-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens einer Brennstoffzelle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlsystem aufweist, in dem die Brennstoffzelle angeordnet ist und in dem ein Kühlmittel strömbar ist, wobei die Kühlvorrichtung eine Wärmepumpe aufweist, in der ein Kältemittel strömbar ist und die einen ersten Verdampfer, der zugleich im Kühlsystem angeordnet ist, zum Kühlen des Kühlmittels durch das Kältemittel aufweist, und wobei die Wärmepumpe einen ersten Verflüssiger außerhalb des Kühlsystems zum Kühlen des Kältemittels aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 11.
-
Stand der Technik
-
Niedrigtemperaturbrennstoffzellen, wie z. B. Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen, benötigen einen sehr leistungsstarken Kühler, da die Betriebstemperatur von beispielsweise 60°–80°C für eine Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle nur wenig über der Umgebungstemperatur liegt und zudem ein hoher Wärmeeintrag aus der Brennstoffzelle in das Kühlmittel erfolgt. Dieses führt dazu, dass der Kühler entweder sehr groß dimensioniert werden muss oder dass bei hoher Last die Kühlung nicht mehr ausreicht und die Leistung der Brennstoffzelle auf Grund der unzureichenden Kühlung beschränkt werden muss. Bei einem Einsatz der Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug muss daher die Leistung bei Bergfahrten, bei hohen Geschwindigkeiten und bei hoher Umgebungstemperatur begrenzt werden.
-
Die
DE 101 52 233 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Kühlkreislauf, in dem eine Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Der erste Kühlkreislauf ist über eine Wärmepumpe an einen separaten zweiten Kühlkreislauf angekoppelt, in dem ein Luftkühler angeordnet sein kann. Die Wärmepumpe entzieht dem ersten Kühlkreislauf Wärme und führt sie dem zweiten Kühlkreislauf auf einem höheren Temperaturniveau zu, so dass der Luftkühler kleiner dimensioniert werden kann. Zusätzlich oder anstelle des Luftkühlers können weitere Komponenten in den beiden Kühlkreisläufen angeordnet sein. So kann die Wärme des zweiten Kühlkreislaufes zur Erwärmung eines Brennmittels vor der Brennstoffzelle genutzt werden. Hierzu können weitere Kühlkreisläufe und/oder Wärmepumpen vorgesehen sein. Nachteilig ist, dass mindestens zwei Kühlkreisläufe vonnöten sind, um die Brennstoffzelleneinheit zu kühlen. Hierzu müssen mindestens drei Pumpen, eine für jeden Kühlkreislauf und eine für die Wärmepumpe betrieben werden. Weiterhin kann durch die Anordnung des Luftkühlers in dem zweiten separaten Kühlkreislauf die Brennstoffzelleneinheit auch in einem Teillastbetrieb der Brennstoffzelleneinheit nur durch Betrieb der Wärmepumpe gekühlt werden, obwohl dieses durch die notwendige Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ineffizient ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle bereitzustellen, in dem eine Kühlung der Brennstoffzelle möglichst effizient und/oder effektiv ist. Es soll folglich eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Kühlvorrichtung sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß des unabhängigen Anspruchs 11, wobei vorteilhafte Weiterbildungen in dem abhängigen Verfahrensanspruch angegeben sind. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein. Auch sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter dem Begriff der Brennstoffzelle ein Brennstoffzellensystem oder ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen zu verstehen ist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Kühlsystem zusätzlich ein Kühler angeordnet ist.
