AT524413B1

AT524413B1 - Kühlvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug

Info

Publication number: AT524413B1
Application number: ATA50119/2021A
Authority: AT
Inventors: Mayr Dr Johannes
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-06-15
Also published as: AT524413A4; DE102022103984A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) in einem Fahrzeug (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zur Führung eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) im primären Kühlmittel (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (30) mit einem Aufnahmebehälter (32) zur Aufnahme von Wasser als sekundärem Kühlmittel (SK) und einem Druckerzeuger (34) zur Erzeugung eines definierten Aufnahmedrucks (AP) im Aufnahmebehälter (32), wobei im Aufnahmebehälter (32) ein Wärmetauscher (26) angeordnet ist zur Führung des primären Kühlmittels (PK) als Teil des primären Kühlkreislaufs (20) zur Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel (PK) an das im Aufnahmebehälter (32) befindliche sekundäre Kühlmittel (SK), wobei weiter der Aufnahmebehälter (32) zumindest einen semipermeablen Wandungsabschnitt (36) in Form eines Verdunstungsabschnitts (38) aufweist für eine Verdunstung von sekundärem Kühlmittel (SK) durch den Verdunstungsabschnitt (38) hindurch in die Umgebung zur Erzeugung einer Verdunstungskühlung des sekundären Kühlmittels (SK) im Aufnahmebehälter (32).

Description

Beschreibung

KÜHLVORRICHTUNG ZUR WENIGSTENS TEILWEISEN KÜHLUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS IN EINEM FAHRZEUG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden sollen, um den Antrieb eines Fahrzeugs zu unterstützen oder diesen vollständig zur Verfügung zu stellen. Solche bekannten Brennstoffzellensysteme sind üblicherweise mit einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgestattet, welche mit einem Brenngas, insbesondere Wasserstoff, elektrischen Strom für den Antrieb mithilfe eines Elektromotors erzeugen. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ist dabei die Einhaltung eines Betriebstemperaturfensters notwendig. Bei Wasserstoffbrennstoffzellen, sogenannten PEM-Brennstoffzellen, liegt dieses Betriebstemperaturfenster im Bereich von circa 100 C°. Um im Betrieb dieses Temperaturfenster einzuhalten, sind bekannte Brennstoffzellensysteme üblicherweise mit Kühlvorrichtungen und Kühlkreisläufen ausgestattet. Diese Kühlkreisläufe führen ein Kühlmittel im Kreis, welches innerhalb des Brennstoffzellensystems, beispielsweise über Wärmetauscher im Brennstoffzellenstapel, Wärme im Kühlmittel aufnehmen kann. Das auf diese Weise erwärmte Kühlmittel transportiert diese Wärme aus dem Brennstoffzellensystem ab und gibt diese, zum Beispiel über einen Abgabeabschnitt in der Front des Fahrzeugs, an die Umgebung ab. Das auf diese Weise wieder gekühlte Kühlmittel wird dem Kreislauf zurückgeführt und steht dem erneuten Wärmetransport aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung zur Verfügung.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Kühlvorrichtungen an der Spitzenlastsituation und damit über die gesamte Betriebsspanne eines Brennstoffzellensystems ausgelegt sein müssen. Dies gilt auch dann, wenn eine Spitzenlast nur in sehr kurzen Zeitspannen und/oder nur sehr selten auftritt. Handelt es sich bei dem Fahrzeug beispielweise um ein Nutzfahrzeug, so wird eine Spitzenlast nur auftreten, wenn beispielsweise eine Bergfahrt unter voller Beladung erfolgt oder aber bei einem kurzen Anfahrprozess mit schwerer Last. Die meiste Zeit, beispielsweise im Autobahnbetrieb, befindet sich das Nutzfahrzeug und damit auch das Brennstoffzellensystem in einer Betriebssituation, welche deutlich unterhalb der Spitzenlast liegt. Die Auslegung der Kühlvorrichtung auf die Spitzenlast führt jedoch dazu, dass ein sehr hohes Gewicht, entsprechend hohe Kosten sowie hoher Platzbedarf für diese Kühlvorrichtung berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise sind größere Strömungsdurchmesser, eine größere Menge an Kühlmittel und größere Kühlflächen an den Abgabeabschnitten zur Umgebung notwendig. Dies führt zu entsprechenden Kostennachteilen, Gewichtsnachteilen und einer schlechteren Platzausnutzung beim Nutzfahrzeug.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kühlung zu sichern und gleichzeitig leichter, kostengünstiger und/oder kleiner zu bauen.

