燃料电池设备和用于冷却燃料电池系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的燃料电池设备，所述燃料电池设备包括：具有燃料电池堆叠的燃料电池系统和用于冷却燃料电池系统的冷却回路以及用于冷却电子单元和/或储能器的第二冷却回路，其中所述第一冷却回路和所述第二冷却回路彼此热连接。

背景技术

燃料电池用于在电化学反应中提供电能，所述电能可以例如用于运行机动车辆，例如用于向包括至少一个电子单元和至少一个形成为电池组的储能器的传动系供电。燃料电池系统在此包括多个在燃料电池堆叠中组合的燃料电池，通过可借助于压缩电动机驱动的压缩机在阴极侧向这些燃料电池输送优选为空气的阴极气体并且在阳极侧从燃料存储器输送优选为氢的燃料。有利地，所述燃料电池系统还包括用于加湿要输送的阴极气体的加湿器。

通常，所述燃料电池系统以及储能器以及电子单元都必须得到冷却，以防止过热并由此防止对它们造成损坏。为此在现有技术中设置了单独的冷却回路，从而必须为包括各个冷却回路的燃料电池设备提供比较大的结构空间。

US 9,136,549 B2示出了这种燃料电池设备，其具有用于燃料电池系统和用于电子单元或储能器的单独的冷却回路，其中这些冷却回路彼此热连接。

此外，在冷却燃料电池系统的燃料电池的情况下所使用的冷却剂必须具有非常低的传导率，以避免燃料电池内的短路。另外，存在由于可传导的冷却剂而使车身部分也可传导的危险。尽管可以产生具有非常低的传导率的冷却剂，但是由于在车辆运行期间来自与所述冷却剂接触的部件的离子排放，所述冷却剂再次变得可传导。因此，为了减少进入到所述冷却剂中的离子，必须采取重大措施，例如冲洗各个组件或必须使用专用的、成本高昂的材料。特别地，冲洗单个组件是一种巨大的耗费，因为必须冲洗大量的单个组件、经过冲洗的组件必须在非常纯净的条件下存放和运输并且必须在无污染进入的情况下将这些组件组装成整个冷却系统。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种开头所述类型的燃料电池设备以及一种用于冷却燃料电池设备的方法，所述燃料电池设备和所述方法减少了上述缺点。

该任务通过具有权利要求1的特征的设备和具有权利要求9的特征的方法来解决。在从属权利要求中说明了具有本发明的适宜扩展的有利设计。

特别地，仅第二冷却回路具有冷却器，该冷却器用于冷却在所述第二冷却回路中流动的冷却水，而省去了在所述第一冷却回路中的自身的冷却器。因此，所述第一冷却回路是无冷却器的。这使得能够将用于冷却所述燃料电池系统的第一冷却回路减小到比较小的尺寸，从而针对第一冷却回路以及因此也针对所述燃料电池设备需要更少的结构空间。此外，节省了重量并且由此使得所述燃料电池设备更有效或性能更卓越。

在此有利的是，所述第一冷却回路和所述第二冷却回路借助于热交换器热连接，以便在第一温度水平上将在所述第一冷却回路中由所述燃料电池系统产生的废热传递到第二冷却回路。特别是规定，将所述热交换器设计为水-水热交换器。水-水热交换器被构造为小于在其他情况下通常使用的水-空气前端冷却器，即，与冷却剂接触的表面在水-水热交换器的情况下较小，从而减少了进入所述冷却剂的离子。

为了能够最佳地利用由所述燃料电池系统和由所述电子单元和/或所述储能器产生的废热，设置借助于第二热交换器与所述第二冷却回路热连接的空调回路，以用于在相对于所述第一温度水平升高的第二温度水平上将在所述第一冷却回路中以及在所述第二冷却回路中产生的废热传递到所述空调回路。这使得所述燃料电池系统的废热和所述电子单元和/或所述储能器的废热都可以用于所述空调回路。换句话说，由所述燃料电池系统产生的废热和通过所述储能器和/或所述电子单元产生的废热可以借助于所述第二热交换器传递到所述空调回路，从而从所述第二冷却回路中的冷却剂提取在高温度水平上的热量，并且可以进一步冷却所述第一冷却回路或所述第二冷却回路中的相应组件。此外，所述第二热交换器优选地形成为制冷器。

特别地，就此而论规定，所述空调回路具有第三热交换器，该第三热交换器用于升高车辆内部空间的温度。所述燃料电池设备在此优选是车辆的一部分。与现有技术相比，这里存在以下优点：不仅将通过所述燃料电池系统产生的废热用于加热车辆内部空间，而且还将通过所述电子单元和/或所述储能器产生的废热用于加热车辆内部空间。这意味着在比现有技术高得多的温度水平上将热量从第二冷却回路传递到所述空调回路，从而可以省去用于车辆内部空间的额外的电加热或额外的电供暖装置。所述第三热交换器在此优选形成为加热寄存器。

