich B) und 14, 24, 34 (Bereich C). In jedem Bereich A, B und C sind die drei Anschlussleitungen senkrecht zueinander ausgerichtet, das heißt, dass jeweils zwei Anschlussleitungen in einem Bereich einen Winkel [3 von 90° umschließen. Die drei Anschlussleitungen verlaufen somit parallel zu den drei Seitenkanten eines Würfels (siehe durch gestrichelte Linien angedeutete Würfel). Ferner umschließt jede Anschlussleitung mit einer Längsachse 41 der Kühlkreissammelleitung 40 einen Winkel a von 55°. Auf diese Weise wird zum Einen eine Optimierung der Strömung im Kühlsystem 1 erreicht. Zum Anderen wird der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt.
Wie in der Fig. 3 dargestellt, kann das Kühlsystem 1 weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Heizeinrichtung 42, einen Wärmetauscher 43, einen lonentauscher 45 und einen Ausgleichsbehälter 46 umfassen. Werden - wie vorliegend der Fall - die weiteren Bestandteile an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen, stehen sie allen Kühlkreisen 10, 20, 30 zur Verfügung. Das Kühlsystem 1 wird somit vereinfacht. Mit Hilfe der Heizeinrichtung 42 kann im Startfall mindestens ein Brennstoffzellen-Stack 11, 21, 31 vorgeheizt werden. Die Heizvorrichtung 42 ist hierzu über einen eigenen Kreis 47 an die Kühlkreissammelleitung 40 angeschlossen, wobei im Kreis 47 eine Pumpe 44 aufgenommen ist. Im Kreis 47 ist vorliegend auch der Wärmetauscher 43 aufgenommen, welcher der Erwärmung eines Innenraums des Fahrzeugs dient. Als Wärmequelle dient die Abwärme der Brennstoffzellen-Stacks 11, 21, 31.

Claims

Ansprüche
1. Kühlsystem (1), umfassend mindestens einen Kühlkreis (10, 20, 30) zum Kühlen eines Brennstoffzellen-Stacks (11, 21, 31), wobei der mindestens eine Kühlkreis (10, 20, 30) einen Kühler (15, 25, 35), ein Bypass-Ventil (16, 26,
36) zur Umgehung des Kühlers (15, 25, 35) und eine Kühlmittelpumpe (17,
27, 37) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise drei, Kühlkreise (10, 20, 30) vorgesehen sind, die über jeweils drei Anschlussleitungen (12-14, 22- 24, 32-34) an eine Kühlkreissammelleitung (40) angeschlossen und über die Kühlkreissammelleitung (40) mit einer Heizeinrichtung (42) und/oder einem Wärmetauscher (43) verbunden sind.
2. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ersten Anschlussleitungen (12, 22, 32) der Kühlkreise (10, 20, 30) in einem Bereich (A), die jeweils zweiten Anschlussleitungen (13, 23, 33) der Kühlkreise (10, 20, 30) in einem Bereich (B) und die jeweils dritten Anschlussleitungen (14, 24, 34) der Kühlkreise (10, 20, 30) in einem Bereich (C) an die Kühlkreissammelleitung (40) anschließen.
3. Kühlsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in zumindest einem Bereich (A, B, C) an die Kühlkreissammelleitung (40) anschließenden Anschlussleitungen (12, 22, 32 und/oder 13, 23, 33 und/oder 14, 24, 34) senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
4. Kühlsystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in zumindest einem Bereich (A, B, C) an die Kühlkreissammelleitung (40) anschließenden Anschlussleitungen (12, 22, 32 und/oder 13, 23, 33 und/oder 14, 24, 34) mit einer Längsachse (41) der Kühlkreissammelleitung (40) jeweils den gleichen Winkel (a) umschließen.
5. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer, vorzugsweise zwei, der drei Bereiche (A, B, C) an einem Ende der Kühlkreissammelleitung (40) angeordnet ist.
6. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die ersten Anschlussleitungen (12, 22, 32) jeweils der Brennstoffzellen-Stack (11, 21, 31) eines Kühlkreises (10, 20, 30) an die Kühlkreissammelleitung (40) angeschlossen ist.
7. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die dritten Anschlussleitungen (14, 24, 34) jeweils der Kühler (15, 25, 35) eines Kühlkreises (10, 20, 30) an die Kühlmittelsammelleitung (40) angeschlossen ist.
8. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die zweiten Anschlussleitungen (13, 23, 33) jeweils das Bypass-Ventil (16, 26, 36) eines Kühlkreises (10, 20, 30) an die Kühlmittelsammelleitung (40) angeschlossen ist.
9. Kühlsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Kühlkreissammelleitung (40) zusätzlich ein lonentauscher (45) und/oder ein Ausgleichsbehälter (46) angeschlossen ist bzw. sind.
10. Fahrzeug, insbesondere Lastkraftfahrzeug, mit einem Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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