用于运行燃料电池堆的换热器系统的制作方法

用于运行燃料电池堆的换热器系统


背景技术：

1.基于氢的燃料电池被认为是未来移动概念的基础，因为这些基本上仅排放水并实现快速加燃料时间。例如，pem燃料电池(pem，英文：“proton-exchange-membrane”；德文：protonen-austausch-membran，质子交换膜)可以用输送给燃料电池的阴极的、具有氧气作为氧化剂的空气和输送给燃料电池的阳极的、作为燃料的氢气在电催化的电极过程中运行，以便以高效率输送电能。
2.经经压缩的阴极气体能够实现直至200℃的温度。为保护连接在后的组件、如阴极气体加湿器或者燃料电池堆本身，则必须通过换热器、例如所谓的中冷器将阴极气体冷却到《120℃。


技术实现要素：

3.借助在多个被输送的或者被排出的阴极气体中的换热器，能够给燃料电池堆的主冷却回路减轻负担，能够借助涡轮机提高废气热焓回收的效率，能够借助中间冷却改善第二压缩机阶段的效率，并且能够保护燃料电池堆防止过高的进气口温度。在此，必须针对燃料电池堆的对应运行状态优化这些效应的程度。
4.相应于本发明的方面，提出至少部分地解决所描述的任务的一种用于运行燃料电池堆的换热器系统、一种用于控制该换热器系统的方法、一种对该换热器系统的应用、一种计算机程序和一种相应于独立权利要求的特征的机器可读的存储介质。有利构型是从属权利要求以及以下说明书的主题。
5.本发明基于以下认识：通过换热器系统的换热器之间的适当的热可变耦合，能够针对燃料电池堆的不同运行条件优化被输送的和/或被排出的阴极气体的温度。
6.根据一个方面，提出一种用于运行燃料电池堆的换热器系统，该换热器系统具有用于输送给燃料电池堆的阴极气体的第一压缩机和第二压缩机，其中，第二压缩机在流体方面布置在第一压缩机之后。此外，该换热器系统具有涡轮机，该涡轮机与第二压缩机机械式耦合并且该燃料电池堆的被排出的阴极气体流向该涡轮机。此外，该换热器系统具有第一换热器，该第一换热器热耦合到第一压缩机和第二压缩机之间的被输送的阴极气体上，并且此外具有第二换热器，该第二换热器热耦合到第二压缩机后面的被输送的阴极气体上，并且进一步具有第四换热器，该第四换热器热耦合到涡轮机后面的被排出的阴极气体上，其中，第四换热器与第一换热器和第二换热器热可变地耦合，以便控制用于冷却第一换热器和第二换热器的热交换。
7.这种可变热耦合可以通过气体-冷却剂换热器借助换热器之间的冷却剂交换，通过气体-气体换热器，借助换热器之间的气流交换实现，或者换热器之间的用于这些换热器之间进行热交换的其他热耦合，例如通过不同的导热材料或者可变的接触面，来实现。可变热耦合尤其可以理解为在持续运行中能够被改变的热耦合，但此外也可以理解为换热器系统内部的能够在结构上可变地调整热耦合的热耦合。后者尤其是通过在流体流中、换热器之间的接触面中等使用节流部。
8.在此，方向说明针对所涉及的流体的方向。
9.借助这种换热器系统，尤其能够优化在换热器系统内的阴极气流的温度。
10.尤其可以通过可变热耦合使第一压缩机和第二压缩机之间的阴极气体的温度达到尽可能低的温度水平，以便实现第二压缩机的更好效率，由此也导致使电压缩减轻负担。由于须耗费较少的能量用于压缩，所以能够降低燃料电池堆的功率，由此导致降低的成本。
11.由可变热耦合以有利的方式导致能够使对第二压缩机后面的阴极气体的冷却达到尽可能低的温度水平，以便实现特别好地保护燃料电池堆防止热降解，而因此使得能够实现使用寿命的提高。此外，有利地得出对主冷却回路的减轻负担，因为冷却功率的一部分是借助阴极空气实现的。
12.第四换热器以有利的方式实现在排气管之前将被排出的阴极气体加热到更高的温度水平，以便减少来自排气管的水滴。
13.根据一个方面提出，换热器系统具有第三换热器，该第三换热器与沿着流体方向处于涡轮机前面的被排出的阴极气体热耦合，并且其中，所述第一换热器和第二换热器与第三换热器热可变地耦合，以便控制用于加热第三换热器的热交换。
14.借助该热可变的耦合，能够对在涡轮机之前将被排出的阴极气体的加热到尽可能高的温度水平进行优化，以便实现更好的涡轮机效率而由此实现对电压缩的减轻负担。在此，通过减少对于阴极气体的压缩所必要的电功率也能够实现燃料电池堆功率的降低，由此也能够导致成本的减少。