为了保证对所述燃料电池系统、所述电子单元和/或所述储能器的有效调节、即最佳冷却而规定，所述第二冷却回路包括多个子回路，使得这些子回路在流入点处彼此流体连接，并且能够借助于在所述流入点处布置或输入耦合到所述流入点中的执行器来调节在这些子回路中冷却水的质量流。在此，所述执行器优选地形成为多阀，从而为了调节这些子回路中的质量流而需要恰好一个执行器，而省去其他执行器。

就此而论优选的是，将所述子回路形成为冷却器回路和引导至所述电子单元和/或引导至所述储能器的驱动回路。所述驱动回路在此优选包括多个彼此流体连接的次回路，其中所述次回路形成为用于冷却所述储能器的储能器回路，并且形成为用于冷却所述电子单元的电子单元回路以及形成为将所述储能器回路和所述电子单元回路彼此流体连接的连接回路。子回路和次回路的布置原则上对应于分离的冷却回路的现有技术中已知的布置，从而可以通过简单的方式和方法对冷却回路进行改装，即在所述第一冷却回路中省去其他冷却器，在所述第一冷却回路和所述第二冷却回路之间以及在所述第二冷却回路和所述空调回路之间建立热连接。在此优选的是，所述热交换器将所述电子单元回路与所述第一回路热连接，而所述第二热交换器将所述储能器回路与所述空调回路热连接。

为了增大通过所述燃料电池系统产生的功率，优选地设置多个电子单元，其中这些电子单元在所述电子单元回路中以流体力学的方式并联地互连。

用于冷却燃料电池设备的方法特别是包括以下步骤：

-在第一温度水平上借助于热交换器将在所述燃料电池系统中产生的废热从所述第一冷却回路传递到所述第二冷却回路，并由此加热在所述第二冷却回路中循环的冷却剂。

这使得能够提供一种用于冷却燃料电池系统的方法，在该方法中，在省去自身的冷却器的情况下所述第一冷却回路被构造得比较小，并且仍然可以排出通过所述燃料电池系统产生的废热。所述燃料电池设备的优点也可以应用于对应的方法。

为了最佳利用通过所述燃料电池系统和通过所述电子单元和/或通过所述储能器产生的废热，以及为了改善所述第一冷却回路和所述第二冷却回路中的冷却，所述方法还包括以下步骤：

-在相对于所述第一温度水平较高的第二温度水平上将通过所述电子单元和/或通过所述储能器产生的热量以及通过从第一燃料电池系统传递的热量而产生的热量从所述第二冷却回路传递到空调回路，并由此加热在所述空调回路中循环的冷却剂，以及

-借助于所述第三热交换器将热量从经加热的冷却剂传递到位于车辆内部空间中的空气，并由此将车辆内部空间中的温度从第一温度值升高到相对于所述第一温度值升高的第二温度值。

因此，由所述燃料电池系统和由所述电子单元和/或所述储能器产生的废热可以从所述第二回路传递到所述空调回路。由于与现有技术相比将由所述电子单元和/或所述储能器产生的废热额外地传递到所述空调回路，在比较高的温度水平上发生热传递，从而为了加热车辆内部空间可以省去除了从空调回路向车辆内部空间传递热量以外额外的电子加热。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节从权利要求、优选实施方式的以下描述以及基于附图得出。在此：

图1示出具有第一冷却回路、第二冷却回路和空调回路的燃料电池设备的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于车辆的燃料电池设备1，该燃料电池设备包括：具有燃料电池堆叠的燃料电池系统2和用于冷却燃料电池系统2的第一冷却回路3以及用于冷却电子单元5和储能器6的第二冷却回路4，其中第一冷却回路3和第二冷却回路4彼此热连接。在此，仅第二冷却回路4具有冷却器7，用于冷却在第二冷却回路4中流动的冷却水。相反，第一冷却回路3被形成为无冷却器的，即省去了在第一冷却回路3中的自身的冷却器。

第一冷却回路3和第二冷却回路4在此借助于热交换器8热连接，该热交换器形成为水-水热交换器。通过热交换器8，可以在第一温度水平上将通过燃料电池系统2在第一冷却回路3中产生的废热传递到第二冷却回路4。在第一冷却回路3中循环的冷却水在此通过泵22输送。通过将热交换器8形成为水-水热交换器，由于取消了在其他情况下通常使用的水-空气前端冷却器而减少了进入第一冷却回路3中的离子，因为水-水热交换器具有明显更小的与冷却剂接触的表面。

第二冷却回路4包括多个子回路12。在本实施例中，子回路12被形成为冷却回路13，在该冷却回路13中冷却剂从冷却器7引导至冷却器7，即围绕冷却器7循环，并且被形成为引导至电子单元5和引导至储能器6的驱动回路14。两个子回路12在此在流入点20处流入到彼此中，其中执行器19布置在流入点20处或输入耦合到该流入点中。由此可以调节冷却水在相应子回路12中的质量流，并由此可以调节储能器6和电子单元5的冷却。执行器19在此形成为多阀，从而恰好一个形成为多阀的执行器19就足以调节子回路12中的质量流，而省去了子回路12中的其他执行器。

