AT524817B1

AT524817B1 - Cooling device for cooling a fuel cell system of a vehicle

Info

Publication number: AT524817B1
Application number: ATA50097/2021A
Authority: AT
Inventors: Mayr Dr Techn Johannes
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2023-02-15
Also published as: DE102022103214A1; AT524817A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zum Führen eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) und einem Abgabeabschnitt (24) zur Abgabe der aufgenommen Wärme an die Umgebung, wobei stromabwärts des Aufnahmeabschnitts (22) und stromaufwärts des Abgabeabschnitts (24) ein Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) angeordnet ist zum zusätzlichen Kühlen des primären Kühlmittels (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (40) mit einem Fluidanschluss an einen Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100) und mit einem Kondensatorabschnitt (42) zum Kondensieren von Produktwasser (PW) aus Abgas des Brennstoffzellensystems (100) als sekundäres Kühlmittel (SK), wobei weiter der sekundäre Kühlkreislauf (40) stromabwärts des Kondensatorabschnitts (42) mit dem Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) des primären Kühlkreislaufs (20) fluidkommunizierend verbunden ist für ein Verdunsten und/oder Verdampfen des kondensierten Produktwassers (PW) als sekundärem Kühlmittel (SK) zur Kühlung des primären Kühlmittels (PK), wobei der Verdampfungs- Kühlabschnitt (30) einen eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf (32) aufweist mit einem Verdampfungs-Wärmetauscher (34) zum Wärmeaustausch mit dem primären Kühlkreislauf (20).The present invention relates to a cooling device (10) for cooling a fuel cell system (100) of a vehicle (200), having a primary cooling circuit (20) for conducting a primary coolant (PK) with an absorption section (22) for absorbing heat from the fuel cell system (100) and a release section (24) for dissipating the absorbed heat to the environment, with an evaporative cooling section (30) being arranged downstream of the receiving section (22) and upstream of the release section (24) for additional cooling of the primary coolant (PK) , further comprising a secondary cooling circuit (40) with a fluid connection to an exhaust gas section (140) of the fuel cell system (100) and with a condenser section (42) for condensing product water (PW) from exhaust gas of the fuel cell system (100) as a secondary coolant (SK) , further wherein the secondary cooling circuit (40) downstream of the condenser section (42) with the evaporative Cooling section (30) of the primary cooling circuit (20) is fluidly connected for evaporation and/or evaporation of the condensed product water (PW) as a secondary coolant (SK) for cooling the primary coolant (PK), the evaporative cooling section (30) having a own evaporative cooling circuit (32) having an evaporative heat exchanger (34) for heat exchange with the primary cooling circuit (20).

Description

KÜHLVORRICHTUNG FÜR EIN KÜHLEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS EINES FAHRZEUGS COOLING DEVICE FOR COOLING A FUEL CELL SYSTEM OF A VEHICLE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kühlvorrichtung, ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs. The present invention relates to a cooling device for cooling a fuel cell system of a vehicle, a fuel cell system with such a cooling device, a vehicle with such a fuel cell system and a method for cooling a fuel cell system of a vehicle.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme im Betrieb temperiert werden müssen. Dies gilt insbesondere dahingehend, dass eine Kühlung gegen ein zu hohes Erhitzen bei kontinuierlichem Betrieb erfolgen muss. Insbesondere ist dies der Fall, wenn die Brennstoffzelle mobil in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Bekannte Lösungen weisen daher üblicherweise einen Kühlkreislauf auf, welcher in der Lage ist, die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems zu kühlen. Hierfür sind solche Kühlsysteme mit einem Kühlkreislauf ausgestaltet, durch welchen Kühlmittel gefördert wird. Das Kühlmittel kann mit einem oder mehreren Wärmetauscherabschnitten ausgestattet sein, um beispielsweise in oder an einem Brennstoffzellenstapel, Wärme auf das Kühlmittel zu übertragen. Das erwärmte Kühlmittel wird weiter gefördert und in einem Abgabeabschnitt wieder gekühlt. Diese Kühlung erfolgt unter Abgabe der vom Brennstoffzellenstapel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung. Diese Wärmeabgabe kann beispielsweise unterstützt werden durch entsprechende aktive Kühlvorrichtungen, wie Gebläse oder Ventilatoren. It is known that fuel cell systems must be tempered during operation. This applies in particular to the fact that cooling must take place to prevent excessive heating during continuous operation. In particular, this is the case when the fuel cell is used in a mobile vehicle. Known solutions therefore usually have a cooling circuit which is able to cool the individual components of the fuel cell system. For this purpose, such cooling systems are designed with a cooling circuit through which coolant is conveyed. The coolant can be equipped with one or more heat exchanger sections in order to transfer heat to the coolant, for example in or on a fuel cell stack. The heated coolant is conveyed further and cooled again in a discharge section. This cooling takes place by releasing the heat absorbed by the fuel cell stack from the coolant to the environment. This heat dissipation can be supported, for example, by appropriate active cooling devices such as blowers or fans.

[0003] Eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug ist beispielsweise aus der US 10411275 B2 bekannt. [0003] A cooling device for a fuel cell system in a vehicle is known, for example, from US Pat. No. 1,041,1275 B2.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Kühlvorrichtungen für den gesamten Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems ausgelegt sein müssen. Sie inkludieren also insbesondere auch Betriebssituationen unter Spitzenlast, welche im realen Betrieb nur selten und nur über kurze Zeitspannen auftreten. Handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem um eine mobile Energieversorgung, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug, so muss also der Kühlkreislauf ausgelegt sein für Spitzenlastsituationen, welche beispielsweise beim Anfahren mit schwerem Anhänger oder bei Berganfahrten über eine kurze Zeitspanne notwendig sind. Über die meiste Betriebszeit, also beispielsweise im regulären Autobahnbetrieb, ist der Kühlkreislauf damit deutlich überdimensioniert. A disadvantage of the known solutions is that the cooling devices must be designed for the entire operating range of the fuel cell system. In particular, they also include operating situations under peak loads, which only occur rarely and only over short periods of time in real operation. If the fuel cell system is a mobile energy supply, for example in a commercial vehicle, the cooling circuit must be designed for peak load situations, which are necessary for a short period of time when starting with a heavy trailer or when driving uphill. The cooling circuit is therefore clearly oversized for most of the operating time, for example during regular motorway operation.

[0005] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist die beschriebe Überdimensionierung, welche auf die Spitzenlast ausgelegt sein muss. Dies führt zu großen Kühlkreisläufen mit entsprechend großen Kühlkapazitäten. Dies geht einher mit entsprechend hohem Gewicht, einem hohen Platzbedarf und hohen Kosten für eine Zurverfügungstellung des Kühlkreislaufs. Somit wird der Kühlkreislauf teurer, schwerer und mit einem höheren Platzbedarf ausgestaltet sein, als dies für den Großteil der Einsatzsituationen des Brennstoffzellensystems tatsächlich notwendig wäre. A disadvantage of the known solutions is the described oversizing, which must be designed for the peak load. This leads to large cooling circuits with correspondingly large cooling capacities. This is accompanied by a correspondingly high weight, a high space requirement and high costs for providing the cooling circuit. The cooling circuit will therefore be more expensive, heavier and take up more space than would actually be necessary for the majority of the situations in which the fuel cell system is used.

