DE102008010183A1

DE102008010183A1 - Brennstoffzellenabgaskühler

Info

Publication number: DE102008010183A1
Application number: DE102008010183A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Watzlawski (FH); Conrad Dr.-Ing. Pfender; Herbert Dr.-Ing. Damsohn; Martin Dipl.-Ing. Brenner
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenabgaskühler (10) zur Kühlung von Brennstoffzellenabgas (24) mittels eines Kühlfluids (12), zum Beispiel mittels Luft, mit mindestens einem Rohr (20), durch das das Brennstoffzellenabgas (24, 28) geleitet wird, und mit Rippen (18), die thermisch mit dem Rohr (20) verbunden sind, so dass Wärmeenergie des Rohrs (20) auf die Rippen (18) geleitet wird und dort vom Kühlfluid (12, 30) aufgenommen wird. Die Besonderheit des Brennstoffzellenabgaskühlers (10) liegt darin, dass das Rohr (20) aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlmaterial, und die Rippen (18) aus einem Aluminiummaterial oder einem Kupfermaterial gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenabgaskühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Auf der Suche nach effizienten Energiequellen richtet sich das Interesse mehr und mehr auf Brennstoffzellen, da diese über einen hohen Wirkungsgrad verfügen und sehr vorteilhaft bezüglich der Abgasemission sind. Während die Herstellung von Brennstoffzellen vor einigen Jahren noch so teuer war, dass sich lediglich experimentelle Pilotprojekte realisieren ließen, ist nun zu erkennen, dass sich Brennstoffzellen als Energiequellen mittelfristig etablieren werden. Außerdem ist zu erkennen, dass sich Brennstoffzellen nicht nur für größeren Energieanforderungen, wie beispielsweise bei einem Haus oder bei einem Auto, sondern auch für kleinere Verbraucher einsetzen lassen werden.
Von großem Interesse, insbesondere für kleine Verbraucher wie Radios, tragbare DVD-Spieler, PDAs oder Laptops, ist dabei die Direktmethanolbrennstoffzelle (Direct-Methanol-Fuel-Cell, DMFC). Einer ihrer großen Vorteile liegt darin, dass Methanol (CH₃OH) nicht erst reformiert werden muss, sondern der Brennstoffzelle direkt zugeführt wird. Die übliche katalytische Reformierung kann daher entfallen. Außerdem muss für den Betrieb einer DMFC kein Wasserstoff in einem speziellen Tank mitgeführt werden, was stets mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden ist (aufgrund des hohen Drucks und/oder niedriger Temperaturen). Schließlich ist die Energiemenge, die sich einem Einheitsvolumen Methanol entnehmen lässt viel größer als die vergleichbare Energiemenge eines Einheitsvolumens von komprimiertem Wasserstoff.
Um den Betrieb einer DMFC zu ermöglichen, muss zusätzlich zum Energieträger Methanol eine gewisse Menge Wasser zur Verfügung gestellt werden. Dies kann einerseits dadurch geschehen, dass das Wasser mittels Tankpatronen in Form eines Methanol-Wasser-Gemisches der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Andererseits ergibt sich eine interessante Möglichkeit der Wassergewinnung aus der Tatsache, dass beim Betrieb einer DMFC unter anderem ein heißes, wasserhaltiges Brennstoffzellenabgas entsteht. Wenn man das enthaltene Wasser wieder verwenden kann, kann man auf Tankpatronen verzichten oder diese kleiner ausführen. Da das Brennstoffzellenabgas jedoch eine viel geringere Dichte als flüssiges Wasser hat, ist es nicht möglich, das Abgas unmittelbar wieder zu verwenden. Vielmehr ist es erforderlich, aus dem Brennstoffzellenabgas mittels Kondensation Wasser zurück zu gewinnen.
Die Kondensation kann grundsätzlich natürlich durch aktive oder passive Kühlung herbeigeführt werden. Gerade bei den oben genannten kleinen Verbrauchern steht jedoch nur ein sehr geringer Bauraum für die Bewerkstelligung dieser Kühlung zur Verfügung. Einen größeren Bauraum für die Kühlung zu beanspruchen, stellt in der Praxis keine Alternative dar, da Geräte mit einem größeren Volumen keinerlei Marktakzeptanz erfahren.