15.根据一个方面提出，第四换热器借助冷却剂和第一三通阀不仅与第一换热器而且与第二换热器热可变地耦合，以便在第二压缩机之前或者之后冷却阴极气体。
16.可以通过三通阀如此划分通过第一换热器冷却的冷却剂，使得不仅将第一换热器后面的阴极气体而且将第二换热器后面的阴极气体冷却大约70℃。
17.根据一个方面提出，第一换热器和第二换热器借助冷却剂和第二三通阀与第三换热器热可变地耦合，以便在涡轮机之前向被排出的阴极气体输送热量。
18.通过第二三通阀能够优化地混合来自第一换热器和第二换热器的冷却剂流，从而第三换热器能够使从燃料电池堆排出的阴极气体达到高的温度水平。
19.根据一个方面提出，第二换热器借助冷却剂与第三换热器热耦合，以便在涡轮机之前向被排出的阴极气体输送热量。
20.换言之，通过第二与第三换热器之间的冷却剂的直接在流体方面的耦合，实现特别直接的热耦合，该热耦合例如可以借助在流体方面的连接中的可调整的节流部或者借助在两个换热器之间在流体方面的连接的直径来调整。
21.借此能够提高在涡轮机之前的温度，以便改善涡轮机的效率。
22.根据一个方面提出，换热器系统具有冷却剂泵，并且所述借助冷却剂进行的热耦合设置为用于借助该冷却剂泵实现该冷却剂在第一换热器至第四换热器之间的流动。
23.根据一个方面提出，换热器系统具有第五换热器，该第五换热器与沿着流体方向处于第三换热器前面的被排出的阴极气体热耦合，并且与第一换热器热耦合，以便吸收热量。在此，第一换热器与第五换热器之间的耦合尤其可以设置为是热可变的。
24.根据一个方面提出，第五换热器借助冷却剂与第一换热器热耦合。
25.根据一个方面提出，在第四换热器与第一换热器和第二换热器的热耦合之间插入
与冷却器设备的热耦合。
26.因此能够实现，优化地也将另外的设备冷却。
27.根据一个方面提出，该冷却器设备具有功率电子器件冷却器和/或逆变器冷却器和/或马达冷却器和/或转换器冷却器。
28.作为马达冷却器的示例的转子-轴(rotor-welle)单元不仅可以是电动机驱动的而且可以是涡轮机驱动的，由于转子-轴系统中的损耗或者说摩擦、例如由于高转速引起的轴承损耗，转子-轴单元必须被冷却。
29.在此列出的冷却器不仅可以串联地而且可以并联地并且可以串联并联混合地热耦合。
30.因为不仅尤其功率电子装置而且转子-轴单元都要求低温度水平，所以可以将换热器系统的最低温度水平用于首先冷却功率电子器件然后冷却转子-轴单元。即，不仅能够实现热耦合的串联式连接而且能够实现热耦合的并联式连接。
31.因此以有利的方式能够实现全面优化地将另外的热源集成到换热器系统的总方案中。
32.此外能够实现在结构上集成到空气模块中，该空气模块不仅紧凑而且集成式地包含换热器系统的空气压缩组件以及传热组件。
33.此外能够得出在必需的安装空间方面的优点，因为对于功率电子器件或者转子-轴单元的冷却、即马达冷却不要求至另外的冷却系统的单独接头。
34.提出一种用于控制在上文中所描述的换热器系统的方法，其中，该换热器系统具有第一温度传感器和第二温度传感器，并且该第一温度传感器布置为用于测量在第二压缩机之前被输送的阴极气体的温度，并且该第二温度传感器布置为用于测量在涡轮机之前被排出的阴极气体的温度。在此，这样控制第一三通阀和/或第二三通阀：使得第二温度传感器的温度最大和/或第一温度传感器的温度最小。
35.提出一种对在上文中所描述的换热器系统的应用，用于给移动平台供给电能。
36.移动平台可以是至少部分自动化的系统，该系统是移动的和/或是驾驶员辅助系统。一个示例可以是至少部分自动化的车辆或者说具有驾驶员辅助系统的车辆。即，就此而言，至少部分自动化的系统包含与至少部分自动化功能性相关的移动平台，但移动平台也包含车辆和包含驾驶员辅助系统的其他移动式机器。移动平台的另外的示例可以是具有多个传感器的驾驶员辅助系统、移动多传感器机器人——例如机器人吸尘器或者除草机、多传感器监控系统、制造机、私人助手或者访问控制系统。这些系统中的每个系统都可以是完全或部分地自主的系统。
37.因为对电能的高效使用对于燃料电池系统的尤其是在移动平台上的运行是重要的，所以尤其对于移动平台的电供给得出这种系统的优点。
38.所描述的用于运行燃料电池堆的换热器系统也可以用于静态的应用。
