在此公開的技術(shù)涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)燃料電池單元的冷卻系統(tǒng)以及一種用于冷卻至少一個(gè)燃料電池單元的方法。
背景技術(shù)：
用于移動(dòng)式應(yīng)用場合(如機(jī)動(dòng)車)的燃料電池系統(tǒng)由現(xiàn)有技術(shù)已知。在其最簡單的形式中，燃料電池單元是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器，該能量轉(zhuǎn)換器將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物并隨此產(chǎn)生電和熱。在這樣的燃料電池單元中，例如使用氫作為燃料并且使用空氣或者氧氣作為氧化劑。在燃料電池單元中反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物例如是水。氣體在此被饋入對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散電極中，各擴(kuò)散電極通過固態(tài)的或者液態(tài)的電解質(zhì)彼此分開。
在燃料電池單元的運(yùn)行中，尤其冷啟動(dòng)(在環(huán)境溫度為0℃至25℃時(shí)的啟動(dòng))以及冰凍啟動(dòng)(在環(huán)境溫度低于0℃時(shí)的啟動(dòng))是存在問題的。在低溫下，例如陰極電解質(zhì)的分子以及橫貫分離器的離子具有較低的動(dòng)能。這導(dǎo)致：極化曲線在冷啟動(dòng)時(shí)與熱啟動(dòng)時(shí)相比具有更低的電壓。因此，燃料電池系統(tǒng)在低溫下可能會(huì)較低效率地運(yùn)行。因此存在這樣的需求：使燃料電池系統(tǒng)盡可能快地達(dá)到運(yùn)行溫度，系統(tǒng)在該運(yùn)行溫度下具有較高的效率。
由de112006001348b4已知帶有熱交換器和燃料電池單元的冷卻回路。泵輸送冷卻劑通過所述回路。在燃料電池單元的預(yù)熱階段期間，經(jīng)由三通閥如此地操控?zé)峤粨Q器旁路，使得在預(yù)熱階段期間冷卻劑不流過熱交換器。通過該措施，燃料電池單元應(yīng)該更快地得以預(yù)熱。
燃料電池單元在較低的從大約80℃至90℃的溫度下工作。因此，為了冷卻，必須在燃料電池單元和熱交換器之間循環(huán)每小時(shí)數(shù)千升的較高的體積流量。出于該原因，而使用相對(duì)較大功率的高壓泵。所述高壓泵由于其功率需求不能通過12v的車載電網(wǎng)供電。高壓泵需要更高的電壓，以使其即便在高體積流量的情況下也能提供要求的壓力差。這樣的高壓泵至今并未安裝在傳統(tǒng)的車輛中。相對(duì)有利的并且在汽車領(lǐng)域經(jīng)過測(cè)試的12v泵(該泵通過車載電網(wǎng)供電)卻無法使用。
這樣的三通閥在非汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中是已知的。由于高的體積流量以及受限的結(jié)構(gòu)空間，商業(yè)上通用的三通閥并不能安置在機(jī)動(dòng)車中。更準(zhǔn)確地說，復(fù)雜的并因此相對(duì)昂貴的特殊方案是必要的。因此，在至今已知的冷卻設(shè)計(jì)方案中使用相對(duì)昂貴的特殊部件，這些特殊部件顯著提高了制造成本以及維保和倉貯成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在此公開的技術(shù)的目的在于，減少或者消除現(xiàn)有技術(shù)方案的缺點(diǎn)。在此公開的技術(shù)的目的尤其在于，使燃料電池單元快速和高效地到達(dá)其運(yùn)行溫度。此外，在此公開的技術(shù)的目的在于，降低所需部件的成本并且同時(shí)使用更簡單的且更少的構(gòu)件，所述構(gòu)件優(yōu)選可以借助在車輛中存在的車載電網(wǎng)電壓運(yùn)行。此外還力求進(jìn)一步降低故障概率。