-
Die Kühlvorrichtung weist ein Kühlsystem auf, in dem mindestens eine Brennstoffzelle angeordnet ist. Das Kühlsystem umfasst dabei die Vorrichtungen und Pfade, die von einem Kühlmittel durchflossen werden. Das Kühlmittel kann die Brennstoffzelle kühlen und so Wärme aus einer elektrochemischen Reaktion eines Brennstoffes und/oder eines Oxidationsmittels in der Brennstoffzelle abführen. Hierdurch erwärmt sich das Kühlmittel, das die aufgenommene Wärme wieder abgeben muss, um erneut die Brennstoffzelle kühlen zu können. Die Kühlvorrichtung weist ebenfalls eine Wärmepumpe auf. Die Wärmepumpe umfasst dabei die Vorrichtungen und Pfade, die von einem Kältemittel durchflossen werden. Das Kältemittel zirkuliert in der Wärmepumpe, wobei das Kältemittel in einem ersten Verdampfer der Wärmepumpe Wärme aus dem Kühlmittel aufnimmt und in einem Verflüssiger der Wärmepumpe Wärme an ein wärmeaufnehmendes Medium abgibt. Ferner weist die Wärmepumpe ein Expansionsventil zum Expandieren des Kältemittels und einen Kompressor zum Verdichten des Kältemittels auf. Das Expansionsventil ist in Strömungsrichtung gesehen vor dem Verdampfer und der Kompressor ist in Strömungsrichtung gesehen vor dem Verflüssiger angeordnet. Das Kältemittel erreicht den Verflüssiger mit einem hohen Temperaturniveau, das deutlich über der Temperatur des Kühlmittels liegen kann, so dass im Vergleich zu einer direkten Kühlung des Kühlmittels durch das wärmeaufnehmende Medium das Kältemittel auf Grund eines höheren Temperaturgradienten zu dem wärmeaufnehmenden Medium effizienter und/oder effektiver gekühlt werden kann.
-
In der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist der erste Verdampfer zugleich in der Wärmepumpe und im Kühlsystem angeordnet, so dass das Kältemittel Wärme des Kühlmittels in dem Verdampfer aufnehmen und das Kühlmittel so gekühlt werden kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die Temperatur des Kältemittels in dem Verdampfer tiefer als die Umgebungstemperatur sein kann. Hingegen ist der erste Verflüssiger der Wärmepumpe strömungstechnisch außerhalb des Kühlsystems angeordnet. Das Kältemittel im ersten Verflüssiger gibt seine Wärme demnach nicht an das Kühlmittel, sondern an ein weiteres wärmeaufnehmendes Medium ab. Hierdurch wird ein Wärmeeintrag des Kältemittels in das Kühlmittel vermieden.
-
Dadurch, dass zum Betrieb der Wärmepumpe der Kompressor notwendig ist, muss immer, wenn das Kühlmittel in dem ersten Verdampfer gekühlt werden soll, der Kompressor Leistung aufnehmen. Hierdurch verringert sich die Effizienz der Kühlvorrichtung. Daher ist in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ein Kühler direkt in dem Kühlsystem angeordnet. Das Kühlmittel wird beim Durchfließen des Kühlers ohne Einsatz der Wärmepumpe gekühlt. Durch den Kühler weist die Kühlvorrichtung eine Möglichkeit, das Kühlmittel unabhängig vom oder zusätzlich zum ersten Verdampfer zu kühlen, auf. Wird das Kühlmittel gleichzeitig durch den Kühler und durch den Verdampfer der Wärmepumpe gekühlt, so verringert sich die Kühlleistung, mit der die Wärmepumpe das Kühlmittel abkühlen muss, im Vergleich zu einem ausschließlichen Abkühlen des Kühlmittels nur durch die Wärmepumpe. Hierdurch sinkt die Kompressorleistung. Bei einem Teillastbetrieb der Brennstoffzelle oder tiefen Außentemperaturen kann es ausreichend sein, die Wärmepumpe abzustellen und das Kühlmittel nur in dem Kühler zu kühlen. Durch den erfindungsgemäßen Kühler steigt somit die Effizienz des Kühlsystems. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist somit einen hohen Wirkungsgrad auf. Dadurch, dass bei einer hohen Last der Brennstoffzelle sowohl die Wärmepumpe als auch der Kühler das Kühlmittel kühlen können, steigt auch die Effektivität der Kühlvorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik, d. h. das Kühlmittel kann viel Wärme abgeben. Hierdurch kann eine Leistungsbegrenzung der Brennstoffzelle entfallen. Der Kühler kann durch die zusätzliche Kühlung des Kühlmittels durch die Wärmepumpe kleine räumliche Ausmaße aufweisen.