[0006] 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 sicherzustellen und den Gewichtsbedarf, den Platzbedarf und/oder die Kosten für die Kühlvorrichtung zu senken. It is an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to ensure cooling in a cost-effective and simple manner and to reduce the weight requirement, the space requirement and/or the costs for the cooling device.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. 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 Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen The above object is achieved by a cooling device having the features of claim 1, a fuel cell system having the features of claim 11, a vehicle having the features of claim 12 and a method having the features of claim 13. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the cooling device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention, the vehicle according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always referred to alternately

wird beziehungsweise werden kann. will or can become.

[0008] Erfindungsgemäß dient eine Kühlvorrichtung dem Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs. Hierfür weist die Kühlvorrichtung einen primären Kühlkreislauf zum Führen eines primären Kühlmittels auf. Dieser primäre Kühlkreislauf ist mit einem Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem und einem Abgabeabschnitt zur Abgabe der aufgenommenen Wärme an die Umgebung ausgestattet. Stromabwärts des Aufnahmeabschnitts und stromaufwärts des Abgabeabschnitts ist ein Verdampfungs-Kühlabschnitt angeordnet zum zusätzlichen Kühlen des primären Kühlmittels. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist weiter einen sekundären Kühlkreislauf mit einem Fluidanschluss an einen Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist dieser sekundäre Kühlkreislauf mit einem Kondensatorabschnitt zum Kondensieren von Produktwasser aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems als sekundäres Kühlmittel ausgestattet. Der sekundäre Kühlkreislauf ist stromabwärts des Kondensatorabschnitts mit dem Verdampfungs-Kühlabschnitt des primären Kühlkreislaufs fluidkommunizierend verbunden. Dies dient einem Verdunsten und/oder Verdampfen des kondensierten Produktwassers als sekundären Kühlmittels zur Kühlung des primären Kühlmittels. Der Verdampfungsabschnitt kann demnach auch als Verdunstungs- und Verdampfungsabschnitt bezeichnet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird hauptsächlich auf eine Kühlung durch Verdampfen eingegangen. Dies beinhaltet im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Kühlung durch Verdunsten. According to the invention, a cooling device serves to cool a fuel cell system of a vehicle. For this purpose, the cooling device has a primary cooling circuit for conducting a primary coolant. This primary cooling circuit is equipped with an absorbing section for absorbing heat from the fuel cell system and a discharging section for releasing the absorbed heat to the outside. An evaporative cooling section is disposed downstream of the receiving section and upstream of the discharging section for additional cooling of the primary refrigerant. The cooling device according to the invention also has a secondary cooling circuit with a fluid connection to an exhaust gas section of the fuel cell system. Further, this secondary cooling circuit is equipped with a condenser section for condensing product water from the exhaust gas of the fuel cell system as a secondary coolant. The secondary refrigeration circuit is in fluid communication with the evaporative cooling section of the primary refrigeration circuit downstream of the condenser section. This serves to evaporate and/or evaporate the condensed product water as a secondary coolant for cooling the primary coolant. Accordingly, the evaporation section can also be referred to as evaporation and vaporization section. The following description mainly deals with cooling by evaporation. Within the scope of the present invention, this also includes cooling by evaporation.

[0009] Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung basiert auf der grundsätzlichen Problematik, dass ein Brennstoffzellensystem im Betrieb gekühlt werden muss. Für die Hauptbetriebszeiten ist hierfür ein primärer Kühlkreislauf gemäß den bekannten Lösungen vorgesehen, welcher ein primäres Kühlmittel vorsieht, um Wärme im Brennstoffzellensystem über den Aufnahmeabschnitt aufzunehmen und über den Abgabeabschnitt die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abzugeben. Die Ausgestaltung des primären Kühlkreislaufs kann dabei auf die bekannten Lösungen zurückgreifen und zum Beispiel ein flüssiges primäres Kühlmittel im Kreislauf pumpen. Der Aufnahmeabschnitt kann mehrere Teil-Aufnahmeabschnitte aufweisen, um an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellensystems, Wärme aufnehmen und abtransportieren zu können. Auch der Abgabeabschnitt kann mehrere Teil-Abgabeabschnitte aufweisen, und ist insbesondere mit einem Kühler ausgestattet, welcher in der Front eines Nutzfahrzeugs platziert ist. Auch eine aktive Unterstützung der Abgabe der Wärme, zum Beispiel über Ventilatorvorrichtungen, ist am Abgabeabschnitt möglich. A cooling device according to the invention is based on the fundamental problem that a fuel cell system must be cooled during operation. For the main operating times, a primary cooling circuit according to the known solutions is provided for this purpose, which provides a primary coolant to absorb heat in the fuel cell system via the absorbing section and release the absorbed heat back to the environment via the discharging section. The design of the primary cooling circuit can fall back on the known solutions and, for example, pump a liquid primary coolant in the circuit. The receiving section can have a number of partial receiving sections in order to be able to absorb heat and transport it away at different points in the fuel cell system. Also the discharge section can have several sub-discharge sections, and in particular is equipped with a radiator, which is placed in the front of a commercial vehicle. Active support for dissipating the heat, for example via fan devices, is also possible at the discharging section.

[0010] Der primäre Kühlkreislauf wird nun bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung durch einen sekundären Kühlkreislauf ergänzt. Der sekundäre Kühlkreislauf ist mit einem speziellen sekundären Kühlmittel ausgebildet. Um dieses sekundäre Kühlmittel zur Verfügung zu stellen, ist der sekundäre Kühlkreislauf zur Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgas des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Dies gilt insbesondere für Brennstoffzellensysteme, welche als PEMBrennstoffzellensysteme ausgebildet sind und Wasserstoff als Brenngas verwenden. Wasser, welches in kondensierter und/oder in gasförmiger Form im Abgas des Brennstoffzellensystems vorliegt, kann nun über den Fluidanschluss als Produktwasser in den sekundären Kühlkreislauf eingebracht werden. Uber den Kondensatorabschnitt wird eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige Kondensation des Produktwassers erzeugt, sodass nach dem Kondensatorabschnitt kondensiertes Produktwasser in flüssiger Form als sekundäres Kühlmittel im sekundären Kühlkreislauf zur Verfügung steht. Es ist nun möglich, dieses Produktwasser als sekundäres Kühlmittel zur Verdampfung am Verdampfungs-Kühlabschnitt für eine zusätzliche Kühlung des primären Kühlmittels einzusetzen. Dadurch, dass das Produktwasser nicht konstant, sondern in Abhängigkeit von der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems anfällt, ist diese sekundäre Kühlmöglichkeit mithilfe des sekundären Kühlabschnitts nicht kontinuierlich einsetzbar. In Spitzenlastsituationen, also in Situationen, in welchen das Brennstoffzellensystem mit hoher Betriebstemperatur und hohem Brenngasdurchsatz betrieben wird, ist jedoch auch mit einem hohen Abgasausstoß und dementsprechend mit einer großen Menge an Produktwasser zu rechnen. Dementsprechend wird automatisch und insbesondere selbstverstärkend zu einem Zeitpunkt des Spitzenlastbetriebes mit erhöhtem Kühlbedarf auch eine erhöhte Produktion an sekundärem Kühlmittel, welches The primary cooling circuit is now supplemented by a secondary cooling circuit in a cooling device according to the invention. The secondary cooling circuit is designed with a special secondary coolant. In order to make this secondary coolant available, the secondary cooling circuit is designed to take up product water from an exhaust gas of the fuel cell system. This applies in particular to fuel cell systems which are designed as PEM cell systems and use hydrogen as the fuel gas. Water, which is present in condensed and/or in gaseous form in the exhaust gas of the fuel cell system, can now be introduced into the secondary cooling circuit as product water via the fluid connection. A complete or essentially complete condensation of the product water is generated via the condenser section, so that after the condenser section condensed product water is available in liquid form as a secondary coolant in the secondary cooling circuit. It is now possible to use this product water as a secondary refrigerant for evaporation at the evaporative cooling section for additional cooling of the primary refrigerant. Due to the fact that the product water is not constant, but depends on the operating situation of the fuel cell system, this secondary cooling option using the secondary cooling section cannot be used continuously. However, in peak load situations, ie in situations in which the fuel cell system is operated at a high operating temperature and a high fuel gas throughput, a high level of exhaust gas emissions and, accordingly, a large amount of product water must also be expected. Accordingly, an increased production of secondary coolant, which

