用于燃料电池车辆的回路系统的制作方法

本发明涉及一种用于燃料电池车辆的回路系统，其中所述回路系统包括：至少一个引导第一流体的第一回路，其中沿着所设置的第一流体的流动方向设置有至少一个压缩机、至少一个作为冷凝器或气体冷却器的换热器、至少一个膨胀机构和至少一个作为蒸发器的另外的换热器；引导第二流体的第二回路，所述第二回路可在与第一回路进行换热连接中运行，所述第二回路尤其用于冷却牵引电池；和引导第三流体的第三回路，所述第三回路可在与第二回路进行换热连接中运行，所述第三回路尤其用于冷却燃料电池装置。燃料电池装置是一个或多个燃料电池的装置，例如作为燃料电池组。在燃料电池装置中借助于电化学工艺由化学能产生电能。在此，燃料例如氢气(h2)，与氧化剂如环境空气反应成为例如水(h2o)以形成电能。因此，在低温pem燃料电池中将氢气(h2)用作燃料。

本发明还涉及一种具有这种回路系统的燃料电池车辆。燃料电池车辆是具有燃料电池装置的车辆，其中通过燃料电池装置产生的电能的至少一部分用于运行车辆的至少一个电驱动马达。燃料电池车辆尤其包括电池动力的机动车辆，所述机动车辆具有増程器模块，所述増程器模块为了产生电能而具有燃料电池装置。由此产生的电能被输送给车辆的储存该电能的牵引电池。因此，牵引电池能够在行驶期间再充电，这与在纯电池运行的情况中相比引起车辆的更高的行程长度。已知的是燃料电池车辆的插入式实施方案，其中牵引电池能够附加地以连接在充电站上的方式再充电。

在牵引电池的运行中以及在燃料电池装置的运行中产生热量，使得对其进行冷却的方案是必要的。对于牵引电池而言，优选的运行温度位于20℃和30℃之间的范围内。在燃料电池装置中，运行温度略高，例如大约80℃。

背景技术：

已知的是如下回路系统，所述回路系统具有用于冷却燃料电池装置的冷却回路和牵引电池的另外的冷却回路，其中在此导出的热量可继续在车辆中使用。因此，de102011076737a1在图1中公开一种用于燃料电池车辆的具有三个回路的回路系统。第一回路(在该处称作为“冷却剂回路50”)是借助于压缩机、冷凝器、膨胀机构、蒸发器和换热器与第二回路(在该处称作为“第一流体传导系统12”)进行换热连接的冷却剂回路。尤其用于冷却牵引电池的第二回路再次借助于换热器提供与第三回路(在该处也称作为“第二流体传导系统70”)的换热连接，其中第三回路用于冷却燃料电池装置。然而，在de102011076737a1中公开的回路系统中经由第二回路加热车辆内部空间。由此不利的是，必须协调加热运行与同样设置在第二回路中的对牵引电池的冷却。此外，在换热器中从第二回路12传输到第一回路50上的热量不利地无法用于加热车辆内部空间。第一回路50在de102011076737a1中没有热泵并且这更加不被考虑。此外，在de102011076737a1中需要将耗费材料、成本或重量的管路系统用于第二回路(在该处称作为“第一流体传导系统12”)，因为用于加热车辆内部空间的换热器的位置和牵引电池的位置能够彼此间以大的间距在车辆中定位。

技术实现要素：

因此，本发明基于如下第一目的，提供一种用于燃料电池车辆的改进的回路系统，所述回路系统包括：至少一个引导第一流体的回路，其中沿着所设置的第一流体的流动方向设置有至少一个压缩机、至少一个作为冷凝器或气体冷却器的换热器、至少一个膨胀机构和至少一个作为蒸发器的另外的换热器；引导第二流体的第二回路，所述第二回路可在与第一回路进行换热连接中运行，所述第二回路尤其用于冷却牵引电池；和引导第三流体的第三回路，所述第三回路可在与第二回路进行换热连接中运行，所述第三回路尤其用于冷却燃料电池装置。相应的第二目的涉及提供一种具有这种回路系统的改进的燃料电池车辆。