-
Es ist denkbar, dass der Kühler und/oder erste Verflüssiger mit Luft kühlbar sind. Insbesondere bei einem Einbau der Brennstoffzelle in ein Kraftfahrzeug kann der Kühler einem Fahrzeugkühler entsprechen, der vorne in einem Motorraum des Kraftfahrzeuges platziert werden kann. Der Kühler wird in diesem Fall von dem Fahrtwind und eventuell von einem durch einen Kühlerlüfter erzeugten Luftstrom durchströmt. Auch der erste Verflüssiger kann mit Luft gekühlt sein. Bei einem Einbau der Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug kann der erste Verflüssiger ebenfalls vorne im Motorraum platziert und von dem Fahrtwind und eventuell von einem Luftstrom, der durch den Kühlerlüfter erzeugt wird, durchströmt werden. Hierbei kann es sein, dass derselbe Kühlerlüfter einen Luftstrom für den Verflüssiger und für den Kühler erzeugt. Der erste Verflüssiger kann aus Sicht der durchströmenden Luft den Kühler nicht, teilweise oder vollständig überlappen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der erste Verflüssiger hinter dem Kühler aus Sicht der durchströmenden Luft angeordnet ist. Dadurch, dass das Kältemittel im ersten Verflüssiger eine höhere Temperatur als das Kühlmittel im Kühler innehat, ist es vorteilhaft, die Luft zunächst den Kühler durchströmen zu lassen.
-
Der Kühler und der erste Verflüssiger können in einer Baueinheit zusammengefasst sein, wobei das Kühlmittel, das den Kühler durchströmt, und das Kältemittel des ersten Verflüssigers stofflich getrennt die Baueinheit durchströmen. Das Kühlmittel im Kühler und das Kältemittel im ersten Verflüssiger können parallel und isoliert und zwar im Gleichstrom oder im Gegenstrom voneinander die Baueinheit durchströmen. Ein Luftstrom, der von dem einzigen Kühlerlüfter erzeugt wird, kann senkrecht zum Kühlmittel- und zum Kältemittelstrom die Baueinheit durchströmen. Kühl- bzw. Kältemittel und Luftstrom werden daher zueinander im Kreuzstrom geführt.
-
Das Kühlsystem kann zwei strömungstechnisch parallele Kühlmittelteilpfade aufweisen, wobei der erste Verdampfer parallel, bezogen auf die Kühlmittelteilpfade, zu dem Kühler im Kühlsystem angeordnet sein kann. Erfolgt eine Kühlung nur durch die Wärmepumpe oder nur durch den Kühler, so muss das Kühlmittel nur den entsprechenden Kühlmittelteilpfad durchströmen. Alternativ kann der erste Verdampfer hinter dem Kühler in Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet sein. Hierbei ist das Kühlmittel bei Eintritt in den Verdampfer bereits durch den Kühler vorgekühlt, so dass die Kühlleistung im Verdampfer verringert ist.
-
Im Falle einer parallelen Anordnung von dem ersten Verdampfer und dem Kühler kann ein Regelventil des Kühlsystems den Kühlmittelstrom, der jeweils die parallelen Kühlmitteteilpfade durchströmt, einstellen. Das Regelventil wird so angesteuert, dass bei Temperaturen der Brennstoffzelle unter der Betriebstemperatur der Kühlmittelteilpfad, der den ersten Verdampfer enthält, vom Kühlmittel durchflossen wird, wobei das Kältemittel nicht den ersten Verdampfer durchströmt und das Kühlmittel kühlt. Bei benötigter geringer Kühlung der Brennstoffzelle wird der Kühlmittelteilpfad, der den Kühler enthält, vom Kühlmittel durchströmt. Das Expansionsventil, welches vor dem ersten Verdampfer angeordnet ist, bleibt solange geschlossen, bis die Kühlleistung, die vom Kühler des Kühlsystems bereitgestellt wird, nicht mehr ausreicht. Erst dann öffnet sich das Expansionsventil vor dem ersten Verdampfer. Der Kompressor wird angestellt oder, falls die Wärmepumpe bereits auf Grund einer weiteren Aufgabe in Betrieb ist, wird die Kompressorleistung erhöht, so dass über die Wärmepumpe zusätzliche Kühlleistung für das Kühlmittel zur Verfügung steht. Das Regelventil sorgt für eine optimale Aufteilung der Kühlmittelströme auf die parallelen Kühlmittelteilpfade.