Im Hinblick auf besonders kleine Kühleinheiten sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Prozessorkühler bekannt, die bei wassergekühlten Computern eingesetzt werden. Diese Kühler werden aus Aluminium in Rippe-Rohr-Bauweise gefertigt, wo einstückig an kleinen Rohren Kühlrippen ausgebildet sind. Diese Systeme erfüllen jedoch nicht die Reinheitsanforderungen an das rückgeführte Wasser, insbesondere nicht im Hinblick auf die Leitfähigkeit des Wassers beziehungsweise den Ionenaustrag aus dem Fluidpfad. Neben den unzulässigen Leitfähigkeitswerten treten auch Vergiftungserscheinungen durch herausgelöste Stoffe an den Katalysatoren in der DMFC auf.
Um diesem Problem zu begegnen, ist im Stand der Technik der Versuch unternommen worden, das Aluminium gegen Edelstahl zu ersetzen. Bei derartigen kleinen Kühleinheiten aus Edelstahl ist jedoch nicht zu erkennen, dass sich diese für den Einsatz in den genannten kleinen Verbrauchern eignen könnten. Zum einen ist die Fertigung solcher Kühleinheiten aufwändig und mit hohen Kosten verbunden, so dass die Gesamtsysteme am Markt preislich keine Akzeptanz finden werden. Andererseits bieten Edelstahlsysteme eine zu geringe Leistungsdichte, als dass sie im Hinblick auf die benötigte Kühlung geeignet wären. Es sei hier lediglich beispielhaft auf das Edelstahl-Rohrsystem gemäß der DE 100 42 690 A1 verwiesen.
Da der Stand der Technik bislang keine Lösung aufzeigt, wie eine Kühleinheit zu gestalten ist, die einem Gesamtsystem zur Marktakzeptanz verhelfen kann, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Brennstoffzellenabgaskühler aufzuzeigen, der eine ausreichende Kühlleistung bietet und dabei die Reinheitsanforderungen an das rückgeführte Wasser erfüllt. Außerdem soll der Brennstoffzellenabgaskühler günstig in der Fertigung sein und eine kompakte Bauweise ermöglichen.
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellenabgaskühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Rohr aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlmaterial, und die Rippen aus einem Aluminiummaterial oder einem Kupfermaterial gebildet sind, insbesondere bestehen. Das Rohr aus dem korrosionsbeständigen Werkstoff stellt sicher, dass die Reinheitsanforderungen an das rückgeführte Wasser erfüllt sind. Auch wenn derzeit davon ausgegangen wird, dass sich Edelstahl dafür besonders gut eignet, kommen auch andere Werkstoffe, wie beispielsweise auf Nickel-Basis oder Titan in Frage. Selbst wenn das Rohr nicht die übliche Form eines runden Rohrs oder eines ovalen Rohrs hat, lässt es sich doch wesentlich einfacher fertigen als ein Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik mit allen Rippen.
Die Rippen werden aus einem Material gefertigt, das leicht zu verarbeiten ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Unter den Begriffen Aluminiummaterial und Kupfermaterial sind daher sowohl reines Aluminium und reines Kupfer zu verstehen als auch Aluminium- und Kupferlegierungen, so wie Aluminium- und Kupfermischungen. Daher können die Rippen trotz ihrer Größe und ihrer Form immer noch günstig hergestellt werden. Die Verbindung zwischen dem Rohr und den Rippen wird in der Regel formschlüssig hergestellt, das heißt, die Rippen werden auf das Rohr aufgeschrumpft und/oder das Rohr wird gegen die Rippen aufgeweitet. Dadurch ergeben sich ein fester Sitz und eine gute Wärmeübertragung.
