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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Kühlsystem zum Durchführen des Verfahrens.
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In einer Brennstoffzelle wird eine chemische Oxidationsenergie eines Brennstoffs in eine elektrische Energie umgewandelt. Dazu wird der Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel - beispielsweise Luft - zugeführt. Um die chemische Oxidationsreaktion in der Brennstoffzelle zu intensivieren, wird die Luft vorerst in einem Verdichter komprimiert. Die infolge des Komprimierens erhitzte Luft wird dann in einem Ladeluftkühler gekühlt und der Brennstoffzelle zugeführt. In der Brennstoffzelle findet anschließend die Oxidationsreaktion statt und die sich infolge der Oxidationsreaktion erhitzte Brennstoffzelle wird mit einem Kühlmittel gekühlt.
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Die der Brennstoffzelle zugeführte Luft muss nach dem Verdichter schnell und effizient gekühlt werden und in einem vordefinierten Temperaturbereich liegen. Bekanntlich wird die komprimierte Luft mit dem zur Kühlung der Brennstoffzelle verwendeten Kühlmittel gekühlt. Dadurch wird jedoch die Kühlung der Brennstoffzelle negativ belastet. Aus dem Stand der Technik sind bereits einige weitere Lösungen bekannt. So beschreibt
US 9,343,755 B2 ein Kühlsystem und ein Verfahren zur Kühlung der Brennstoffzelle, wobei die komprimierte Luft vorerst in einem ersten Ladeluftkühler mit der Ausgangsluft der Brennstoffzelle und anschließend in einem zweiten Ladeluftkühler mit dem Kühlmittel gekühlt wird. In
US 8,053,126 B2 wird ein ähnliches Kühlsystem mit zwei nachgeschalteten Ladeluftkühlern beschrieben, wobei die komprimierte Luft vorerst mit dem Kühlmittel und anschließend mit der Umgebungsluft gekühlt wird. Derartige Kühlsysteme können jedoch aufgrund eines erhöhten Platzbedarfs in vielen Fahrzeugen nicht realisiert werden. In einem weiteren in
US 8,053,126 B2 beschriebenen Kühlsystem wird die komprimierte Luft in einem Ladeluftkühler mit der Umgebungsluft gekühlt, wobei hier die Temperatur der gekühlten Luft aufwendig durch eine Änderung der Umgebungsluftmenge in dem Ladeluftkühler geregelt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug sowie ein Kühlsystem zum Durchführen des Verfahrens bereitzustellen, bei denen die genannten Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zuerst einen Regelungsaufwand zu reduzieren. Bei dem Verfahren wird dabei in einem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittel in einem Wärmetauscher und durch das gekühlte Kühlmittel die Brennstoffzelle gekühlt. In einem Prozessluftlauf wird eine Prozessluft in einem Verdichter verdichtet, die verdichtete Prozessluft in einem Ladeluftkühler durch eine Kühlluft auf eine Prozesstemperatur gekühlt und die gekühlte Prozessluft durch ein Leitungssystem zur Brennstoffzelle geleitet. Dabei wird die Prozesstemperatur der Prozessluft durch eine Regelungsanordnung geregelt. Erfindungsgemäß wird die Prozesstemperatur der Prozessluft durch eine Änderung eines Massenstroms der Prozessluft und/oder eines Massenstroms der Kühlluft in dem Ladeluftkühler geregelt.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Ladeluftkühler die Prozessluft durch die Kühlluft - also durch die Umgebungsluft - auf die Prozesstemperatur gekühlt, wodurch der Kühlmittelkreislauf nicht belastet wird. Vorteilhafterweise kann dadurch die Brennstoffzelle effizienter gekühlt, die Menge des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf reduziert und der Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlmittels kompakter ausgestaltet werden. Zusätzlich wird ein Eintragen von Ionen über die Flussmittelrückstände in das Kühlmittel vermieden, wodurch auch ein lonentauscher in dem Kühlmittelkreislauf kompakt und platzsparend ausgestaltet werden kann. Zwischen der Prozessluft und der Kühlluft liegt ferner ein höherer Temperaturgradient im Vergleich zu der Prozessluft und dem Kühlmittel vor. Dadurch findet ein stärkerer Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft im Vergleich zu einem Wärmetausch zwischen der Prozessluft und dem Kühlmittel statt. Die Prozessluft kann also mit der Kühlluft effizienter als mit dem Kühlmittel gekühlt werden. Um das Kühlsystem noch kompakter auszugestalten, kann die Prozessluft zuerst zu dem Wärmeübertrager und anschließend zu dem Ladeluftkühler geführt werden. Der Ladeluftkühler kann so an dem Wärmeübertrager anliegend angeordnet werden, wodurch der Platzbedarf für das Kühlsystem in dem Fahrzeug vorteilhaft weiter reduziert wird.