-
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein weiterer Verflüssiger in der Wärmepumpe angeordnet ist. Der weitere Verflüssiger kann beispielsweise einen Kathodenaustrittsstrom der Brennstoffzelle erwärmen. Die von dem Kältemittel im weiteren Verflüssiger abgegebene und von dem Kathodenaustrittsstrom aufgenommene Wärme kann teilweise in einer nachgeschalteten Turbine in mechanische oder elektrische Leistung umgewandelt werden. Zudem wird durch die von dem Kathodenaustrittsstrom aus dem Kältemittel aufgenommene Wärme die Temperatur in dem Kathodenaustrittsstrom erhöht, so dass mitgeführte Wassertropfen in dem Kathodenaustrittsstrom verdampfen. Hierdurch kann ein Tropfenschlag in der Turbine und damit eine Schädigung von Turbinenschaufeln verhindert werden. Der weitere Verflüssiger ist vorzugsweise strömungstechnisch parallel zum ersten Verflüssiger angeordnet, so dass in beide Verflüssiger ein hoch temperiertes Kältemittel eintritt.
-
Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass mindestens ein weiterer Verdampfer in der Wärmepumpe angeordnet ist. Hierbei kann es sein, dass der weitere Verdampfer Teil einer Klimaanlage ist, wobei Luft den weiteren Verdampfer durchströmen kann, die, durch den weiteren Verdampfer gekühlt, in den Fahrzeuginnenraum gelangt. Der weitere Verdampfer kann alternativ eine Batterie kühlen, wobei der weitere Verdampfer in die Struktur der Batterie integriert sein kann. Die Verdampfer können strömungstechnisch in Reihe oder vorzugsweise parallel in Kältemittelteilpfaden angeordnet sein, wobei bei einer strömungstechnisch parallelen Anordnung der Durchfluss des Kältemittels durch den jeweiligen Verdampfer durch je ein Expansionsventil, das in Strömungsrichtung vor jedem Verdampfer angeordnet ist, separat und bedarfsgerecht geregelt oder gesteuert werden kann. Durch das Anordnen weiterer Verdampfer in der Wärmepumpe der Kühlvorrichtung können beispielsweise ein separater Verflüssiger und Kompressor für die Klimaanlage eingespart werden. Wird die Batterie durch die Wärmepumpe und nicht durch das Kühlsystem gekühlt, so kann, wenn die Brennstoff zelle keinen Kühlbedarf hat, eine Pumpe, die das Kühlmittel im Kühlsystem zirkulieren lässt, abgestellt werden und so elektrische Leistung der Kühlvorrichtung eingespart werden. Der erste Verdampfer sowie die weiteren Verdampfer sind frei im Motorraum platzierbar.
-
Die Wärmepumpe wird so gesteuert und/oder geregelt, dass jederzeit ein genügend kalter und genügend großer Kühlmittelstrom dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung steht, unabhängig davon ob und wie weit ein Betrieb der Klimaanlage in dem betrachteten Moment vonnöten ist. Das heißt, die Wärmepumpe kann auch dann betrieben werden, wenn im Winter die Klimaanlage ausgeschaltet ist, auf Grund einer hohen Lastanforderung an die Brennstoffzelle das Kühlmittel aber besonders viel Wärme abführen muss. Selbstverständlich kann aber auch die Wärmepumpe angeschaltet werden, wenn die Klimaanlage, nicht aber eine Kühlung des Kühlmittels durch das Kältemittel benötigt wird.
