DE102016119440A1

DE102016119440A1 - Kühleranordnung für ein Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102016119440A1
Application number: DE102016119440.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Rebinger; Carsten Wachsmuth; Luis Reinecke; Frank Jürgen Engler; Jan-Christoph Albrecht
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wenigstens aufweisend einen Kühlmedium-Kühler (44) einer Kühlmediumversorgung (40) zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellenfahrzeugs, einen Wärmepumpen-Kühler (51; 52.1, 52.2) einer Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Kühlen eines Kühlmediums der Kühlmediumversorgung und/oder einen Kältemaschinen-Kühler (61) einer Kältemaschine zum Kühlen einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei der Kühlmedium-Kühler (44) als ein erster Kühler und wenigstens einer der anderen Kühler (52.1, 52.2–61) wenigstens teilweise als ein zweiter Kühler (52.1, 52.2–61) für das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Kühler (52.1, 52.2–61) als ein von Luft gegenüber dem ersten Kühler schlechter durchströmbarer zweiter Kühler (52.1, 52.2–61) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung oder einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H₂) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O₂) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA, Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung der Brennstoffzelle dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrisch leitende Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet (H₂ => 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über elektrische Leitungen und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Verdichter, Klimaanlage et cetera) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine elektrochemische Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– => O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ => H₂O).
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zu einem großen Teil durch eine elektrische Energie einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats des Fahrzeugs betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Optional kann ein Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, das Brennstoffzellenaggregat unterstützen, um einen Elektro(-traktions-)motor des Fahrzeugs, welcher ein Drehmoment für einen Antrieb des Fahrzeugs generiert, und gegebenenfalls einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Mit zunehmender Serientauglichkeit der Brennstoffzellenfahrzeuge rücken die allgemeinen Fragen eines Komforts, beispielsweise eines thermischen Komforts, für die Fahrgäste in einen Vordergrund.
Um große Mengen von Abwärme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau abführen zu können ist es vorteilhaft, Brennstoffzellenfahrzeuge mit einer Hochtemperatur-Wärmepumpe auszustatten. Hierdurch ist es möglich, die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau abzuführen, es ist also eine kleinere Kühlerfläche notwendig, um die gleiche Menge an Wärme abzuführen.
Aus der Verwendung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe resultiert die Idee, in welchen Anordnungen die Wärmeübertrager beziehungsweise die Kühler im Frontend eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzuordnen sind. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzugeben. Hierbei soll eine ausreichende Kühlleistung für das Brennstoffzellenfahrzeug bei bevorzugt kleinen Abmessungen der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung realisierbar sein. Des Weiteren soll ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und/oder ein entsprechendes Brennstoffzellenfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs; mittels eines Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpakets für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs; und mittels eines Brennstoffzellensystems und/oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs; gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung weist wenigstens einen Kühlmedium-Kühler einer Kühlmediumversorgung zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellenfahrzeugs, einen Wärmepumpen-Kühler einer Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Kühlen eines Kühlmediums der Kühlmediumversorgung und/oder einen Kältemaschinen-Kühler einer Kältemaschine zum Kühlen einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs auf, wobei der Kühlmedium-Kühler als ein erster Kühler und wenigstens einer der anderen Kühler wenigstens teilweise als ein zweiter Kühler für das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist, und der wenigstens eine zweite Kühler als ein von Luft gegenüber dem ersten Kühler schlechter durchströmbarer zweiter Kühler ausgebildet ist. In Ausführungsformen ist wenigstens einer der zweiten Kühler wenigstens teilweise als ein Radhauskühler für das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet.