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Zweckgemäß ist die Temperatur der Prozessluft nach dem Verdichter - im Weiteren die Verdichterlufttemperatur genannt - wesentlich höher als die Kühllufttemperatur, so dass in dem Ladeluftkühler ein Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft stattfinden und die Prozessluft gekühlt werden kann. Die Prozesstemperatur kann dabei durch eine Änderung des Massenstroms der Prozessluft in dem Ladeluftkühler geregelt werden. Wird der Massenstrom der Prozessluft in dem Ladeluftkühler erhöht, so wird auch der höhere Massenstrom der Prozessluft gekühlt und entsprechend fällt die Prozesstemperatur. Wird der Massenstrom der Prozessluft in dem Ladekühler reduziert, so wird der kleinere Massenstrom der Prozessluft gekühlt und entsprechend steigt die Prozesstemperatur.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Prozesstemperatur auch durch eine Änderung des Massenstroms der Kühlluft in dem Ladeluftkühler geregelt werden. Dazu kann der Massenstrom der Kühlluft in dem Ladeluftkühler reduziert und dadurch die Prozesstemperatur erhöht oder jedoch der Massenstrom der Kühlluft erhöht und dadurch die Prozesstemperatur reduziert werden. Auf diese Weise kann die Prozesstemperatur in einem vordefinierten Temperaturbereich aufwandreduziert gehalten werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein erster Teil des Massenstroms der Prozessluft durch einen Bypasskanal und ein zweiter Teil des Massenstroms der Prozessluft durch eine Kühlkanalanordnung des Ladeluftkühlers geleitet werden. Die Kühlkanalanordnung des Ladeluftkühlers kann mehrere Kanäle aufweisen, in denen der Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft stattfinden kann. Der durch die Kühlkanalanordnung geleitete zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft tauscht die Wärme mit der Kühlluft aus und wird gekühlt. Der Umleitungskanal leitet die Prozessluft um die Kühlkanalanordnung, so dass kein Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft stattfindet.
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Der Bypasskanal kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Ladeluftkühlers angeordnet werden, wodurch je nach dem Anwendungsfall unterschiedliche Varianten des Ladeluftkühlers realisiert werden können. Die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft zu dem gesamten Massenstrom der Prozessluft können unterschiedlich sein und abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur, der einzustellen Prozesstemperatur, der Verdichterlufttemperatur, der Kühlmitteltemperatur sowie der Kühllufttemperatur geregelt werden. Beispielsweise kann der Massenstrom der Prozessluft vollständig durch den Bypasskanal geleitet werden. Die Prozessluft wird folglich in dem Ladeluftkühler nicht gekühlt und mit der Verdichterlufttemperatur der Brennstoffzelle zugeführt. Die Brennstoffzelle kann auf diese Weise auch bei einem Kaltstart des Fahrzeugs mit einer ausreichend vorgeheizten Prozessluft versorgt werden. Vorgesehen ist auch, dass die Prozessluft in dem Bypasskanal durch einen Heizer oder durch ein Heizmodul geleitet wird. Dadurch kann auch eine Prozesstemperatur der Prozessluft erreicht werden, die über der Verdichterlufttemperatur liegt. Der Heizer kann dabei elektrisch oder über das Kühlmittel oder über den Kühlmittelkreislauf betrieben werden.
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Zum Aufteilen des Massenstroms der Prozessluft in den ersten Teil und in den zweiten Teil kann die Regelungsanordnung beispielsweise ein Luftventil aufweisen, der die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft regelt. Das Luftventil kann dabei beispielsweise direkt in dem Bypasskanal zum Begrenzen des ersten Teils des Massenstroms der Prozessluft oder alternativ in der Kühlkanalanordnung zum Begrenzen des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft festgelegt werden. Vorteilhafterweise kann der Bypasskanal bei den Ladeluftkühlern mit einer I-förmigen oder U-förmigen Strömung der Prozessluft durch den Ladeluftkühler verwendet werden.