39.提出一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，所述指令在通过计算机执行该计算机程序时促使该计算机实施在上文中所描述的任一种方法。这种计算机程序实现在不同的系统中简单地使用所描述的方法。
40.说明了一种机器可读的存储介质，在该存储介质上存储有在上文中所描述的计算机程序。
附图说明
41.以下参照附图1至7更详细地对本发明的实施例进行阐述。这些附图在此示出：
42.图1：用于运行燃料电池堆的换热器系统；
43.图2：用于运行燃料电池堆的换热器系统的一种变型方案；
44.图3：用于运行燃料电池堆的换热器系统的另一变型方案；
45.图4：用于运行燃料电池堆的换热器系统的另一变型方案；
46.图5：用于运行燃料电池堆的换热器系统的另一变型方案；
47.图6：用于运行燃料电池堆的换热器系统的另一变型方案；和
48.图7：用于运行燃料电池堆的换热器系统的另一变型方案。
具体实施方式
49.图1绘出用于运行燃料电池堆的换热器系统100，该换热器系统具有燃料电池堆190的阴极侧195、第一压缩机142和与涡轮机155机械式耦合的第二压缩机150。
50.在阴极路径中，阴极气体被输送给燃料电池堆190的位于上游的阴极侧195，并在该阴极侧195的下游被导入周围环境中。
51.在上游，通过空气过滤器145从周围环境191引导空气作为阴极气体用于供给燃料电池堆190的阴极侧195，以便从空气中过滤有害颗粒和尤其是有害的化合物。借助用马达m驱动的第一压缩机142将经过滤的空气的阴极气流输送给与该阴极气流热耦合的第一换热器110。该第一换热器110从经压缩的阴极气流吸收热量，以便在借助第二压缩机150进行第二次压缩之前冷却通过第一压缩机142加热的阴极气体，以便提高该阴极气流的压缩过程的效率。第一换热器110将这些热量耦合给与第一换热器110热耦合的冷却剂。经冷却的阴极气流被输送给第二压缩机150以进一步被压缩。
52.借助例如无马达地被驱动的第二压缩机150将进一步经压缩的阴极气流输送给第二换热器120，该第二换热器与该进一步经压缩的阴极气流热耦合。
53.该第二换热器120从进一步经压缩的阴极气流吸收热量，以便冷却通过第二压缩机150加热的阴极气体，以便控制该阴极气流进入燃料电池堆190的阴极侧195中的进气口温度。第二换热器120将这些热量耦合给与第二换热器120热耦合的冷却剂。这些再次经冷却的阴极气流被导入燃料电池堆190的阴极侧195的输入接头。
54.在燃料电池堆190的下游，阴极气流动过燃料电池堆190的阴极侧195的输出接头192被输送给第三换热器130，该第三换热器与从燃料电池堆190的阴极气体侧195被排出的阴极气流热耦合。
55.该第三换热器130将热量输出到被排出的阴极气流，以便加热这些被排出的阴极气流，因此提高这些被排出的阴极气流的温度以用于布置在下游的涡轮机的高效运行。第三换热器130从与第三换热器130热耦合的冷却剂中耦合这些热量。这些经加热的被排出的阴极气流被引导向涡轮机155用于涡轮机155的用于回收来自被排出的阴极气流的能量的运行。该卸压的阴极气流从涡轮机155被输送给与该卸压的阴极气流热耦合的第四换热器140。
56.第四换热器140与冷却剂热耦合并从该冷却剂将热量输出到被卸压的阴极气流，以便降低该冷却剂的温度。
57.然后，以这种方式被加热的、在燃料电池堆190的阴极侧195的下游流动的、从第四换热器140出来的阴极气流被输出到燃料电池堆190的周围环境中。
58.通过第一三通阀161，从第四换热器140出来的经冷却的冷却剂不仅被输送给第一换热器110而且被输送给第二换热器120，并且可以通过该可控制的三通阀161提供第四换热器140与第一换热器110和第二换热器120的热可变耦合。
59.从第一换热器110和第二换热器120出来的经加热的冷却剂通过可控制的第二三通阀162被输送给第三换热器130，并且由此可以提供第一换热器110和第二换热器120与第三换热器130的热可变耦合。因此能够借助对第一三通阀161和第二三通阀162的控制这样控制这些换热器之间的热交换，使得热交换能够针对燃料电池堆的不同运行条件被优化。