durch das Produktwasser zur Verfügung gestellt wird, sichergestellt. Somit kann dieser erhöhte Kühlbedarf durch die erhöhte Produktionsmenge an Produktwasser in Form des sekundären Kühlmittels, auch für eine verstärkte Kühlung eingesetzt werden. is made available by the product water. This increased cooling requirement can therefore also be used for increased cooling due to the increased production volume of product water in the form of the secondary coolant.

[0011] Basierend auf den voranstehenden Überlegungen, wird es nun möglich, in einer Normalbetriebssituation den sekundären Kühlkreislauf ausgeschaltet zu lassen und die Kühlung des Brennstoffzellensystems ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich durch den primären Kühlkreislauf zu gewährleisten. Für eine kurze Zeit unter Spitzenlast, kann der sekundäre Kühlkreislauf eingeschaltet werden oder sich automatisch durch den erhöhten Ausstoß an Produktwasser selbst einschalten. Damit kann bei einer erhöhten Spitzenlastsituation ein erhöhter Kühlbedarf durch eine zusätzliche Kühlung mithilfe des sekundären Kühlabschnitts abgepuffert werden. Dadurch, dass Produktwasser aus dem Abgas als sekundäres Kühlmittel verwendet wird, muss der sekundäre Kühlkreislauf kein eigenes sekundäres Kühlmittel vorhalten. Neben der Reduktion der Kosten kann zusätzlich auch das Gewicht des zweiten Kühlkreislaufs damit deutlich reduziert werden. Based on the above considerations, it is now possible to have the secondary cooling circuit switched off in a normal operating situation and to ensure the cooling of the fuel cell system exclusively or essentially exclusively by the primary cooling circuit. For a short time under peak load, the secondary cooling circuit can be switched on or switch itself on automatically due to the increased output of product water. In the event of an increased peak load situation, an increased cooling requirement can thus be buffered by additional cooling using the secondary cooling section. Because product water from the exhaust gas is used as a secondary coolant, the secondary cooling circuit does not have to provide its own secondary coolant. In addition to reducing the costs, the weight of the second cooling circuit can also be significantly reduced.

[0012] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, reicht es nun aus, den primären Kühlkreislauf, welcher auch als Hauptkühlkreislauf bezeichnet werden kann, auf die normalen Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems auszulegen. Damit kann eine deutlich kleinere, kostengünstigere und leichtere Ausgestaltung dieses primären Kühlkreislaufs im Vergleich zu den bisher bekannten Auslegungen die Folge sein. Neben den konstruktiven Vorteilen werden zusätzliche Vorteile im Betrieb erzielbar. So ist die für die Durchströmung von Luft notwendige Fläche kleiner. Damit reduziert sich der Luftwiderstand der Durchströmung des Fahrzeugs und damit indirekt auch die notwendige Antriebsleistung. Dies führt wiederum zu reduziertem Kühlbedarf. As can be seen from the above explanation, it is now sufficient to design the primary cooling circuit, which can also be referred to as the main cooling circuit, for the normal operating situations of the fuel cell system. This can result in a significantly smaller, more cost-effective and lighter design of this primary cooling circuit compared to the previously known designs. In addition to the constructive advantages, additional advantages can be achieved in operation. The area required for air to flow through is therefore smaller. This reduces the air resistance of the flow through the vehicle and thus indirectly also the necessary drive power. This in turn leads to reduced cooling requirements.

[0013] Um trotzdem Spitzenlastsituationen mit einem besonders hohen Kühlbedarf abpuffern zu können, kann temporär der sekundäre Kühlkreislauf zugeschaltet werden. Dadurch, dass dieser jedoch nur in Sondersituationen, nämlich einer Spitzenlastsituation im Betrieb des Brennstoffzellensystems, eingesetzt werden muss, kann dieser ebenfalls sehr leicht, klein und kostengünstig ausgebildet werden. In der Summe sind also vorzugsweise der sekundäre Kühlkreislauf und der primäre Kühlkreislauf, kleiner, leichter und kostengünstiger, als wenn gemäß dem Stand der Technik ein einziger Hauptkühlkreislauf über den gesamten Betriebsbereich, inklusive der Spitzenlasten, ausgelegt werden müsste. Ein weiter Vorteil liegt im modularen Aufbau. So kann der primäre Kühlkreislauf als Basis für alle Ausstattungsvarianten eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Für Fahrzeuge zum Einsatz im Flachland und in gemäßigten Klimazonen kann dies ausreichen. Für gehobenere Einsatzzwecke in heißen und/oder bergigen Gebieten sowie bei besonders leistungsstarken Fahrzeugen wird die sekundäre Kühlvorrichtung verbaut. Somit kann eine einfache und auf dem modularen Aufbau beruhende Anpassung der gesamten Kühlleistung für verschiedene Fahrzeugvarianten erfolgen. Dies reduziert die Komplexität und die Kosten der gesamten Fahrzeugfertigung. In order to be able to buffer peak load situations with a particularly high cooling requirement, the secondary cooling circuit can be switched on temporarily. Due to the fact that this only has to be used in special situations, namely a peak load situation during operation of the fuel cell system, it can also be made very light, small and inexpensive. Overall, the secondary cooling circuit and the primary cooling circuit are therefore preferably smaller, lighter and more economical than if, according to the prior art, a single main cooling circuit had to be designed over the entire operating range, including peak loads. Another advantage is the modular structure. In this way, the primary cooling circuit can be used as the basis for all equipment variants of a vehicle. This can be sufficient for vehicles used in flat areas and in temperate climate zones. The secondary cooling device is installed for more sophisticated purposes in hot and/or mountainous areas and for particularly powerful vehicles. In this way, the entire cooling capacity can be adapted easily and based on the modular design for different vehicle variants. This reduces the complexity and costs of the entire vehicle production.

[0014] Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bringt somit die genannten Vorteile mit sich, insbesondere leichter und kleiner ausgestaltet zu sein, als dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. Gleichzeitig ist eine einfache und kostengünstige Betriebsweise denkbar, da kein zusätzliches sekundäres Kühlmittel notwendig ist. Vielmehr kann auf ein sekundäres Kühlmittel zurückgegriffen werden, welches in Form des Produktwassers automatisch beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht. A cooling device according to the invention thus brings with it the advantages mentioned, in particular being designed to be lighter and smaller than is the case with known solutions. At the same time, a simple and cost-effective mode of operation is conceivable, since no additional secondary coolant is required. Instead, a secondary coolant can be used, which is created automatically in the form of product water during operation of the fuel cell system.