[0005] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0006] Erfindungsgemäß dient eine Kühlvorrichtung der wenigstens teilweisen Kühlung eines

Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug. Hierfür ist ein primärer Kühlkreislauf zur Führung eines primären Kühlmittels vorgesehen, welches mit einem Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem im primären Kühlmittel ausgestattet ist. Weiter weist die Kühlvorrichtung einen sekundären Kühlkreislauf auf mit einem Aufnahmebehälter zur Aufnahme von Wasser als sekundärem Kühlmittel. Weiter ist im sekundären Kühlkreislauf ein Druckerzeuger vorgesehen, zur Erzeugung eines definierten Aufnahmedrucks im Aufnahmebehälter. Im Aufnahmebehälter ist ein Wärmetauscher angeordnet zur Führung des primären Kühlmittels als Teil des primären Kühlkreislaufs zur Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel an das im Aufnahmebehälter befindliche sekundäre Kühlmittel. Weiter weist der Aufnahmebehälter zumindest einen semipermeablen Wandungsabschnitt in Form eines Verdunstungsabschnitts auf für eine Verdunstung von sekundärem Kühlmittel durch den Verdunstungsabschnitt hindurch in die Umgebung zur Erzeugung von Verdunstungskühlung des sekundären Kühlmittels im Aufnahmebehälter.

[0007] Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke beruht darauf, dass die bekannten Lösungen mit einem einzigen Kühlkreislauf, in zwei separate Kühlkreisläufe umgesetzt werden. Der primäre Kühlkreislauf kann dabei auf eine reguläre Betriebssituation, beispielsweise bis circa 80 % der Spitzenlast des Brennstoffzellensystems, ausgelegt sein und auf diese Weise die grundlegende Kühlfunktion zur Verfügung stellen. Der sekundäre Kühlkreislauf erlaubt eine Zusatzkühlung, welche insbesondere in einer Spitzenlastsituation eingeschaltet werden kann, um in einer solchen Spitzenlastsituation eine zusätzliche Kühlfunktion zur Verfügung zu stellen. Bereits hier ist gut zu erkennen, dass in der Summe ein primärer Kühlkreislauf und ein sekundärer Kühlkreislauf kleiner, leichter sowie kostengünstiger ausgestaltet sein können, als dies bei einem einzigen, großen Hauptkühlkreislauf möglich wäre.

[0008] Alternativ ist auch eine Betriebsstrategie denkbar, bei welcher der sekundäre Kühlkreislauf permanent oder im Wesentlichen permanent in Betrieb ist. Da der sekundäre Kühlkreislauf keine Durchströmung durch das Fahrzeug benötigt, ist dieser sekundäre Kühleffekt mit geringer oder sogar bei niedriger Last für das Brennstoffzellensystem ohne wesentlicher Durchströmung erzielbar. Die geringe oder sogar im Wesentlichen vermiedene Durchströmung reduziert den Luftwiderstand beim Betrieb des Fahrzeugs und damit direkt den Brennstoffverbrauch sowie Last auf das Brennstoffzellensystem. Beispielsweise ist ein mechanisches Schließen eines Strömungsweges durch einen Abgabeabschnitt des primären Kühlkreislaufs, beispielsweise mittels einer Jalousiemechanik, denkbar.

[0009] Erfindungsgemäß wird dieser Vorteil noch weiter dadurch verstärkt, dass der sekundäre Kühlkreislauf eine passive Kühlung zur Verfügung stellen kann. Dies beruht auf der Tatsache, dass Wasser beim Verdunsten, also beim Phasenübergang aus der flüssigen Phase in die gasförmige Phase unterhalb der Siedetemperatur, dem verbleibenden flüssigen Wasser eine Verdunstungsenthalpie entzieht. Bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung führt dies dazu, dass Wasser, welches als sekundäres Kühlmittel im sekundären Kühlkreislauf und dort im Aufnahmebehälter angeordnet ist, durch entsprechende Verdampfung einen Kühleffekt zum Kühlen des verbleibenden Wassers zur Verfügung stellen kann. Um dieses Verdunsten zu gewährleisten, ist der Aufnahmebehälter mit wenigstens einem semipermeablen Wandungsabschnitt ausgestattet. Darunter ist ein Wandungsabschnitt zu verstehen, durch welchen hindurch Wasser in dampfförmiger Phase hindurchtreten kann. Wasser und damit sekundäres Kühlmittel in flüssiger Phase können jedoch nicht durch diesen semipermeablen Wandungsabschnitt austreten, sodass ein Auslaufen des Aufnahmebehälters vermieden wird. Wie später noch erläutert wird, kann der Verdunstungsabschnitt entsprechend mit einem Außenkarosserieabschnitt des Fahrzeugs korreliert werden, sodass durch die Anordnung in einem umströmten Bereich der Karosserie des Fahrzeugs, diese Umströmung dazu führt, dass ein Verdunsten von Wasser aus dem Aufnahmebehälter durch den Verdunstungsabschnitt hindurch an die Umgebung unterstützt wird. Wie bereits erläutert, findet dieses Verdunsten unter Entzug der Verdunstungsenthalpie vom verbleibenden flüssigen sekundären Kühlmittel im Aufnahmebehälter statt, sodass dieses durch den Verdunstungsvorgang gekühlt wird. Auf diese Weise gekühltes sekundäres Kühlmittel im Aufnahmebehälter, kann nun durch die Anordnung des Wärmetauschers innerhalb des Aufnahmebehälters

