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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen eines Luftstroms sowie eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen eines Luftstroms.
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In Kraftfahrzeugen, welche mit einer Brennstoffzelle betrieben werden, fallen im Betrieb der Brennstoffzelle große Mengen an Wasser als Nebenprodukt der Brennstoffzelle an. In den Kraftfahrzeugen wird das erzeugte Wasser kondensiert, gesammelt und an die Umgebung abgegeben. Derzeit wird das Wasser entweder im Stand des Kraftfahrzeugs oder während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs an die Umgebung, beispielsweise auf eine Straße, abgegeben. Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen hat das den Nachteil, dass das auf die Straße abgegebene Wasser beispielsweise gefriert und damit eine Gefahr für weitere Verkehrsteilnehmer darstellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches die Abgabe von Wasser an die Umgebung reduziert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem die Abgabe von Wasser an die Umgebung reduziert wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Fluidstrom von einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Bei dem Fluid, welches den Fluidstrom bildet, handelt es sich bevorzugt um Wasser. Ferner wird mittels eines Lüfters ein Luftstrom bereitgestellt. Der Luftstrom wird durch den Lüfter beispielsweise aus einer Umgebung oder aus einem Innenraum des Kraftfahrzeugs angesaugt. Anschließend werden der Fluidstrom und der Luftstrom einem Verdampfungskühler zugeführt. Schließlich wird ein erster Teil des Luftstroms mittels des Verdampfungskühlers durch Verdampfen des Fluidstroms gekühlt. Das Kühlen des ersten Teils des Luftstroms erfolgt bevorzugt durch eine indirekte Verdampfungskühlung.
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Das im Betrieb der Brennstoffzelle als Nebenprodukt entstehende Fluid kann also zur Kühlung zumindest eines Teils eines Luftstroms verwendet werden. Der gekühlte Teilluftstrom kann dann beispielsweise wiederum zur Kühlung weiterer Kraftfahrzeugkomponenten genutzt werden. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs erhöht und damit der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der gekühlte Teilluftstrom auch zur Klimatisierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Dadurch kann die konventionelle Klimaanlage im Kraftfahrzeug ersetzt werden und damit das Gewicht des Kraftfahrzeugs reduziert werden, was wiederrum den Kraftstoffverbrauch reduziert und die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass beim Zuführen des Luftstroms in den Verdampfungskühler der Luftstrom in den ersten Teilluftstrom und in einen zweiten Teilluftstrom aufgeteilt wird. Ferner wird der Fluidstrom durch den zweiten Teilluftstrom verdampft und der erste Teilluftstrom durch das Verdampfen des Fluidstroms gekühlt. Bei der Verdampfungskühlung entzieht der zu verdampfende Fluidstrom beziehungsweise das zu verdampfende Fluid dem ersten Teilluftstrom Wärme und kühlt diesen dadurch ab. Der Verdampfungskühler arbeitet bevorzugt nach dem Prinzip des Maisotsenko Kreislaufs. Darin wird der angesaugte Luftstrom in einen ersten Teilluftstrom als Produktluft und in einen zweiten Teilluftstrom als Arbeitsluft aufgeteilt. Der zweite Teilluftstrom wird dazu eingesetzt, ein Fluid, welches sich in einem Kanal des Verdampfungskühlers befindet, zu verdampfen, indem dem Kanal der zweite Teilluftstrom zugeführt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der erste Teilluftstrom auf besonders einfache und besonders effiziente Art und Weise gekühlt werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Fluidstrom vor dem Zuführen in den Verdampfungskühler einem Kondensator zugeführt wird, in dem der Fluidstrom kondensiert. Dadurch kann die mit dem Fluid aus der Brennstoffzelle austretende Luft zuverlässig abgeschieden werden, sodass dem Verdampfungskühler nur das von der Brennstoffzelle abgegebene Fluid zugeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Feuchtigkeit in dem dem Verdampfungskühler zugeführten Luftstrom Auswirkungen auf die Kühlleistung und den Wirkungsgrad des Verdampfungskühlers haben kann. Um keine Einbußen bei der Leistung und beim Wirkungsgrad hinnehmen zu müssen, wird vor dem Zuführen des Luftstroms in den Verdampfungskühler der Luftstrom bevorzugt mittels eines Luftentfeuchters getrocknet. Dadurch kann der Luftstrom auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise getrocknet werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass nach dem Trocknen des Luftstroms der Luftentfeuchter regeneriert wird, wobei dem Luftentfeuchter zum Regenerieren ein Wärmestrom zugeführt wird, welcher insbesondere von der Brennstoffzelle erzeugt wird. Die Regeneration des Luftentfeuchters erfolgt bevorzugt bei einer Regenerationstemperatur zwischen 40°C und 60°C, insbesondere bei 50°C. Durch die Regeneration des Luftentfeuchters kann der Luftentfeuchter für mehrere Trocknungszyklen eingesetzt werden.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen eines Luftstroms. Dabei umfasst die Vorrichtung einen Lüfter, welcher dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom bereitzustellen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Brennstoffzelle zum Bereitstellen eines Fluidstroms und einen Verdampfungskühler. Der Verdampfungskühler ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil des Luftstroms durch Verdampfen des Fluidstroms zu kühlen.