[0015] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass es in erfindungsgemäßer Weise selbstverständlich unerheblich ist, wo und in welcher Weise die Wärmeaufnahme mithilfe des primären Kühlmittels erfolgt. Insbesondere können hier einzelne Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte vorgesehen sein. Bei dem Produktwasser aus dem Abgas handelt es sich insbesondere um Produktwasser im Anodenabgas des Brennstoffzellensystems. Jedoch kann auch der fluidtechnische Anschluss an eine kombinierte Abgasleitung, also an eine Abgasleitung, welche Anodenabgas und Kathodenabgas bereits in kombinierter Form enthält, aufweisen. Die beiden Kühlkreisläufe, also der primäre Kühlkreislauf einerseits und der sekundäre Kühlkreislauf andererseits, sind voneinander fluidtechnisch getrennt. Dies gilt insbesondere für die Wärmeaustauschfunktionalität am It should also be pointed out that it is of course irrelevant in the manner according to the invention where and how the heat absorption takes place using the primary coolant. In particular, individual heat exchangers or heat exchanger sections can be provided here. The product water from the exhaust gas is in particular product water in the anode exhaust gas of the fuel cell system. However, the fluidic connection can also be to a combined exhaust gas line, ie to an exhaust gas line which already contains anode exhaust gas and cathode exhaust gas in a combined form. The two cooling circuits, ie the primary cooling circuit on the one hand and the secondary cooling circuit on the other hand, are fluidically separated from one another. This is especially true for the heat exchange functionality at

Verdampfungs-Kühlabschnitt, welche ein Vermischen der Fluide des sekundären Kühlmittels und des primären Kühlmittels verhindert. Wie später noch erläutert wird, kann der VerdampfungsKühlabschnitt für eine direkte Kühlung, aber auch für eine indirekte Kühlung mit zwischengeschaltetem Verdampfungs-Kühlkreislauf ausgestaltet sein. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Kühlkreisläufe vorzugsweise eine integrierte Fördervorrichtung, beispielsweise in Form einer Förderpumpe aufweisen, um das jeweilige Kühlmittel durch den jeweiligen Kühlkreislauf zu fördern. Evaporative cooling section which prevents mixing of the fluids of the secondary coolant and the primary coolant. As will be explained later, the evaporative cooling section can be designed for direct cooling, but also for indirect cooling with an intermediate evaporative cooling circuit. It should also be pointed out that the individual cooling circuits preferably have an integrated delivery device, for example in the form of a delivery pump, in order to deliver the respective coolant through the respective cooling circuit.

[0016] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Kondensatorabschnitt in einen Außenabschnitt der Karosserie des Fahrzeugs integriert ist und/oder diesen wenigstens teilweise ausbildet. Wie bereits erläutert worden ist, kann eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung seine Vorteile insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems für den Antrieb von Nutzfahrzeugen zur Geltung bringen. Dies wird dann besonders deutlich, wenn der Kondensatorabschnitt mit dem Nutzfahrzeug kombiniert wird. So kann beispielsweise der Kondensatorabschnitt einen Karosserieabschnitt des Fahrzeugs ausbilden, also entsprechend einen Leitungsabschnitt mit hoher Oberfläche an der Außenseite des Fahrzeugs. Bewegt sich das Fahrzeug, wird der Fahrtwind entlang der Außenseite des Fahrzeugs geführt und auf diese Weise eine Kondensationskühlung des Kondensatorabschnitts durchgeführt. Durch den Kondensatorabschnitt geleitetes Produktwasser im gasförmigen Zustand wird auf diese Weise automatisch und ohne zusätzlichen integrierten Kühlbedarf wieder kondensiert. Somit wird es möglich, die Bauweise und die Konstruktion des sekundären Kühlabschnitts noch weiter zu verkleinern und das Gewicht zu reduzieren. Selbstverständlich ist jedoch auch zusätzlich oder alternativ ein aktiver Kondensator möglich. Der Außenabschnitt für den Kondensatorabschnitt ist vorzugsweise mit einer entsprechend hohen Kontaktoberfläche für einen hohen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zur Verfügung gestellt. It can bring advantages if, in a cooling device according to the invention, the condenser section is integrated into an outer section of the body of the vehicle and/or at least partially forms it. As has already been explained, a cooling device according to the invention can bring its advantages to bear in particular when the fuel cell system is used to drive commercial vehicles. This becomes particularly clear when the condenser section is combined with the commercial vehicle. For example, the capacitor section can form a body section of the vehicle, ie a line section with a high surface area on the outside of the vehicle. When the vehicle is moving, the traveling wind is guided along the outside of the vehicle, thereby performing condensation cooling of the condenser section. Product water in the gaseous state passed through the condenser section is thus recondensed automatically and without additional built-in cooling requirements. Thus, it becomes possible to further downsize and reduce the weight of the secondary cooling portion in size and construction. Of course, an active capacitor is also possible in addition or as an alternative. The outer section for the condenser section is preferably provided with a correspondingly high contact surface for high heat exchange with the ambient air.

[0017] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung stromabwärts des Kondensatorabschnitts und stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts ein Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung von kondensiertem Produktwasser als sekundärem Kühlmittel angeordnet ist. Dies erlaubt es eine Puffermöglichkeit zwischen dem aktuellen Kühlbedarf und der aktuellen Produktionssituation auszubilden. Somit kann Produktwasser, welches während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entsteht und kondensiert wird, zwischengespeichert werden, sodass für einen außerordentlich hohen Zusatzkühlbedarf in einer Spitzenlastsituation über dem Zwischenspeicher sogar mehr sekundäres Kühlmittel zur Verfügung steht, als zu diesem Zeitpunkt produziert wird. Es ist also eine Zusatz-Kühlpufferung möglich, um auch in einer Situation mit wenig erzeugtem Produktwasser und damit entkoppelt von der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems die gewünschte und erfindungsgemäße Zusatzkühlung gewährleisten zu können. It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, an intermediate store for temporarily storing condensed product water as a secondary coolant is arranged downstream of the condenser section and upstream of the evaporative cooling section. This allows a buffer option to be formed between the current cooling requirement and the current production situation. Product water, which is produced and condensed during the operation of the fuel cell system, can thus be temporarily stored, so that for an extraordinarily high additional cooling requirement in a peak load situation, there is even more secondary coolant available via the intermediate store than is being produced at that point in time. Additional cooling buffering is therefore possible in order to be able to ensure the desired additional cooling according to the invention even in a situation with little product water generated and thus decoupled from the current operating situation of the fuel cell system.

[0018] Bei einer Kühlvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn der Zwischenspeicher eine Füllöffnung für ein externes Befüllen mit flüssigem Wasser als sekundäres Kühlmittel aufweist. Somit kann, beispielsweise nach langer Betriebspause des Brennstoffzellensystems oder für die erste Inbetriebnahme, der Zwischenspeicher gefüllt werden, sodass ohne vorangegangenen Betrieb des Brennstoffzellensystems, bereits die Zusatzkühlmöglichkeit aufgeladen ist. In a cooling device according to the preceding paragraph, it can be advantageous if the buffer has a filling opening for external filling with liquid water as a secondary coolant. Thus, for example after a long period of non-use of the fuel cell system or for the first start-up, the buffer store can be filled, so that the additional cooling option is already charged without the fuel cell system having been previously operated.