第一目的一种用于燃料电池车辆的回路系统实现，所述回路系统至少包括：引导第一流体的、能在热泵运行中运行的第一回路，其中沿着所设置的所述第一流体的流动方向，设置有至少一个压缩机、至少一个作为冷凝器或气体冷却器的换热器、至少一个膨胀机构和至少一个作为蒸发器的另外的换热器，其中在至少一个所述膨胀机构下游和在至少一个所述压缩机上游设置有至少一个第一换热器，所述第一流体能够输送给所述第一换热器；引导第二流体的第二回路，所述第二回路尤其用于冷却至少一个牵引电池，其中在所述第二回路中设置有用于所述第二流体的至少一个运送装置、所述第一换热器和构成用于使所述第二流体与牵引用电池进行换热的换热连接部，其中所述第二流体能够被输送给所述第一换热器以与所述第一流体进行换热；引导第三流体的第三回路，所述第三回路尤其用于冷却燃料电池装置，其中在所述第三回路中设置有用于所述第三流体的至少一个运送装置、换热器和构成用于使燃料电池装置与所述第三流体进行换热的换热连接部，其中所述第三流体能够被输送给所述换热器以与所述第二流体进行换热，其特征在于，所述回路系统还包括引导第四流体的第四回路，并且在所述第四回路中设置有用于所述第四流体的至少一个运送装置、至少一个换热器和/或对流器，所述换热器和/或对流器可输送所述第四流体以加热燃料电池车辆的至少一个内部空间区域，和为了与所述第一流体进行换热能够被输送有所述第四流体的换热器，其中也能够被输送有所述第一流体的所述换热器在所述第一回路中设置在至少一个压缩机下游和至少一个膨胀机构上游。第一目的通过如下方式实现：用于燃料电池车辆的回路系统包括：至少一个引导第一流体的、可在热泵运行中运行的第一回路，其中沿着所设置的第一流体的流动方向设置有至少一个压缩机、至少一个作为冷凝器或气体冷却器的换热器、至少一个膨胀机构和至少一个作为蒸发器的另外的换热器，其中在至少一个膨胀机构下游和在至少一个压缩机上游设置有至少一个第一换热器，第一流体可输送给所述第一换热器；引导第二流体的第二回路，所述第二回路尤其用于冷却至少一个牵引电池，其中在第二回路中设置有用于第二流体的至少一个运送装置、第一换热器和换热连接部，其中为了与第一流体换热能够将第二流体输送给第一换热器，并且所述换热连接部构成用于使第二流体与牵引电池换热；和引导第三流体的第三回路，所述第三回路尤其用于冷却燃料电池装置，其中在第三回路中设置有用于第三流体的至少一个运送装置、换热器和换热连接部，其中为了与第二流体换热可将第三流体输送给所述换热器，并且所述换热连接部构成用于使燃料电池装置与第三流体换热，其中回路系统还包括引导第四流体的第四回路；并且在第四回路中设置有用于第四流体的至少一个运送装置、至少一个换热器和/或对流器，所述换热器和/或对流器可输送第四流体以加热燃料电池车辆的至少一个内部空间区域，和为了与第一流体进行换热可被输送有第四流体的换热器，其中也可被输送有第一流体的这个换热器，在第一回路中设置在至少一个压缩机下游和至少一个膨胀机构上游。根据本发明的回路系统具有如下优点：第一回路在热泵运行中，将由燃料电池装置和牵引电池输出的热量特别有效地用于加热第四回路中的第四流体。因此，能够更有效地、更有利地并且与此同时更简单地加热燃料电池车辆的内部空间。有利的是，第四回路的位置与第二和第三回路的位置无关。由此，节省了用于第二回路的流体管路和阀的材料、成本和重量，所述第二回路不直接用于车辆内部空间的加热。有利地，在将热量从第一流体输出给第四回路时有效地改善第一回路的冷却功率进而也改善第二和第三回路的冷却功率。对于冷却燃料电池装置和牵引电池而言可分别使用特意适应于其的第二和第三流体。