Hierbei soll der Kühlmedium-Kühler beziehungsweise der erste Kühler als ein von Luft vergleichsweise gut durchströmbarer (erster) Kühler und der zweite Kühler als ein von Luft vergleichsweise schlecht durchströmbarer (zweiter) Kühler ausgebildet sein, wobei der vergleichsweise gut durchströmbare (erste) Kühler von Luft besser durchströmbar ist, als der vergleichsweise schlecht durchströmbare (zweite) Kühler. Bei einem vergleichsweise gut durchströmbaren (ersten) Kühler wird zum Beispiel eine höchste mittlere Luftgeschwindigkeit durch den (ersten) Kühler mit 100% angegeben (Definition), wohingegen bei einem vergleichsweise schlecht durchströmbaren (zweiten) Kühler eine höchste mittlere Luftgeschwindigkeit bei kleiner als 100% liegt, zum Beispiel bei 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70% in Bezug auf die auf 100% normierte Luftgeschwindigkeit des (ersten) Kühlers. Dies bezieht sich zum Beispiel auf eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich unter anderem auf einen Radhauskühler als einen zweiten Kühler oder eine Mehrzahl von Radhauskühlern als zweite Kühler. Es soll im Folgenden unter dem Begriff ‚Radhauskühler’ auch der Begriff ‚zweiter Kühler’ mitgelesen werden. Als ein zweiter Kühler kommt zum Beispiel ein beliebiger Kühler in Betracht, der kein Kühlmedium-Hauptkühler (Fahrzeugfrontende) und/oder kein Radhauskühler ist.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung weist wenigstens einen Kühlmedium-Kühler einer Kühlmediumversorgung zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellenfahrzeugs, einen Wärmepumpen-Kühler einer Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Kühlen eines Kühlmediums der Kühlmediumversorgung und einen Kältemaschinen-Kühler einer Kältemaschine zum Kühlen einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs auf, wobei wenigstens einer der Kühler wenigstens teilweise als ein Radhauskühler das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist. Unter einem Konditionieren des Brennstoffzellenfahrzeugs soll ein Temperieren, insbesondere ein Kühlen, eines Kühlmediums und somit ein Temperieren, insbesondere ein Kühlen, eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelle sowie ein Konditionieren (Temperieren, also ein Kühlen und/oder Heizen, Befeuchten, Entfeuchten) einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs verstanden sein.
In Ausführungsformen weist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung zwei Radhauskühler auf; und/oder der/ein Radhauskühler ist als eine Radhaus-Unterkühlstrecke und/oder als ein Radhaus-Kondensator/Gaskühler ausgebildet. Eine bevorzugte Radhaus-Unterkühlstrecke ist zum Beispiel eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke (Radhaus-Kältemaschinen-Unterkühlstrecke) oder eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (Radhaus-Wärmepumpen-Unterkühlstrecke). Ein bevorzugter Radhaus-Kondensator/Gaskühler ist zum Beispiel ein Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (Radhaus-Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler). In Ausführungsformen steht der Radhauskühler in einer seriellen Fluidkommunikation zu einem Wärmepumpen-Kühler der Hochtemperatur-Wärmepumpe; zu einem Radhauskühler der Hochtemperatur-Wärmepumpe; zu einem Kältemaschinen-Kühler der Kältemaschine; und/oder zu einem Radhauskühler der Kältemaschine.
In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung derart aufgebaut, dass wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche des Kühlmedium-Kühlers durch eine Frischluft kühlbar ist; dass wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche eines Wärmepumpen-Kühlers durch eine Frischluft kühlbar ist; und/oder dass wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche eines Kältemaschinen-Kühlers durch eine Frischluft kühlbar ist. Unter einer Frischluft soll eine durch das Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung selbst beziehungsweise durch das Brennstoffzellenfahrzeug selbst nicht erwärmte Luft, also keine vorgewärmte Luft, aus der Umgebung verstanden sein. Diese Frischluft besitzt dabei im Wesentlichen die in einer lokalen Umgebung herrschende Außentemperatur.
In Ausführungsformen ist der Kühlmedium-Kühler der Kühlmediumversorgung als ein Fahrzeugkühler, insbesondere ein Fahrzeughauptkühler, ausgebildet; ist der Wärmepumpen-Kühler der Hochtemperatur-Wärmepumpe als ein Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler und/oder eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke ausgebildet; und/oder ist der Kältemaschinen-Kühler der Kältemaschine als ein Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler und/oder eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke ausgebildet. In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung derart aufgebaut, dass eine Gesamtkühlfläche des Wärmepumpen-Kondensators/Gaskühlers durch eine von der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung erwärmte Luft kühlbar ist; dass eine Gesamtkühlfläche der Wärmepumpen-Unterkühlstrecke durch eine Frischluft kühlbar ist; dass eine Gesamtkühlfläche des Kältemaschinen-Kondensators/Gaskühlers durch eine Frischluft kühlbar ist; und/oder dass eine Gesamtkühlfläche der Kältemaschinen-Unterkühlstrecke durch eine Frischluft kühlbar ist.
In Ausführungsformen ist der Radhauskühler als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke der Hochtemperatur-Wärmepumpe; als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke der Kältemaschine; und/oder als ein Kältemaschinen-Kondensator ausgebildet. In Ausführungsformen weist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung an einem vorderen Ende ausschließlich den Kühlmedium-Kühler und stromabwärts den Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler und den Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler gestapelt auf, wobei der erste Radhauskühler als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke und der zweite Radhauskühler als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke ausgebildet ist, oder der erste Radhauskühler als eine erste Wärmepumpen-Unterkühlstrecke und der zweite Radhauskühler als eine zweite Wärmepumpen-Unterkühlstrecke ausgebildet ist. Mit dem vorderen Ende ist ein in eine Vorwärtsfahrrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs vorderes Ende gemeint, wobei eine Außenluft bei einem fahrenden Brennstoffzellenfahrzeug nach hinten in Bezug auf das Brennstoffzellenfahrzeug stromabwärts strömt.