-
Zusätzlich kann ein innerer Wärmetauscher in der Wärmepumpe zur Erhöhung der Leistung der Wärmepumpe angeordnet sein. In dem Wärmetauscher wird das Kältemittel, das zum Kompressor strömt, erwärmt, und das Kältemittel, das zu dem Expansionsventil/zu den Expansionsventilen strömt, gekühlt. Die Wärmepumpe kann ein Kältemittel, beispielsweise R134a oder Ammoniak, im unterkritischen Bereich verwenden, so dass in dem Verdampfer das Kältemittel verdampft wird und in dem Verflüssigen das Kältemittel verflüssigt wird. Alternativ wird die Wärmepumpe mit einem Kältemittel in einem überkritischen Bereich betrieben, so dass in dem Verdampfer das Kältemittel nur erwärmt wird und der Verflüssiger einem Gaskühler für das Kältemittel entspricht Bei der Brennstoffzelle kann es sich insbesondere um Niedrigtemperaturbrennstoffzellen wie Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen oder Direkt-Methanol-Brennstoffzellen handeln, bei denen aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur eine Kühlung ohne Wärmepumpe unzureichend oder wenig effizient ist. Anstelle einer Brennstoffzelle kann ein Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen oder auch mehrere elektrotechnisch in Reihe oder parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann bei einem Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug oder einer Wärme-Kraft-Kopplungsanlage eingesetzt werden.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen mindestens einer Brennstoffzelle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei dem die Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel, das durch ein Kühlsystem strömt, gekühlt wird und das Kühlmittel in einem ersten Verdampfer einer Wärmepumpe durch ein Kältemittel, das in der Wärmepumpe strömbar ist, kühlbar ist. Das Kältemittel selber wird dabei in einem ersten Verflüssiger der Wärmepumpe durch ein weiteres Medium gekühlt. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlmittel zusätzlich direkt durch einen Kühler kühlbar ist.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und
-
3 eine schematische Darstellung verschiedener im Kühlsystem vorkommender Temperaturen.
-
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10, die ein Kühlsystem 20 und eine Wärmepumpe 40 aufweist, dargestellt. Kühlmittelpfade, auf denen ein Kühlmittel durch das Kühlsystem 20 gemäß den dort dargestellten Pfeilen zirkuliert, sind mit durchgezogenen Linien dargestellt. Dagegen sind Kältemittelpfade, auf denen ein Kältemittel durch die Wärmepumpe 40 gemäß den dort dargestellten Pfeilen strömt, mit Strich-Punkt-Linien dargestellt. In dem Kühlsystem 20 ist ein Brennstoffzellenstapel 11 angeordnet. Das Kühlmittel strömt, von der Pumpe 21 befördert, durch den Brennstoffzellenstapel 11 und nimmt dabei Wärme des Brennstoffzellenstapels 11 auf. Die Wärme entsteht hauptsächlich durch eine elektrochemische Reaktion von einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel in dem Brennstoffzellenstapel 11. Der Brennstoffzellenstapel 11 wird durch das Kühlmittel gekühlt und das Kühlmittel selbst wird dabei erwärmt. Das erwärmte Kühlmittel wird nun selbst gekühlt, bevor es wieder zum Brennstoffzellenstapel zurückkehrt. Hierzu kann es einen Kühler 22, der auf einem ersten Kühlmittelteilpfad 31 des Kühlsystems 20 angeordnet ist, durchlaufen. Der Kühler 22 kann bei einer Verwendung des Brennstoffzellenstapels 11 in einem Kraftfahrzeug vorne in einem Motorraum angeordnet sein. Der Kühler 22 wird von einer Umgebungsluft im Kreuzstrom zum Kühlmittel durchströmt. Um den Luftstrom 12, der durch eine gepunktete Linie dargestellt ist, im Vergleich zu einem reinen Fahrtwind zu erhöhen, kann ein Kühlerlüfter 23 Umgebungsluft ansaugen.