在下文中给出本发明的相应的主题的有利的设计方案、改进方案和改善之处。

按照当前根据本发明的回路系统的一个优选的设计方案，第一回路构成为，使得其中可超临界运行的流体可作为第一流体超临界地运行。在这种以高的内部压力运行的回路中，流体在高压侧上处于超临界状态，使得冷却流体的换热器由于缺少冷凝而是气体冷却器。虽然以超临界的方式工作的、用于车辆的空气调节的装置例如从ep0424474b1和de4432272c2中已知，但是不用于上述回路系统。可用于以超临界的方式运行的回路的流体与常用于冷却剂回路或热泵回路的亚临界运行的冷却剂如fkw(氢氟碳化物)相比对环境的危害要小的多，所述冷却剂因此尤其是常用的r134a。在作为热泵的、以超临界的方式运行的回路中，也可使用如下流体，在所述流体中热泵即使在明显更低的直至-20℃的外部温度中也是能够使用的。尤其有利的是，在第一回路中可以超临界的方式运行的第一流体co2(二氧化碳)，其以冷却剂名称r744市售。co2相对于以亚临界的方式运行的冷却剂对环境的危害是非常小的，能够在直至-20℃的低的环境温度中在热泵运行时使用并且能够简单地且低成本地获得。

优选地，第二和第四流体是水或水-乙二醇-混合物，而第三流体是去离子水。水或水-乙二醇-混合物是具有高的热容量的低成本的且有效的冷却液体或加热液体。去离子水由于其小的导电性而特别适合于冷却燃料电池装置。具有过高的导电性的其他冷却液体可能损坏燃料电池装置以及损害所述燃料电池装置的工作能力。

根据本发明的一个有利的改进方案，在第一回路中，沿着所设置的第一流体的流动方向，在至少一个膨胀机构下游和在至少一个压缩机上游设置有构成为流体-空气-换热器并且可作为蒸发器运行的另外的换热器。由此可经由第一回路单独地或附加于其他冷却装置冷却用于车辆的内部空间的至少一个区域的空气。这提高对车辆内部空间的空气调节的灵活性。同时，由此也能够更好地调整待由第一回路提供到第二回路进而也提供到第三回路上的冷却。

优选地，给第二回路和/或第四回路接通或可接通至少一个加热装置，所述加热装置可附加地加热第二流体和/或第四流体。只要在第四回路中用于加热车辆内部空间的加热功率不够，那么存在如下可能性：附加地加热第四流体进而提高用于加热车辆内部空间的加热功率。在第二回路中借助于可附加地加热第二流体的加热装置存在如下可能性：在牵引电池的温度过低时，例如在-20℃的外部温度中，更好地加热第二流体，以便借助于如此加热的第二流体得到牵引电池的正确的运行温度。这尤其在外部温度低时在燃料电池车辆的起动阶段具有优点。

按照根据本发明的回路系统的一个有利的改进方案，在第二回路中，沿着所设置的第二流体的流动方向，在第一换热器下游在通向构成用于使牵引电池与第二流体进行换热的换热连接部的旁路上游或者在所述旁路中设置有至少一个另外的换热器，用于冷却燃料电池车辆的内部空间的至少一个区域的空气，并且该至少一个另外的换热器可借助于切换装置与第二回路接通和断开。由此，提供如下可能性：通过第一换热器中的第一流体冷却的第二流体冷却车辆内部空间的至少一个区域，例如在驾驶员座席的区域中的空气。通过在第一换热器中冷却的第二流体在此不预先冷却牵引电池，用于车辆内部空间的至少一个区域的如此实现的冷却功率是更高的。此外，在另外的换热器通向牵引电池的旁路构造中甚至可能的是，第二流体根据例如包括三通阀的切换装置的切换，完全不流经与牵引电池的换热连接部，而是替代于此流经具有另外的换热器的旁路。因此，燃料电池车辆的内部空间的至少一个区域的空气经由此实现的冷却是特别好的。在需要冷却牵引电池情况下，能够借助于切换装置再次相应地切换用于冷却牵引电池的第二流体的流动路径。优选地，切换装置具有调控装置，借助于所述调控装置可调控第二流体到至少一个另外的换热器的流动体积的份额和在其旁路构造的情况下也可调控第二流体到与牵引电池的换热连接部的流动体积的份额。由此，提高在第二回路中进行冷却的灵活性。如果在第二回路中沿着所设置的第二流体的流动方向在至少一个另外的换热器下游或在通向所述另外的换热器的旁路构造中，可附加地加热第二流体的加热装置设置在构成用于使牵引电池与第二流体进行换热的换热连接部上游，那么在第二回路中的第二流体的调温作用的灵活性是特别好的。