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Alternativ ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft durch einen Kurzschlusskanal in dem Ladeluftkühler und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft durch die Kühlkanalanordnung des Ladeluftkühlers geleitet werden. Der Kurzschlusskanal kann beispielsweise einen Lufteinlass und einen Luftauslass innerhalb des Ladeluftkühlers luftleitend miteinander verbinden, so dass der erste Teil des Massenstroms nicht durch die Kühlkanalanordnung geleitet wird. Folglich findet auch kein Wärmetausch zwischen dem ersten Teil des Massenstroms der Prozessluft und der Kühlluft in dem Ladeluftkühler statt und der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft wird nicht gekühlt. Auch hier können die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft zu dem gesamten Massenstrom der Prozessluft unterschiedlich sein und abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur, der einzustellen Prozesstemperatur, der Verdichterlufttemperatur, der Kühlmitteltemperatur sowie der Kühllufttemperatur beispielsweise durch ein Luftventil geregelt werden. Das Luftventil kann dann zweckgemäß in dem Kurzschlusskanal festgelegt werden, um den ersten Teil des Massenstroms der Prozessluft zu regeln. Der Kurzschlusskanal kann insbesondere bei den Ladeluftkühlern mit einer U-förmigen Strömung der Prozessluft durch den Ladeluftkühler vorteilhaft verwendet werden.
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Alternativ ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft durch einen ersten Teil der Kühlkanalanordnung des Ladeluftkühlers und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft durch einen zweiten Teil der Kühlkanalanordnung des Ladeluftkühlers geleitet werden. Der erste Teil der Kühlkanalanordnung und der zweite Teil der Kühlkanalanordnung können dabei unterschiedlich groß sein. Auch die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft zu dem gesamten Massenstrom der Prozessluft können abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur, der einzustellen Prozesstemperatur, der Verdichterlufttemperatur, der Kühlmitteltemperatur sowie der Kühllufttemperatur unterschiedlich sein. Steigt der Anteil des jeweiligen Teils des Massenstroms der Prozessluft in dem jeweiligen Teil der Kühlkanalanordnung, so erhöht sich die Geschwindigkeit der Prozessluft in dem jeweiligen Teil der Kühlkanalanordnung. Mit der steigenden Geschwindigkeit wird der Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft reduziert und folglich die Prozessluft weniger gekühlt. Umgekehrt steigt bei einer fallenden Geschwindigkeit der Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft und die Prozessluft wird stärker gekühlt. Die Kühlkanalanordnung kann beispielsweise durch ein Luftventil aufgeteilt werden, das die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft in dem Ladeluftkühler regelt. Derartige Lösung kann insbesondere bei den Ladeluftkühlern mit einer I-förmigen Strömung der Prozessluft durch den Ladeluftkühler vorteilhaft verwendet werden.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass ein Anteil des ersten Teils und ein Anteil des zweiten Teils zu dem gesamten Massenstrom der Prozessluft in dem Prozessluftlauf durch wenigstens eine Größe, bevorzugt durch die aktuelle Prozesstemperatur und/oder durch die einzustellende Prozesstemperatur und/oder durch die Verdichterlufttemperatur und/oder durch die Kühlmitteltemperatur und/oder durch die Kühllufttemperatur, bestimmt werden. Durch diese Größen kann die Prozesstemperatur auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen vorteilhaft in dem vordefinierten Bereich gehalten werden. Die Größen können dabei durch Temperatursensoren bestimmt werden und an die Regelungsanordnung weitergeleitet werden.