在此公開的技術(shù)涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)燃料電池單元的冷卻系統(tǒng)、尤其是用于例如機(jī)動(dòng)車這樣的移動(dòng)式應(yīng)用場合。按照在此公開的技術(shù)，燃料電池系統(tǒng)可以包括至少一個(gè)燃料電池單元以及外圍系統(tǒng)部件(工廠平衡(balance-ofplant)部件或者說bop部件)，所述外圍系統(tǒng)部件可能在所述至少一個(gè)燃料電池單元運(yùn)行時(shí)使用。燃料電池單元包括陽極和陰極，所述陽極和陰極尤其是通過離子選擇性分離器分開。陽極具有用于輸送燃料到陽極的輸送裝置。換言之，陽極在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)與燃料儲(chǔ)存容器流體連通。用于燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選燃料為：氫、低分子量乙醇、生物燃料或者液化天然氣。陰極例如具有用于輸送氧化劑的輸送裝置。優(yōu)選的氧化劑例如為：空氣、氧氣和過氧化物。所述離子選擇性分離器例如可以構(gòu)成為質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane，pem)。優(yōu)選使用陽離子選擇性聚合物電解質(zhì)膜。用于這種膜的材料為：
冷卻系統(tǒng)包括至少一個(gè)冷卻回路。該冷卻回路包括至少一個(gè)熱交換器和至少一個(gè)燃料電池單元。多個(gè)燃料電池單元在此可以組合成一個(gè)燃料電池堆，所述燃料電池堆被冷卻劑流過。所述至少一個(gè)熱交換器例如是冷卻器，該冷卻器被空氣流過并且可以由通風(fēng)機(jī)輔助支持。如此設(shè)計(jì)所述冷卻回路，使得冷卻劑可以在所述熱交換器和所述至少一個(gè)燃料電池單元之間循環(huán)。換言之，在燃料電池單元中被加熱的冷卻劑可以所述從至少一個(gè)燃料電池單元流入到所述至少一個(gè)熱交換器中，在那里冷卻劑便冷卻下來，此后冷卻劑接著又流入到所述至少一個(gè)燃料電池單元中。
還有，在此提及冷卻劑時(shí)，該冷卻劑不僅限于冷卻。更準(zhǔn)確地說，所述冷卻劑也可以用于加熱，或者一般來說用于對(duì)所述至少一個(gè)燃料電池單元進(jìn)行調(diào)溫。優(yōu)選，使用帶有相應(yīng)添加劑的水作為冷卻劑。優(yōu)選，冷卻系統(tǒng)用于均勻分配熱量，亦即避免在燃料電池單元內(nèi)部或者說在燃料電池堆內(nèi)部較高的溫度梯度。
冷卻系統(tǒng)此外包括至少兩個(gè)泵裝置，所述泵裝置同樣是冷卻回路的組成部分。泵裝置于是也設(shè)置并且構(gòu)成在冷卻回路中，各泵裝置至少在部分時(shí)間上共同在冷卻回路中、亦即在所述至少一個(gè)燃料電池單元和所述至少一個(gè)熱交換器之間輸送或者說循環(huán)冷卻劑。優(yōu)選，至少在冷卻階段期間或者說在燃料電池單元的正常運(yùn)行階段期間，所述至少兩個(gè)泵裝置共同輸送或者說循環(huán)冷卻劑。
若使用至少兩個(gè)泵裝置，則這些泵裝置與只有唯一一個(gè)泵裝置的情況相比可以將規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)得更小。尤其可以如此設(shè)計(jì)所述至少兩個(gè)泵裝置的規(guī)格尺寸，使它們可以連接到車輛的車載電網(wǎng)(例如12v車載電網(wǎng))上。如果泵可以連接到車載電網(wǎng)上，那么就可以棄用其他的用于將電壓轉(zhuǎn)換到比車載電網(wǎng)電壓更高之電壓的構(gòu)件。此外可以采用已經(jīng)測(cè)試過和使用過的泵裝置。這尤其是對(duì)于制造和維保成本以及對(duì)于防故障可靠性具有積極作用。原則上可以使用各種不同的泵作為泵裝置，例如止回閥-泵，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)被安裝使用在汽車領(lǐng)域中。