根据本发明的一个优选的设计方案，在第二回路中，沿着所设置的第二流体的流动方向，在构成用于使牵引电池与第二流体进行换热的换热连接装置下游设置有用于第二流体和第三流体之间的换热的换热器。因此，在与牵引电池相比具有更高的运行温度的燃料电池装置下游连接冷却装置，使得更好地冷却牵引电池。

优选地，根据本发明的回路系统具有控制设备，借助于所述控制设备可控制这些流体在这些回路中的体积流。由此有利的是，可以根据暂时的情况和用途调控回路系统。控制设备例如能够构成为，使得其根据燃料电池装置的、牵引电池的、车辆内部空间的内部空气的和/或外部空气的温度来控制回路中的体积流。

根据一个有利的设计方案，根据本发明的回路系统构成为用于设有电驱动马达和燃料电池装置的公共汽车。对于这种燃料电池车辆而言，回路系统可特别容易使用以及是特别有效的。

最后，上述实施方式基本上能够彼此自由地且不以不受现有的次序限制的方式进行组合，只要所述所述实施方式是彼此独立的。

第二目的通过具有根据本发明的回路系统的燃料电池车辆实现。关于优点以及其他有利的实施方式和改进方案相应地参照上述针对根据本发明的回路系统的说明。

优选地，具有这种根据本发明的回路系统的这种车辆是设有电驱动马达和燃料电池装置的公共汽车。

附图说明

根据附图阐述本发明的实施例。

附图示出：

图1以框图示出用于燃料电池车辆的根据本发明的回路系统的一个实施方式；以及

图2以框图示出用于燃料电池车辆的根据本发明的回路系统的另一实施方式。

所有附图需理解为是示意性的。为了提高示图的清晰度不使用符合比例的图片。

具体实施方式

在图1中以框图示出用于燃料电池车辆的根据本发明的回路系统1的一个实施方式。引导第一流体的第一回路10尤其设置用于作为热泵运行。在该实施例中，第一回路10耐压地设计并且所述回路的部件构成为，使得第一流体在其中能够在超临界范围内运行。第一流体是co2(二氧化碳)。其他适合于超临界的运行的冷却剂也可以考虑作为第一流体。在图1和图2中绘制的箭头说明相应的流体的流动方向。在第一回路10中，沿着所设置的第一流体的流动方向，接入热泵回路的经由冷却剂管路连接的、尤其下述适合于超临界运行的部件：

压缩机3；换热器7的第一侧5，朝向所述第一侧设置有可借助于阀23切换的旁路；另外的换热器9，所述另外的换热器构成为气体冷却器用于作为流体/空气换热器向外与空气进行换热；构成为内部换热器的换热器13的高压侧11；两个彼此并联连接的、构成为膨胀阀的膨胀机构15；构成为蒸发器的换热器17；可与其同时经由这两个膨胀机构15中的一个接通的第一换热器21；和在通向压缩机3的入口上游构成为内部换热器的换热器13的低压侧19。