[0019] Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist weiter vorgesehen, dass der Verdampfungs-Kühlabschnitt einen eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf aufweist mit einem Verdampfungs-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit dem primären Kühlkreislauf. Dabei handelt es sich um die bereits angesprochene indirekte Verdampfungs-Kühlung. Der Verdampfungs-Kühlabschnitt erlaubt also, dass über ein zusätzliches Verdampfungs-Kühlmittel im VerdampfungsKühlkreislauf eine indirekte Wärmeübertragung zwischen dem sekundären Kühlkreislauf und dem primären Kühlkreislauf gewährleistet wird. Diese indirekte Wärmeübertragung entkoppelt die beiden Wärmekreisläufe voneinander und kann beispielsweise eine eigene Pumpvorrichtung aufweisen, insbesondere mit einem eigenen entsprechenden Kältekreislauf. Insbesondere sind hier entsprechende separate Ventilvorrichtungen im eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf zur Verfügung gestellt. Ein Kompressor kann beispielsweise mit der später noch zu erläuternden Dampf-In the cooling device according to the invention it is further provided that the evaporative cooling section has its own evaporative cooling circuit with an evaporative heat exchanger for heat exchange with the primary cooling circuit. This is the already mentioned indirect evaporative cooling. The evaporative cooling section thus allows an indirect heat transfer between the secondary cooling circuit and the primary cooling circuit to be ensured via an additional evaporative coolant in the evaporative cooling circuit. This indirect heat transfer decouples the two heat circuits from one another and can, for example, have its own pump device, in particular with its own corresponding refrigeration circuit. In particular, corresponding separate valve devices are provided in their own evaporation cooling circuit. A compressor can, for example, be equipped with the steam

turbine kombiniert sein, sodass eine zusätzliche Energierückspeisung durch den Betrieb der Dampfturbine nachgelagert der Verdampfungs-Kühlung zur Verfügung gestellt ist. turbine be combined, so that an additional energy recovery is provided by the operation of the steam turbine downstream of the evaporative cooling.

[0020] Bei einer Kühlvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz ist es weiter von Vorteil, wenn stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im primären Kühlkreislauf ein ZusatzWärmetauscher angeordnet ist, für einen zusätzlichen Wärmeaustausch zwischen dem sekundären Kühlmittel und dem primären Kühlmittel. Dies erlaubt es, sozusagen als Bypass im primären Kühlkreislauf, auch eine direkte Kühlung zwischen primärem Kühlkreislauf und sekundärem Kühlkreislauf mit einer indirekten Kühlung zwischen dem primären Kühlkreislauf und dem sekundären Kühlkreislauf zu kombinieren. Uber entsprechende Ventilvorrichtungen ist vorzugsweise eine Schaltmöglichkeit zur Verfügung gestellt, um zwischen dieser indirekten und direkten Kombination zwischen primärem Kühlkreislauf und sekundärem Kühlkreislauf zu schalten. In a cooling device according to the preceding paragraph, it is also advantageous if an additional heat exchanger is arranged upstream of the evaporative cooling section in the primary cooling circuit for additional heat exchange between the secondary coolant and the primary coolant. This allows, so to speak, as a bypass in the primary cooling circuit, to also combine direct cooling between the primary cooling circuit and the secondary cooling circuit with indirect cooling between the primary cooling circuit and the secondary cooling circuit. A switching option is preferably provided via corresponding valve devices in order to switch between this indirect and direct combination between the primary cooling circuit and the secondary cooling circuit.

[0021] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung stromabwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im sekundären Kühlkreislauf eine Turbine angeordnet ist, für eine Energiegewinnung aus dem verdampften Sekundärkühlmittel. Eine solche Turbine kann den Dampf in eine Rotationsbewegung umwandeln und diese Rotationsenergie beispielsweise mit einem Generator koppeln. Somit ist es möglich, den auf diese Weise erzeugten Strom zwischenzuspeichern und eine weitere Erhöhung der Energieeffizienz beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. Auch eine mechanische Kopplung mit einem Gebläse oder einem Kompressor eines Zusatzkühlkreislaufs ist hier im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Further advantages can be obtained if a turbine is arranged downstream of the evaporative cooling section in the secondary cooling circuit in a cooling device according to the invention, for generating energy from the evaporated secondary coolant. Such a turbine can convert the steam into a rotational movement and couple this rotational energy to a generator, for example. It is thus possible to temporarily store the electricity generated in this way and to provide a further increase in energy efficiency when operating the fuel cell system. A mechanical coupling with a fan or a compressor of an additional cooling circuit is also conceivable here within the meaning of the present invention.

[0022] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf einen Bypassabschnitt aufweist für ein Führen des sekundären Kühlmittels an dem Kondensatorabschnitt vorbei direkt zum Verdampfungs-Kühlabschnitt. Insbesondere unter kalten Umgebungsbedingungen kann bereits im Abgas direkt kondensiertes Wasser vorliegen. Wird dies in der Abscheidevorrichtung erkannt, so kann dieses bereits kondensierte Wasser direkt am Kondensatorabschnitt vorbeigeführt werden, sodass der Bypassabschnitt es verhindert, dass ein weiteres Unterkühlen des bereits vorliegenden kondensierten Produktwassers zu einer unerwünschten Vereisung im Kondensatorabschnitt führen würde. Auch wird auf diese Weise ein unnötiger Strömungsumweg von bereits kondensiertem Produktwasser vermieden. It can also be advantageous if, in a cooling device according to the invention, the secondary cooling circuit has a bypass section for guiding the secondary coolant past the condenser section directly to the evaporative cooling section. In cold ambient conditions in particular, water that has condensed directly can already be present in the exhaust gas. If this is recognized in the separating device, this already condensed water can be routed directly past the condenser section, so that the bypass section prevents further supercooling of the already present condensed product water from leading to undesired icing in the condenser section. In this way, an unnecessary flow detour of already condensed product water is avoided.

[0023] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf eine Heizvorrichtung aufweist, für ein Vorheizen wenigstens eines Abschnitts des sekundären Kühlkreislaufs. Dieses Vorheizen ist beispielsweise in einer Kaltstartsituation sinnvoll. Insbesondere ist dieses Vorheizen nach dem Kondensatorabschnitt angeordnet, um die gewünschte Funktionsfähigkeit bei einer sofort eintretenden Spitzenlastsituation, beispielsweise beim Anfahren eines beladenen Nutzfahrzeuges am Hang, zur Verfügung zu stellen. It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the secondary cooling circuit has a heating device for preheating at least one section of the secondary cooling circuit. This preheating is useful, for example, in a cold start situation. In particular, this preheating is arranged after the condenser section in order to provide the desired functionality in a peak load situation that occurs immediately, for example when starting a loaded commercial vehicle on a slope.

[0024] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf wenigstens ein Kontrollventil aufweist, für eine Kontrolle des Durchflusses an sekundärem Kühlmittel durch den sekundären Kühlkreislauf. Dabei kann es sich sowohl um ein qualitatives Kontrollventil als auch um ein quantitatives Kontrollventil, also für eine quantitative Kontrolle der Menge, am Durchfluss handeln. Auch bei dem bereits erläuterten Bypass in Form eines Bypassabschnitts, können solche Kontrollventile vorgesehen sein. It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the secondary cooling circuit has at least one control valve for controlling the flow of secondary coolant through the secondary cooling circuit. This can be both a qualitative control valve and a quantitative control valve, i.e. for a quantitative control of the quantity at the flow. Such control valves can also be provided in the case of the already explained bypass in the form of a bypass section.