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Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft durch eine von einem mechanischen oder elektrischen Aktuator betätigbare Steuerklappenanordnung aufgeteilt werden. Die Steuerklappenanordnung kann dabei beispielsweise einen Thermostat aufweisen, wobei der Thermostat abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur und/oder der einzustellenden Prozesstemperatur und/oder der Verdichterlufttemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur und/oder der Kühllufttemperatur einen Kanal - beispielsweise den Bypasskanal oder den Kurzschlusskanal wie oben beschrieben - schließt oder öffnet. Die Steuerklappenanordnung kann alternativ den elektrischen Aktuator mit einer Steuerklappe aufweisen, wobei die Steuerklappe durch den Aktor abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur und/oder der einzustellenden Prozesstemperatur und/oder der Verdichterlufttemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur und/oder der Kühllufttemperatur betätigt wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft nach dem Ladeluftkühler zusammengeführt werden. Die Prozessluft in dem ersten Teil und in dem zweiten Teil des Massenstroms weist unterschiedliche Temperaturen auf und wird nach dem Zusammenführen vermischt. Die nach dem Ladeluftkühler vermischte Prozessluft weist eine mittlere Temperatur auf, die der aktuellen Prozesstemperatur entspricht. Auf diese Weise wird ein unerwünschter Temperaturgradient innerhalb der zu der Brennzelle strömenden Prozessluft sowie Fehler bei der Bestimmung der aktuellen Prozesstemperatur vermieden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Prozessluft nach dem Ladeluftkühler vor der Brennstoffzelle zu einem Befeuchter und/oder zu einem Heizer und/oder zu einem Wärmespeicher geleitet wird. Durch den Heizer kann die Prozessluft bei einem Kaltstart des Fahrzeugs vorgeheizt werden und in dem Wärmespeicher kann die überschüssige Energie der Prozessluft gespeichert werden. So kann beispielsweise bei einem Kaltstart des Fahrzeugs der gesamte Massenstrom der Prozessluft durch den Bypasskanal oder durch den Kurzschlusskanal geleitet werden. Die Prozessluft wird nicht gekühlt und die Prozesstemperatur der Prozessluft entspricht der Verdichterlufttemperatur. Durch den Heizer kann die Prozessluft auch über die Verdichterlufttemperatur geheizt werden, so dass auch bei einem Kaltstart des Fahrzeugs der Brennstoffzelle eine ausreichend vorgeheizte Prozessluft zugeführt werden kann. Der Heizer kann dabei elektrisch oder über das Kühlmittel oder über den Kühlmittelkreislauf betrieben werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß die Prozesstemperatur der Prozessluft durch eine Änderung eines Massenstroms der Kühlluft in dem Ladeluftkühler geregelt werden. Wird in dem Ladeluftkühler der Massenstrom der Kühlluft reduziert, so wird der Wärmetausch zwischen der Prozessluft und der Kühlluft reduziert und folglich die Prozessluft weniger gekühlt. Umgekehrt weist der Ladeluftkühler bei einem maximalen Massenstrom der Kühlluft durch den Ladeluftkühler eine maximale Leistung auf. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass der Massenstrom der Kühlluft durch wenigstens eine Größe, bevorzugt durch die aktuelle Prozesstemperatur und/oder durch die einzustellende Prozesstemperatur und/oder durch die Verdichterlufttemperatur und/oder durch die Kühlmitteltemperatur und/oder durch die Kühllufttemperatur, bestimmt wird. Dadurch kann die Prozesstemperatur auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen vorteilhaft in dem vordefinierten Bereich gehalten werden.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Massenstrom der Kühlluft durch eine von einem Aktuator betätigbare Luftklappenanordnung geändert wird. Die Luftklappenanordnung kann dabei eine Luftklappe oder jedoch mehrere nebeneinander angeordnete Luftklappen aufweisen, die den Massenstrom abhängig von einem Öffnungswinkel der Luftklappen regeln können.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der durch die Luftklappenanordnung geführte Massenstrom der Kühlluft vorerst zu dem Wärmetauscher und dann zu dem Ladeluftkühler geleitet wird. Durch die Luftklappenanordnung kann dann der Massenstrom der Kühlluft sowohl in dem Wärmetauscher als auch in dem Ladeluftkühler geregelt werden. Das Kühlsystem kann so sehr kompakt ausgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kühlsystem für ein Fahrzeug. Das Kühlsystem weist dabei einen Wärmetauscher zum Kühlen eines Kühlmittels und eine durch das Kühlmittel kühlbare Brennstoffzelle auf. Ferner weist das Kühlsystem einen Verdichter zum Verdichten einer Prozessluft, einen Ladeluftkühler zum Kühlen der verdichteten Prozessluft mit einer Kühlluft auf eine Prozesstemperatur und ein Leitungssystem zum Leiten der gekühlten Prozessluft zu der Brennstoffzelle auf. Zum Regeln der Prozesstemperatur der Prozessluft weist das Kühlsystem eine Regelungsanordnung auf, wobei erfindungsgemäß die Regelungsanordnung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgestaltet ist.