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Die zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum Kühlen eines Luftstroms umfassend eine Brennstoffzelle und einen Verdampfungskühler; und
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2 eine schematische Detailansicht des Verdampfungskühlers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Kühlen eines Luftstroms 12. Eine derartige Vorrichtung 10 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, vorgesehen sein. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Brennstoffzelle 14, einen Kondensator 16, einen Behälter 18, ein Ventil 20, einen Verdampfungskühler 22 und einen Luftentfeuchter 24. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug mit der Brennstoffzelle 14 betrieben werden.
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In Zusammenschau mit 2, welche eine schematische Detailansicht des Verdampfungskühlers 22 zeigt, soll im Folgenden das Verfahren zum Kühlen des Luftstroms 12 genauer erläutert werden.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 14 fällt als Nebenprodukt Wasser an. Dieses Wasser wird als Fluidstrom 26 dem Kondensator 16 zugeführt. Der Kondensator 16 wird dazu verwendet, den Fluidstrom 26 zu kondensieren und dadurch die im Fluidstrom 26 enthaltene Luft abzuscheiden. Der Fluidstrom beziehungsweise das Kondensat – Wasser – wird in dem Behälter 18 gesammelt und anschließend über ein Ventil 20 dem Verdampfungskühler 22 zugeführt. Das Ventil 20 ist dazu eingerichtet, die dem Verdampfungskühler 22 zugeführte Menge an Fluidstrom 26 in den Verdampfungskühler 22 zu steuern. Das Ventil 20 kann dabei beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein.
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Dem Verdampfungskühler 22 wird neben dem Fluidstrom 26 auch der Luftstrom 12 zugeführt. Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 dazu einen Lüfter (in Fig. nicht dargestellt) aufweisen, welcher den Luftstrom 12 ansaugt und in den Verdampfungskühler 22 leitet. Der Luftstrom 12 kann entweder direkt aus einer Umgebung dem Verdampfungskühler 22 zugeführt werden oder kann vor dem Eintritt in den Verdampfungskühler 22 zusätzlich noch durch einen Luftentfeuchter 24 geleitet werden.
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Der Luftentfeuchter 24 weist zum Trocknen des Luftstroms 12 ein Trocknungsrad 28 auf, welches aus einem Trocknungsmittel besteht. Als Trocknungsmittel kann beispielsweise Montmorillonit verwendet werden. Beim Durchströmen des Luftstroms 12 durch das Trocknungsrad 28 wird dem Luftstrom 12 Feuchtigkeit entzogen. Nach dem Trocknen des Luftstroms 12 wird der Luftentfeuchter 24 regeneriert, indem dem Luftentfeuchter 24 ein weiterer Luftstrom 30 zugeführt wird. Der weitere Luftstrom 30 weist bevorzugt eine Temperatur von 50°C auf und nimmt die in dem Trocknungsrad 28 gelagerte Feuchtigkeit auf. Der feuchte Luftstrom wird anschließend an eine Umgebung abgegeben. Der weitere Luftstrom 30 kann beispielsweise durch Abwärme, welche von der Brennstoffzelle 14 bereitgestellt wird, erwärmt werden. Nach dem Durchströmen des Trocknungsrades 28 wird der Luftstrom 12 an den Verdampfungskühler 22 weitergeleitet.
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Im Verdampfungskühler 22 wird der eintreffende Luftstrom 12 durch die Kanalführung im Verdampfungskühler 22 in einen ersten Teilluftstrom 12a und in einen zweiten Teilluftstrom 12b aufgeteilt. Der erste Teilluftstrom 12a stellt den Produktluftstrom dar, welcher durch den Verdampfungskühler 22 gekühlt werden soll. Der zweite Teilluftstrom 12b stellt den Arbeitsluftstrom dar, welcher zur Umsetzung der Verdampfungskühlung im Verdampfungskühler 22 eingesetzt wird.