Die Erfindung zeigt überraschenderweise auf, dass ein Weggehen von der bekannten, einstückigen Fertigung aus einem Material endlich die gesuchte Lösung bringt, wie man einen kompakten Brennstoffzellenabgaskühler bauen kann, der einerseits die Reinheitsanforderungen erfüllt und andererseits eine ausreichende Kühlleistung hat. Dies ist insbesondere deshalb überraschend, da man trotz der Verwendung verschiedener Materialien für die Rohre und die Rippen nun einen Brennstoffzellenabgaskühler erhält, der preislich auch bei kleinen Verbrauchern die Marktakzeptanz sicherstellt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist gekennzeichnet durch mindestens zwei Rohre, die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht es unter anderem, eine besonders gute Kühlleistung zu erzielen oder zwei Kühlkreise zu realisieren.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre einen runden Querschnitt, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt, hat beziehungsweise haben. Ein Rohr mit einem runden Querschnitt, beispielsweise einem ovalen Querschnitt oder einem kreisförmigen Querschnitt, lassen sich besonders einfach herstellen. Außerdem können bekannte Fertigungstechniken, wie die Rippe-Rohr-Bauweise, beibehalten werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohraußendurchmesser des Rohrs beziehungsweise der Rohre 1 mm bis 6 mm, bevorzugt 1,5 mm bis 4 mm, und insbesondere 2 mm bis 3 mm beträgt. Dadurch, dass Rohre mit einem relativ kleinen Durchmesser verwendet werden, lässt sich eine hohe Leistungsdichte und damit eine besonders gute Kühlleistung erzielen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrwanddicke des Rohrs beziehungsweise der Rohre 0,05 mm bis 1 mm, bevorzugt 0,075 mm bis 0,75 mm, und insbesondere 0,1 mm bis 0,5 mm beträgt. Auch mit der Verwendung einer relativ geringen Rohrwanddicke, lässt sich eine hohe Leistungsdichte und damit eine besonders gute Kühlleistung erzielen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre mindestens eine Biegung aufweist beziehungsweise aufweisen, insbesondere eine Biegung um ungefähr 180°, um das Brennstoffzellenabgas umzulenken. Dadurch lässt sich die Fläche, die vom Kühlfluid durchströmt wird, im Sinne der Kühlung besonders gut nutzen. Außerdem kann so auch sehr beengten Platzverhältnissen Rechnung getragen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in dem Sammelkasten beziehungsweise in den Sammelkästen umgelenkt werden. Wenn die Umlenkung der Rohre in den Sammelkästen erfolgt, dann können die vorab beschriebenen Biegungen der Rohre entfallen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre durch einen Boden hindurch in den zugehörigen Sammelkasten münden. Die Rohrenden können stoffschlüssig mit dem Boden verbunden werden. Vorzugsweise sind die Rohrenden in den Boden gelötet oder geschweißt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre in mindestens einem Sammelkasten, insbesondere in mindestens zwei Sammelkästen, angeordnet ist beziehungsweise sind. Auf diese Weise lassen sich eigenständige, mechanisch stabile Einheiten bauen, die dann in verschiedenen Einbausituationen verwendet werden können. Eine solche Einheit kann dann beispielsweise lediglich einen Anschluss zum Einbringen des heißen Brennstoffzellenabgases und einen Anschluss zum Austragen des abgekühlten Brennstoffzellenabgases aufweisen, während alle anderen Bauteile geschützt in dem Sammelkasten angeordnet sind.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten beziehungsweise die Sammelkästen aus Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, gefertigt ist beziehungsweise sind. Dies ermöglicht es, günstig eine robuste Umhäusung zu bauen. Insbesondere Polyphenylensulfid zeigt eine gute Beständigkeit gegenüber Methanol und Wasser und eignet sich daher besonders gut für den Brennstoffzellenabgaskühler einer DMFC. Zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit wird der Kunststoff mit einem Glasfaseranteil von etwa GF30 versetzt. Da der Kunststoff beziehungsweise das Kunststoff-Glasfaser-Gemisch bevorzugt durch Spritzgießen verarbeitet wird, können die Sammelkästen auch in großer Stückzahl sehr kosteneffizient hergestellt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases meanderförmig ist. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Abwägung zwischen der Komplexität des Rohraufbaus und der Effektivität der Kühlung bezogen auf die verfügbare Fläche des Kühlfluidpfads.