此外，優(yōu)選使用兩個(gè)相同的泵裝置。優(yōu)選，兩個(gè)泵設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)相同的，從而進(jìn)一步降低了零部件多樣性。
優(yōu)選，在燃料電池單元的上游且在熱交換器的下游設(shè)置有第一泵裝置。此外優(yōu)選的是，在燃料電池單元的下游且在熱交換器的上游可以設(shè)置有第二泵裝置。由此，壓力損耗可以良好地分配到這兩個(gè)裝置上。燃料電池單元構(gòu)成最大流動(dòng)阻力。若泵裝置(直接)設(shè)置在其(燃料電池單元)前面和在其(燃料電池單元)后面，在冷卻回路中便獲得有利的壓力分布。
優(yōu)選，冷卻回路此外包括旁路，該旁路從在所述至少一個(gè)燃料電池單元下游且在所述至少一個(gè)熱交換器上游的燃料電池單元輸出管路在分支點(diǎn)處分支出來。該旁路通入在所述至少一個(gè)燃料電池單元上游且在所述至少一個(gè)熱交換器下游的燃料電池單元輸入管路中的通口中。所述燃料電池單元輸出管路在此是這樣的流動(dòng)路徑，離開燃料電池單元的冷卻劑流過該流動(dòng)路徑，以便到達(dá)熱交換器。所述燃料電池單元輸入管路是這樣的流動(dòng)路徑，當(dāng)冷卻劑從熱交換器流向燃料電池單元時(shí)，冷卻劑流過該流動(dòng)路徑。
借助所述旁路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)將熱交換器排除在外的次級(jí)冷卻回路。例如有利的是，在燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱階段期間，使流體不流過熱交換器進(jìn)行循環(huán)。由此減少了在預(yù)熱階段期間為了預(yù)熱燃料電池單元必須被加熱的冷卻劑的量。此外阻止了：在預(yù)熱階段期間要進(jìn)行加熱的冷卻劑在熱交換器又重新冷卻下來。所述預(yù)熱階段在此是這樣的階段，在該階段中，將機(jī)動(dòng)車的燃料電池系統(tǒng)加熱到(最優(yōu)的)運(yùn)行溫度。預(yù)熱階段開始于燃料電池系統(tǒng)的激活并且隨著達(dá)到運(yùn)行溫度而結(jié)束，從所述運(yùn)行溫度起，車輛或者說控制裝置便允許機(jī)動(dòng)車行駛運(yùn)行。尤其優(yōu)選的是，燃料電池單元的預(yù)熱階段在操縱點(diǎn)火鑰匙或者說啟動(dòng)器按鈕之前就已經(jīng)被激活。例如，可以通過無線電信號(hào)或者通過定時(shí)開關(guān)來起動(dòng)預(yù)熱階段。在一種設(shè)計(jì)方案中，車輛駕駛員例如可以通過相應(yīng)的手機(jī)軟件來啟動(dòng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱。備選地，預(yù)熱階段可以隨著用于解鎖中控鎖的信號(hào)而開始。
第一泵裝置可以在燃料電池單元輸入管路中設(shè)置在所述至少一個(gè)燃料電池單元的上游且在所述旁路的通口的下游。第二泵裝置可以在燃料電池單元輸出管路中設(shè)置在所述旁路的分支點(diǎn)的下游且在所述至少一個(gè)熱交換器的上游。通過所述至少兩個(gè)泵裝置的這種設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)：在預(yù)熱階段期間僅需接通第一泵裝置。該泵相比于高壓泵更加小型并且此外在具有更高效率的運(yùn)行點(diǎn)中工作。因此，在預(yù)熱階段期間的能耗得以降低。