[0025] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wenigstens eine Filtervorrichtung, für ein Filtern von Feststoffen aus dem sekundären Kühlmittel, stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im sekundären Kühlkreislauf angeordnet ist. Dies erlaubt es, vorhandene Partikel und Feststoffe herauszufiltern und damit eine unerwünschte Beschädigung oder sogar einen Defekt des Verdampfungs-Kühlabschnitts wirksam zu verhindern. Insbesondere beim Vorhandensein der bereits erläuterten Turbine kann auf diese Weise ein Eindringen von Feststoffpartikeln in die Turbine verhindert und damit ein erhöhter Verschleiß an den Turbinenblättern vermieden werden. It also brings advantages if, in a cooling device according to the invention, at least one filter device for filtering solids from the secondary coolant is arranged upstream of the evaporative cooling section in the secondary cooling circuit. This allows existing particles and solids to be filtered out, thereby effectively preventing undesired damage or even failure of the evaporative cooling section. Particularly when the already explained turbine is present, it is possible in this way to prevent solid particles from penetrating into the turbine and thus to avoid increased wear on the turbine blades.

[0026] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt. Also subject matter of the present invention is a fuel cell system with a fuel cell stack, having an anode section and a cathode section.

Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführabschnitt ausgestattet. Der Kathodenabschnitt weist einen Kathodenzuführabschnitt und einen Kathodenabführabschnitt auf. Zur Kühlung ist das Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausgestattet und bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Insbesondere handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem um ein PEM-Brennstoffzellensystem. The anode section is equipped with an anode supply section and an anode discharge section. The cathode section has a cathode supply section and a cathode discharge section. For cooling, the fuel cell system is equipped with a cooling device according to the invention and thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a cooling device according to the invention. In particular, the fuel cell system is a PEM fuel cell system.

[0027] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend ein solches erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, für einen Antrieb und/oder eine Unterstützung eines Antriebes des Fahrzeugs. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Nutzfahrzeug. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Another object of the present invention is a vehicle having such a fuel cell system according to the invention for driving and/or supporting a drive of the vehicle. In particular, this is a commercial vehicle. A vehicle according to the invention thus has the same advantages as have been explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention and a cooling device according to the invention.

[0028] Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: - Führen eines primären Kühlmittels in einem primären Kühlkreislauf zum Abtransport von Wärme aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung, - Führen eines sekundären Kühlmittels in Form von kondensiertem Produktwasser in einem sekundären Kühlkreislauf, - Kühlen des primären Kühlmittels unter Verdunstung und/oder Verdampfung des sekundären Kühlmittels. An additional object of the present invention is a method for cooling a fuel cell system of a vehicle with a cooling device according to the invention, having the following steps: - conducting a primary coolant in a primary cooling circuit to transport heat from the fuel cell system to the environment, - Conducting a secondary coolant in the form of condensed product water in a secondary cooling circuit, - cooling the primary coolant with evaporation and/or vaporization of the secondary coolant.

[0029] Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. A method according to the invention provides the same advantages as have been explained in detail with reference to a cooling device according to the invention.

[0030] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn der Schritt des Kühlens des primären Kühlmittels und der Verdunstung und/oder Verdampfung des sekundären Kühlmittels temporär, insbesondere in einer Spitzenlastsituation des Brennstoffzellensystems, erfolgt. Bevorzugt erfolgt dieser Schritt des Zusatzkühlens nur temporär, insbesondere nur in einer Spitzenlastsituation. Dies führt dazu, dass die Zusatzkühlleistung für diese entsprechende Spitzenlastsituation reserviert ist. In a method according to the invention, it can be advantageous if the step of cooling the primary coolant and the evaporation and/or vaporization of the secondary coolant takes place temporarily, in particular in a peak load situation of the fuel cell system. This step of additional cooling preferably takes place only temporarily, in particular only in a peak load situation. As a result, the additional cooling capacity is reserved for this corresponding peak load situation.

[0031] 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. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale, jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination, erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention, either individually or in any combination. They show schematically:

[0032] Fig. 1 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Kühlvorrichtung, 1 shows an embodiment of a fuel cell system with a cooling device,

[0033] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Kühlvorrichtung, [0033] FIG. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device,

[0034] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 3 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device according to the invention,

[0035] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 4 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device according to the invention,

[0036] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 5 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device according to the invention,

[0037] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 6 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device according to the invention,

[0038] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 7 shows a further embodiment of a fuel cell system with a cooling device according to the invention,

[0039] Fig. 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. 8 shows an embodiment of a vehicle according to the invention.

[0040] Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, welches mit einer Kühlvorrichtung 10 ausgestattet ist. Die Kühlvorrichtung 10 ist hier mit einem primären Kühlkreislauf 20 ausgebildet, welcher über einen Wärmetauscher als Aufnahmeabschnitt 22, in Figur 1 schematisch dargestellt, Wärme aus einem Brennstoffzellenstapel 110 des Brennstoffzellensystems 100 in einem primären Kühlmittel PK aufnehmen kann. Das erwärmte primäre Kühlmittel PK wird über eine Förderpumpe an einen Abgabeabschnitt 24 in Form eines Kühlers transportiert und kann dort die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abgeben. FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 100 which is equipped with a cooling device 10 . The cooling device 10 is designed here with a primary cooling circuit 20, which can absorb heat from a fuel cell stack 110 of the fuel cell system 100 in a primary coolant PK via a heat exchanger as a receiving section 22, shown schematically in FIG. The heated primary coolant PK is transported via a feed pump to a discharge section 24 in the form of a cooler, where it can release the absorbed heat back to the environment.

[0041] Um diesen primären Kühlkreislauf 20 in Spitzenlastsituationen mit einer Zusatzkühlmöglichkeit auszustatten, ist die Kühlvorrichtung 10 gemäß der Figur 1 mit einem sekundären Kühlkreislauf 40 ausgestattet. Dieser ist in der Lage, aus einem Abgasabschnitt 140 des Brennstoffzellensystems 100 Produktwasser PW abzuscheiden und über eine Förderpumpe von einem Kondensatorabschnitt 42 abzuführen. Dieser Kondensatorabschnitt 42 kann zum Beispiel an der Außenseite eines Fahrzeugs 200 angeordnet sein, um durch die passive Kühlung die Kondensation des Produktwassers PW als sekundäres Kühlmittel SK zu gewährleisten. Der Förderpumpte nachgeordnet kann optional ein Kühl-Wärmetauscher 47 sein, welcher das bereits kondensierte Produktwasser PW weiter abkühlt. In Figur 1 wird über ein Kontrollventil 41 das flüssige Produktwasser PW als sekundäres Kühlmittel SK dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 zugeführt. Diese Zufuhr erfolgt vorzugsweise ausschließlich für eine Zusatzkühlung, beispielsweise bei hohem Kühlbedarf in einer Spitzenlastsituation des Brennstoffzellensystems 100. Der VerdampfungsKühlabschnitt 30 kühlt dabei zusätzlich das primäre Kühlmittel PK, noch bevor dieses den Abgabeabschnitt 24 erreicht. In order to equip this primary cooling circuit 20 with an additional cooling option in peak load situations, the cooling device 10 according to FIG. 1 is equipped with a secondary cooling circuit 40 . This is able to separate product water PW from an exhaust gas section 140 of the fuel cell system 100 and to discharge it from a condenser section 42 via a feed pump. This condenser section 42 can be arranged, for example, on the outside of a vehicle 200 in order to ensure the condensation of the product water PW as a secondary coolant SK through passive cooling. A cooling heat exchanger 47 can optionally be downstream of the delivery pump, which further cools the already condensed product water PW. In FIG. 1, the liquid product water PW is fed to the evaporation cooling section 30 as a secondary coolant SK via a control valve 41 . This supply preferably takes place exclusively for additional cooling, for example when the fuel cell system 100 has a high cooling requirement in a peak load situation.