dazu dienen, einen zusätzlichen Kühleffekt auf das primäre Kühlmittel innerhalb dieses Wärmetauschers auszuüben.

[0010] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist eine passive Kühlung möglich. Das bedeutet, dass keine aktiven Bestandteile, wie beispielsweise Kompressoren, Gebläse oder Ähnliches notwendig sind, um diese Zusatzkühlung gewährleisten zu können. Insbesondere kann eine einfache Verdunstung durch die Triebkraft des Druckunterschiedes zwischen dem Aufnahmedruck im Aufnahmebehälter und dem Umgebungsdruck in der Umgebung außerhalb des Aufnahmebehälters, zur Verfügung gestellt sein. Wie dies später noch erläutert wird, kann selbstverständlich eine aktive Kontrolle erfolgen, um beispielsweise durch ein Erhöhen des Aufnahmedrucks und damit ein Erhöhen der Druckdifferenz zur Umgebung, diesen Verdunstungseffekt noch weiter zu verstärken und damit die Zusatzkühlung zu intensivieren.

[0011] Wie ebenfalls später noch erläutert wird, kann Produktwasser, welches beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, für die Verwendung in dem Aufnahmebehälter abgezweigt werden.

[0012] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass einfaches Wasser als sekundäres Kühlmittel verwendet werden kann. Somit ist kein Rückgriff auf teure oder chemisch aufwendige sekundäre Kühlmittel notwendig, sondern vielmehr ein einfaches, kostengünstiges und überall erhältliches Fluid als sekundäres Kühlmittel einsetzbar.

[0013] Wie dies ebenfalls später noch näher erläutert wird, findet eine weitere Unterstützung der Verdunstungskühlung dadurch statt, dass der Verdunstungsabschnitt beispielsweise in Bereichen des Fahrzeugs angeordnet werden kann, welche relativ stark umströmt sind. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der umströmenden Luftströmung, führt dies zu einem verstärkten Luftaustausch und damit einem verstärkten Konzentrationsunterschied, welcher wiederum den Verdunstungseffekt intensiviert. Darüber hinaus führt eine starke Umströmung, beispielsweise durch die Anordnung des Verdunstungsabschnitts an einer Seitenkante des Fahrzeugs, dazu, dass der Umströmungsdruck an dieser Position abnimmt und sich das Druckverhältnis mit einer höheren Druckdifferenz zum Aufnahmedruck einstellt. Auch dies führt zu einer Intensivierung des erläuterten Kühleffekts.

[0014] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der primäre Kühlkreislauf, insbesondere stromabwärts des Wärmetauschers, einen Abgabeabschnitt aufweist, für eine Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel an die Umgebung. Wenn grundsätzlich, je nach notwendiger Gesamtkühlleistung, eine Kühlvorrichtung auch alleine durch die Verdunstungskühlung den gewünschten Kühleffekt zur Verfügung stellen kann, wird doch bevorzugt für den primären Kühlkreislauf als Hauptkühlfunktion ein separater Abgabeabschnitt zur Verfügung gestellt. Dieser kann beispielsweise ebenfalls in einer Frontpartie des Fahrzeugs angeordnet sein, sodass Luftströmung diesen umströmt und auf diese Weise durch Wärmeübergang, Wärme vom primären Kühlmittel an die Umgebung abführt. Auch eine Unterstützung dieses Wärmeübergangs, beispielsweise durch einen Lüfter, ist hier selbstverständlich denkbar. Bei dieser Ausführungsform dient also der primäre Kühlkreislauf der Hauptkühlung des Brennstoffzellensystems bei normaler Betriebsweise und der sekundäre Kühlkreislauf einer Unterstützung der Hauptkühlfunktion in Form einer Zusatzkühlfunktion. Wie bereits erläutert worden ist, kann auch ein kontinuierlicher Betrieb des sekundären Kühlkreislaufs erfolgen, insbesondere in Betriebssituation mit geringem Kühlbedarf. Hierfür ist der Abgabeabschnitt vorzugsweise mit einem Verschlussmittel ausgestattet, beispielsweise in Form einer Jalousievorrichtung, um den Abgabeabschnitt von einer Durchströmung von Luft abzusperren. Wie bereits erläutert, kann durch das Absperren der Durchströmung des Abgabeabschnitts für diese Betriebssituationen ein reduzierter Luftwiderstand für den Betrieb des Fahrzeugs erreicht werden. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf einen Entnahmeabschnitt aufweist für eine Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgabeabschnitt des Brennstoffzellensystems. Während eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung grundsätzlich auch mit nachgefülltem Wasser in dem Aufnahmebehälter funktioniert, bringt ein Anschluss an den Abgasabschnitt eine weitere Reduktion der Komplexität, der Kosten und des Aufwands mit sich.