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases in mindestens zwei Ebenen meanderförmig ist, wobei die Ebenen im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders gute Kühlung, da die Kühlung des Brennstoffzellenabgases in dem Rohr beziehungsweise in den Rohren nun an mindestens zwei Stellen entlang der Flussrichtung des Kühlfluids stattfindet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases in einer ersten Ebene in eine erste Richtung und in einer zweiten Ebene in eine zweite Richtung erfolgt, wobei die Ebenen im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids sind. Auf diese Weise lässt sich für bestimmte Einbausituationen eine besonders geeignete Anordnung des Rohrs beziehungsweise der Rohre erzielen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr beziehungsweise die Rohre derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases von einer ersten Anzahl Rohre in einer zweiten Anzahl Rohre zusammengeführt ist und/oder von der zweiten Anzahl Rohre auf eine dritte Anzahl Rohre aufgeteilt ist, wobei die erste Anzahl und die dritte Anzahl größer als die zweite Anzahl sind. Dies ermöglicht eine Anordnung der Rohre in mehreren Ebenen, wobei gleichzeitig die Flussrichtung des Brennstoffzellenabgases im Wesentlichen in die Richtung des Kühlfluids oder ihr entgegen sein kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre auf mindestens zwei Sammelkästen verteilt und derart ausgebildet sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases alternierend zwischen den Sammelkästen geführt ist. Auf diese Weise lässt sich für bestimmte Einbausituationen eine besonders geeignete Anordnung des Rohrs beziehungsweise der Rohre erzielen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sammelkästen gleicher Bauart in einer Flussrichtung des Kühlfluids kaskadiert angeordnet sind. So lassen sich mittels eines gewissermaßen standardisierten Moduls verschiedene Einbausituationen abdecken und gestaffelte Kühlleistungen erzielen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenabgaskühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenabgas in einer Kreuz-Gegenstromschaltung entgegen einer Flussrichtung des Kühlfluids geführt ist. Dadurch lässt sich eine besonders gute Kühlleistung erzielen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühlers;
2 zwei Ansichten einer ersten Anordnung der Rohre in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler;
3 zwei Ansichten einer zweiten Anordnung der Rohre in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler;
4 zwei Ansichten einer dritten Anordnung der Rohre in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler;
5 zwei Ansichten einer vierten Anordnung der Rohre in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler;
6 zwei Ansichten einer fünften Anordnung der Rohre in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler; und
7 einen ähnlichen Abgaskühler wie in 1, wobei die Umlenkung in den Sammelkästen erfolgt.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Das Kühlfluid 12 (symbolisch durch einen Pfeil dargestellt) tritt an der Eingangsseite durch ein Gebläse 14 ein, wobei das Lüfterrad des Gebläses 14 für eine bessere Übersicht nicht dargestellt ist. In einem Sammelkasten 16 befinden sich eine Vielzahl von Rippen 18, die auf Rohren 20 sitzen. In dieser Darstellung sind lediglich zwei Rohre 20 zu sehen, wobei aber auch diese von den Rippen 18 fast vollständig verdeckt sind. Die Rohre 20 sind mit einem Einlass 22 für das heiße Brennstoffzellenabgas 24 und mit einem Auslass 26 für das abgekühlte Brennstoffzellenabgas 28 verbunden.
Die Funktionsweise des Brennstoffzellenabgaskühlers 10 ist wie folgt. Das heiße Brennstoffzellenabgas 24 wird in den Einlass 22 eingebracht und durchströmt die Rohre 20, wie noch im Hinblick auf die nachfolgenden Figuren genauer erläutert wird. Zur gleichen Zeit werden die Rippen 18 und Rohre 20 von dem Kühlfluid 12, hier Umgebungsluft, durchströmt beziehungsweise umströmt. Dadurch nimmt das Kühlfluid 12 Wärmeenergie auf, die zuvor vom heißen Brennstoffzellenabgas 24 auf die Rohre 20 und die Rippen 18 übertragen wurde. Dadurch wird dem heißen Brennstoffzellenabgas 24 Wärme entzogen, so dass es nach dem Durchlaufen der Rohre 20 als abgekühltes Brennstoffzellenabgas 28 am Auslass 26 austritt.