[0042] Der Verdampfungskühlabschnitt 30 ist insbesondere für ein Verdampfen und/oder ein Verdunsten ausgebildet. Die vorliegende Beschreibung verwendet den Begriff Verdampfen insbesondere für eine Kombination aus Verdampfen und/oder Verdunsten. Insbesondere sind die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 für ein Verdunsten und die Figuren 3, 4 und 5 für ein Verdampfen ausgebildet. The evaporative cooling section 30 is designed in particular for evaporation and/or evaporation. The present description uses the term evaporation in particular for a combination of evaporation and/or evaporation. In particular, the embodiments of FIGS. 1 and 2 are designed for evaporation and FIGS. 3, 4 and 5 for evaporation.

[0043] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier ist ein Zwischenspeicher 44 vorgesehen, welcher es erlaubt, eine Entkopplung der Betriebssituation von der Kühlsituation zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist dieser Zwischenspeicher 44 hier mit einer Füllöffnung 45 ausgestattet, sodass für einen Erstbetrieb oder für einen Betrieb nach langer Standzeit auch ein Nachfüllen von sekundärem Kühlmittel SK in den Zwischenspeicher 44 möglich ist. Auch ist in der Figur 2 zusätzlich noch eine Filtervorrichtung 43 dargestellt, um ein Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem sekundären Kühlmittel SK zu gewährleisten. FIG. 2 shows a further development of the embodiment of FIG. 1. A buffer store 44 is provided here, which allows the operating situation to be decoupled from the cooling situation. In particular, this buffer store 44 is equipped here with a filling opening 45, so that secondary coolant SK can also be refilled in the buffer store 44 for initial operation or for operation after a long period of standstill. A filter device 43 is also shown in FIG. 2 in order to ensure that solid particles are filtered out of the secondary coolant SK.

[0044] In der Figur 3 ist im Gegensatz zu den Lösungen der Figuren 1 und 2 eine indirekte Zusatzkühlung gezeigt. Hier ist ein zusätzlicher Verdampfungs-Kühlkreislauf 32 als KompressorKühlkreislauf zur Verfügung gestellt. Mithilfe eines Kompressors kann ein zusätzliches Verdampfungs-Kühlmittel hier im Kreislauf gefördert werden und die Wärme vom primären Kühlkreislauf PK über den Verdampfungs-Wärmetauscher 34 aufnehmen und über den Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 an das sekundäre Kühlmittel SK abgeben. Die Wirkungsweise der Zusatzkühlung wird auf diese Weise erhöht, da das Temperaturniveau auf der sekundären Kühlkreisseite angehoben wird. Im Gegensatz zu der Verdunstung bei den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 erfolgt in den Figuren 3, 4 und 5 damit ein Verdampfen. In contrast to the solutions of FIGS. 1 and 2, FIG. 3 shows indirect additional cooling. Here an additional evaporative cooling circuit 32 is provided as a compressor cooling circuit. An additional evaporative coolant can be circulated here with the aid of a compressor and can absorb the heat from the primary cooling circuit PK via the evaporative heat exchanger 34 and deliver it to the secondary coolant SK via the evaporative cooling section 30 . The effectiveness of the additional cooling is increased in this way, since the temperature level on the secondary cooling circuit side is raised. In contrast to the evaporation in the embodiments of FIGS. 1 and 2, in FIGS. 3, 4 and 5 evaporation takes place.

[0045] In der Figur 4 ist eine Kombination der indirekten und der direkten Zusatzkühlmöglichkeit dargestellt. Hier ist mithilfe eines Zusatz-Wärmetauschers 26 sowohl die direkte Kühlung des primären Kühlmittels PK durch das sekundäre Kühlmittel SK möglich als auch die indirekte Kühlung über den zwischengeschalteten Verdampfungs-Kühlkreislauf 32. Insbesondere erfolgt durch den Zusatz-Wärmetauscher 26 ein Anheben des Temperaturniveaus des Produktwassers PW so dass der Kompressor im Verdampfungskühlkreislauf 32 nur noch eine geringere Temperaturanhebung durchführen muss. Im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 3 kann der Kompressor daher kleiner und leistungsärmer ausgebildet werden. Nicht dargestellt, jedoch zusätzlich möglich, ist eine Schaltbarkeit über weitere Kontrollventile 41, sodass die direkte und die indirekte Kühlung unabhängig voneinander oder aber in Kombination betrieben werden können. Dies führt In the figure 4, a combination of indirect and direct additional cooling option is shown. Here, with the help of an additional heat exchanger 26, both the direct cooling of the primary coolant PK by the secondary coolant SK and indirect cooling via the intermediate evaporation cooling circuit 32 is possible. In particular, the additional heat exchanger 26 raises the temperature level of the product water PW so that the compressor in the evaporative cooling circuit 32 only has to carry out a lower temperature increase. Compared to the embodiment of FIG. 3, the compressor can therefore be made smaller and less powerful. Switchability via further control valves 41 is not shown, but is also possible, so that direct and indirect cooling can be operated independently of one another or in combination. this leads to

zu einer weiteren Steigerung der Variabilität, da zwischen einem energiesparenden direkten Kühlen und einem energieintensiveren, aber stärkeren Kühlen umgeschaltet werden kann. to a further increase in variability, since it is possible to switch between energy-saving direct cooling and more energy-intensive but stronger cooling.

[0046] Die Figur 5 zeigt eine weitere Steigerungsmöglichkeit der Effizienz im Betrieb der Kühlvorrichtung 10. Hier ist nachgelagert dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 eine Turbine 46 als Dampfturbine vorgesehen, welche mechanisch gekoppelt ist, mit dem Kompressor des Verdampfungs-Kühlkreislauf 32. Die in dem Dampf des sekundären Kühlmittels SK enthaltene Energie kann somit dem System, hier der Kompressorleistung des Verdampfungs-Kühlkreislaufs 32, zurückgeführt werden. Figure 5 shows a further possibility of increasing the efficiency in the operation of the cooling device 10. Here, downstream of the evaporative cooling section 30, a turbine 46 is provided as a steam turbine, which is mechanically coupled to the compressor of the evaporative cooling circuit 32 Energy contained in the vapor of the secondary coolant SK can thus be fed back to the system, here to the compressor output of the evaporation cooling circuit 32 .

[0047] In der Figur 6 ist eine Bypassmöglichkeit dargestellt, in Form eines Bypassabschnitts 48. Uber Kontrollventile 41 kann nun geschaltet werden, ob bereits vorhandenes flüssiges Produktwasser PW aus dem Abgasabschnitt 140 direkt dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 zugeführt werden soll oder aber dampfförmiges Produktwasser PW über den Kondensatorabschnitt 42 zur Kondensation gefördert wird. Dies erlaubt es, die Flexibilität eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 weiter zu erhöhen. A bypass option is shown in FIG. 6 in the form of a bypass section 48. Control valves 41 can now be used to switch whether existing liquid product water PW from the exhaust gas section 140 is to be fed directly to the evaporation cooling section 30 or vaporous product water PW is conveyed via the condenser section 42 for condensation. This makes it possible to further increase the flexibility of a method according to the invention and a cooling device 10 according to the invention.