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Der Verdampfungskühler 22 umfasst, wie es aus der Detailansicht in 2 hervorgeht, drei Kanäle, also einen ersten Kanal 32, einen zweiten Kanal 34 und einen dritten Kanal 36. Ein derartiger Verdampfungskühler 22 arbeitet nach dem Prinzip des Maisotsenko Kreislaufs. Durch den ersten Kanal 32 strömt der erste Teilluftstrom 12a und durch den dritten Kanal 36 der zweite Teilluftstrom 12b. Die Kanalwände des zweiten Kanals 34 sind mit dem Fluid des Fluidstroms 26 bedeckt beziehungsweise benetzt. Durch den zweiten Kanal 34 strömt also nicht der Fluidstrom 26, sondern die Kanalwände des zweiten Kanals 34 werden mit dem Fluid des Fluidstroms 26 besprüht. Dazu dient das Ventil 20, welches die Menge an Fluidstrom 26, die dem zweiten Kanal 34 zugeführt wird, steuert.
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In 2 umfasst der Verdampfungskühler 22 drei Kanäle 32, 34, 36. Die drei Kanäle 32, 34, 36 bilden bevorzugt eine Kanaleinheit. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass der Verdampfungskühler 22 sechs oder mehr Kanäle aufweist. Weist der Verdampfungskühler 22 mehr als drei Kanäle auf, so weist der Verdampfungskühler 22 bevorzugt ein Vielfaches der drei Kanäle 32, 34, 36 auf. Mit anderen Worten kann der Verdampfungskühler 22 mehrere Kanaleinheiten aufweisen. Beispielsweise kann der Verdampfungskühler 22 sechs oder neun Kanäle, also zwei oder drei Kanaleinheiten, aufweisen. Umfasst der Verdampfungskühler 22 beispielsweise sechs Kanäle, so strömt in zwei der Kanäle der erste Teilluftstrom 12a und in zwei weiteren der sechs Kanäle der zweite Teilluftstrom 12b. Das heißt, der eintreffende Luftstrom 12 wird in insgesamt vier Teilluftströme aufgeteilt. Alternativ kann auch jeder der Kanaleinheiten ein Luftstrom zugeführt werden. In den beiden übrigen Kanälen befindet sich das Fluid des Fluidstroms 26. Die drei zusätzlichen Kanäle, können dann analog zu den Kanälen 32, 34, 36, übereinander angeordnet sein. Ferner können die Kanaleinheiten mit jeweils drei Kanälen direkt übereinander angeordnet sein.
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Für den Verdampfungsprozess wird der zweite Teilluftstrom 12b aus dem dritten Kanal 36 in den zweiten Kanal 34 geleitet. Dadurch kühlt der zweite Teilluftstrom 12b ab. Der zweite Teilluftstrom 12b weist dann eine niedrigere Temperatur als der erste Teilluftstrom 12a auf. Durch die Temperaturdifferenz erfolgt ein Wärmeübergang von dem ersten Teilluftstrom 12a zu dem nun im zweiten Kanal 34 befindlichen zweiten Teilluftstrom 12b, wodurch der erste Teilluftstrom 12a abkühlt. Durch den Wärmeübergang verdampft das Fluid im zweiten Kanal 34 und vermengt sich mit dem im zweiten Kanal 34 befindlichen zweiten Teilluftstrom 12b. Der resultierende Fluidstrom 38 wird an eine Umgebung abgegeben. Der resultierende Fluidstrom 38 entspricht nun dem durch den Verdampfungsprozess warmen und feuchten zweiten Teilluftstrom 12b.
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Damit zwischen dem dritten 36 und dem zweiten Kanal 34 ein Fluidaustausch stattfinden kann, bestehen die Kanalwände aus beispielsweise Zellulosefasern.
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Der abgekühlte erste Teilluftstrom 12a verlässt anschließend den Verdampfungskühler 22. Wird eine derartige Vorrichtung 10 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, welches mit der Brennstoffzelle 14 betrieben wird, so kann der erste Teilluftstrom 12a beispielsweise zur Klimatisierung einem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Teilluftstrom 12a auch zur Kühlung weiterer Kraftfahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Insgesamt ist somit eine Nutzung von Wasser als Brennstoffzellenprodukt zur Kühlung eines Luftstroms durch indirekte Verdampfung beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Luftstrom
- 12a
- erster Teilluftstrom
- 12b
- zweiter Teilluftstrom
- 14
- Brennstoffzelle
- 16
- Kondensator
- 18
- Behälter
- 20
- Ventil
- 22
- Verdampfungskühler
- 24
- Luftentfeuchter
- 26
- Fluidstrom
- 28
- Trocknungsrad
- 30
- weiterer Luftstrom
- 32
- erster Kanal
- 34
- zweiter Kanal
- 36
- dritter Kanal
- 38
- resultierender Fluidstrom
