DE102004061424A1

DE102004061424A1 - Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102004061424A1
Application number: DE102004061424A
Authority: DE
Inventors: Philip Dipl.-Ing. Anumu (TH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-06-29
Also published as: WO2006066712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug (20) mit einer Brennstoffzelleneinrichtung (21) und mit einem Hauptkühler (10) zur Kühlung der Brennstoffzelleneinrichtung (21) sowie einer Karosserie (11). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist wenigstens eine zusätzliche Kühlfläche (13, 13a, 13b, 13c) so vorgesehen, dass eine Kühlfläche (12) des Hauptkühlers (10) in Abhängigkeit eines Kühlbedarfs veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Fahrzeuge umfassen üblicherweise eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), in der eine Anode und eine Katode an beiden Seiten einer Protonen leitenden Polymerelektrolytmembran angeordnet sind. Bei der Brennstoffzellenreaktion entsteht Wärme, die abgeführt werden muss.

Bei solcher PEM-Brennstoffzelle muss die Temperatur der Polymerelektrolytmembran auf eine festgelegte, relativ niedrige Temperatur geregelt werden, damit die Brennstoffzelle elektrische Leistung mit höchstmöglicher Sicherheit und hohem Wirkungsgrad erzeugt. Aus diesem Grund wird eine typische PEM-Brennstoffzelle so konstruiert, dass ein Strömungsweg für Kühlwasser im Innern der Brennstoffzelle so gebildet ist, dass das Kühlwasser durch den Strömungsweg umlaufen kann und die bei der Erzeugung der elektrischen Leistung erzeugte Wärme abführt. Wegen der relativ geringen Temperaturdifferenzen zur Umgebung ist die Wärmeabfuhr problematisch, besonders bei hohen Außentemperaturen oder bei Volllast.

Die Fahrzeugkühlung erfolgt üblicherweise über einen Hauptkühler, der sich im vorderen Bereich des Brennstoffzellen-Fahrzeugs befindet. Nachteilig ist dabei, dass der Bauraum im vorderen Teil des Fahrzeugs ohnehin stark limitiert ist, so dass ein größerer Kühler mit hoher abführbarer Wärmeleistung oder ein zusätzlicher Kühler nur schwer integrierbar ist.

