Das Brennstoffzellensystem ist im Allgemeinen mit zwei Kühlkreisläufen ausgestattet. Zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels wird ein Hochtemperatur-Kühlkreislauf eingesetzt. Zur Kühlung weiterer Systemkomponenten ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf. Dies liegt zum einen an unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturniveaus und zum anderen an Leitfähigkeitsanforderungen an das Kühlmittel im HT-Kühlkreislauf.
In Brennstoffzellensystemen werden Kühlmittelpumpen benötigt, um für die einzelnen Kühlkreisläufe den erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom bereitzustellen. [1]
Arten
Zur Förderung des Kühlmittels kommen unterschiedliche Funktionsprinzipien für Pumpen in Frage. Diese sind zum Großteil analog zu den Pumpen und Kompressoren für die Reaktionsgase und eine beispielhafte Auswahl wird folgend aufgeführt:
- Radialpumpe
- Klauenpumpe
- Rootspumpe
- Scrollpumpe
Anforderungen
Im Vergleich zu den Pumpen und Kompressoren für die Reaktionsgase müssen die Kühlmittelpumpen auf das Kühlmittelfluid ausgelegt werden. Abhängig von dem Brennstoffzellensystem und der Einsatzumgebung in der das Fahrzeug eingesetzt wird, ist der erforderliche Kühlmittelvolumenstrom und der zu überwindende Differenzdruck über die Pumpe bereitzustellen. Gleichzeitig sollte die erforderliche Antriebsleistung möglichst gering sein, um den Einfluss auf die Systemeffizienz zu minimieren. Im HT-Kühlkreislauf spielt die Materialwahl eine entscheidende Rolle. Es ist zu verhindern, dass ein Ioneneintrag aus den verwendeten Materialien in das aggressive nicht leitfähige Brennstoffzellenkühlmittel erfolgt. Ebenso sollte ein Eintrag von leitfähigen Stoffen aus beispielsweise Schmierstoffen oder Fertigungsrückständen vermieden werden.
Herausforderungen
Schwerpunkt bei der Entwicklung von Kühlmittelpumpen liegt neben den spezifischen Materialanforderungen vor allem in der Auslegung und Betriebsstrategie. Durch gezielte Regelung und Kopplung der Kühlkreisläufe untereinander gilt es den parasitären Leistungsbedarf der Pumpen zu reduzieren.
Literatur
[1] A. Kampker, H. H. Heimes, F. Schmitt, T. Hadzovic und M. Betz, „Simulation-Based Development of Thermal Management for Heavy Duty Fuel Cell Commercial Vehicles,“ in 23. Internationales Stuttgarter Symposium: Automobil- und Motorentechnik, A. C. Kulzer, H.-C. Reuss, A. Wagner und FKFS, Hg., 2023, S. 487–502, doi: 10.1007/978-3-658-42048-2_35.