So kann ohne Nachfüllnotwendigkeit, Produktwasser, welches in kondensierter Weise oder in dampfförmiger Phase beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, über das gesammelte Abgas im Abgasabschnitt dem Aufnahmebehälter zugeführt werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einem manuellen Nachfüllen stattfinden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform durch das Brennstoffzellensystem erzeugtes Produktwasser dafür verwendet, den Verdunstungsverlust im Aufnahmebehälter auszugleichen. Dabei kann eine Abscheidevorrichtung bereits kondensiertes flüssiges Produktwasser zurückführen oder aber ein Kondensatorabschnitt im Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems die Kondensation unterstützen und/oder durchführen.

[0015] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Verdunstungsabschnitt eine Verstärkungsstruktur aufweist für eine mechanische Verstärkung des semipermeablen Wandungsabschnitt. Als Materialien für den semipermeablen Wandungsabschnitt können beispielsweise Silikone, Gummi oder Neoprenmaterialien eingesetzt werden. Auch eine Kombination von unterschiedlichen Membranen sind hier denkbar, um die gewünschten semipermeablen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Das Einsetzen einer Verstärkungsstruktur, beispielsweise in Form von Verstärkungsrippen, Verstärkungsstützen und/oder Verstärkungsgittern, führt dazu, dass eine noch freiere Materialwahl für den Verdunstungsabschnitt zur Verfügung gestellt werden kann. Die Verstärkungsstruktur für die mechanische Verstärkung übt dabei vorzugsweise keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Verdunstungsoberfläche aus, deckt diese also insbesondere nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil ab.

[0016] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung die Verstärkungsstruktur wenigstens abschnittsweise strömungsführend für eine Führung von Luftströmung entlang des Verdunstungsabschnitts ausgebildet ist. Beispielsweise können Führungsrippen oder Führungswandungen eingesetzt werden, um den Strömungswiderstand für die Luftströmung entlang der Verstärkungsstruktur zu reduzieren. Auch ist es möglich, dass durch diese Führungsfunktion die Luftströmung noch weiter beschleunigt wird, was wiederum zu einem weiter reduzierten Umströmungsdruck in diesem Bereich und damit einer erhöhten Druckdifferenz zum Aufnahmedruck führt.

[0017] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Aufnahmebehälter eine Nachfüllöffnung aufweist für ein Nachfüllen von Wasser als sekundärem Kühlmittel. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu dem bereits erläuterten Anschluss des Aufnahmebehälters an die Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgasabschnitt zur Verfügung gestellt sein. Die Nachfüllöffnung erlaubt es also, zum Beispiel beim ersten Einsatz der Kühlvorrichtung oder aber nach langer Standzeit, die Zusatzkühlfunktion des sekundären Kühlabschnitts sozusagen aufzuladen oder vorzuladen. Auch kann über eine solche Nachfüllöffnung das Nachfüllen von Zusatzstoffen, beispielsweise Frostschutzmittel oder Ahnlichem, erfolgen.

[0018] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wenigstens ein Variationsmittel vorgesehen ist für eine Variation der Verdunstungsmenge an sekundärem Kühlmittel über den Verdunstungsabschnitt. So ist es beispielsweise möglich, die Kontrolle des UÜberdrucks zur Verfügung zu stellen, sodass durch eine Erhöhung des Aufnahmedrucks eine erhöhte Druckdifferenz zum Umströmungsdruck entsprechend die Kühlfunktion intensiviert. Auch ist es möglich, dass ein direkter Einfluss auf den Verdunstungsabschnitt selbst genommen wird, beispielsweise durch Anlegen einer Spannung, so dass auf diese Weise die Permeabilität und damit der Verdunstungswiderstand für das Durchdringen von dampfförmigem Wasser variiert wird. Auch eine mechanische Ausgestaltung des Variationsmittels, für ein verstärktes oder reduziertes Abdecken des Verdunstungsabschnitts, ist denkbar.