In der Offenlegungsschrift DE 199 60 166 A1 ist eine Kühleinrichtung offenbart, die einen dachseitig angeordneten Kühlerblock mit einer Kühlfluidkanalanordnung und eine damit in Wärmekontakt stehende Kühlluftkanalanordnung aufweist, die durch Fahrtwind anströmbar ist. Damit wird zwar das Platzproblem gelöst. Auch wird durch die Kühlwirkung des Fahrtwindes keine zusätzliche Bordenergie benötigt, die für Kühlzwecke ohnehin nur beschränkt zur Verfügung steht. Allerdings wird zusätzlicher Bauraum auf dem Dach benötigt. Dort wirkt allerdings die Sonneneinstrahlung besonders stark und ungünstig auf den Kühler ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühleinrichtung bereitzustellen, die für hohe Kühllasten insbesondere bei hohen Außentemperaturen geeignet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist wenigstens eine zusätzliche Kühlfläche so vorgesehen, dass eine Kühlfläche des Hauptkühlers in Abhängigkeit eines Kühlbedarfs veränderbar ist. Bei einem hohen Kühlbedarf kann beispielsweise die Kühlfläche des Hauptkühlers durch eine oder mehrere zusätzliche Kühlflächen vergrößert werden oder die zusätzlichen Kühlflächen zugeschaltet werden. Es ist dabei von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Kühleinrichtung selbst einem erhöhten Kühlungsbedarf, beispielsweise bei Bergfahrt oder sonstigen hohen Lasten, sowie einer erschwerten Wärmeabfuhr bei hohen Umgebungstemperaturen gerecht wird. Die wenigstens eine zusätzliche Kühlfläche wird vorzugsweise im zugeschalteten Zustand vom Kühlmedium des Hauptkühlers durchströmt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung sind die zusätzlichen Kühlflächen als lange, dünne Rohrleitungen ausgestaltet. Je dünner die Rohrleitungen ausgebildet sind, umso größer ist deren spezifische Oberfläche und damit deren Wärmeaustauschfläche. Dabei ist eine große Länge der Rohrleitungen vorteilhaft, da die abführbare Wärmemenge mit der Länge skaliert. Auch eine Ausgestaltung der Rohrleitungen als Kapillarbündel ist denkbar. Eine weitere Ausgestaltung betrifft eine flache, parallele Anordnung von in einer Ebene nebeneinander liegenden Rohrleitungen in der Art einer Flachband-Anordnung. Die Abfuhr der Abwärme kann bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung durch freie bzw. erzwungene Konvektion erfolgen. Es erübrigt sich dadurch vorteilhafterweise eine übergroße Dimensionierung des Hauptkühlers, die eine Abwärmeleistung auch bei hohen Lasten gewährleisten soll. Dies entschärft auch das Bauraumproblem im Motorraum. Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausgestaltung aufgrund der Inkompressibilität eines Kühlmediums, beispielsweise Kühlwasser, keine höhere Kühlwasserpumpenleistung benötigt. Die Anzahl der Kapillare oder deren Durchmesser und damit der Druckabfall wird zweckmäßigerweise so ausgewählt, dass der erforderliche Kühlmittelmassenstrom die Kapillare durchfließen kann. Die Rohrleitungen können starr sein. In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Rohrleitungen flexibel ausgebildet, wodurch ein besonders einfacher Einbau in eine Karosserie der zu kühlenden Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht wird; die flexiblen Rohrleitungen können leicht an die Karosserie angepasst werden.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Bevorzugt sind die zusätzlichen Kühlflächen in der Karosserie verborgen, so dass der Luftwiderstand bzw. der cw-Wert des Fahrzeugs praktisch nicht beeinflusst wird. Die zusätzlichen Kühlflächen können dabei beispielsweise in ihrer Ausgestaltung als flexible Rohrleitungen durch vorhandene Hohlräume des Brennstoffzellen-Fahrzeugs geführt werden. Die Länge der Rohrleitungen kann dabei auf die abzuführende Wärmemenge abgestimmt werden, wobei der Grundsatz gilt, dass bei längeren Rohrleitungen aufgrund der größeren Oberfläche mehr Wärme abgeführt werden kann als bei kürzeren. Die zusätzlichen Kühlflächen können dabei in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet sein. Es ist auch eine Anordnung in einem Dachbereich des Fahrzeugs und/oder in einem Seitenbereich, etwa im Türschweller, möglich. Die zusätzlichen Kühlflächen können auch in zumindest einem Radkasten angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind die zusätzlichen Kühlflächen im Fahrzeug so angeordnet, dass sie mittels Fahrtwind kühlbar sind. Bevorzugt kann dabei eine Anordnung der zusätzlichen Kühlflächen vorgesehen sein, bei der ein günstiges Kühlluftströmungsverhalten realisiert werden kann. Es können beispielsweise Kühlrippen vorgesehen sein, die dermaßen exponiert sind, dass sie von dem Fahrtwind bestrichen werden können und somit für eine zusätzliche Wärmeabfuhr sorgen. Selbstverständlich können solche zusätzlichen Kühlflächen vorgesehen sein, die in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung können die als Rohrleitungen ausgebildeten zusätzlichen Kühlflächen nicht langgestreckt, sondern in Längserstreckung wellenförmig ausgebildet sein. Dabei können die Wellentäler und die Wellenberge parallel zur Fahrzeuglängsachse ausgerichtet sein, um ein günstiges Kühlluftabströmungsverhalten der zusätzlichen Kühlflächen zu erzielen. Zur Vergrößerung der Oberfläche können die zusätzlichen Kühlflächen spiralförmig gelegt sein. Hierdurch wird eine besonders günstige Wärmeabfuhr gewährleistet. Damit kann eine re lativ große Oberfläche zur Wärmeabfuhr auf kleinem Raum geschaffen werden.