2 zeigt zwei Ansichten einer ersten Anordnung der Rohre 20 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Im linken Teil der Figur ist der Sammelkasten 16 in der seitlichen Ansicht und im rechten Teil der Figur in der Draufsicht, ohne Rippen 18, gezeigt. Das Kühlfluid 12 tritt – bezogen auf die Figur – von links nach rechts durch den Brennstoffzellenabgaskühler 10 und an der rechten Seite als erwärmtes Kühlfluid 30 aus. Die Flussrichtung des Brennstoffzellenabgases 24, 28 durch die Rohre 20 ist mittels der kleinen Pfeile 32 angedeutet.
Die Rohre 20 sind derart ausgebildet, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases 24, 28 in zwei Ebenen 34, 36 (durch die gestrichelten Linien angedeutet) meanderförmig ist, wobei die Ebenen 34, 36 im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids 12, 30 sind. Die Rohre 20 in einer Ebene 34, 36 verlaufen im Wesentlichen parallel und haben einen runden, insbesondere kreisförmigen Querschnitt. Der Rohraußendurchmesser der Rohre liegt zwischen 1 mm bis 6 mm, bevorzugt zwischen 1,5 mm bis 4 mm, und hier zwischen 2 mm bis 3 mm. Die Rohrwanddicke der Rohre 20 liegt zwischen 0,05 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,075 mm bis 0,75 mm, und hier zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm. Die Rohre 20 weisen bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel Biegungen auf, insbesondere Biegungen um 180°, um das Brennstoffzellenabgas 24, 28 umzulenken und einen meanderförmigen Fluss des Brennstoffzellenabgases 24, 28 zu erzielen. Die Verbindungen zwischen den Rohren 20 sind im linken Teil der 2 mit durchgezogenen und gestrichelten Pfeilen dargestellt. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können Böden, die als Begrenzung zu den Sammelkästen dienen, und die Sammelkästen selbst entfallen. Es ist aber auch möglich, das Brennstoffzellenabgas in den Sammelkästen umzulenken, wie im Folgenden anhand des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels ausführlich erläutert wird. Bei einer Umlenkung in den Sammelkästen können die Biegungen der Rohre, die auch als Rohrbögen bezeichnet werden, entfallen.
3 zeigt zwei Ansichten einer zweiten Anordnung der Rohre 20 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Im linken Teil der Figur sind zwei Sammelkästen 16, 16' aus der 2 in der seitlichen Ansicht und im rechten Teil der Figur in der Draufsicht, ohne Rippen 18, gezeigt. Die Verbindungen zwischen den Rohren 20 wurde hier für einen bessere Übersicht nicht dargestellt. Die Nomenklatur und die Bedeutung der Pfeile entspricht der aus der 2, sodass diesbezüglich auf die 2 verwiesen wird.
Der Brennstoffzellenabgaskühler 10 ergibt sich als Kaskade zweier baugleicher Sammelkästen 16, 16', wobei der Auslass 26 des Sammelkastens 16' mit dem Einlass 22 des Sammelkastens 16 verbunden wurde. Es ergibt sich so ein preiswerter Aufbau mit einer erhöhten Kühlleistung.
4 zeigt zwei Ansichten einer dritten Anordnung der Rohre 20 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Im linken Teil der Figur sind zwei Sammelkästen 16, 16' anderer Bauart in der seitlichen Ansicht und im rechten Teil der Figur in der Draufsicht, ohne Rippen 18, gezeigt. Die Verbindungen zwischen den Rohren 20 wurde hier für einen bessere Übersicht nicht dargestellt. Die Nomenklatur und die Bedeutung der Pfeile entspricht der aus der 2, sodass diesbezüglich auf die 2 verwiesen wird.