[0019] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf stromabwärts des Aufnahmebehälters eine Filtervorrichtung aufweist für ein Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem sekundären Kühlmittel. Insbesondere, wenn aus dem Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems Produktwasser gewonnen werden soll, kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass ein unerwünschtes Verstopfen des Verdunstungsabschnitts durch verbleibende Partikel vermieden wird. Auch der Eintrag von anderweitigen Ver-

schmutzungen in Feststoffform ist auf diese Weise reduzierbar.

[0020] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb und/oder zur Unterstützung des Antriebs des Fahrzeugs, weiter aufweisend eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung des Brennstoffzellensystems. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind.

[0021] Vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug der Verdunstungsabschnitt des Aufnahmebehälters in einem Unterdruckabschnitt der umströmten Karosserie des Fahrzeugs angeordnet ist. Insbesondere ist diese Anordnung an oder im Wesentlichen an einer Fahrzeugkante des Fahrzeugs ausgebildet. Unterdruckabschnitte einer umströmten Karosserie des Fahrzeugs entstehen dort, wo durch die geometrische Kontur der Karosserie des Fahrzeugs die daran entlangströmende Luftströmung beschleunigt wird. Diese Beschleunigung entsteht beispielsweise an den beiden vorderen Seitenkanten als Fahrzeugkanten des Fahrzeugs. Die Beschleunigung der Luftströmung führt zu einer Erzeugung eines Unterdrucks und damit zu einer Erhöhung des Differenzdrucks zum Aufnahmedruck im Aufnahmebehälter. Wie bereits mehrfach erläutert worden ist, wirkt ein verstärkter Druckunterschied im Resultat als ein verstärkter Verdunstungseffekt und bringt damit eine verbesserte Zusatzkühlung. Insbesondere bei sehr heißen Außentemperaturen kann auf diese Weise die Verdunstungskühlung weiter verstärkt und effizienter durchgeführt werden.

[0022] Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug die Kühlvorrichtung wenigstens zwei Aufnahmebehälter, insbesondere in identischer oder im Wesentlichen identischer Ausgestaltung, aufweist. Dabei kann der Kühlkreislauf mit einem gemeinsamen Druckerzeuger den Aufnahmedruck in beiden Aufnahmebehältern identisch halten. Auch unterschiedliche Aufnahmedrücke sind jedoch grundsätzlich möglich. Bevorzugt sind die Aufnahmebehälter beispielsweise in den beiden vorderen Außenkanten des Fahrzeugs entlang der H6öhenachse angeordnet. Der sekundäre Kühlkreislauf kann dabei die beiden Aufnahmebehälter in einem gemeinsamen sekundären Kühlkreislauf integrieren oder jeweils sekundäre Teilkühlkreisläufe aufweisen. Mit entsprechenden Ventilvorrichtungen ist eine gezielte Kontrolle des Durchflusses beziehungsweise der Befüllung, der jeweiligen Wärmetauscher und der jeweiligen Aufnahmebehälter möglich.

[0023] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, aufweisend die folgenden Schritte:

- Erfassen des Kühlbedarfs des Brennstoffzellensystems,

- Erzeugen eines Aufnahmedrucks im Aufnahmebehälter als Überdruck relativ zum Umgebungsdruck.

[0024] Ein solches Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Es dient insbesondere dazu, durch die erzeugte Druckdifferenz die Verdunstung zu unterstützen, insbesondere bei relativ hohen Umgebungstemperaturen, und damit die bereits mehrfach erläuterte Zusatzkühlfunktionalität zur Verfügung zu stellen.

[0025] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der an dem Verdunstungsabschnitt anliegende Umströmungsdruck erfasst wird und der Aufnahmedruck anhand des erfassten Umströmungsdrucks erzeugt wird. Der Umströmungsdruck unterscheidet sich dabei üblicherweise vom normalen Umgebungsdruck. Insbesondere in Unterdruckabschnitten ist der Umströmungsdruck entlang der Karosserie geringer als der normale Umgebungsdruck und führt zu einer Verstärkung des bereits mehrfach erläuterten Druckunterschieds. Die Bestimmung des Umströmungsdrucks kann zum Beispiel direkt durch Drucksensoren erfolgen. Auch eine indirekte Bestimmung, beispielsweise durch die Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, ist selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0026] Auch von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Aufnahmedruck anhand des erfassten Kühlbedarfs variiert wird. Beispielsweise wird die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems erfasst, sodass in einer Spitzenlastsituation von einem erhöhten Zusatzkühlbedarf ausgegangen werden kann. Je größer der Bedarf an Zusatzkühlung ausfällt, umso höher kann der Aufnahmedruck eingestellt werden, um durch die Steigerung der Druckdifferenz zur Umgebung, eine Steigerung der Verdunstungskühlung zur Verfügung zu stellen.

