用于燃料电池的冷却系统和燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种用于燃料电池车辆的燃料电池的冷却系统，其带有冷却循环，该冷却循环包括燃料电池、输送冷却剂的冷却剂泵、冷却器、运送冷却剂的冷却剂管路和用于加热冷却剂的电气加热设备，以及涉及一种带有这样的冷却系统的燃料电池系统。

背景技术：

燃料电池利用从氢气和氧气至水的化学转化以产生电能。为此，燃料电池作为核心部件包含所谓的薄膜-电极单元(mea代表membraneelectrodeassembly)，其是由导引质子的薄膜和相应布置在薄膜两侧的电极构成的复合结构(verbund)。电极具有催化层，其施加在透气的基质上或者直接在薄膜上。在燃料电池的运行中，氢气h2或含氢气的气体混合物被供应给阳极，在那里在发出电子的情况下发生氢气至h⁺的电化学氧化。经由薄膜(其将反应空间彼此气密地分开且电绝缘)，实现了质子h⁺在扩散的路径中从阳极腔到阴极腔中的(结合水的或无水的)运送。在阳极处提供的电子经由电导线被导引给阴极。此外将氧气或含有氧气的气体混合物供应给阴极，从而在吸收电子的情况下发生氧气到o^2-的还原。同时在阴极腔中这些氧负离子在产生水的情况下与质子反应。通常，燃料电池包括大量成堆叠的薄膜-电极单元，其中，通常在电极处在外部分别布置有多孔的气体扩散层用于将反应气体均匀地供应至电极。通过化学能到电能的直接转化，燃料电池相对于热力机器由于避开卡诺因素而获得改善的效率。

当前最广泛发展的燃料电池技术基于聚合物-电解质-薄膜(pem)，在其中薄膜本身由聚合电解质(polyelektrolyt)构成。最流行的pem是由硫化的聚四氟乙烯(商品名称：nafion®)构成的薄膜。电解的传导在此经由水合的质子实现。

通常在燃料电池中在运行期间进行的反应产生足够热，以将系统带到相应的温度。恰恰在机动车的牵引系统中使用燃料电池的情况下尤其在较低的外部温度下然而该自加热过程会持续一定时间，这导致在起动阶段中受限的运行。在运用燃料电池用于机动车驱动的情况下，在理想地直至-40°的周围环境温度下期望快速达到运行温度。

为了在冰冻-或者说冷起动时达到运行温度，由文件de102007054299a1已知加热器的应用。加热器被冷却剂流过。加热器具有加热元件，经由其将冷却剂在流过加热器时加热。加热器是单独的结构元件，其在燃料电池系统中具有不可忽略的空间需求。因为冷却剂尤其应在燃料电池上游被加入，用于布置加热器的可能的位置的数量受限并且负面地影响结构空间情况。此外，冷却剂在流过加热器时经历压力损失，其负面地影响燃料电池系统的效率。

技术实现要素：

本发明现在目的在于提供一种用于燃料电池系统的冷却系统，其解决了现有技术的问题并且尤其需要更少的结构空间。

该目的通过带有独立权利要求的特征的用于燃料电池的冷却系统来实现。由此，本发明的第一方面涉及一种带有冷却循环的用于燃料电池车辆的燃料电池的冷却系统。冷却循环包括燃料电池、输送冷却剂的冷却剂泵、冷却器、运送冷却剂的冷却剂管路和用于加热冷却剂的电气加热设备。根据本发明，加热设备构造为加热管路，其沿着冷却剂管路的至少一部分延伸。根据本发明的冷却系统的优点尤其在于，在燃料电池系统中可放弃需要空间的加热器。这导致燃料电池系统的优化的包装。此外避免了在通过加热器时将产生的压力损失。由此通过根据本发明的冷却系统提高了燃料电池系统的效率。

不同于具有加热器的冷却系统，根据本发明的冷却系统的冷却剂管路仅在出于效率方面是有意义的区域中被加热，而不是在空间对于在燃料电池系统内布置加热器可用的区域中。这特别导致系统的效率提高，因为仅在合适的位置处将对热的必要的需求引入冷却剂中。

根据本发明将加热管路布置在冷却剂管路的一个或多个区段中。由此来构造可电气加热的冷却剂管路。冷却剂管路可以是刚性的管路和/或柔性的软管。

在本发明的优选的设计方案中，加热管路集成到冷却剂管路的至少一部分中。这导致优化的空间利用。当前，当加热管路导热地与冷却剂管路相连接时，加热管路集成到冷却剂管路中。对此，加热管路可布置在冷却剂管路的内部中、在冷却剂管路的壁部的内部中而或在冷却剂管路外部在冷却剂管路处。