[0048] Figur 7 zeigt schematisch weitere Details des Brennstoffzellensystems 100 bei gleicher Funktionsweise der Kühlvorrichtung 10 wie zu den Figuren 1 bis 6 erläutert. Hier ist eine Aufteilung des Brennstoffzellenstapels 110 in einen Anodenabschnitt 120 und Kathodenabschnitt 130 zu erkennen. Der Anodenabschnitt 120 ist mit dem Anodenzuführabschnitt 122 und dem Anodenabführabschnitt 124 sowie der Kathodenabschnitt 130 mit dem Kathodenzuführabschnitt 132 und dem Kathodenabführabschnitt 134 versehen. Beide Abführabschnitte 124 und 134 zusammen bilden den Abgasabschnitt 140 aus, aus welchem das Produktwasser abgeführt und über den Kondensatorabschnitt 42 kondensiert werden kann. Die Funktionsweise ist identisch zu den Erläuterungen zu den Figuren 1 bis 6. FIG. 7 schematically shows further details of the fuel cell system 100 with the same mode of operation of the cooling device 10 as explained for FIGS. A division of the fuel cell stack 110 into an anode section 120 and a cathode section 130 can be seen here. The anode section 120 is provided with the anode supply section 122 and the anode discharge section 124 , and the cathode section 130 is provided with the cathode supply section 132 and the cathode discharge section 134 . Both discharge sections 124 and 134 together form the exhaust gas section 140 from which the product water can be discharged and condensed via the condenser section 42 . The way it works is identical to the explanations for Figures 1 to 6.

[0049] Figur 8 zeigt schematisch die Integration eines solchen Brennstoffzellensystems 100 in ein Nutzfahrzeug 200. Hier ist der Kondensatorabschnitt 42 des sekundären Kühlkreislaufs 40 in einen Außenkarosserieabschnitt des Außenabschnitts 210 des Fahrzeugs 200 integriert, sodass eine passive Kühlung durch den entlangstreichenden Fahrtwind und damit eine passive und energieeffiziente Kondensation möglich ist. Ebenfalls Teil dieses Außenabschnitts ist ein Kühl-Wärmetauscher 47 für eine weitere Kühlung des kondensierten Produktwassers PW. Figure 8 shows a schematic of the integration of such a fuel cell system 100 in a commercial vehicle 200. Here, the condenser section 42 of the secondary cooling circuit 40 is integrated into an outer body section of the outer section 210 of the vehicle 200, so that passive cooling by the airstream blowing along and thus passive cooling is possible and energy-efficient condensation is possible. Also part of this outer section is a cooling heat exchanger 47 for further cooling of the condensed product water PW.

[0050] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the present invention.

BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST

10 Kühlvorrichtung 10 cooler

20 primärer Kühlkreislauf 20 primary cooling circuit

22 Aufnahmeabschnitt 22 recording section

24 Abgabeabschnitt 24 delivery section

26 Zusatz-Wärmetauscher 30 Verdampfungs-Kühlabschnitt 32 Verdampfungs-Kühlkreislauf 34 Verdampfungs-Wärmetauscher 40 sekundärer Kühlkreislauf 41 Kontrollventil 26 auxiliary heat exchanger 30 evaporative cooling section 32 evaporative cooling circuit 34 evaporative heat exchanger 40 secondary cooling circuit 41 control valve

42 Kondensatorabschnitt 42 capacitor section

43 Filtervorrichtung 43 filter device

44 Zwischenspeicher 44 buffers

45 Füllöffnung 45 filling opening

46 Turbine 46 Turbine

47 Kühl-Wärmetauscher 47 cooling heat exchanger

48 Bypassabschnitt 48 bypass section

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 100 fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Abgasabschnitt 132 cathode supply section 134 cathode discharge section 140 exhaust gas section

200 Fahrzeug 200 vehicle

210 Außenabschnitt 210 exterior section

PK primäres Kühlmittel PK primary coolant

SK — sekundäres Kühlmittel PW Produktwasser SK — secondary coolant PW product water

Claims

patent claims

1. Cooling device (10) for cooling a fuel cell system (100) of a vehicle (200), having a primary cooling circuit (20) for conducting a primary coolant (PK) with an absorption section (22) for absorbing heat from the fuel cell system (100) and a discharge section (24) for dissipating the absorbed heat to the environment, wherein an evaporative cooling section (30) is arranged downstream of the absorption section (22) and upstream of the discharge section (24) for additional cooling of the primary coolant (PK), further comprising a secondary cooling circuit (40) with a fluid connection to an exhaust gas section (140) of the fuel cell system (100) and with a condenser section (42) for condensing product water (PW) from exhaust gas of the fuel cell system (100) as a secondary coolant (SK), wherein the secondary refrigeration circuit (40) downstream of the condenser section (42) with the evaporative cooling section (30) of the primary refrigeration circuit fs (20) is fluidly connected for evaporation and/or evaporation of the condensed product water (PW) as a secondary coolant (SK) for cooling the primary coolant (PK), characterized in that the evaporative cooling section (30) has its own evaporative cooling circuit ( 32) having an evaporative heat exchanger (34) for heat exchange with the primary cooling circuit (20).

2. Cooling device (10) according to claim 1, characterized in that the condenser section (42) is integrated into an outer section (210) of the body of the vehicle (200) and/or at least partially forms it.

3. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that downstream of the condenser section (42) and upstream of the evaporative cooling section (30) there is an intermediate store (44) for the intermediate storage of condensed product water (PW) as a secondary coolant (SK) is arranged.

4. Cooling device (10) according to claim 3, characterized in that the intermediate store (44) has a filling opening (45) for external filling with liquid water as a secondary coolant (SK).

5. Cooling device (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that upstream of the evaporative cooling section (30) in the primary cooling circuit (20) an additional heat exchanger (26) is arranged for an additional heat exchange between the secondary coolant ( SK) and the primary coolant (PK).

6. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that downstream of the evaporative cooling section (30) in the secondary cooling circuit (40) a turbine (46) is arranged for generating energy from the evaporated secondary coolant (SK).

7. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary cooling circuit (40) has a bypass section (48) for guiding the secondary coolant (SK) past the condenser section (42) directly to the evaporative cooling section ( 30).

8. Cooling device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the secondary cooling circuit (40) has a heating device for preheating at least a portion of the secondary cooling circuit (40).

9. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary cooling circuit (40) has at least one control valve (41) for controlling the flow of secondary coolant (SK) through the secondary cooling circuit (40).

10. Cooling device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one filter device (43) for filtering solids from the se-

secondary coolant (SK) is arranged upstream of the evaporative cooling section (30) in the secondary cooling circuit (40).

11. Fuel cell system (100), comprising a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and a cathode section (130), the anode section (120) having an anode feed section (122) and an anode discharge section (124), the cathode section (130) having a cathode feed section (132) and a cathode discharge section (134), further comprising a cooling device (10) having the features of one of claims 1 to 10 for cooling the fuel cell stack (110).

12. Vehicle (200), having a fuel cell system (100) with the features of claim 11 for driving and / or supporting a drive of the vehicle (200).

13. A method for cooling a fuel cell system (100) of a vehicle (200) with a cooling device (10) having the features of one of claims 1 to 10, having the following steps:

- Leading a primary coolant (PK) in a primary cooling circuit (20) to transport heat from the fuel cell system (100) to the environment,

- Leading a secondary coolant (SK) in the form of condensed product water (PW) in a secondary cooling circuit (40),

- Cooling of the primary coolant (PK) with evaporation and/or evaporation of the secondary coolant (SK).

14. The method as claimed in claim 13, characterized in that the step of cooling the primary coolant (PK) with evaporation of the secondary coolant (SK) takes place temporarily, in particular in a peak load situation of the fuel cell system (100).

8 sheets of drawings