Die Rohre 20 sind so angeordnet, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases 24, 28 in einer ersten Ebene 34 in eine erste Richtung und in einer zweiten Ebene 36 in eine zweite Richtung erfolgt, wobei die Ebenen 34, 36 im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids 12, 30 sind. Außerdem ist der Fluss des Brennstoffzellenabgases 24, 28 von einer ersten Anzahl n1 Rohre 20, hier ist n1 = 3, in einer zweiten Anzahl n2 Rohre 20, hier ist n2 = 2, zusammengeführt und von der zweiten Anzahl n2 Rohre 20 auf eine dritte Anzahl n3 Rohre 20 aufgeteilt, hier ist n3 = 3. Das Brennstoffzellenabgas 24, 28 wird damit in einer Kreuz-Gegenstromschaltung entgegen einer Flussrichtung des Kühlfluids 12, 30 geführt.
5 zeigt zwei Ansichten einer vierten Anordnung der Rohre 20 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Im linken Teil der Figur sind zwei Sammelkästen 16, 16' einer weiteren Bauart in der seitlichen Ansicht und im rechten Teil der Figur in der Draufsicht, ohne Rippen 18, gezeigt. Die Verbindungen zwischen den Rohren 20 wurde hier für einen bessere Übersicht nicht dargestellt. Die Nomenklatur und die Bedeutung der Pfeile entspricht der aus der 2, sodass diesbezüglich auf die 2 verwiesen wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Rohre 20 auf zwei Sammelkästen 16, 16' derart verteilt und ausgebildet, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases 24, 28 alternierend zwischen den Sammelkästen 16, 16' geführt ist.
6 zeigt zwei Ansichten einer fünften Anordnung der Rohre 20 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabgaskühler 10. Im linken Teil der Figur sind zwei Sammelkästen 16, 16' einer nochmals anderen Bauart in der seitlichen Ansicht und im rechten Teil der Figur in der Draufsicht, ohne Rippen 18, gezeigt. Die Verbindungen zwischen den Rohren 20 wurden hier für einen bessere Übersicht nicht dargestellt. Die Nomenklatur und die Bedeutung der Pfeile entspricht der aus der 2, sodass diesbezüglich auf die 2 verwiesen wird. Auch hier ergibt sich wieder der Vorteil, dass mittels einer Kaskadierung die Kühlleistung einfach gestaffelt werden kann.
Im Hinblick auf alle Ausführungsbeispiele ist festzustellen, dass die Böden, die Sammelkästen und Anschlussrohre bevorzugt inert gegenüber dem Brennstoffzellenabgas und dem auskondensierten Wasser ausgeführt werden, also insbesondere in Edelstahl oder einem Methanol- beziehungsweise Methanol/Wasser-beständigen Kunststoff ausgeführt sind. Die Verbindung zwischen den Rohren und dem Boden und auch die Verbindung zwischen dem Boden und dem Sammelkasten wird mittels Löten, Schweißen oder Kleben hergestellt.
Durch eine geeignete Wahl der Rohrgeometrie und der entsprechenden Rohrverschaltung kann der Druckverlust auf der Abgasseite der Brennstoffzelle an die Systemanforderungen angepasst werden. Weiterhin kann durch die genannten Maßnahmen und auch durch die bekannten Möglichkeiten der Variation der Rippengeometrie auf der Kühlfluidseite die Leistungsdichte des Systems eingestellt werden. Das Kühlfluid selbst wird bei derartigen Anwendungen meistens durch einen Axiallüfter zur Verfügung gestellt.
In 7 ist ein Brennstoffzellenabgaskühler 40 perspektivisch dargestellt, der dem in 1 dargestellten Brennstoffzellenabgaskühler 10 ähnelt. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung des Brennstoffzellenabgaskühlers 10 verwiesen. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen eingegangen.