Zweckmäßigerweise ist eine Strömungsverbindung zwischen einem Kühlmedium des Hauptkühlers und der zusätzlichen Kühlfläche oder den zusätzlichen Kühlflächen herstellbar, wobei als Kühlmedium vorzugsweise Kühlwasser vorgesehen ist. Es können ein oder mehrere Ventile vorgesehen sein, um die zusätzlichen Kühlflächen kühlmedien-strömungsmäßig zum Hauptkühler zuzuschalten oder wegzuschalten. Insbesondere kann hierfür ein Bypassventil vorgesehen sein. In Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmeabfuhr kann somit der Kühlkreislauf bzw. dessen wärmeabführende Oberfläche auf einfache Art und Weise verändert werden, indem die zusätzlichen Kühlflächen über das Bypass-Ventil mit dem Hauptkühler verbunden oder bei nachlassendem Kühlbedarf wieder getrennt werden. Es ist dabei von Vorteil, dass die thermische Masse des Kühlkreislaufs während eines Kaltstarts bzw. Gefrierstarts gering gehalten wird. Somit kann günstigerweise die Betriebstemperatur schnell erreicht werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigt
1a, b eine Anordnung einer Kühleinrichtung (a) und eine Anordnung eines Kühlkreislaufs (b).
In 1a ist eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug 20 ersicht lich. 1b zeigt schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs. Gemäß den 1a und 1b ist in dem Brennstoffzellen-Fahrzeug 20 eine Brennstoffzelleneinrichtung 21 und ein Hauptkühler 10 zur Kühlung der Brennstoffzelleneinrichtung 21 angeordnet. Eine schematisch dargestellte Kühlfläche 12 des Hauptkühlers 10 ist in Abhängigkeit eines Kühlbedarfs veränderbar, wobei erfindungsgemäß eine oder mehrere zusätzliche Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c in verschiedenen Fahrzeugbereichen zuschaltbar sind. Die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c sind in einer Karosserie 11 verborgen und durch Pfeile angedeutet, wobei die zusätzliche Kühlfläche 13b in einem Unterbodenbereich 16 des Fahrzeugs angeordnet ist, die zusätzliche Kühlfläche 13 in einem Dachbereich 17, die zusätzliche Kühlfläche 13c in einem Seitenbereich 18 des Fahrzeugs 20 und die zusätzlichen Kühlflächen 13a in zumindest einem Radkasten 19. Vorteilhaft ist bei jeder der Anordnungsmöglichkeit, dass die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c in der Karosserie 11 des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 verborgen sind, wodurch der cw-Wert des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 im Wesentlichen unverändert bleibt.
Vorzugsweise sind die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c dabei so angeordnet, dass sie mit Fahrtwind kühlbar sind, um gegebenenfalls eine erhöhte Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Der Fahrtwind ist mit Strömungslinien 22 angedeutet.
Die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c sind vorzugsweise durch die Oberflächen von langen dünnen Rohrleitungen gebildet. Die Rohrleitungen können dabei als Kapillarbündel 23 ausgestaltet sein, wobei in der Figur Kapillarbündel 23, 23a, 23b mit unterschiedlicher Stärke illustriert sind. Die Kapillarbündel 23a und 23b weisen eine flache, parallele Anordnung von in einer Ebene nebeneinander liegenden Rohrlei tungen in der Art einer Flachband-Anordnung auf, wobei das Kapillarbündel 23a eine Vielzahl von Kapillaren, zB. fünf Kapillare, umfasst, und das Kapillarbündel 23b eine geringere Anzahl, z.B. zwei Kapillare.
Um eine günstige Wärmeabfuhr zu realisieren, können die Rohrleitungen in Längserstreckung wellenförmig verlegt sein. Zur Vergrößerung der Oberfläche der Kühlflächen 13a, 13b, 13c ist auch eine Ausgestaltung mit spiralförmig aufgewickelten Kapillaren denkbar. Dies ist in der Figur nicht ausdrücklich dargestellt.
Zwischen einem Kühlmedium des Hauptkühlers 10 und den zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c ist eine Strömungsverbindung herstellbar. Die Hauptströmungsrichtung ist in der Figur mit einem Pfeil 15 gekennzeichnet.
Es können auch ein oder mehrere Ventile 14 vorgesehen sein, um die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c bezüglich einer Kühlmedienströmung zum Hauptkühler 10 zuzuschalten oder wegzuschalten. Die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c können beispielsweise über ein Bypassventil 14 dem Hauptkühler 10 zugeschaltet oder weggeschaltet werden. Die Zuschaltung erfolgt vorzugsweise bei extremen Bedingungen und großem Bedarf an Wärmeabfuhr, beispielsweise bei Bergfahrten oder hohen Umgebungstemperaturen oder sonstigen hohen Lasten, bei welchen viel Abwärme anfällt. Sobald sich die extremen Bedingungen normalisieren, können die zusätzlichen Kühlflächen 13, 13a, 13b, 13c wieder vom Hauptkühler 10 weggeschaltet werden.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann einen erhöhten Kühlbedarf decken, ohne dass eine Dimensionierung des Hauptkühlers 10 für eine hohe Spitzenlast erforderlich ist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Einbausituation im räumlich stark begrenzten vorderen Bauraum des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 20 entspannt werden.

Claims

Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug (20) mit einer Brennstoffzelleneinrichtung (21) und mit einem Hauptkühler (10) zur Kühlung der Brennstoffzelleneinrichtung (21), sowie einer Karosserie (11), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zusätzliche Kühlfläche (13, 13a, 13b, 13c) so vorgesehen ist, dass eine Kühlfläche (12) des Hauptkühlers (10) in Abhängigkeit eines Kühlbedarfs veränderbar ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere zusätzliche Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) bedarfsabhängig zuschaltbar sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) in der Karosserie (11) verborgen sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) mittels Fahrtwind kühlbar sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsverbindung zwischen einem Kühlmedium des Hauptkühlers (10) und den zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) herstellbar ist.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) durch Oberflächen von langen, dünnen Rohrleitungen gebildet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen in Längserstreckung wellenförmig ausgebildet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen in Längserstreckung spiralförmig aufgerollt sind.
Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen als Kapillarbündel (23, 23a, 23b) ausgestaltet sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventile (14) vorgesehen sind, um die zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) zum Hauptkühler (10) strömungsmäßig zuzuschalten oder wegzuschalten.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13, 13a, 13b, 13c) über ein Bypassventil (14) dem Hauptkühler (10) zuschaltbar oder wegschaltbar sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13) in einem Unterbodenbereich (16) des Fahrzeugs angeordnet sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13) in einem Dachbereich (17) des Fahrzeugs angeordnet sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13) in einem Seitenbereich (18) des Fahrzeugs untergebracht sind.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlflächen (13) in zumindest einem Radkasten (19) angeordnet sind.
Rohrleitung für eine Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, ausgestaltet als Kapillarbündel (23, 23a, 23b).
Rohrleitung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarbündel (23a, 23b) in einer Flachband-Anordnung ausgestaltet ist.
Rohrleitung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarbündel (23, 23a, 23b) in Längserstreckung spiralförmig ausgebildet ist.
Rohrleitung nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarbündel (23, 23a, 23b) in Längserstreckung wellenförmig ausgebildet ist.