尤其優(yōu)選的是，冷卻系統(tǒng)此外包括輸入管路閥，該輸入管路閥可以在燃料電池單元輸入管路中設(shè)置在燃料電池單元的上游、尤其是在旁路的通口的上游，且在所述至少一個(gè)熱交換器的下游。此外優(yōu)選可以在旁路中設(shè)置有旁路閥。優(yōu)選，輸入管路閥和/或旁路閥設(shè)計(jì)為止回閥或者截止閥，尤其是設(shè)計(jì)為節(jié)流瓣閥。輸入管路閥尤其可以設(shè)計(jì)為，使其在預(yù)熱階段期間減少或者阻止通過熱交換器的冷卻劑流。旁路閥可以設(shè)計(jì)為，使其抑止從旁路的通口向旁路的分支點(diǎn)的回流。
在此公開的技術(shù)此外包括一種用于冷卻在此示出的燃料電池系統(tǒng)或者說冷卻系統(tǒng)的至少一個(gè)燃料電池單元的方法。在所述至少一個(gè)燃料電池單元的預(yù)熱階段期間，冷卻劑通過第一泵裝置輸送。同時(shí)，第二泵裝置基本上不或者根本不向熱交換器輸送冷卻劑。此外，輸入管路閥同時(shí)是關(guān)閉的。因此以簡單的措施確保了：在預(yù)熱階段期間冷卻劑僅從所述至少一個(gè)燃料電池單元經(jīng)由旁路向燃料電池單元回流，而流體不經(jīng)由熱交換器循環(huán)。第二泵裝置的在此小到可忽略不計(jì)的、不期望的或者可容忍的輸送流基本上不包括冷卻劑，所述輸送流僅以微小或者說可忽略不計(jì)的程度影響預(yù)熱時(shí)間。可選地，在旁路中設(shè)有至少一個(gè)調(diào)溫或者加熱裝置，該調(diào)溫或者加熱裝置在預(yù)熱階段期間加熱冷卻劑并且因此加熱燃料電池單元。
與第二泵裝置相比，第一泵裝置可以至少在部分時(shí)間上、優(yōu)選連續(xù)地在燃料電池單元的繼預(yù)熱階段之后的冷卻或者說運(yùn)行階段期間產(chǎn)生更大的抽吸壓力，尤其是按如下方式：在冷卻或者說運(yùn)行階段期間，僅少量的被冷卻的冷卻劑直接從熱交換器經(jīng)由旁路重新又回到熱交換器中。借助這種構(gòu)造設(shè)計(jì)另外還可以有利地實(shí)現(xiàn)：完全棄用在旁路中的旁路閥。因此優(yōu)選的是，在旁路中不設(shè)置旁路閥。這就進(jìn)一步減少了制造成本并且進(jìn)一步降低了故障概率。
按照一種尤其優(yōu)選的方法，使用兩個(gè)相同的或者說結(jié)構(gòu)相同的泵裝置。優(yōu)選，這些相同的泵裝置在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。尤其優(yōu)選的是，第一泵裝置與第二泵裝置相比以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。尤其是，第一泵裝置以如此更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，使得第一泵裝置與第二泵裝置相比建立起足夠更大的抽吸壓力，從而在冷卻或者說運(yùn)行階段期間僅少量被冷卻的冷卻劑或者根本沒有被冷卻的冷卻劑經(jīng)由旁路回流至熱交換器中。
在此公開的技術(shù)此外涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其具有在此公開的用于燃料電池單元的冷卻系統(tǒng)。
附圖說明
現(xiàn)借助附圖對(duì)在此公開的技術(shù)進(jìn)行說明。圖中示出：
圖1為按照現(xiàn)有技術(shù)的冷卻劑回路，和
圖2和3為按照在此公開的技術(shù)的冷卻系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
圖1示出了如在de112006001348b4中披露的冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括帶有冷卻器300的冷卻回路210、220，所述冷卻器可以由通風(fēng)機(jī)310輔助支持；以及燃料電池系統(tǒng)的組合成燃料電池堆的燃料電池單元。在輸入管路220中，在三通閥234和燃料電池堆之間設(shè)置有泵裝置p1。泵裝置p1如此設(shè)計(jì)，使其不但在預(yù)熱階段期間、而且在正常冷卻或者說運(yùn)行階段期間可以提供足夠的冷卻劑。由于燃料電池單元100低的運(yùn)行溫度，需要較大功率的泵裝置，該泵裝置以高于車載電網(wǎng)電壓的電壓運(yùn)行。在預(yù)熱階段期間，三通閥關(guān)閉流動(dòng)路徑224并且允許經(jīng)由流動(dòng)路徑212、230和222旁路流動(dòng)。