在特别优选的设计方案中，加热管路布置在冷却剂管路内。在该设计方案中优化了加热管路的效率，如果冷却剂与加热管路相接触，那么尤其如此。由此减少经由冷却剂管路的热损失。冷却剂管路间接地经由冷却剂被加热，而非冷却剂经由冷却剂管路被加热。此外，该设计方案导致减少的加热阶段，因为冷却剂直接地经由加热管路而非间接地经由冷却剂管路被加热。对于该设计形式尤其优选两个实施方案，一种是布置在冷却剂管路的内部中、即在由管路形成的空腔中的加热导体，其仅逐点地与冷却剂管路相接触并且尽可能被冷却剂绕流。加热管路在该设计方案中例如实施为电线或为沿着延伸的螺旋。备选于此，冷却剂管路加衬有加热管路。对此，加热管路具有例如螺旋、网或管的形状，其具有相应于冷却剂管路的内径的外径。

在本发明的另外的设计方案中优选的是，加热管路被引入冷却剂管路的壁部中。该设计方案具有该优点，即避免了在冷却剂与加热管路之间的直接接触。由此防止加热管路被冷却剂侵蚀。在侵蚀方面对加热管路的要求降低并且可仅针对加热效果来设计。在该设计方案中，冷却剂间接通过冷却剂管路被加热。加热管路在该设计方案中例如与冷却剂管路尤其冷却剂管路的壁部浇注。优选地，已在制造冷却剂管路时将加热管路引入其中。

有利地，加热管路布置在冷却剂管路的壁部的外侧处。在此，冷却剂同样经由冷却剂管路被加热。优点在于，该设计方案比备选方案更少需要维修。如果发生维修情况或加热管路故障，优选地仅将加热管路与冷却剂管路分开并且更换，而不必卸载或打开冷却系统的冷却剂管路。

在优选的设计方案中，加热管路在此逐段地包围冷却剂管路，尤其在冷却剂管路的壁部的整个周缘上。也就是说，加热管路例如实施为围绕冷却剂管路的轴圈(manschette)。该设计方案具有特别高的效率，因为整个冷却剂管路的均匀加热和因此均匀高的热输入是可能的。被加热的壁部的区段越大，该系统就越不迟钝并且就越有效且越快地将热传递到冷却剂上。

在本发明的优选的设计方案中，加热管路是可控制和/或可调节的，从而实现与需求协调的热输入。

此外优选的是，加热管路布置在燃料电池上游。由此，可将冷却剂直接在需求地点(即在其被引入燃料电池中之前)加热。这特别有利地影响燃料电池系统的效率。

本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统，其包括根据本发明的冷却系统。

本发明的另外优选的设计方案由其余的在从属权利要求中所提及的特征得出。

本发明的在本申请中所提及的不同的实施形式(如果未个别另外实施)有利地可相互组合。

附图说明

接下来在实施例中根据附图来阐述本发明。其中：

图1示出了根据现有技术的燃料电池冷却系统，

图2示出了根据本发明的优选设计方案的燃料电池冷却系统，以及

图3示出了在优选设计方案中的可电气加热的冷却剂管路的横截面的示意图。

具体实施方式

图1以示意图示出了根据现有技术的整体以100'标记的冷却系统，其具有根据现有技术的由管路系统构建的冷却循环10'，在其中集成有燃料电池12。冷却循环10包括主循环14，在其中冷却剂借助于优选地电气运行的冷却剂泵16来输送。同样集成在主循环14中的冷却器18用于冷却由运行的燃料电池12加热的冷却剂。此外，主循环14具有构造为换热器的空气负载冷却器(luftladekuehler)26和用于储存冷却剂的补偿容器28。

冷却循环10'此外包括旁通管路20，其绕过冷却器18。另外，冷却系统可具有内部空间换热器27。在冷却器18的冷却剂前路(kuehlmittelvorlauf)和旁通管路20的汇合点(zusammenfuehrungsstelle)在冷却循环10中布置有调温阀22，由此可选择性地将冷却剂流导引通过冷却器18或通过旁通管路20。为了在冷起动之后加速燃料电池12的加热，冷却剂流在绕过冷却器18的情况下仅经由旁通管路20进行。在燃料电池12加热后才导引冷却剂经过冷却器18，以便将燃料电池12保持在预定的温度上。优选地，调温阀22可无级地控制或调节，从而可根据燃料电池12的温度以由冷却的和热的冷却剂组成的任意混合比来加载该燃料电池。