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In dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist ein Kühlmittelkreislauf von einem Prozessluftlauf getrennt, wobei dadurch das Kühlsystem kompakt ausgestaltet werden kann. Der Kühlmittelkreislauf umfasst dabei den Wärmetauscher und die Brennstoffzelle. Der Prozessluftlauf umfasst den Verdichter und den Ladeluftkühler und optional einen Befeuchter, einen Heizer und/oder einen Wärmespeicher. Die Regelungsanordnung ist dabei zum Regeln der Prozesstemperatur durch eine Änderung des Massenstroms der Prozessluft und/oder der Kühlluft in dem Ladeluftkühler ausgestattet, so dass die Prozesstemperatur abhängig von der aktuellen Prozesstemperatur, der einzustellenden Prozesstemperatur, der Verdichterlufttemperatur, der Kühlmitteltemperatur und/oder der Kühllufttemperatur geregelt werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kühlsystem;
- 2 eine Schnittansicht eines Ladeluftkühlers mit einem außenliegenden Bypasskanal;
- 3 eine Schnittansicht eines Ladeluftkühlers mit einem innenliegenden Bypasskanal;
- 4 eine Schnittansicht eines Ladeluftkühlers mit einer aufgeteilten Kühlkanalanordnung;
- 5 eine Schnittansicht eines Ladeluftkühlers mit einem Kurzschlusskanal;
- 6 ein Ablauf eines alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kühlsystem;
- 7 ein Ablauf eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kühlsystem;
- 8 eine Schnittansicht eines Ladeluftkühlers mit einer Luftklappenanordnung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 1. Das Kühlsystem 1 weist einen Kühlmittelkreislauf 2 und einen Prozessluftlauf 3. Der Kühlmittelkreislauf 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Brennstoffzelle 4, einen Wärmetauscher 5, einen lonentauscher 6 und eine Pumpe 7. Der Prozessluftlauf 3 umfasst einen Verdichter 8, einen Ladeluftkühler 9 und einen Befeuchter 10, wobei der Verdichter 8 mit einem elektrischen Motor 11 antriebsverbunden ist. Hier ist der Wärmetauscher 5 in dem Prozessluftlauf 3 dem Ladeluftkühler 9 vorgeschaltet und kann an dem Wärmetauscher 5 anliegend angeordnet werden. Vorteilhafterweise kann so der Platzbedarf für das Kühlsystem 1 in einem Fahrzeug reduziert werden. Die Kühlung in dem Kühlsystem 1 wird dabei durch eine Regelungsanordnung 12 geregelt.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren 13 wird in dem Kühlmittelkreislauf 2 ein Kühlmittel 14 in dem dem Ladeluftkühler 9 vorgeschalteten Wärmetauscher 5 durch eine Kühlluft 15 gekühlt und über den lonentauscher 6 der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Das Kühlmittel 14 kühlt die Brennstoffzelle 4 und wird anschließend zu dem Wärmetauscher 5 geleitet. Der Kühlmittelkreislauf 2 wird mithilfe der Pumpe 7 aufrechterhalten. In dem Prozessluftlauf 3 wird eine Prozessluft 16 in dem Verdichter 8 verdichtet, die verdichtete Prozessluft 16 in dem Ladeluftkühler 9 durch die Kühlluft 15 auf eine Prozesstemperatur 18 gekühlt und die gekühlte Prozessluft 16 über den Befeuchter 10 der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Dabei wird die Prozesstemperatur der Prozessluft 16 durch die Regelungsanordnung 12 geregelt.