圖2示出了按照在此公開的技術(shù)的冷卻系統(tǒng)，并且其在此在冷卻回路210、220中設(shè)有兩個(gè)相同的泵p1、p2。第一泵裝置p1位于在包括至少一個(gè)燃料電池單元100的燃料電池堆與旁路230的通口234之間的流動(dòng)路徑222中。結(jié)構(gòu)相同的第二泵裝置p2設(shè)置在流動(dòng)路徑214中，該流動(dòng)路徑將旁路230的分支點(diǎn)232與熱交換器300連接。在旁路230中設(shè)置有止回閥或者說旁路閥v2。止回閥v2如此構(gòu)造，使其允許冷卻劑從分支點(diǎn)232向通口234那邊流動(dòng)，與之相反，其阻斷在相反方向上的流動(dòng)。
另外，在這里示出的設(shè)計(jì)方案中，在流動(dòng)路徑224中設(shè)有輸入管路閥v1。流動(dòng)路徑224將熱交換器300與旁路230的通口234連接。截止閥v1在關(guān)閉狀態(tài)中阻止冷卻劑流過熱交換器300。冷卻劑于是從燃料電池堆100經(jīng)由流動(dòng)路徑212流入到旁路230中，并且泵裝置p1從旁路230抽吸冷卻劑并將其經(jīng)由流動(dòng)路徑222向燃料電池單元100輸送。
在圖1至3中未示出熱交換器或者說加熱裝置，所述加熱裝置在預(yù)熱階段期間加熱冷卻劑并且最后加熱燃料電池單元100。在冷卻或者說運(yùn)行階段期間，泵裝置p2將冷卻劑送往冷卻器300。冷卻劑在冷卻器300中冷卻下來，此后該冷卻劑經(jīng)由輸入管路220又被輸送到燃料電池單元中。兩個(gè)泵裝置p1、p2在此串聯(lián)并且共同提供必要的泵送量(泵送功率)，以便提供必要的壓程和必要的體積流量。在此，每個(gè)泵裝置p1、p2本身須提供的功率比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的泵裝置(見圖1)更小。
如在圖3中所示，也可以棄用旁路閥v2，例如在下述情況下：如此操控泵裝置p1、p2，使得在所述至少一個(gè)燃料電池單元100的冷卻或者說運(yùn)行階段中，沒有或者僅有較少量的冷卻劑從輸入管路220經(jīng)由旁路230流入到輸出管路210中。這一點(diǎn)例如可以通過下述方式實(shí)現(xiàn)：在所述至少一個(gè)燃料電池單元100的冷卻或者說運(yùn)行階段期間，第一泵裝置p1與第二泵裝置p2相比產(chǎn)生更大的抽吸壓力δp1。
如在圖4中所示，通過使結(jié)構(gòu)相同的泵p1、p2在不同的轉(zhuǎn)速n1、n2下運(yùn)行，對(duì)于兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的泵p1、p2，可以產(chǎn)生不同的抽吸壓力δp1、δp2。例如當(dāng)泵p1在轉(zhuǎn)速n1下運(yùn)行時(shí)，則對(duì)于恒定的體積流量
在此公開的技術(shù)中，可以棄用相對(duì)昂貴的三通閥。而可以使用相對(duì)簡單的和成本有利的閥?？傊?，制造和維保成本可以通過在此公開的技術(shù)進(jìn)一步降低。
只要在此公開的技術(shù)以單數(shù)形式進(jìn)行了公開，那么同時(shí)也應(yīng)該包括復(fù)數(shù)的情況。例如，若提到一個(gè)燃料電池單元或者一個(gè)熱交換器，則同時(shí)應(yīng)該囊括了其復(fù)數(shù)個(gè)的情況。前面對(duì)本發(fā)明的說明僅用于解釋性目的，而非用來限制本發(fā)明。在本發(fā)明的框架下，可以實(shí)現(xiàn)一些不同的改變和變型，而并不脫離本發(fā)明以及其等同方案的范圍。