Der in 7 dargestellte Brennstoffzellenabgaskühler 40 umfasst zwei Sammelkästen 44, 45, von denen der Sammelkasten 44 ohne Abschlussdeckel, das heißt offen, dargestellt ist, um sichtbar zu machen, wie das Brennstoffzellenabgas ohne Rohrbögen, wie sie in 2 dargestellt sind, in den Sammelkästen 44, 45 umgelenkt wird. Die Rohrenden der Rohre 20 erstrecken sich durch einen Boden 42 hindurch in den Innenraum des Sammelkastens 44. Dort wird das Brennstoffzellenabgas in Umlenkbereichen 46, 48 in dem Sammelkasten 44 umgelenkt. Die Umlenkbereiche 46, 48 können durch Umlenkbleche realisiert werden, die sich zwischen dem Boden 42 und dem (nicht dargestellten) Abschlussdeckel des Sammelkastens 44 erstrecken. In dem Sammelkasten 45 wird das Brennstoffzellenabgas analog umgelenkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10042690 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellenabgaskühler (10) zur Kühlung von Brennstoffzellenabgas (24) mittels eines Kühlfluids (12), zum Beispiel mittels Luft, mit mindestens einem Rohr (20), durch das das Brennstoffzellenabgas (24, 28) geleitet wird, und mit Rippen (18), die thermisch mit dem Rohr (20) verbunden sind, so dass Wärmeenergie des Rohrs (20) auf die Rippen (18) geleitet wird und dort vom Kühlfluid (12, 30) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere aus einem Edelstahlmaterial, und die Rippen (18) aus einem Aluminiummaterial oder einem Kupfermaterial gebildet sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Rohre (20), die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) einen runden Querschnitt, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt, hat beziehungsweise haben.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohraußendurchmesser des Rohrs (20) beziehungsweise der Rohre (20) 1 mm bis 6 mm, bevorzugt 1,5 mm bis 4 mm, und insbesondere 2 mm bis 3 mm beträgt.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrwanddicke des Rohrs (20) beziehungsweise der Rohre (20) 0,05 mm bis 1 mm, be vorzugt 0,075 mm bis 0,75 mm, und insbesondere 0,1 mm bis 0,5 mm beträgt.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) mindestens eine Biegung aufweist beziehungsweise aufweisen, insbesondere eine Biegung um ungefähr 180°, um das Brennstoffzellenabgas (24, 28) umzulenken.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (20) in dem Sammelkasten (44) beziehungsweise in den Sammelkästen (44, 45) umgelenkt werden.
Brennstoffzellenabgaskühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (20) durch einen Boden (42) hindurch in den zugehörigen Sammelkasten (44) münden.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) in mindestens einem Sammelkasten (16), insbesondere in mindestens zwei Sammelkästen (16, 16'), angeordnet ist beziehungsweise sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (16) beziehungsweise die Sammelkästen (16, 16') aus Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, gefertigt ist beziehungsweise sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases (24, 28) meanderförmig ist.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) Beziehungsweise die Rohre (20) derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases (24, 28) in mindestens zwei Ebenen (34, 36) meanderförmig ist, wobei die Ebenen (34, 36) im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids (12, 30) sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases (24, 28) in einer ersten Ebene (34) in eine erste Richtung und in einer zweiten Ebene (36) in eine zweite Richtung erfolgt, wobei die Ebenen (34, 36) im Wesentlichen parallel sind und im Wesentlichen quer zu einer Flussrichtung des Kühlfluids (12, 30) sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) beziehungsweise die Rohre (20) derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases (24, 28) von einer ersten Anzahl (n1) Rohre (20) in einer zweiten Anzahl (n2) Rohre (20) zusammengeführt ist und/oder von der zweiten Anzahl (n2) Rohre (20) auf eine dritte Anzahl (n3) Rohre (20) aufgeteilt ist, wobei die erste Anzahl (n1) und die dritte Anzahl (n3) größer als die zweite Anzahl (n2) sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (20) auf mindestens zwei Sammelkästen (16, 16') verteilt und derart ausgebildet sind, dass ein Fluss des Brennstoffzellenabgases (24, 28) alternierend zwischen den Sammelkästen (16, 16') geführt ist.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sammelkästen (16, 16') gleicher Bauart in einer Flussrichtung des Kühlfluids (12, 30) kaskadiert angeordnet sind.
Brennstoffzellenabgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenabgas (24, 28) in einer Kreuz-Gegenstromschaltung entgegen einer Flussrichtung des Kühlfluids (12, 30) geführt ist.