根据现有技术的冷却循环10'具有电气加热装置24'，其集成到管路系统中并且在其运行期间加热冷却剂。根据现有技术的加热设备24'构造为加热器24'。加热器24'例如是这样的加热设备，其具有加热元件并且布置成使得其被冷却剂流过。

加热器24'可集成到主循环14中并且与冷却器18串联。同样可考虑加热器24'的其他位置(例如在冷却器18下游或在冷却剂泵16下游)。备选或附加地，加热器24'可接于旁通管路20中并且由此与冷却器18并联。

在图2中示出了根据本发明的冷却系统100。冷却系统100包括燃料电池12，其具有阳极11和所属的阳极循环11a以及带有阴极循环13a的阴极13。冷却系统100同样具有至少一个用于主动加热冷却剂的加热设备24，不同于根据现有技术的冷却系统100'，该加热设备然而不实施为加热器24'，而是实施为沿着冷却剂的冷却剂管路纵向延伸的加热设备24。

为了更好的总览，加热管路24沿着冷却剂管路、即可电气加热的冷却剂管路30的根据本发明的布置在图3中作为横截面示出。在此例如可以是以被安放到存在的冷却剂管路上的加热轴圈或螺旋形环绕的加热螺旋的形式的加热管路31的外部布置。备选地，设置有特别的可加热的冷却剂管路30、尤其软管，加热管路24集成到其中。对于这样的冷却剂管路30，加热管路24例如放入管路30的壁部35中，尤其与其一起浇注。在冷却剂管路30的内部中流动的冷却剂在此优选地不与加热管路相接触。此外，特别的冷却剂管路可具有集成的加热管路34，其与冷却剂相接触。这些加热管路例如作为内置的加热管路32、33，例如加热丝32、加热螺旋或加热网33，其布置在引导冷却剂的空腔中(对于32)，尤其在冷却剂管路30的内壁部35处。

根据图2或3的电气的加热设备优选的装备有功率控制部，利用其尤其可无级地控制或调节加热设备24的热功率。

图2中的冷却系统100的所有其余部件的相应于图1中的部件且不再次来阐述。

图1或2的燃料电池12用于在图中未示出的车辆的驱动。为此，其可电气地与同样未示出的用于车辆的驱动的电动机相联结。此外可选地可设置能量存储器，其在燃料电池的能量过剩或车辆的制动过程中被充能。

在图2中示出的冷却系统100实现燃料电池12的冷起动能力、尤其冰冻起动能力。在此须将燃料电池12的温度在尽可能短的时间段中带到水的冰点之上，以便不由于结冰而阻碍燃料电池反应。在冷起动时可能的运行策略是使燃料电池12在高负载点以较低的电气效率运行并且由此通过积累的反应热来加热。为此必需的较高的电功率截取(leistungsabgriff)可经由车辆的电动机被传递到车轮并且被用于车辆驱动。然而在不存在相应的负载要求的运行点中，例如在堵塞或交通灯阶段中，该方式是不可能的。在这样的情况中，根据本发明，为了加热燃料电池12，也就是说当燃料电池的实际温度低于其额定温度时，使燃料电池12在加热设备24的电气负载下运行，其中，其以较低的效率工作且因此将所供给的燃料(氢气)的主要份额转化成热。以该方式，燃料电池12自加热。另一方面，所产生的电能的相对小的份额通过电气加热设备24被转化成热，其经由冷却剂又用于燃料电池加热。换言之，在不存在驱动负载要求的运行情况中，电气负载被加热设备24截取，由此实现或加速燃料电池12的冰冻起动。

加热设备24根据本发明设计为沿着冷却剂管路30的加热管路带来该优点，即不需要附加的空间需求用于加热设备24。对包装的要求相应地在可电气加热的冷却剂管路30中更少。此外，其可更容易地集成到包装中并且由此可针对性地布置在必需热输入的地点处。

结合到冷却循环中的加热设备24的另一优点是，通过冷却剂的加速加热提高了经由内部空间换热器27可传递到乘客空间中的热量。以该方式进行车辆内部空间的快速加热，由此可节省否则在燃料电池车辆中必需的空气加热器。

附图标记清单

100'根据现有技术的冷却系统

100冷却系统

10'根据现有技术的冷却循环

10冷却循环

11阳极

11a阳极循环

12燃料电池

13阴极

13a阴极循环

14主循环冷却剂系统

16冷却剂泵

18冷却器

20旁通管路

22调温阀

24'根据现有技术的电气加热设备/加热器

24电气加热设备/加热管路

25过滤单元

26空气负载冷却器

27内部空间热交换

28补偿容器

30可电气加热的冷却剂管路

31布置在外部的加热管路

32加热丝或加热螺旋

33加热网

34集成在冷却剂管路内的加热管路

35壁部。