-
Reicht bei hohen Außentemperaturen oder hohem Kühlungsbedarf auf Grund hoher Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 11 die Kühlung des Kühlmittels durch den Kühler 22 nicht aus, um den Brennstoffzellenstapel 11 in einem notwendigen Temperaturbereich von z. B. 60°–80°C zu halten, so kann das Kühlmittel zusätzlich oder alternativ durch die Wärmepumpe 40 gekühlt werden. Hierzu ist ein erster Verdampfer 41 der Wärmepumpe 40 in einem zweiten Kühlmittelteilpfad 32 des Kühlsystems 20 angeordnet. In dem ersten Verdampfer 41 wird das Kühlmittel gekühlt. Dabei nimmt das Kältemittel Wärme auf. Das Kältemittel wird danach in einem Kompressor 42 komprimiert, dabei weiter erwärmt und auf einem hohen Temperaturniveau einem ersten Verflüssiger 43 zur Abgabe von Wärme zugeführt. In einem ersten Expansionsventil 44 wird das Kältemittel wieder entspannt, bevor es erneut den Verdampfer 41 durchläuft.
-
3 zeigt schematisch unterschiedliche Temperaturniveaus innerhalb der Kühlvorrichtung 10. Das Temperaturniveau 70 des Brennstoffzellenstapels 11, das im Wesentlichen dem Temperaturniveau des Kühlmittels am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 11 von beispielsweise ca. 60°–80°C entspricht, liegt nur wenig höher als die Umgebungstemperatur 71 von beispielsweise 40°C, mit der die Luft den Kühler 22 durchströmt. Durch den sich daraus ergebenden, geringen Temperaturgradient 80 kann bei einer hohen Last keine ausreichende Kühlung des Kühlmittels sicher gestellt werden, ohne den Kühler 22 sehr groß zu dimensionieren. Das Temperaturniveau 72 des Kältemittels im ersten Verdampfer 41 ist geringer als die Umgebungstemperatur 71, so dass sich ein großer Temperaturgradient 81 zwischen den Temperaturniveaus 70, 72 ergibt, so dass das Kühlmittel sehr effektiv und/oder effizient in dem ersten Verdampfer 41 gekühlt werden kann. Ebenfalls ergibt sich ein sehr großer Temperaturgradient 82 zwischen dem Temperaturniveau 73 von beispielsweise 120–130°C, auf dem sich das Kältemittel im ersten Verflüssiger befindet, und der Umgebungstemperatur 71 der leicht vorgewärmten Luft, die den ersten Verflüssiger 43 durchströmt, so dass eine Kühlung des Kältemittels im ersten Verflüssiger 43 effizient möglich ist.
-
Der erste Verflüssiger 43 ist in 1 räumlich direkt hinter dem Kühler 22 in dem Motorraum angeordnet, so dass die Umgebungsluft zunächst den Kühler 22 und danach den Verflüssiger 43 durchströmt. Der Verflüssiger 43 und der Kühler 22 können in einer Baueinheit 25 zusammengefasst sein, wobei die Baueinheit je einen Eingang und je einen Ausgang für das Kältemittel und das Kühlmittel aufweist. Durch die effiziente und effektive erfindungsgemäße Kühlung kann die Baueinheit 25 klein dimensioniert werden, so dass sie vorne in einen konventionellen Motorraum passt und dem Brennstoffzellenstapel 11 trotzdem keine Leistungsbeschränkung bei hohen Außentemperaturen oder hoher Last auferlegt wird.