第二回路30引导第二流体例如水或例如水-乙二醇-混合物。所述第二回路设置为冷却回路。在该实施例中构成为水泵的运送装置31泵送第二流体穿过第一换热器21，所述第一换热器构成为流体-流体-换热器，例如构成为板式换热器。在所述第一换热器21中，在第二流体和第一流体之间交换热量。在第一回路10的热泵运行中，在第一换热器21中第一流体从在第二回路30中引导的第二流体吸收热量。沿着第二流体的流动方向，在换热器21下游设置有切换装置33。在该实施例中，切换装置33包括三通阀。但是也可以考虑其他已知的适合的切换装置33，例如包括两个阀的切换装置33。借助于切换装置33，用于冷却燃料电池车辆的内部空间的至少一个区域的空气的另外的换热器35可与第二回路30接通和断开，即由第二流体穿流或不由第二流体穿流。另外的换热器35构成为流体-空气-换热器，借助于所述另外的换热器，通过被冷却的第二流体从车辆内部空间的至少一个区域的，例如驾驶员座席的区域的空气中提取热量。也可考虑如下实施例，其中多个这种另外的换热器35以可接通和可切断的方式设置在第二回路中，使得不仅能够冷却车辆内部空间的一个区域而且能够一起冷却整个车辆内部空间。可选地，切换装置33具有调控装置，所述调控装置出于概览的原因未在图1中示出，借助于所述调控装置可调控第二流体到至少一个另外的换热器35的流动体积的份额。在该实施例中，在第二回路30中的另外的换热器35下游连接有可附加地加热第二流体的加热装置37。第二流体在换热器35由切换装置33切断时可能直接流向该加热装置37。在这种情况下，加热装置37是由ptc元件构造的电的加热装置。也可以考虑其他已知的适合的加热装置37，例如通过燃烧h2(氢气)工作的加热装置，所述氢气对于运行燃料电池装置55而言可能本就储存在车辆中。根据是否针对燃料电池车辆的牵引电池必须预先加热第二流体，加热装置37进行加热或不进行加热。例如在外部温度低于0℃时，可能在燃料电池车辆的起动阶段中借助于加热装置37预先加热第二流体，由此在第二回路30中连接在下游的牵引电池39达到正确的运行温度。然而，一般来说，牵引电池39在其运行期间需冷却，即通过第二流体从牵引电池39导出热量。在第二回路30中存在构成用于使牵引电池39与第二流体进行换热的换热连接部41，所述换热连接装置。这种换热连接部41能够构成为对于冷却牵引电池39而言常见的类型，例如围绕牵引电池39线圈式伸展的冷却剂管路。对于换热连接部41而言，可以考虑所有已知的适合于此的用于借助于在冷却回路中引导的流体冷却牵引电池39的实施方式。

沿着第二流体的流动方向，在构成用于使牵引电池39与第二流体进行换热的换热连接部41下游，经由在该实施例中构成为三通阀的切换装置43可接通第二流体至第二回路30中的换热器45的流动路径。换热器45构成为流体-流体-换热器，例如构成为板式换热器，并且设置用于第二流体与第三回路50的第三流体的换热。在该处，能够由第三流体将热量输出给第二流体。在第二回路30中由第二流体吸收的热量随后能够再次在第一换热器21中输出给较冷的并且在该处在蒸发时吸收热量的第一流体。第一流体在换热器21上游在膨胀机构15中膨胀。也就是说，换热器21设置在第一回路10的低压区域中。

在第三回路50中引导第三流体。第三回路50尤其设置用于冷却燃料电池装置55。第三流体在该实施例中由去离子水或蒸馏水构成。在构成为水泵的运送装置51下游，沿着第三流体的流动方向，设置有换热器45，第三流体可输送给所述换热器用于与第二流体的换热。串联地连接在燃料电池装置55上游的过滤元件53用于在位于构成用于使燃料电池装置55与第三流体进行换热的换热连接部57的入流中的第三流体中滤除颗粒。这种换热连接部57构成为对于冷却燃料电池装置55已知的和适合的类型，例如围绕燃料电池装置55线圈式地伸展的冷却剂管路，而不局限于此。燃料电池装置50例如包括基于聚合物电解质膜的低温或中温燃料电池，而不局限于此。与燃料电池装置55并联地，在第三回路50中设置有同样待由第三流体冷却的dcdc转换器59，所述dcdc转换器设定燃料电池装置55的电流。在第三回路50中第三流体从与燃料电池装置55的换热连接部57再次流向运送装置51的入口。在第三回路50中，例如还可以考虑设置离子交换器，所述离子交换器吸收溶解在第三流体中的离子，使得不超过第三流体的所允许的电导系数的上限。