[0027] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Füllstand des Aufnahmebehälters mit sekundärem Kühlmittel und die Betriebssituation des Brennstoffzellensystems überwacht wird. Dabei wird auf Basis des Füllstandes und der Betriebssituation, Produktwasser aus dem Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems in den Aufnahmebehälter überführt. Es kann also ein betriebsabhängiges Nachfüllen des Aufnahmebehälters zur Verfügung gestellt sein. Dies erfolgt insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einem manuellen Nachfüllen, beispielsweise mithilfe einer Nachfüllöffnung.

[0028] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0029] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0030] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, [0031] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, [0032] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, [0033] Fig. 5a eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, [0034] Fig. 5b die Kühlvorrichtung der Figur 5a mit geschlossenem Verschlussmittel [0035] Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs,

[0036] Fig. 7 die Ausführungsform der Figur 6 in Vorderansicht des Fahrzeugs.

[0037] Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführung einer Kühlvorrichtung 10 bei einem Brennstoffzellensystem 100. Das Brennstoffzellensystem 100 ist mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet, durch welchen der primäre Kühlkreislauf 20 geführt wird. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 ist hier ein Aufnahmeabschnitt 22, beispielsweise mit Wärmetauscher, vorgesehen. Primäres Kühlmittel PK wird von einer Fördervorrichtung durch den Brennstoffzellenstapel 110 hindurchbefördert, nimmt dort Wärme auf und transportiert diese ab. Das erwärmte primäre Kühlmittel PK gelangt nun in den Wärmetauscherabschnitt 26, welcher innerhalb des Aufnahmebehälters 32 angeordnet ist.

[0038] Innerhalb des Aufnahmebehälters 32 befindet sich flüssiges Produktwasser PW als sekundäres Kühlmittel SK. Dieses flüssige sekundäre Kühlmittel SK kann nun in flüssiger Form nicht aus dem Aufnahmebehälter 32 austreten. Da jedoch ein Teil des Wandungsabschnitts 36 semipermeabel als Verdunstungsabschnitt 38 ausgebildet ist, kann ein Verdunsten von flüssigem sekundärem Kühlmittel SK innerhalb des Aufnahmebehälters 32 und ein Austritt in der Dampfphase aus dem Aufnahmebehälter 32 erfolgen. Die für die Verdunstung notwenige Energie wird dem flüssigen sekundären Kühlmittel SK im Aufnahmebehälter 32 entzogen, sodass dessen Temperatur sinkt. Auf diese Weise gesenkte Temperatur innerhalb des Aufnahmebehälters 32, erlaubt eine Wärmeaufnahme vom erwärmten primären Kühlmittel PK über den Wärmetauscher 26.

[0039] Gemäß der zusätzlichen Verdunstungskühlung kann nun das im Wärmetauscher 26 gekühlte primäre Kühlmittel PK wieder im Kreislauf dem Aufnahmeabschnitt 22 im Brennstoffzellenstapel 110 zurückgeführt werden.

[0040] Während grundsätzlich das sekundäre Kühlmittel SK innerhalb des Aufnahmebehälters 32 auch von extern zugeführt werden kann, ist hier ein Anschluss an einen Abgasabschnitt 140 des Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen. In einem Entnahmeabschnitt 31, beispielsweise

mit einem Kondensatorabschnitt und/oder einem Trennabschnitt, kann nun flüssiges Produktwasser PW abgetrennt und über eine Pumpe als Druckerzeuger 34 unter Aufnahmedruck AP dem Aufnahmebehälter 32 zugeführt werden.

[0041] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung zur Ausführungsform der Figur 1. Beispielsweise ist hier ein Zwischenspeicher 37 vorgesehen, welcher es erlaubt, die aktuelle Betriebssituation für Produktwasser PW im Abgasabschnitt 140 von dem aktuellen Füllstand und Nachfüllbedarf im Aufnahmebehälter 32 für sekundäres Kühlmittel SK zu entkoppeln. Auch ist hier ein separater Druckerzeuger 34 vorgesehen, welcher noch genauer und exakter den Aufnahmedruck AP einstellen kann. Die grundsätzliche Kühlfunktion, insbesondere die primäre Kühlfunktion und sekundäre Kühlfunktion, sind identisch zur Erläuterung zur Figur 1.