驱动回路14在此包括多个彼此流体连接的次回路15。这些次回路15在此被形成为用于冷却储能器6的储能器回路17以及被形成为用于冷却电子单元6的电子单元回路16以及形成为将储能器回路17和电子单元回路16彼此流体连接的连接回路18。通过子回路和次回路的这种布置，可以简单地加装或改装所述燃料电池设备，特别是第一冷却回路3。在本实施方式中，热交换器8将第一冷却回路3与电子单元回路16热连接。执行器19布置在第二冷却回路4和连接回路18之间的流入点20处。在热交换器8的下游，电子单元回路16与冷却器回路13流体力学地连接。

此外设置有借助于第二热交换器9与第二冷却回路4热连接的空调回路10，以用于在相对于第一温度水平升高的第二温度水平上将在第一冷却回路3和第二冷却回路4中产生的废热传递到空调回路10。在本实施方式中，第二热交换器9形成为将储能器回路17与空调回路10热连接的制冷器（Chiller）。在本实施方式中，空调回路10也被形成为无冷却器的，即省去了其他冷却器7。空调回路10还包括压缩机24、未详细示出的蒸发器、膨胀阀和冷凝器。为了控制空调回路10中的质量流，还设置了第二执行器21，该第二执行器优选被形成为可调节的节流阀。

储能器回路17还包括在第二热交换器9的下游布置或输入耦合的泵22，用于在储能器回路17内输送冷却剂。此外，在泵22的下游，止回阀23布置在储能器回路17中或输入耦合到储能器回路17中，以防止冷却剂回流。

在本实施方式中设置了两个电子单元5，它们并联互连在第二冷却回路4中，更确切地说在驱动回路14的电子单元回路16中。

用于冷却燃料电池设备的方法在此包括以下步骤：首先，在第一温度水平上借助热交换器8将通过燃料电池系统2产生的废热从第一冷却回路3传递到第二冷却回路4，并且由此加热在第二冷却回路4中循环的冷却剂。由此从第一冷却回路3中的冷却剂提取热量并由此将所述冷却剂冷却。此外，已经通过燃料电池系统2加热的冷却剂通过由电子单元5和储能器6产生的废热被进一步加热。借助于第二热交换器9，在相对于第一温度水平更高的第二温度水平上将通过电子单元5和储能器6产生的热量以及通过从第一燃料电池系统2传递的热量而产生的热量从第二冷却回路4传递到空调回路10。由此加热了在空调回路10中循环的冷却剂，其方式是从第二冷却回路4的冷却剂提取热量，并且由此冷却了第二冷却回路4中的冷却剂。空调回路10的经加热的冷却剂又被用于借助于第三热交换器11将热量传递到位于车辆内部空间内的空气，从而使车辆内部空间中的温度从第一温度值提高到相对于第一温度值升高的第二温度值。因此，车辆内部空间仅通过由所述燃料电池系统、所述电子单元和所述储能器产生的废热加热，不需要任何额外的电加热。

本燃料电池设备1和对应方法的优点在此在于，用于冷却燃料电池系统2的第一冷却回路3可以设计得非常小，并且仅包括热交换器8和泵22。可以省去额外的冷却器7，从而可以减少为燃料电池设备1提供的结构空间。由于空调回路10与第二冷却回路4的热连接，可以在比较高的温度水平上进行从第二冷却回路4到空调回路10的热量传递。与现有技术相反，借助于第二热交换器9不仅将通过燃料电池系统2产生的废热，而且附加地也将通过储能器6和通过电子单元5产生的废热传递到空调回路10。由于在比现有技术明显更高的温度水平上发生热传递，因此可以省去额外的电加热。同时，由于更好地排出通过燃料电池系统2、通过电子单元5和通过储能器6产生的废热，可以更好地冷却对应的部件。通过空调回路10与第二冷却回路4热连接而不与第一冷却回路3热连接，可以将所述第一冷却回路设计得明显更小。可以省去第一冷却回路3中在其他情况下常见的供暖装置热交换器。通过取消第一冷却回路3中的其他冷却器7，还减少了进入冷却剂中的离子，因为水-水热交换器明显更小，由此与在其他情况下常见在第一冷却回路3中安置的水-空气前端冷却器相比具有更小的与冷却剂接触的表面。

附图标记列表：

1 燃料电池设备

2 燃料电池系统

3 第一冷却回路

4 第二冷却回路

5 电子单元

6 储能器

7 冷却器

8 热交换器

9 第二热交换器

10 空调回路

11 第三热交换器

12 子回路

13 冷却器回路

14 驱动回路

15 次回路

16 电子单元回路

17 储能器电路

18 连接回路

19 执行器

20 流入点

21 第二执行器

22 泵

23 止回阀

24 压缩机。