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Prozesstemperatur der Prozessluft 16 durch eine Änderung eines Massenstroms der Prozessluft 16 in dem Ladeluftkühler 9 geregelt. Durch eine in dem Ladeluftkühler 9 angeordnete Steuerklappenvorrichtung 17 der Regelungsanordnung 12 kann der Massenstrom der Prozessluft 16 in dem Ladeluftkühler 9 geändert werden. Eine Änderung des Massenstroms der Prozessluft 16 in dem Ladeluftkühler 9 wird in diesem Ausführungsbeispiel abhängig von einer aktuellen Prozesstemperatur 18, einer Verdichterlufttemperatur 19 und einer Kühlmitteltemperatur 20 geregelt, die beispielsweise durch Temperatursensoren erfasst werden können. Ein Einstellungswert 21 wird anschließend von der Regelungsanordnung 12 an die Steuerklappenanordnung 17 übermittelt und beispielsweise eine Steuerklappe der Steuerklappenanordnung 17 durch einen elektrischen Aktuator entsprechend dem Einstellungswert 21 verstellt. Auf diese Weise wird der Massenstrom in dem Ladeluftkühler 9 geändert. Da die Verdichterlufttemperatur 19 wesentlich höher als die Kühllufttemperatur ist, findet in dem Ladeluftkühler 9 ein Wärmetausch zwischen der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 statt und die Prozessluft 16 wird gekühlt. Wird der Massenstrom der Prozessluft 16 in dem Ladeluftkühler 9 durch die Steuerklappenanordnung 17 erhöht, so wird auch der höhere Massenstrom der Prozessluft 16 gekühlt. Entsprechend fällt die Prozesstemperatur 18. Wird der Massenstrom der Prozessluft 16 in dem Ladekühler 9 durch die Steuerklappenanordnung 17 reduziert, so wird der kleinere Massenstrom der Prozessluft 16 gekühlt und entsprechend steigt die Prozesstemperatur 18.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren 13 wird in dem Ladeluftkühler 9 die Prozessluft 16 durch die Kühlluft 15 auf die Prozesstemperatur 18 gekühlt, wodurch der Kühlmittelkreislauf 2 nicht belastet wird. Vorteilhafterweise kann dadurch die Brennstoffzelle 4 effizienter gekühlt und die Menge des Kühlmittels 14 in dem Kühlmittelkreislauf 2 reduziert werden. Das Kühlmittelsystem 1 kann auch durch den dem Ladeluftkühler 9 vorgeschalteten Wärmetauscher 5 kompakt ausgestaltet und der Platzbedarf für das Kühlsystem 1 in einem Fahrzeug reduziert werden.
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2 und 3 zeigen Schnittansichten des Ladeluftkühlers 9 mit einem Bypasskanal 22 und einer Kühlkanalanordnung 23, wobei in 2 der Bypasskanal 22 außerhalb bzw. oberhalb und in 3 der Bypasskanal 22 innerhalb bzw. unterhalb des Ladeluftkühlers 9 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Ladeluftkühler 9 eine I-förmige Strömung auf, die durch einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf gegenüberliegenden Seiten des Ladeluftkühlers 9 vorgegeben ist. Der Bypasskanal 22 kann jedoch auch in einem Luftladekühler mit einer U-förmigen Strömung der Prozessluft 16 verwendet werden, die durch einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf einer der Seiten des Ladeluftkühlers 9 vorgegeben ist.
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Durch die Steuerklappenanordnung 17 wird ein erster Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 durch den Bypasskanal 22 und ein zweiter Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 durch die Kühlkanalanordnung 23 des Ladeluftkühlers 9 geleitet. Der durch die Kühlkanalanordnung 23 geleitete zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 tauscht die Wärme mit der Kühlluft 15 aus und wird gekühlt. Der Bypasskanal 22 leitet die Prozessluft 16 um die Kühlkanalanordnung 23, so dass kein Wärmetausch zwischen der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 stattfindet. In einem Einlassbereich 22a weist die ungeteilte Prozessluft 16 die Verdichterlufttemperatur 19 auf, die wesentlich höher als die Kühllufttemperatur in dem Ladeluftkühler 9 ist. Nach der Kühlkanalanordnung 23 weist der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 weiterhin die Verdichterlufttemperatur 19 auf und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 eine niedrigere Temperatur auf. In einem Auslassbereich 22b wird der erste Teil und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 vermischt und die Prozessluft weist nun die Prozesstemperatur 18 auf.