[0042] In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 dargestellt. Hier ist eine Filtervorrichtung 35 vorgesehen, um sicherzustellen, dass keine Feststoffverunreinigungen in den Aufnahmebehälter 32 gelangen. Insbesondere wird auf diese Weise ein unerwünschtes Verstopfen des semipermeablen Wandungsabschnitts 36, also des Verdunstungsabschnitts 38, vermieden. Auch zeigt die Figur 3 eine Ausgestaltung, bei welcher unabhängig von der Verdunstungskühlung, Wärme aus dem primären Kühlmittel PK an die Umgebung abgegeben werden kann. Dafür ist hier ein Abgabeabschnitt 24 mit separatem Gebläse dargestellt, welches in der Lage ist, hauptsächlich die Wärme vom primären Kühlmittel PK an die Umgebung abzugeben.

[0043] Die Figur 4 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10. Hier ist der Verdunstungsabschnitt 38 mit einer Verstärkungsstruktur 39 ausgestattet. Diese Verstärkungsstruktur 39 dient der mechanischen Stabilisierung des Verdunstungsabschnitts 38 und kann zum Beispiel eine Gitterstruktur aufweisen. Auch sind hier am oberen und am unteren Ende Rahmenelemente dargestellt, welche eine Führungsfunktion für die entlangstreifende Luftströmung LS zur Verfügung stellen. Diese Führungsfunktion dient zum einen der Reduktion des Luftwiderstandes und zum anderen der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung LS.

[0044] Auch die Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 10. Hier ist eine NachfüllÖffnung 33 im Aufnahmebehälter 32 angeordnet, um entweder Zusatzstoffe oder direkt Wasser als sekundäres Kühlmittel SK nachfüllen zu können. Auch ist in der Figur 5 ein Variationsmittel 40 dargestellt. Dieses ist hier als mechanisches Variationsmittel 40 dargestellt, welches durch eine Bewegung die Oberfläche des Verdunstungsabschnitts 38 vergrößern oder verkleinern kann. Damit wird es möglich, die verdunstete Menge an sekundärem Kühlmittel SK zu variieren und auf diese Weise Einfluss auf die Zusatzkühlfunktionalität zu nehmen.

[0045] Weiter kann für einen Abgabeabschnitt 24, wie er in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 dargestellt ist, auch ein in Figur 5a und 5b dargestelltes Verschlussmittel 25 vorgesehen sein, insbesondere für ein mechanisches Verschließen des Abgabeabschnitts 24. Damit kann qualitativ und/oder quantitativ eine Durchströmung des Abgabeabschnitts 24 bei ausgeschaltetem primären Kühlkreislauf 20 reduziert und/oder ausgeschaltet werden. Die Figur 5a zeigt hier ein vollständig geöffnetes Verschlussmittel 25 und die Figur 5b das Verschlussmittel 25 in geschlossenem Zustand. Selbstverständlich sind auch andere Varianten eines stellbaren mechanischen Verschlussmittels 25 im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0046] Die Figuren 6 und 7 zeigen ein Fahrzeug 200 als Nutzfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem 100 und darin integrierter Kühlvorrichtung 10. Hier ist gut zu erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel 110 beispielsweise durch eine Lösung gemäß einer der Figuren 1 bis 5, betrieben und gekühlt wird. Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 110 wird über den Abgasabschnitt 140 abgeführt und Produktwasser PW entsprechend der voranstehenden Erläuterungen abgetrennt. In der Kühlvorrichtung 10 kann nun, hier schematisch dargestellt, in den Aufnahmebehälter 32, das sekundäre Kühlmittel SK die Zusatzkühlung durch Verdunstungskühlung gewährleisten. Um dies zur Verfügung zu stellen, sind zwei Aufnahmebehälter 32 symmetrisch an der linken und der rechten vorderen Fahrzeugkante 202 des Fahrzeugs 200 angeordnet. Der Abgabeabschnitt 24 des primären Kühlkreislaufs 20 ist mittig, unterhalb der Frontscheibe des Fahrzeugs 200, angeordnet.