60.借助将第三换热器130的冷却剂的冷却剂输出端与第四换热器140的冷却剂输入端在流体方面的连接的冷却剂泵165，冷却剂能够在所述的冷却剂回路中被泵送并因此被交换。冷却剂回路因此闭合。冷却剂泵165也可以安装在其他位置中，例如在换热器140与三通阀161之间。
61.在此，所有的换热器110、120、130、140都能够借助冷却剂相对于阴极气流以逆流原理运行。
62.图2绘出作为相对于在前述换热器系统100的变型方案的换热器系统200，其中，第二换热器120的冷却剂的冷却剂输出端通过在流体方面的连接167直接与第三换热器的冷却剂输入端连接。因为该变型换热器系统200仅具有第一三通阀161，所以第一换热器110的冷却剂输出端在图示中直接与第四换热器140的冷却剂输入端耦合。因此能够借助第一三通阀161在换热器系统200中提供第四换热器140与第一换热器110以及第二换热器120之间的可变热耦合。
63.图3绘出作为相对于图2中所描述的系统200的变型方案的换热器系统300，该换热器系统具有第五换热器170，该第五换热器与沿着流体方向处于第三换热器前面的被排出的阴极气体热耦合并且与第一换热器热耦合，以便吸收热量。在此，该热耦合通过第一换热器110的冷却剂输出端与第五换热器170的冷却剂输入端在流体方面的连接来实现，并且该冷却剂输出端通过在流体方面的连接169不仅与第三换热器130的冷却剂输出端166而且与冷却剂泵165的输入端耦合。由此导致不仅来自第三换热器130的冷却剂流而且来自第五换热器170的冷却剂流共同流向该冷却剂泵165的输入端中。
64.图4绘出作为相对于图1中所描述的系统100的变型方案的换热器系统400，在该换热器系统400中，在第四换热器140与第一换热器110和第二换热器120的热耦合之间插入与冷却器设备的热耦合。在此，该冷却器设备具有功率电子器件冷却器和马达冷却器。该热耦合是在换热器系统400中通过如下方式实现：第四换热器140的冷却剂输出端首先与功率电子器件冷却器410在流体方面耦合以便冷却功率电子器件，随后与马达冷却器420在流体方面耦合以便冷却马达。然后，马达冷却器420的冷却剂输出端与第一三通阀161在流体方面耦合。
65.图5绘出作为相对于图4中所描述的系统400的变型方案的换热器系统500，该换热器系统将第四换热器140的冷却剂输出端与功率电子器件冷却器并且与马达冷却器420并联耦合。在此，功率电子器件冷却器410与第四换热器140的流体耦合531具有节流部510，以便调整功率电子器件冷却器410与马达冷却器420之间的热耦合。功率电子器件冷却器410
和马达冷却器420的两个冷却剂输出端在流体方面合并，并被输送给第一三通阀161。与换热器系统400的不同在于，通过两个冷却器410和420对冷却剂并联引导。
66.图6绘出作为相对于图4中所描述的系统400的变型方案的换热器系统600，该换热器系统具有用于第二压缩机150的马达冷却器610，该马达冷却器在第四换热器140与第一三通阀161之间在流体方面地且串联地热耦合。即，马达冷却器420的冷却剂输出端与马达冷却器610的冷却剂输入端在流体方面耦合，并且马达冷却器610的冷却剂输出端与第一三通阀161在流体方面耦合。
67.图7绘出作为相对于图5中所描述的系统500的变型方案的换热器系统700，该换热器系统具有第四换热器140一方面与功率电子器件冷却器410和马达冷却器420在流体方面并联并且另一方面与第二压缩机150的马达冷却器610在流体方面且并联的热耦合。即，从第四换热器的冷却剂输出端出来的冷却剂流一方面被引导到功率电子器件冷却器410和马达冷却器420在流体方面的并联耦合中，另一方面在流体方面并联地被引导通过第二压缩机150的马达冷却器610，并且在第一三通阀161处与对应的并联运行的冷却剂分支合并。在此，可以借助布置在向马达冷却器420的冷却剂输送中的第一节流部710和布置在来自第四换热器140和第二压缩机150的马达冷却器610的冷却剂输送中的第二节流部720，来划分在并联运行的冷却剂分支之间的冷却剂流，因此能够调整向这两个冷却剂分支中的热耦合。
68.本领域技术人员看出，除了在此示出的用于运行燃料电池堆的换热器系统的拓扑外，本发明的教导也可以借助其他拓扑来实现。例如借助具有多个压缩器的空气系统或者其他的泵阀通路。