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In 4 ist eine Schnittansicht des Ladeluftkühlers 9 mit einer aufgeteilten Kühlkanalanordnung 23 gezeigt, wobei der Ladeluftkühler 9 in diesem Ausführungsbeispiel eine I-förmige Strömung der Prozessluft 16 durch die Kühlkanalanordnung 23 aufweist. Die Kühlkanalanordnung ist durch die Steuerklappenanordnung 17 in einen ersten Teil 23a und einen zweiten Teil 23b aufgeteilt, die unterschiedlich groß sein können. Der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 wird durch den ersten Teil 23a der Kühlkanalanordnung 23 des Ladeluftkühlers 9 und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 wird durch den zweiten Teil 23b der Kühlkanalanordnung 23 des Ladeluftkühlers 9 geleitet. Die Anteile des ersten Teils und des zweiten Teils des Massenstroms der Prozessluft 16 zu dem gesamten Massenstrom der Prozessluft 16 können dabei durch die Steuerklappenanordnung 17 geändert werden. Steigt der Anteil des jeweiligen Teils des Massenstroms der Prozessluft 16 in dem jeweiligen Teil 23a oder 23b der Kühlkanalanordnung 23, so erhöht sich die Geschwindigkeit der Prozessluft 16 in dem jeweiligen Teil 23a oder 23b der Kühlkanalanordnung 23. Mit der steigenden Geschwindigkeit wird der Wärmetausch zwischen der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 reduziert und folglich die Prozessluft 16 weniger gekühlt. Umgekehrt steigt bei einer fallenden Geschwindigkeit der Wärmetausch zwischen der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 und die Prozessluft 16 wird stärker gekühlt. Auch hier wird anschließend der erste Teil und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 vermischt und die Prozessluft weist nach dem Luftladekühler 9 die Prozesstemperatur 18 auf.
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5 zeigt eine Schnittansicht des Ladeluftkühlers 9 mit einem Kurzschlusskanal 24, wobei der Ladeluftkühler 9 hier eine U-förmige Strömung durch die Kühlkanalanordnung 23 aufweist. Die Steuerklappenanordnung 17 ist hier innerhalb der Ladeluftkühlers 9 angeordnet. Der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 wird durch den Kurzschlusskanal 24 und der zweite Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 wird durch die Kühlkanalanordnung 23 geleitet, wobei der Massenstrom der Prozessluft 16 durch die Steuerklappenanordnung 17 aufgeteilt wird. Der Kurzschlusskanal 24 verbindet hier einen Einlassbereich 24a und einen Auslassbereich 24b innerhalb des Ladeluftkühlers 9, so dass der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft nicht durch die Kühlkanalanordnung 23 geleitet wird. Folglich findet auch kein Wärmetausch zwischen dem ersten Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 in dem Ladeluftkühler 9 statt und der erste Teil des Massenstroms der Prozessluft 16 wird nicht gekühlt.
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6 und 7 zeigen das alternativ ausgestaltete Kühlkanalsystem 1, in dem die Prozesstemperatur 18 durch eine Änderung des Massenstroms der Kühlluft 15 durch eine Luftklappenanordnung 25 geregelt wird. 8 zeigt eine mögliche Anordnung der Luftklappenanordnung 25 an dem Luftladekühler 9 mit der Kühlkanalanordnung 23. In 6 werden der Wärmetauscher 5 durch eine Umgebungsluft 26 und der Ladeluftkühler 9 durch die Kühlluft 15 gekühlt. In 7 werden abweichend zu dem Kühlsystem in 6 der Wärmetauscher 5 und der Ladeluftkühler 9 mit der Kühlluft 15 gekühlt und der Massenstrom der Kühlluft 15 bereits vor dem Wärmetauscher 5 durch die Luftklappenanordnung 25 geregelt. Wird in dem Ladeluftkühler 9 der Massenstrom der Kühlluft 15 reduziert, so wird der Wärmetausch zwischen der Prozessluft 16 und der Kühlluft 15 reduziert und folglich die Prozessluft 16 weniger gekühlt. In diesen Ausführungsbeispielen wird die Prozesslufttemperatur 18 abhängig von der aktuellen Prozesslufttemperatur 18, der Verdichterlufttemperatur 19 und der Kühlmitteltemperatur 20 geregelt.
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Insgesamt ist in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1 der Kühlmittelkreislauf 2 von dem Prozessluftlauf 3 getrennt, so dass das Kühlsystem 1 kompakt aufgebaut werden kann. Zusätzlich kann die Prozesstemperatur 18 durch die Regelungsanordnung 12 durch eine Änderung des Massenstroms der Prozessluft 16 und/oder der Kühlluft 15 in dem Ladeluftkühler 9 aufwandreduziert geregelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9343755 B2 [0003]
- US 8053126 B2 [0003]