In Ausführungsformen umfasst eine Hauptkühleranordnung der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung abseits des oder der Radhauskühler eine einzige Ebene, in welcher der Kühlmedium-Kühler, der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler und der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler gestapelt sind; zwei Ebenen, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kühlmedium-Kühler und an einer hinteren Ebene ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler eingerichtet sind; zwei Ebenen, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kühlmedium-Kühler eingerichtet ist und an einer hinteren Ebene der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler und der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler gestapelt sind; drei Ebenen, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler, an einer hinteren Ebene ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler und dazwischen ausschließlich der Kühlmedium-Kühler eingerichtet sind; oder zwei Ebenen, wobei an einer vorderen Ebene der Kühlmedium-Kühler und die Wärmepumpen-Unterkühlstrecke gestapelt sind und an einem hinteren Ende ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler eingerichtet ist.
In Ausführungsformen weist die/eine Hauptkühleranordnung der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung ein Luftgebläse auf; und/oder der Radhauskühler weist beziehungsweise die Radhauskühler weisen ein Luftgebläse auf. – Durch eine Aufzählung ist in Ausführungsformen ein Aufzählungspunkt (meist nach einem Semikolon beginnend und/oder meist mit einem Semikolon endend), ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung auf, wobei ein Kühlmedium-Kühler einer Kühlmediumversorgung des Brennstoffzellenfahrzeugs, ein Wärmepumpen-Kühler einer Hochtemperatur-Wärmepumpe des Brennstoffzellenfahrzeugs und ein Kältemaschinen-Kühler einer Kältemaschine des Brennstoffzellenfahrzeugs zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind. Das heißt, dass das Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket in Ausführungsformen derart ausgebildet ist, dass der Kühlmedium-Kühler, der Wärmepumpen-Kühler und der Kältemaschinen-Kühler zusammen als eine Einheit am/im Brennstoffzellenfahrzeug montierbar sind. Fluidanschlüsse können zum Beispiel zeitlich nach einer Montage des Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpakets montiert werden. Natürlich ist es auch möglich, das Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket erst bei einer Montage der einzelnen Kühler am/im Fahrzeug entstehen zu lassen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Abschnitte, Elemente, Bauteile, Einheiten, Schemata und/oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung (siehe unten), der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine mögliche, in der Beschreibung (Erfindungsbeschreibung (siehe oben), Figurenbeschreibung) nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternative, eine statische und/oder kinematische Umkehrung, eine Kombination et cetera zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einer Komponente, einem Schema, einer Einheit, einem Bauteil, einem Element oder einem Abschnitt davon, kann ferner der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Bei der Erfindung kann ein Merkmal (Einheit, Komponente, Abschnitt, Element, Bauteil, Funktion et cetera) positiv, das heißt vorhanden, oder negativ, das heißt abwesend, ausgestaltet sein, wobei ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert ist, wenn nicht Wert darauf gelegt ist, dass es abwesend ist. Ein Merkmal dieser Spezifikation kann nicht nur in einer angegebenen Art und/oder Weise, sondern auch in einer anderen Art und/oder Weise angewendet sein (Isolierung, Zusammenfassung, Ersetzung, Hinzufügung, Alleinstellung, Weglassung et cetera). Insbesondere ist es möglich, anhand eines Bezugszeichens und einem diesen zugeordneten Merkmal, beziehungsweise vice versa, in der Beschreibung, der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und/oder der Zeichnung, ein Merkmal in den Patentansprüchen und/oder der Beschreibung zu ersetzen, hinzuzufügen oder wegzulassen. Darüber hinaus kann dadurch ein Merkmal in einem Patentanspruch ausgelegt und/oder näher spezifiziert werden.
Die Merkmale dieser Spezifikation sind (angesichts des (meist unbekannten) Stands der Technik) auch als optionale Merkmale interpretierbar; das heißt jedes Merkmal kann als ein fakultatives, arbiträres oder bevorzugtes, also als ein nicht verbindliches, Merkmal aufgefasst werden. So ist eine Herauslösung eines Merkmals, gegebenenfalls inklusive seiner Peripherie, aus einem Ausführungsbeispiel möglich, wobei dieses Merkmal dann auf einen verallgemeinerten Erfindungsgedanken übertragbar ist. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal in Bezug auf die Erfindung optional ist. Ferner ist bei einem Artbegriff für ein Merkmal auch ein Gattungsbegriff für das Merkmal mitlesbar (gegebenenfalls weitere hierarchische Gliederung in Untergattung, Sektion et cetera), wodurch, zum Beispiel unter Beachtung von Gleichwirkung und/oder Gleichwertigkeit, eine Verallgemeinerung eines oder diesen Merkmals möglich ist. – In den lediglich beispielhaften Figuren zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der Erfindung;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Kühlkreises für das Brennstoffzellenaggregat und eines Klimatisierkreises für eine Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs;
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Hochtemperatur-Wärmepumpe des Brennstoffzellenaggregats zum Kühlen eines Kühlmediums des Brennstoffzellenaggregats in Verbindung mit dem Kühlkreis;
4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung;
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung;
6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung;
7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung;
8 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung;
9 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung; und
10 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen von Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnungen 100 eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) näher erläutert.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems des Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellenaggregat 1 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs (Brennstoffzellenfahrzeug), welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenaggregats 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom Brennstoffzellenaggregat 1 insbesondere durch nicht dargestellte leistungselektrische, elektrische und elektronische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter et cetera), ein Motorsteuergerät (englisch ECU, Engine Control Unit) et cetera, welche das Brennstoffzellenaggregat 1 nicht mitumfasst.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 17, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel 17 in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist (Brennstoffzelle 10). Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt).
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen flächig begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion (siehe oben) einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer vergleichsweise großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine Bipolarplatte 15 angeordnet (in der 1 wiederum lediglich angedeutet), welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 einer Einzelzelle 11 (Anodenraum-Kathodenraum-Paar 12/13) ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel 17 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 17).
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 17 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise das Brennstoffzellensystem einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 über eine Strahlpumpe 29 beziehungsweise eine Gasstrahlpumpe 29 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. Hierfür ist in/an der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 bevorzugt ein Rezirkulationsverdichter 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulation realisierbar und/oder eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ein Antrieb des Rezirkulationsverdichters 26 erfolgt bevorzugt mittels eines Elektromotors 27 oder eines Antriebs 27, welcher insbesondere mit einer entsprechenden Leistungselektronik 28 ausgestattet ist. Es ist möglich, die Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3 ausschließlich mittels der Gasstrahlpumpe 29 einzurichten (kein Rezirkulationsverdichter 26).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein Kathoden-Betriebsmedium 5 beispielsweise Sauerstoff 5 oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Eine Sauerstoffversorgung kann auch aus einem Speicher oder Tank, zum Beispiel einem Sauerstoff-Druckspeicher, erfolgen. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung beziehungsweise Abgasanlage (siehe unten) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt wenigstens ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist.
Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC, Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder eines Getriebes antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads Brennstoffzelle 10).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, (45, 53, 75; siehe unten) des Brennstoffzellenaggregats 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Für eine Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 oder eine anderweitige Aufgabe kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel in der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30, zum Beispiel an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22, und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist ferner bevorzugt einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits derart am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 39 derart am/im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 ist dabei im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt stromabwärts des Kathodenverdichters 33 und stromaufwärts eines Kathodeneingangs der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der am/im Kathoden-Abgaspfad 32 vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger des Befeuchters 39 weist bevorzugt eine Vielzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern, gegebenenfalls als ein Hohlfaserkörper, ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10/des Brennstoffzellenstapels 17, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels eines Bypasses umgangen werden (Stellmittel). Es kann ferner ein Turbinen-Bypass seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht (Stellmittel).
Des Weiteren kann am/im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidbar und gegebenenfalls in einen Wassersammler zum Speichern ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst eine in der 1 beispielhaft und stark vereinfacht sowie in den 2 und 3 dargestellte Kühlmediumversorgung 40, welche einen Kühlkreislauf 40 umfasst, in welchen die Brennstoffzelle 10 wärmeübertragend eingebunden ist.
Der Kühlkreislauf 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41, welcher der Brennstoffzelle 10 in deren Betrieb ein vergleichsweise kühles Kühlmedium 7 zuführt, und ferner einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42, welcher von der Brennstoffzelle 10 ein vergleichsweise warmes Kühlmedium 8 abführt. Eine Förderung des im Kühlkreislauf 40 zirkulierenden Kühlmediums 7/8 erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer elektromotorisch betriebenen Kühlmediumpumpe 43 am/im Kühlkreislauf 40. Das Kühlmedium 7/8, insbesondere Wasser 7/8, ein Wasser-Alkohol-Gemisch 7/8 oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch 7/8, ist von einem Kühler 44 beziehungsweise Fahrzeug(haupt)kühler 44 im Kühlkreislauf 40 kühlbar, welcher üblicherweise ein Luftgebläse aufweist. Ein im Wesentlichen wasserfreies Kühlmedium 7/8 beziehungsweise ein dielektrisches, nicht wässriges Kühlmedium 7/8, wie zum Beispiel ein Thermoöl 7/8, ist natürlich anwendbar.
Ferner umfasst der in 2 dargestellte Kühlkreislauf 40 für eine Heizung einer Fahrgastzelle 80 des Brennstoffzellenfahrzeugs einen über ein Stellmittel 45 ansteuerbaren Kühler-Bypass 47 und einen bevorzugt als einen elektrischen Zuheizer 48 ausgebildeten elektrischen Wärmeerzeuger 48 im Kühler-Bypass 47. Für die Heizung ist in den Kühler-Bypass 47 ein Konditionierkreislauf 70 der Fahrgastzelle 80 des Brennstoffzellenfahrzeugs wärmeübertragend eingebunden. Hierfür weisen der Kühler-Bypass 47 und der Konditionierkreislauf 70 einen gemeinsamen Fahrgastzellen-Wärmeübertrager 71 auf. Durch den Fahrgastzellen-Wärmeübertrager 71 ist einerseits ein Massenstrom des Kühlmediums 8/7 und andererseits ein Massenstrom einer angesaugten Umgebungsluft 5 und/oder einer angesaugten Luft der Fahrgastzelle 80 hindurchströmbar.
Damit der Konditionierkreislauf 70 von einer konditionierten (aufgeheizten oder abgekühlten, entfeuchteten oder befeuchteten) Luft (Umgebungsluft 5 und/oder Luft der Fahrgastzelle 80) durchströmt werden kann, weist der Konditionierkreislauf 70 einen Fahrgastzellenlüfter 74 bevorzugt stromaufwärts des Fahrgastzellen-Wärmeübertragers 71 auf. Mittels des Fahrgastzellenlüfters 74 ist die konditionierte Umgebungsluft 5 und/oder die konditionierte Luft der Fahrgastzelle 80 in die Fahrgastzelle 80 hineintransportierbar.
Für eine Kühlung der Fahrgastzelle 80 weist das Brennstoffzellenfahrzeug eine Kältemaschine 60 beziehungsweise einen Kältemittelkreislauf 60 für den Konditionierkreislauf 70 auf (Klimaanlage). Für die Kühlung ist der Konditionierkreislauf 70 in den Kältemittelkreislauf 60 kälteübertragend eingebunden. Die Kältemaschine 60 umfasst einen als einen Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 ausgebildeten Kühler 61, gegebenenfalls einen als Kältemaschinen-Unterkühlstrecke 62 ausgebildeten Kühler 62, und einen Fahrgastzellen-Kälteübertrager 64. Für ein Einrichten der Kühlung wird der Fahrgastzellen-Wärmeübertrager 71 im Kühler-Bypass 47 durch einen Wärmeübertrager-Bypass 73 im Konditionierkreislauf 70 umgangen, wobei es ein Stellmittel 75, insbesondere ein Bypassventil 75, im Konditionierkreislauf 70 und am Wärmeübertrager-Bypass 73 ermöglicht, einen Massenstrom einer angesaugten Umgebungsluft 5 und/oder einer angesaugten Luft der Fahrgastzelle 80 durch den Wärmeübertrager-Bypass 73 hindurch zuleiten. Bevorzugt ist der Fahrgastzellen-Kälteübertrager 64 stromaufwärts des Stellmittels 75 und/oder stromaufwärts des Fahrgastzellen-Wärmeübertragers 71 in den Konditionierkreislauf 70 eingebunden.
Im Wesentlichen bevorzugt antiparallel zum Kühlkreislauf 40 der Brennstoffzelle 10 geschaltet, umfasst das Brennstoffzellenaggregat 1 ferner eine Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 (siehe die 3) als einen Kältemittelkreislauf 50 für das Kühlmedium 8. Die Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 umfasst einen als Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 ausgebildeten Kühler 51, gegebenenfalls einen als Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52 ausgebildeten Kühler 52, ein Stellmittel 53, einen Kühlmedium-Kühler 54, auch als Kälteübertrager 54 oder Chiller 54 bezeichenbar, sowie eine Fluid- beziehungsweise Kältemittel-Fördereinrichtung 55, die bevorzugt als ein (Strömungs-)Verdichter 55 beziehungsweise ein Kompressor 55 ausgebildet ist. Bevorzugt ist dabei die Brennstoffzelle 10 stromabwärts des Kühlmedium-Kühlers 54 in den Kühlkreislauf 40 eingebunden.
Gemäß der Erfindung soll eine Kombination aus wenigstens einem Kondensator/Gaskühler 51, 61 (Kühler 51, 61) beziehungsweise Gaskühler 51, 61 (Kühler 51, 61) und/oder wenigstens einer Unterkühlstrecke 52, 62 (Kühler 52, 62) der Wärmepumpen 50, 60 beziehungsweise Kältemaschinen 50, 60, also der Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 und der Kältemaschine 60, sowie eines oder mehrerer Kühlmedium-Kühler 44 (Kühler 44) derart angegeben werden, dass sich wenigstens ein Abschnitt des Kühlmedium-Kühlers 44 und/oder wenigstens ein Abschnitts eines Kältemaschinen-Kühlers 61, 62 in einer zuluftseitig (Frischluft) ersten Reihe der erfindungsgemäßen Kühleranordnung 100 befindet beziehungsweise befinden. Hierbei kann sich ein Abschnitt eines Wärmepumpen-Kühlers 51, 52 ebenfalls in der ersten Reihe der erfindungsgemäßen Kühleranordnung 100 befinden.
Ein Kühlmedium-Kühler 44, ein Kondensator/Gaskühler 51, 61 und/oder eine Unterkühlstrecke 52, 62 können dabei derart angeordnet sein, dass der/die kältemittelseitig zuerst durchströmbare Kondensator/Gaskühler 51, 61 und/oder Unterkühlstrecke 52, 62 von einer Frischluft durchströmbar ist, welche durch den Kühlmedium-Kühler 44 oder einen Kondensator/Gaskühler 51, 61 noch nicht erwärmt wurde. Dies ist auf wenigstens einen Abschnitt eines betreffenden Kühlers 44; 51, 52; 61, 62 anwendbar, das heißt, dass nur ein Teilquerschnitt des entsprechenden Kühlers 44; 51, 52; 61, 62 von der Frischluft durchströmbar ist.
Ein kühlmediumseitig oder kältemittelseitig als zweites durchströmbarer Kühlmedium-Kühler 44 oder Kondensator/Gaskühler 51, 61 ist dann mit einer Luft (keine Frischluft mehr) anströmbar, welche zuvor eine Erwärmung durch einen Abschnitt der Kühleranordnung 100 erfahren hat. Dies ist auf wenigstens einen Abschnitt eines betreffenden Kühlers 44, 51, 61 anwendbar, das heißt, dass nur ein Teilquerschnitt des entsprechenden Kühlers 44, 51, 61 von der Frischluft durchströmbar ist.
Im Wesentlichen sind drei Temperaturniveaus bei dem Brennstoffzellenfahrzeug zu unterscheiden, auf welchen eine Wärme an die Umgebung 2 abgeführt werden muss. Erstens, ein Temperaturniveau der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1, wobei eine Vorlauftemperatur und eine Rücklauftemperatur am Kühlmedium-Kühler 44 des Brennstoffzellenaggregats 1 üblicherweise ca. 82°C beziehungsweise ca. 70°C betragen. Zweitens arbeitet der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 (Kühler 51) auf einem Temperaturniveau bevorzugt oberhalb von 82°C, damit eine treibende Temperaturdifferenz zur erwärmten Luft hinter dem Kühlmedium-Kühler 44 besteht. Wie viele Grad Kelvin oberhalb von den bevorzugt wenigstens 82°C ist je nach einem Lastpunkt des Brennstoffzellenaggregats 1 und einer Kühlerfläche des Kondensators/Gaskühlers 51 verschieden. Drittens, da der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61; 61.1, 61.2 der Klimaanlage eine Wärmemenge aus der Fahrgastzelle 80 üblicherweise bei ca. 4°C abführt, ist dessen Temperaturniveau nicht notwendigerweise reglementiert. Jedoch reduziert ein vergleichsweise hohes Niveau am Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61; 61.1, 61.2 eine Effizienz der Klimaanlage.
Die Erfindung (siehe auch die 4 bis 10) besteht darin, dass eine Anordnung der Kühler 44–51; 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62, also die Kühleranordnung 100, derart gewählt ist, dass eine zum Kühlen zur Verfügung stehende Fläche wenigstens gut ausnutzt ist; gut bedeutet hier, dass eine erforderliche Leistung (Wärmemenge an die Umgebung 2) abführbar ist und eine dafür benötigte Energiemenge des Brennstoffzellenaggregats 2 zum Beispiel im Vergleich mit dem Stand der Technik verkleinert ist.
Üblicherweise verfügt ein Brennstoffzellenfahrzeug über zwei zu unterscheidende Kühlerflächen an/in seinem Frontend. Dies ist zum einen der Kühlmedium-Kühler 44 beziehungsweise ein Fahrzeughauptkühler 44, welcher sich hinter einem Kühlerschutzgitter befindet. Der Kühlmedium-Kühler 44 ist auch als erster Kühler 44 bezeichnet, der als ein von Luft (vergleichsweise) gut (siehe oben) durchströmbarer Kühler 44 ausgebildet ist. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er sowohl von einer verhältnismäßig großen Luftmenge durchströmbar ist und eine große Fläche aufweist. Es ist daher naheliegend, dass über den Kühlmedium-Kühler 44 eine Hauptlast der Kühlung erfolgen muss.
Daneben können konventionelle Fahrzeuge über Radhauskühler verfügen. Diese zeichnen sich neben einer relativ geringen Fläche vor allem durch eine begrenzte Luftmenge aus, welche diese in einem Betrieb passieren kann. Eine hierüber abzuführende Leistung ist beschränkt. Der Radhauskühler ist auch als zweiter Kühler bezeichnet, der als ein von Luft (vergleichsweise) schlecht (siehe oben) durchströmbarer zweiter Kühler ausgebildet ist. Hierbei ist der zweite Kühler als ein Kühler ausgebildet, der kein Fahrzeughauptkühler 44 und kein Radhauskühler ist.
Verbindend zwischen dem Kühlmedium-Kühler 44 und einem Radhauskühler ist, dass beide von Frischluft, also einer nicht vorgewärmten Luft mit Umgebungstemperatur, anströmbar sind. Eine jeweils vorderste Ebene ist also dafür geeignet, Wärme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau abzuführen. Kern der Erfindung ist die Nutzung der kleinen, schlecht durchströmten Radhauskühler als einen (Teil-)Kühler 51; 52; 52.1, 52.2 (Kondensator/Gaskühler 51, Unterkühlstrecke 52; 52.1, 52.2) für die Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 und/oder einen (Teil-)Kühler 61; 61.1, 61.2; 62 (Kondensator/Gaskühler 61; 61.1, 61.2, Unterkühlstrecke 62) der Kältemaschine 60.
Hierdurch kann eine Effizienz der Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 und der Kältemaschine 60 durch eine bessere Abkühlung eines betreffenden Kältemittels gesteigert werden. Vorteilhaft ist hierbei vor allem, dass einerseits ein Großteil der Wärme auf einem hohen Temperaturniveau hinter dem Kühlmedium-Kühler 44 abgegeben werden kann. Die Radhauskühler müssen hingegen andererseits nur wenig Wärme abgeben, haben aber durch Ihre direkte Anströmung mit Frischluft die Möglichkeit, das betreffende Kältemittel deutlich weiter zu unterkühlen, als dies bei einer vollständigen Anordnung hinter dem Kühlmedium-Kühler 44 der Fall wäre. Im Folgenden sind sieben beispielhafte Ausführungsformen anhand der 4 bis 10 kursorisch näher erläutert, wobei unter einer Hauptkühleranordnung, eine Anordnung von Kühlern verstanden ist, welche keinen Radhauskühler umfasst.
Die Ausführungsform der 4 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44, ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 und ein gesamter Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 in einer Ebene gestapelt sind (von unten, eine andere Stapelfolge ist natürlich anwendbar). Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52 ausgebildeten Radhauskühler 52 sowie einen als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke 62 ausgebildeten Radhauskühler 62.
Die Ausführungsform der 5 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44 und stromabwärts dahinter ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 in zwei Ebenen gestaffelt sind. Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als einen ersten Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61.1 ausgebildeten Radhauskühler 61.1 sowie einen als einen zweiten Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61.2 ausgebildeten Radhauskühler 61.2.
Die Ausführungsform der 6 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44 in einer ersten Ebene vorgesehen ist und stromabwärts dahinter ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 und ein gesamter Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 in einer zweiten Ebene gestapelt sind (von unten, eine andere Stapelfolge ist natürlich anwendbar). Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52 ausgebildeten Radhauskühler 52 sowie einen als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke 62 ausgebildeten Radhauskühler 62.