-
Der erste Kühlmittelteilpfad 31 und der zweite Kühlmittelteilpfad 32 sind strömungstechnisch parallel zueinander. Durch ein Regelventil 24 kann die Kühlmittelmenge, die den ersten Kühlmittelteilpfad 31 und den zweiten Kühlmittelteilpfad 32 durchströmen soll, eingestellt werden. Muss z. B. bei einem „Start” des Kraftfahrzeuges zunächst der Brennstoffzellenstapel 11 nicht gekühlt werden, so ist es ausreichend, das Kühlmittel durch den zweiten Kühlmittelteilpfad 32 bei ausgeschalteter Wärmepumpe 40 und/oder geschlossenem ersten Expansionsventil 44 zu leiten. Erhöht sich der Kühlbedarf für den Brennstoffzellenstapel 11 und damit auch für das Kühlmittel selber, so kann es wiederum ausreichend sein, das Kühlmittel zumindest teilweise durch den ersten Kühlmittelteilpfad 31 und damit durch den Kühler 22 bei zunächst ausgeschalteten Kühlerlüfter 23 zu leiten. Wird der Kühlbedarf weiter erhöht, so kann zusätzlich der Kühlerlüfter 23 eingeschaltet werden. Bei einem noch weiter steigenden Kühlbedarf kann die Wärmepumpe 40 angestellt werden und das Kühlmittel zumindest teilweise durch den zweiten Kühlmittelteilpfad 32 geleitet und dort im ersten Verdampfer 41 gekühlt werden. Ist die Wärmepumpe z. B. für eine Klimaanlage (s. 2) bereits im Betrieb, so wird das erste Expansionsventil 44 geöffnet und die Leistung des Kompressors 42 erhöht. Der Anteil des Kühlmittels, das durch die Kühlmittelteilpfade 31, 32 fließt, kann dabei durch das Regelventil 24 eingestellt werden. Das Regelventil 24 ebenso wie die Leistung des Kompressors 42 und der Pumpe 21 kann durch eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regelungseinheit eingestellt werden.
-
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 dargestellt. Gleiche Einrichtungen wie in 1 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel bleibt das Kühlsystem 20 im Wesentlichen unverändert. Auch die Wärmepumpe 40 in 2 enthält ebenfalls den ersten Verdampfer 41, den Kompressor 42, den ersten Verflüssiger 43 und das erste Expansionsventil 44 in gleicher Anordnung wie in 1. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel sind in der Wärmepumpe 40 zusätzlich ein zweiter Verdampfer 45 und ein zweiter Verflüssiger 46 angeordnet. Der zweite Verdampfer 45 ist Teil einer Klimaanlage. Er ist in einem Kältemittelteilpfad 52, der zu einem den ersten Verdampfer 41 enthaltenden Kältemittelteilpfad 51 strömungstechnisch parallel verläuft, angeordnet. Ein zweites Expansionsventil 47 regelt oder steuert den Kältemittelstrom durch den zweiten Verdampfer 45. Die Kältemittel, die den ersten Verdampfer 41 und den zweiten Verdampfer 45 durchfließen, vereinigen sich vor dem Kompressor 42 wieder, um gemeinsam im ersten Verflüssiger 43 und/oder im zweiten Verflüssiger 46 gekühlt zu werden.
-
Der zweite Verflüssiger 46 dient zum Erwärmen eines Kathodenaustrittsstromes 61. Der Kathodenaustrittsstrom 61 führt das im Brennstoffzellenstapel 11 nicht abreagierte Oxidationsmittel sowie Inertgase und Wasser ab. Der Kathodenaustrittsstrom 61 durchläuft hierbei zunächst einen Befeuchter 62, in dem ein Kathodeneintrittsstrom 63, der dem Brennstoffzellenstapel 11 Oxidationsmittel, z. B. sauerstoffenthaltene Luft, zuführt, erwärmt und befeuchtet wird. Danach gelangt der Kathodenaustrittsstrom 61, der nun eine Temperatur unterhalb der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 11 aufweist, in den zweiten Verflüssigen 46, wo der Kathodenaustrittsstrom 61 erwärmt wird. Die aufgenommene Wärme kann anschließend in einer Turbine 64, die in Strömungsrichtung des Kathodenaustrittsstroms 61 hinter dem zweiten Verflüssiger 46 angeordnet ist, in mechanische Leistung umgewandelt werden und z. B. dafür verwendet werden, den Kathodeneintrittsstrom 63 in einem Verdichter 65 zu verdichten. Der erste Verflüssigen 43 und der zweite Verflüssiger 46 sind in strömungstechnisch parallelen Kältemittelpfaden 53, 54 zueinander angeordnet. Hierbei kann der Anteil an Kältemittel, das den zweiten Verflüssigen durchströmt, mit einem nicht dargestellten, im Kältemittelteilpfad 54 angeordnetem Ventil eingestellt werden. Der Kathodeneintritts- und austrittsstrom 63, 61 sind mit gestrichelten Linien dargestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