[0047] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kühlvorrichtung

20 primärer Kühlkreislauf 22 Aufnahmeabschnitt

24 Abgabeabschnitt

25 Verschlussmittel

26 Wärmetauscher

30 sekundärer Kühlkreislauf 31 Entnahmeabschnitt

32 Aufnahmebehälter

33 Nachfüllöffnung

34 Druckerzeuger

35 Filtervorrichtung

36 Wandungsabschnitt

37 Zwischenspeicher

38 Verdunstungsabschnitt 39 Verstärkungsstruktur

40 Variationsmittel

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 140 Abgasabschnitt

200 Fahrzeug 202 Fahrzeugkante 210 Unterdruckabschnitt

PK primäres Kühlmittel SK sekundäres Kühlmittel PW Produktwasser

AP Aufnahmedruck

UP Umströmungsdruck

LS Luftströmung

Claims

Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (10) zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) in einem Fahrzeug (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zur Führung eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) im primären Kühlmittel (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (30) mit einem Aufnahmebehälter (32) zur Aufnahme von Wasser als sekundärem Kühlmittel (SK) und einem Druckerzeuger (34) zur Erzeugung eines definierten Aufnahmedrucks (AP) im Aufnahmebehälter (32), wobei im Aufnahmebehälter (32) ein Wärmetauscher (26) angeordnet ist zur Führung des primären Kühlmittels (PK) als Teil des primären Kühlkreislaufs (20) zur Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel (PK) an das im Aufnahmebehälter (32) befindliche sekundäre Kühlmittel (SK), wobei weiter der Aufnahmebehälter (32) zumindest einen semipermeablen Wandungsabschnitt (36) in Form eines Verdunstungsabschnitts (38) aufweist für eine Verdunstung von sekundärem Kühlmittel (SK) durch den Verdunstungsabschnitt (38) hindurch in die Umgebung zur Erzeugung einer Verdunstungskühlung des sekundären Kühlmittels (SK) im Aufnahmebehälter (32).

2. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Kühlkreislauf (20), insbesondere stromabwärts des Wärmetauschers (26), einen Abgabeabschnitt (24) aufweist für eine Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel (PK) an die Umgebung.

3. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kühlkreislauf (30) einen Entnahmeabschnitt (31) aufweist für eine Aufnahme von Produktwasser (PW) aus einem Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100).

4. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungsabschnitt (38) eine Verstärkungsstruktur (39) aufweist für eine mechanische Verstärkung des semipermeablen Wandungsabschnitts (36).

5. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (39) wenigstens abschnittsweise strömungsführend für eine Führung einer Luftströmung (LS) entlang des Verdunstungsabschnitts (38) ausgebildet ist.

6. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebehälter (32) eine Nachfüllöffnung (33) aufweist für ein Nachfüllen von Wasser als sekundärem Kühlmittel (SK).

7. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Variationsmittel (40) vorgesehen ist für eine Variation der Verdunstungsmenge an sekundärem Kühlmittel (SK) über den Verdunstungsabschnitt (38).

8. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kühlkreislauf (30) stromaufwärts des Aufnahmebehälters (32) eine Filtervorrichtung (35) aufweist für ein Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem sekundären Kühlmittel (SK).

9. Fahrzeug (200), insbesondere Nutzfahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb und/oder zur Unterstützung des Antriebs des Fahrzeugs (200), weiter aufweisend eine Kühlvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8 zur Kühlung des Brennstoffzellensystems (100).

10. Fahrzeug (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungsabschnitt (38) des Aufnahmebehälters (32) in einem Unterdruckabschnitt (210) der umströmten Karosserie des Fahrzeugs (200) angeordnet ist, insbesondere an oder im Wesentlichen an einer Fahrzeugkante (202) des Fahrzeugs (200).

11. Fahrzeug (200) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) wenigstens zwei Aufnahmebehälter (32), insbesondere in identischer oder im Wesentlichen identischer Ausgestaltung, aufweist.

12. Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (200) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 9 bis 11, aufweisend die folgenden Schritte:

- Erfassen des Kühlbedarfs des Brennstoffzellensystems (100),

- Erzeugen eines Aufnahmedrucks (AP) im Aufnahmebehälter (32) als Überdruck relativ zum Umgebungsdruck.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der an dem Verdunstungsabschnitt (38) anliegende Umströmungsdruck (UP) erfasst wird und der Aufnahmedruck (AP) anhand des erfassten Umströmungsdrucks (UP) erzeugt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmedruck (AP) anhand des erfassten Kühlbedarfs variiert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des Aufnahmebehälters (32) mit sekundärem Kühlmittel (SK) und die Betriebssituation des Brennstoffzellensystems (100) überwacht wird, wobei auf Basis des Füllstandes und der Betriebssituation Produktwasser (PW) aus einem Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100) in den Aufnahmebehälter (32) überführt wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen