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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet des Wärmemanagements und insbesondere
ein Wärmemanagementsystem
und -verfahren für
einen elektrochemischen Motor, der in einem Fahrzeug verwendet wird.
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Das
Wärmemanagement
eines elektrochemischen Motors weist verschiedene wichtige Betrachtungen
und Herausforderungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor
auf. Zunächst
wird bei einem Verbrennungsmotor Abwärme etwa gleichermaßen durch
sowohl einen Abgasstrom als auch durch einen Durchfluss von luftgekühltem Motorkühlmittel
gemanagt. Im Vergleich dazu managt ein elektrochemischer Motor den
größten Teil seiner
Abwärme
durch ein luftgekühltes
Motorkühlmittel.
Zweitens arbeitet ein Verbrennungsmotor typischerweise bei 120°C, während ein
elektrochemischer Motor bei der geringeren Temperatur von 80°C arbeitet.
Daher beträgt
die Wärmeübertragung
zwischen dem Kühlmittel
und Luft in einem Wärmemanagementsystem
eines elektrochemischen Motors etwa eine Hälfte von der eines Verbrennungsmotors aufgrund
der kleineren Temperaturdifferenz zwischen der Abwärme und
Umgebung bei 38°C.
Diese beiden Betrachtungen können
in Kombination eine dreifache Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes durch den
Kühler
und eine Erhöhung
seiner zugeordneten Gebläseleistung
um eine Größenordnung
erfordern.
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Die
Kühlanforderung
ist allgemein dadurch erfüllt
worden, dass ein großer
Kühler
im Vorderbereich des Fahrzeugs angeordnet wird. Jedoch erscheint
aufgrund der gegenwärtigen
Größe des Kühlers das
Fahrzeugdesign durch den für
die Kühlung erforderlichen
hohen Durchsatz an Luft stark getrieben. Obwohl durch höhere thermodynamische
Wirkungsgrade des elektrochemischen Motors eine gewisse Verringerung
der Wärmeabgabeanforderungen
erreicht wurde, besteht nach wie vor Bedarf nach kreativen Kühllösungen für im Raum
begrenzte Fahrzeuganwendungen.
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Diese
Erfindung verringert den erforderlichen Kühlluftdurchsatz erheblich,
indem die Wasserverdunstungswärme
mit einbezogen wird. Der verringerte Luftdurchsatz wird in einem
wesentlich kleineren und daher erheblich leichter zu integrierenden Kühler erreicht,
indem eine Verdunstungskühlung verwendet
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
ist ein Verfahren zum Managen von Wärme von einem Motor für ein Fahrzeug
vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine Luftströmung über eine
Oberfläche
eines Wärmetauschers
geliefert wird, der Kühlmittel
zirkuliert, das dazu verwendet wird, den Motor zu kühlen. Die Luftströmung wird
dazu verwendet, Wärme
von dem Wärmetauscher
abzuziehen. Das Verfahren umfasst ferner, dass Wasser über den
Wärmetauscher
gesaugt wird, um die Kühlkapazität der Luftströmung durch
Verdunstungskühlung
zu ergänzen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist ein Wärmemanagementsystem
eines Motors für
ein Fahrzeug vorgesehen. Das System umfasst eine Kühlmittelpumpe,
einen Kühler
mit einem Saugmechanismus, und ein zugehöriges Gebläse, um eine Luftströmung über den
Saugmechanismus vorzusehen. Das System umfasst einen Kühlmittelkreislauf, der
ein Kühlmittel
zirkuliert, das dazu verwendet wird, den Motor zu kühlen. Der
Kühlmittelkreislauf
verbindet fluidmäßig den
Motor, die Kühlmittelpumpe
und den Kühler.
Eine Wasserversorgung steht in Fluidverbindung mit dem Saugmechanismus,
um die Kühlkapazität der Luftströmung durch
Verdunstungskühlung zu
ergänzen.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend
anhand bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
genauer beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Schutzumfang
der Ansprüche
durch den Wortlaut darin und nicht durch die spezifische Beschreibung
von Merkmalen und Vorteilen, die in der vorliegenden Erfindung dargelegt
sind, definiert ist.
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Die
folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen
verständlich,
wobei gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen beschrieben
sind, und wobei:
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1 ein
schematisches Schaubild ist, das einen Motor zeigt, der die vorliegende
Erfindung verwendet;
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2 ein
Diagramm einer Kühlwirksamkeit und
Wassermenge für
Verdunstungskühlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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3 eine
schematische Schnittansicht eines Kühlers mit nicht verdunstenden
und verdunstenden Kühlgebieten
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist; und
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4 eine
schematische Draufsicht eines Fahrzeugs ist, das einen Motor und
ein zugeordnetes Wärmemanagementsystem
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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In 1 ist
ein Motor allgemein mit Bezugszeichen 10 gezeigt. Bei einer
Ausführungsform
ist der Motor 10 ein elektrochemischer Motor, der im Betrieb Elektrizität in einem
Brennstoffzellenstapel unter Verwendung von zwei Reaktanden erzeugt,
beispielsweise einem wasserstoffhaltigen Gas und einem sauerstoffhaltigen
Gas. Wasserstoffhaltige Gase für
den Brennstoffzellenstapel können
an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden, wobei dieses Verfahren nachfolgend
beschrieben wird, während
die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf ein derartiges System
beschränkt
ist. Bei einer anderen Ausführungsform
ist der Motor 10 ein herkömmlicher Verbrennungsmotor für Fahrzeuge,
die nur begrenzt Raum für
einen Kühler
besitzen.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
wird ein flüssiger
Kraft- bzw. Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol
etc., an Bord des Fahrzeugs in einem Brennstofftank 12 gespeichert.
Der Brennstoff wird an einen Brennstoffprozessor 14 in dem
elektrochemischen Motor 10 geliefert. Der Brennstoffprozessor 14 kann
auch Druckluft von einem Luftkompressor 16 zur Partialoxidation
und gegebenenfalls Wasser von einem Wassertank 18 zur Wasserdampfreformierung
aufnehmen. Ein Brenner 20 erzeugt und liefert Wärme an den
Brennstoffprozessor 14, wobei der Brennstoffprozessor den
Brennstoff partial oxidiert und reformiert, um ein wasserstoffhaltiges
Reformat zu erzeugen. Wenn Wasser verfügbar ist, reformiert der Brennstoffprozessor 14 mit
Wasserdampf einen Anteil des Brennstoffs, um zusätzlichen Wasserstoff zu erzeugen.
Das Vorhandensein von Wasser verringert auch die Wahrscheinlichkeit,
dass Methan und feste Nebenprodukte, wie beispielsweise Ruß und Kohlenstoff,
erzeugt werden.
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Um
das Restkohlenmonoxid in dem Reformat zu verringern, kann der Brennstoffprozessor 14 einen
oder mehrere Reaktoren zur Kohlenmonoxidreduktion umfassen, wobei
das Restkohlenmonoxid mit Wasser kombiniert wird, um Kohlendioxid
und Wasserstoff zu erzeugen. Der Brennstoffprozessor 14 kann
ferner einen Reaktor zur Kohlenmonoxidreinigung umfassen, wobei
das restliche Kohlenmonoxid unter Verwendung von Luft von dem Luftkompressor 16 oxidiert
wird. Das Reformat kann auch durch einen Kühler geführt werden, wenn eine Kühlung erforderlich
ist, bevor das Reformat an einen Brennstoffzellenstapel 22 geliefert
wird.
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Um
Elektrizität
in dem Brennstoffzellenstapel 22 zu erzeugen, wird das
wasserstoffhaltige Reformat unter Druck an den Stapel geliefert.
Der Brennstoffzellenstapel 22 umfasst eine Serie einzelner
bipolarer Brennstoffzellenplatten 24, wie in der Technik bekannt
ist. Das wasserstoffhaltige Gas wird durch eine Anode, nicht gezeigt,
zugeführt,
um positiv geladene Wasserstoffionen zu erzeugen. Gleichzeitig sieht
der Luftkompressor 16 und eine optionale Kathodenbefeuchtungseinrichtung 26 eine
befeuchtete Oxidationsmittellieferung an eine nicht gezeigte Kathode
der Brennstoffzellenplatten 24 vor. Die Kathode ist von
der Anode durch einen Elektrolyt getrennt. Wenn eine Befeuchtungseinrichtung 26 verwendet wird,
kann sie Wasser von dem Wassertank 18 aufnehmen. Elektrizität in dem
Brennstoffzellenstapel 22 wird durch elektrochemische Reaktion
des Wasserstoffs und Sauerstoffs in einer in der Technik bekannten
Art und Weise erzeugt. Die erzeugte Elektrizität kann ein Antriebssystem wie
auch Zubehörfahrzeugvorrichtungen
antreiben.
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Als
Alternative zur Reformierung von Wasserstoff an Bord, wie oben beschrieben
ist, kann der Wasserstoff für
den elektrochemischen Prozess an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten
Speichertank gespeichert werden. Der Wasserstoff kann entweder in
seinem gasförmigen
Zustand, flüssigen
Zustand oder in einem abgefangenen festen Zustand durch ein Wasserstoffrückhaltematerial,
das in dem Speichertank enthalten ist, gespeichert sein. Ein Wasserstoffrückhaltematerial
ist ein Material, das Wasserstoff reversibel aufnehmen und bei einer Speichertemperatur
speichern und bei einer Freigabetemperatur freigeben kann, wobei
die Freigabetemperatur größer als
die Speichertemperatur ist. Beispiele für Wasserstoffrückhaltematerialien
umfassen Metalle, wie beispielsweise Natrium-Aluminium, Lanthan-Nickelverbindung
(engl. "lanthanum-nickelide"), Titan oder Nickel,
die mit dem Wasserstoff reagieren und den Wasserstoff als ein Hydrid
des Metalls speichern.
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Abhängig von
dem flüssigen
Ausgangsbrennstoff kann der Brennstoffzellenstapel 22 Methan,
nicht verbrauchten Wasserstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser
von der Anode und nicht verbrauchten Sauerstoff, Stickstoff und
Wasser von der Kathode ausstoßen.
Zusätzlich
zu den oben beschriebenen Abgasen erzeugt der Brennstoffzellenstapel 22 auch
Wärme.
Um die Wärme
zu managen, umfasst der elektrochemische Motor 10 ein Wärmemanagementsystem 28 mit
einer Kühlmittelpumpe 29 und einem
Primärkühlmittelkreislauf 30,
um ein Niedertemperatur-Motorkühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel 22 zu zirkulieren, wobei
Abwärme aus
dem Stapel heraus übertragen
wird. Das erhitzte Kühlmittel
wird durch einen Wärmetauscher
gekühlt, wie
beispielsweise einen luftgekühlten
Kühler 32,
der ein zugeordnetes Gebläse 35 umfassen
kann, um Luft von einem Luftkanal (nicht gezeigt) durch den Kühler zu
drängen.
Das Wärmemanagementsystem 28 umfasst
ferner einen Kondensator 34, um Wasser aus dem feuchten
Abgas des Brennstoffzellenstapels 22 zurückzugewinnen,
den Wassertank 18 zum Speichern des zurückgewonnenen Wassers und eine Wasserpumpe 36.
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Wasser
wird in dem elektrochemischen Motor 10 dadurch rückgewonnen,
dass die Abgasströme
von dem Brennstoffzellenstapel 22 durch den Brenner 20 geführt werden,
der die Doppelfunktion sowohl des Verbrauchs unerwünschter
Abgaskomponenten als auch der Erzeugung von Wärme für den Brennstoffprozessor 14 vorsieht.
Bei einer Ausführungsform
wird der feuchte Abgasstrom, der aus dem Brenner 20 herausströmt, durch
den Kondensator 34 geführt,
um bei einer Ausführungsform
flüssiges Wasser
rückzugewinnen,
bevor er endgültig
von dem Fahrzeug ausgetragen wird. Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Abgasstrom von dem Brennstoffzellenstapel 22 zuerst
durch den Kondensator 34 und dann an den Brenner 20 geführt werden, bevor
er das Fahrzeug verlässt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann als ein Mittel, um zu versuchen, den Wassertank 18 oberhalb
des Gefrierpunkts (d.h. > 0°C) zu halten
und damit die Gefahr eines potentiellen Schadens an der Wasserpumpe 36 zu
minimieren, der Austrag oder das Kühlmittel betriebsmäßig in einer
Strömung durch
den Wassertank 18 geführt
werden, wenn sich die Tempera tur bei oder unterhalb des Gefrierpunkts befindet.
Zusätzlich
kann das Abgas oder die Kühlmittelströmung dazu
verwendet werden, kritische Abschnitte des Wassertanks und Versorgungsleitungen bei
Umgebungsbedingungen unter Null aufzutauen, wenn der Wassertank 18 gefrieren
kann. Der Begriff "betriebsmäßig geführt" bedeutet, dass ein
betätigtes Ventil
oder anderes Systemverbindungsmittel durch eine Steuereinheit gesteuert
wird, die innere und äußere Bedingungen
des elektrochemischen Motors 10 überwacht und die angegebene
Systemanordnung unter Verwendung des angegebenen (erfassten) Zustandes
beeinflusst. Da die Verwendung von Steuereinheiten für diesen
Zweck in der Technik gut bekannt ist, wird dies nicht weiter beschrieben.
Zudem sei angemerkt, dass bei der Ausführungsform, die Kühlmittel
verwendet, das Kühlmittel
kontinuierlich in einer Strömung
durch den Wassertank 18 geführt werden kann, sogar, wenn
die Temperaturen oberhalb oder unterhalb des Gefrierpunktes liegen.
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Optional
dazu kann ein kleines Widerstandselement 38 entweder an
den Wänden
des Wassertanks 18 oder durch die Wände hindurch in dem Wasser
selbst vorgesehen sein, wobei ein kleiner Strom von einer Batterie
entnommen werden kann, sogar, wenn der elektrochemische Motor 10 nicht
arbeitet, um zu verhindern, dass das Wasser in dem Tank gefriert.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform
ist die herkömmliche
Kühlkapazität des Kühlers 32 so bemessen,
dass sie eine angemessene Wärmeabgabe
unter diesen Kaltwetterbedingungen vorsieht, so dass kein Wasser
in dem Tank 18 gespeichert werden muss und die zugeordneten
Frostschutzanordnungen und -aufgaben entfallen können.
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Um
ausreichende Wasserpegel in dem Tank 18 unter normalen
Betriebsbedingungen beizubehalten und sobald der Kühler 32 zusätzliche
Kühlkapazität aufweist,
kann entweder ein Teil oder der gesamte Feuchteaustrag von dem Brenner
betriebsmäßig durch
den Kondensator 34 geführt
werden, um Wasser zu kondensieren und den Wassertank 18 mit rückgewonnenem
Wasser zu füllen.
Eine derartige Anordnung wäre
nützlich,
wenn der Wassertank 18 als ein separater Speichertank vorgesehen
ist, gegenüber
dem, der dazu verwendet wird, Wasser an den Brennstoffprozessor 14 und/oder
Befeuchter 26 zu liefern. Optional könnte der Wassertank 18 auch
in demselben Intervall, zur selben Zeit und an derselben Füllstation
wie der Brennstofftank 12 wieder aufgefüllt werden.
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Bei
dem Wärmemanagementsystem 28 der vorliegenden
Erfindung wird Wasser auf die folgende Art und Weise geliefert.
Von dem Wassertank 18 wird das rückgewonnene Wasser an den Brennstoffprozessor 14 bei
einem Start des elektrochemischen Motors und während eines Normalbetriebs
des elektrochemischen Motors gepumpt, um den Motorwirkungsgrad zu
verbessern, da die Verarbeitung des Brennstoffs mit Wasser mehr
Wasserstoff freigibt, als die Verarbeitung des Brennstoffs lediglich
mit Luft. Optional und abhängig
von der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 22 kann
Wasser von dem Wassertank 18 auch betriebsmäßig von
der Pumpe 36 an die Befeuchtungseinrichtung 26 geführt werden,
um die Lufteingabe an die Anode und/oder Kathode zu befeuchten.
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Zusätzlich wird
bei Spitzenleistung oder Heißwetterbedingungen,
wenn die Kühlkapazität des Kühlers 32 nicht
ausreicht, das rückgewonnene
Wasser dazu verwendet, die Kühlkapazität des Kühlers zu
ergänzen,
indem Wasser von dem Tank 18 betriebsmäßig an den Kühler 32 über die
Pumpe 36 geführt
wird. Es sei angemerkt, dass die Kühlkapazität der Luftströmung durch
Verwendung von Verdunstungskühlung
von Wasser in die Luftströmung
gesteigert wird. Um eine vollständige
Verwendung des Wassers zur Verdunstungskühlung sicherzustellen, wird
das rückgewonnene
Wasser durch einen Saugmechanismus 33 eingeführt, der
an der Außenfläche des
Kühlers 32 und
insbesondere an den Rippen angeordnet ist. Ein geeigneter Saugmechanismus 33 kann
beispielsweise kapillare Saugstrukturen umfassen, wie z.B. Fasern,
Filze, Schäume,
Gewebe wie auch Saugmaterialien, wie z.B. Metalle (bevorzugt für Wärmeleitfähigkeit),
Polymere, die hinsichtlich hydrophiler Oberflächeneigenschaften gewählt sind, wie
auch pyrolisierte organische Stoffe mit hydrophilen Oberflächeneigenschaften.
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Eine
alternative Vorgehensweise zur Steigerung des Kühlens insbesondere für die Ausführungsformen,
bei denen der Motor 10 ein Verbrennungsmotor ist, besteht
darin, das gesamte oder einen Teil des Wassers, das von der Pumpe 36 geliefert
wird, auf den Kühler 32 zu
sprühen.
Bei dieser alternativen Ausführungsform
beträgt
der Kühlwirkungsgrad
des Kühlers 32 etwa
80–85
%. Zusätzlich
wird durch Verwendung des Saugmechanismus 33 als Teil des
Kühlers 32 ein
Wasserverlust von Tröpfchen,
die durch den Kühler
hindurch gelangen, im Wesentlichen vermieden.
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Durch
Verdunstungskühlung
der Außenfläche des
Kühlers 32 muss
das rückgewonnene
Wasser nicht so rein sein, als wenn es zur Verdunstungskühlung im
Inneren einer Brennstoffzelle verwendet würde, bei der Ionen die Membran
verschmutzen könnten.
Ferner können
jegliche Kesselsteinablagerungen, die von dem verdunsteten Wasser
zurückbleiben,
von den freiliegenden Oberflächen
des Kühlers 32 leichter
gereinigt werden, als von dem Innenraum des Brennstoffzellenstapels 22.
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Es
sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung die Kühlkapazität der Kühlluft erheblich
steigert, die dazu verwendet wird, Wärme von einem elektrochemischen
Motor abzuziehen, indem der Wärmeabgabevorrichtung
flüssiges
Wasser zugesetzt wird, um die Verdunstungswärme zu verwenden. 2 zeigt
ein Schaubild, das das Verhältnis
effektiver Wärmekapazitäten mit
Verdunstungskühlung zu
effektiven Wärmekapazitäten ohne
Verdunstungskühlung
zeigt, wie durch die mit Symbol B angegebene Linie gezeigt ist.
Das Verhältnis
der effektiven Wärmekapazitäten ist
dabei das Wärmeabgabeverhältnis für denselben
Luftmassendurchfluss für
denselben Temperaturanstieg. Das Diagramm zeigt auch das Verhältnis von
Wasser zu Luftdurchfluss auf einer Massenbasis, wie durch die mit
Symbol A angegebene Linie gezeigt ist. Diese Berechnung nimmt an,
dass die Luft, die aus der Wärmeabgabevorrichtung
austritt, mit Wasserdampf bei der angegebenen Temperatur gesättigt ist.
Beispielsweise ist die effektive Wärmekapazität bei einer Austrittstemperatur von
80°C etwa
27 -fach größer (so
dass eine 27 -fach geringere Kühlluftströmung erforderlich
ist), und es ist nur eine Wasserströmung des lediglich 0,5-fachen der
Luftströmung
erforderlich.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
von 3 umfasst der Kühler 32 Motorkühlmitteldurchgänge 40 und
Rippen 42 auf der Luftseite. Bei einer Ausführungsform
besitzt jede Rippe 42 den Saugmechanismus 33 bzw.
ist jede Rippe 42 der Saugmechanismus 33, der
in der Lage ist, Wasser, das von einer Wasserversorgung, wie beispielsweise
einem Wassertank 18, geliefert wird, über die Wärmeabgabefläche des Kühlers 32 zu saugen.
Bei einer anderen Ausführungsform,
und wenn die Umgebungstemperaturen zwischen Bedingungen unter Null
und warmem Wetter (d.h. > 0°C) variieren,
würde für Betriebsabläufe unter
Null ein vorwärts
weisender Abschnitt der Rippen 42 nicht den Saugmechanismus 33 umfassen,
da die kalten Umgebungstemperaturen das Wasser gefrieren könnten, das
für die
Verdunstungskühlung
verwendet würde.
Bei einer derartigen Ausführungsform
wird, nachdem die Kühlluft über den
Gefrierpunkt angewärmt
ist, wenn sie durch den Vorwärtsabschnitt
des Kühlers 32 gelangt,
dann die Verdunstungskühlung
in einem wärmeren
rückwärtigen Abschnitt
der Rippen und/oder des Kühlers,
der den Saugmechanismus 33 aufweist, verwendet, um den
Nutzen der Verdunstungskühlung
bezüglich
der Kühlergröße wie auch
den Kühlluftströmungsanforderungen
zu maximieren.
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Bei
einer noch weiteren Ausführungsform besitzt
der Kühler 32 Saugkühlzonen,
in denen Wasser betriebsmäßig zu vorwärts weisenden
und rückwärtigen Saugmechanismusabschnitten
des Kühlers 32 bei
Warmwetterbedingungen und nur an den rückwärtigen Saugmechanismusabschnitt
bei Frostwetterbedingungen geführt
wird. Der vorwärts
weisende Saugmechanismusabschnitt umfasst das Saugmaterial und/oder
die Struktur auf dem luftseitigen Abschnitt der Rippen 42.
Der rückwärtige Saugmechanismusabschnitt
umfasst ebenfalls das Saugmaterial und/oder die Struktur an dem
hinteren Abschnitt der Rippen und/oder des Kühlers. Die Anordnung des rückwärtigen Saugmechanismus
ist derart, dass unter normalen Betriebsbedingungen des elektrochemischen
Motors der rückwärtige Saugmechanismus aufgrund
der Wärmeübertragung
von dem zirkulierenden Kühlmittel über Gefriertemperaturen
liegt, sogar, wenn das Fahrzeug nahezu Gefriertemperaturen (d.h.
0 bis 5°C)
und darunter ausgesetzt ist. Die vorwärts weisenden und rückwärtigen Saugmechanismus abschnitte
werden mit Wasser von dem Wassertank 18 über die
Pumpe 36 durch separat gesteuerte Wiederbefeuchtungsleitungen
beliefert.
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Es
sei auch angemerkt, dass die Menge an Wasser, die gespeichert werden
soll, im Verhältnis
zu der Menge des an Bord befindlichen Brennstoffs und dem Motorwirkungsgrad
(und der Abwärmeabgabe) steht.
Die Wärmeerzeugungsrate
des elektrochemischen Motors wird durch die folgende Gleichung berechnet
(1) Q = N·(1,25 – V)·I (1)wobei Q die
erzeugte Wärme
ist, N die Anzahl von Zellen ist, V die Zellenspannung ist, I der
Zellenstrom ist. Wenn beispielsweise die gesamte Wärmeabgabe durch
Wasserverdunstung für
einen durchschnittlichen Zellenbetrieb von 0,75 Volt gehandhabt
wird, entspricht die Menge an Wasser, die gespeichert werden muss,
in etwa dem 20-fachen der Masse an gespeichertem Wasserstoff, da
Strom proportional zu der Wasserstoffströmung ist.
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In 4 ist
eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs 44 gezeigt,
das einen elektrochemischen Motor 10 mit dem zugeordneten
Kühler 32 aufweist,
der an einer Vorderachse 46 des Fahrzeugs angeordnet ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Kühler 32 hinter
einer Hinterachse 48 des Fahrzeugs 44 angeordnet
sein. Brennstoff wird in dem bzw. den Brennstofftanks 12 gespeichert,
die hier in dem hinteren Unterbodenraum des Fahrzeugs vorwärts der
Hinterachse 48 des Fahrzeugs 44 gezeigt sind.
Der rückwärtige Unterbodenraum
ist durch das Volumen zwischen Rahmenschienen 50, 52 vorwärts der
Hinterachse 48 und unterhalb des Fahrzeugbodens 54 definiert.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
umschließt
der bzw. umschließen
die Wassertanks 18 den bzw. die Brennstofftanks 12,
um die Porenräume in
Verbindung mit dem bzw. den Brennstofftanks zu verwenden. Beispielsweise
sei bei der Ausführungsform,
bei der Speicherwasserstoff verwendet wird, angemerkt, dass die
Speicherung von Wasserstoff für
Fahrzeuge allgemein durch Speichern von Wasserstoff als komprimiertes
Gas in Hochdruckzylindern erreicht wird. Demgemäß besitzt das Volumen um diese
Zylinder eine ungerade Form und ist allgemein nicht verwendbar für andere
Komponenten. Bei einer derartigen Ausführungsform könnte ausreichend
Verdunstungskühlwasser
in diesen Porenräumen
gespeichert werden, beispielsweise durch Verwendung von Zylindern
mit einem Innenvolumen von 30 Litern (27,6 cm Durchmesser und 75
cm Länge).
Bei einem derartigen Beispiel würde
das rechtwinklige Volumen, das diese Zylinder umschließt, eine
29-fach größere Wasserspeicherung
als die Innenwasserstoffspeicherung auf einer Massenbasis für die Wasserstoffspeicherung
bei 250 bar Druck vorsehen. Eine derartige Wasserspeicherkapazität übersteigt das
gezeigte 20-fache der Masse an gespeichertem Wasserstoff, wenn die
gesamte Wärmeabgabe
durch Wasserverdunstung gehandhabt wird, für einen durchschnittlichen
Zellenbetrieb von 0,75 V.
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Zusammengefasst
umfasst ein Wärmemanagementsystem
eines elektrochemischen Motors einen Kühler, der mit einem Saugmechanismus
versehen ist, eine Kühlmittelpumpe,
die mit dem Kühler fluidmäßig verbunden
ist, einen Wassertank und eine Wasserpumpe. Der Wassertank ist in
den Porenräumen
um Brennstoffspeichertanks herum angeordnet und kann direkt oder
mit rückgewonnenem
Wasser von einem Dampfnebenprodukt des elektrochemischen Motors
gefüllt
werden. Die Wasserpumpe dient dazu, bei Spitzenleistung und/oder
heißen
Umgebungsbedingungen Wasser von dem Wassertank an den Saugmechanismus
zu liefern. Feuchtigkeit in dem Dampfnebenprodukt kann mit der überschüssigen Kühlkapazität des Kühlers unter
weniger strengen Kühlbedingungen
kondensiert werden. Bei Gefrierbedingungen kann Austrag oder Kühlmittel
von dem elektrochemischen Motor dazu verwendet werden, Wasser in
dem Tank und den Versorgungsleitungen des Saugmechanismus aufzutauen.