引导第四流体的第四回路70，经由构成为流体-流体-换热器，例如构成为板式换热器的换热器7，根据阀23的切换在热量方面与第一回路10的高压区域耦合或解耦。也就是说，换热器7在第一回路10中以在压缩机3下游和这两个膨胀机构15上游可接通的方式设置。第四流体例如是水或水-乙二醇-混合物。其他常用的调温液体也可以考虑作为第四流体。换热器7不仅包含在第一回路10中，即通过其第一侧5包含在第一回路中，而且也包含在第四回路70中，即通过其第二侧73包含在第四回路中。第四流体能够通过构成为水泵的运送装置71泵送穿过换热器7的第二侧73，以便在该处从流过第一侧5的第一流体吸收热量。也可以考虑如下实施方案变型形式：换热器7在第一回路10中设置为没有用于使第一流体穿流的旁路，和/或换热器7是第一回路10中的唯一的气体冷却器或冷凝器。第四流体通过运送装置71流动经过第一换热器7的第二侧73继续以引导穿过对于这种加热回路常见的管路的方式流向可选的、可附加地加热第四流体的加热装置75。第四流体从该处根据另外的阀77、79的切换要么直接流向运送装置71的入口要么仍事先流动穿过车辆内部空间中的对流器81和/或穿过可附加地加热第二流体的另外的加热装置83和用于加热车辆的至少一个内部空间区域的换热器85。在此，至少是指，例如也可以考虑如下实施方案，其不仅加热燃料电池车辆的一个区域而且加热整个内部空间。在换热器85中，将热量从第四流体输出给车辆内部空间的空气或车辆内部空间的一个区域的空气，所述区域例如是车辆的驾驶员的区域。也可以考虑多个接入到第四回路70中的、用于将热量从第四流体交换给车辆内部空间的不同部位处内部空气的换热器85来加热车辆内部空间的不同的区域。为此，可以考虑具有阀线路的已知的设计方案，所述阀线路除了一个或多个对流器81以外，借助于穿过换热器85的第四流体的热量实现彼此独立地加热车辆内部空间的各个区域。附加地加热第四流体的加热装置75、83例如是适合的并且对此已知的可以400v交流电压的运行的ptc加热器或例如是可借助于氢气作为燃料运行的加热装置。

也就是说，引导第一流体的第一回路10能够在热泵运行中将从燃料电池装置55传输到第三回路50中的第三流体上并且继续传输到第二流体上的热量以及从牵引电池39传输到第二回路30中的第二流体上的热量泵送至引导第四流体的第四回路70。

借助于回路系统1的在图1中出于概览性原因未示出的控制设备，控制在四个回路10、30、50、70中的体积流。也经由控制附加的加热装置37、75、83。可以考虑通过控制设备进行自动控制。因此，例如能够根据牵引电池39的和/或燃料电池装置55的和/或外部空气的和/或在车辆内部空间中的或在车辆内部空间的区域中的空气的温度进行自动控制。

原则上还可考虑第一回路的如下实施方案，其中第一流体在亚临界范围内运行，如在对此常见的由fkw构成的冷却剂中那样。

在图2中，以框图示出用于燃料电池车辆的根据本发明的回路系统1的另一实施方式。除了第二回路30的具有切换装置33、至少一个另外的换热器35、可附加地加热第二流体的加热装置37和构成用于使第二流体与牵引电池39进行换热的换热连接部41的部分以外，该实施方式对应于在图1中所示出的实施方式。由此，关于回路系统1的其余部分的说明和附图标记参见上述关于图1的说明，所述其余部分尤其是第一回路10、第三回路50、第四回路70连同其部件和控制设备。

至少一个用于冷却燃料电池车辆的内部空间的至少一个区域的空气的换热器35，在第二回路中设置在通向可附加地加热第二流体的加热装置37和构成用于使牵引电池39与第二流体进行换热的换热连接部41的旁路构造中。切换装置33在这种情况下包括可调控的三通阀，而不局限于此。切换装置33切换第二流体的流动路径，即一方面通过具有至少一个另外的换热器35的旁路而另一方面通过加热装置37和通过构成用于使牵引电池39与第二流体进行换热的换热连接部41切换第二流体的流动路径。切换装置33具有出于概览性原因未在图2中示出的调控装置，借助于所述调控装置可调控第二流体到至少一个另外的换热器35的流动体积的份额并且也可调控第二流体到加热装置37和到与牵引电池39的换热连接部41的流动体积的份额。因此，能够根据一方面针对牵引电池39而另一方面针对车辆内部空间的至少一个区域的空气的冷却需求，在第二回路中的第二流体的这两个路径之间无级地调控通过第二流体引起的相应的冷却作用。

回路系统1的在图1和图2中示出的实施例例如构成为用于设有电驱动马达和燃料电池装置55的公共汽车。还可以考虑，将根据本发明的回路系统1的设计方案用于其他燃料电池车辆，如尤其其他公路机动车辆。