Die Ausführungsform der 7 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44 in einer ersten Ebene vorgesehen ist und stromabwärts dahinter ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 und ein gesamter Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 in einer zweiten Ebene gestapelt sind (von unten, eine andere Stapelfolge ist natürlich anwendbar). Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als eine erste Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.1 ausgebildeten Radhauskühler 52.1 sowie einen als eine zweite Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.2 ausgebildeten Radhauskühler 52.2.
Je nach einer Leistung der Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 in einem Vergleich zu einer Klimaanlage (Kältemaschine 60) des Brennstoffzellenfahrzeugs, kann die Ausführungsform der 6 oder die Ausführungsform der 7 angewendet sein. Wenn die Leistung der Klimaanlage ungefähr der Leistung der Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 entspricht, so sollte die Ausführungsform der 6 angewendet sein, bei einer deutlich höheren Leistung der Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 kann die Ausführungsform der 7 angewendet sein.
Die Ausführungsform der 8 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61, stromabwärts dahinter ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44 und stromabwärts dahinter ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 in drei Ebenen gestaffelt sind. Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als eine erste Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.1 ausgebildeten Radhauskühler 52.1 sowie einen als eine zweite Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.2 ausgebildeten Radhauskühler 52.2.
Die Ausführungsform der 9 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44, ein gesamter Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 und ein gesamter Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 in einer Ebene gestapelt sind (von unten, eine andere Stapelfolge ist natürlich anwendbar). Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als eine erste Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.1 ausgebildeten Radhauskühler 52.1 sowie einen als eine zweite Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52.2 ausgebildeten Radhauskühler 52.2.
Die Ausführungsform der 10 zeigt eine Kühleranordnung 100, bei welcher in einer Hauptkühleranordnung in einer ersten Ebene ein gesamter Kühlmedium-Kühler 44 und eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke 52 gestapelt sind (von unten, eine andere Stapelfolge ist natürlich anwendbar), wobei stromabwärts dahinter ein Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler 51 in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Ferner umfasst die Kühleranordnung 100 abseits der Hauptkühleranordnung einen als einen Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler 61 ausgebildeten Radhauskühler 61 sowie einen als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke 62 ausgebildeten Radhauskühler 62.
Statt einem Radhauskühler 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62 als einem zweiten Kühler 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62 kann auch ein beliebiger anderer Kühler 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62 in Betracht kommen, der nicht als ein Radhauskühler und/oder der nicht als ein Fahrzeughauptkühler 44 als erster Kühler 44 in einem Fahrzeugfrontende ausgebildet ist. – Um eine Kühlung auch in einem Stand des Brennstoffzellenfahrzeugs zu gewährleisten ist es erforderlich, dass alle vorderen Kühler 44–51; 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62 mit einem Gebläse versehen werden. Dies dient dazu, die Durchströmung der Kühler 44–51; 52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62 mit Luft auch im Stand des Brennstoffzellenfahrzeugs zu gewährleisten.
Abschließend erfolgt noch eine Erläuterung zur Anordnung eines Kühlers 51, 61; 52, 62 (Kondensator/Gaskühler 51, 61; 52, 62) einer Wärmepumpe (Hochtemperatur-Wärmepumpe 50 (beziehungsweise Kältemaschine 50), (Kältemaschine 60 beziehungsweise) Wärmepumpe 60) in der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung 100. In einem Betrieb der Wärmepumpe 50, 60 kondensiert ein Kältemittel der Wärmepumpe 50, 60 auf der sogenannten Hochtemperaturseite, wobei die Wärmepumpe 50, 60 dort eine aufgenommene Wärme zuzüglich einer Antriebsleistung abgibt. Hierbei stellt sich ein Druck derart ein, dass eine Temperatur eines Heißgases/Zweiphasengebiets (Kältemittel) über einer Temperatur der Umgebung liegt, sodass Wärme abgegeben werden kann.
Die Wärme wird hauptsächlich im Kondensator/Gaskühler 51, 61 der Wärmepumpe 50, 60 abgegeben. An einem Eintritt des Kondensators/Gaskühlers 51, 61 liegt eine Temperatur des Kältemittels, bedingt durch eine Verdichtung, häufig deutlich oberhalb einer Umgebungstemperatur, wobei im Stand der Technik Temperaturdifferenzen von teilweise mehr als 40 Kelvin erreicht werden. Insofern ist in diesem Bereich eine Temperatur einer anströmenden Luft wenig entscheidend für eine Wärmeabgabe. Im Bereich der Kondensation stellt sich ein Druck im Kältemittel entsprechend der anströmenden Luft ein, eine höhere Temperatur der Luft wird dabei durch einen erhöhten Druck im Kältemittel kompensiert. Dies reduziert die Effizienz der Wärmepumpe 50, 60, was jedoch nicht zu vermeiden ist, wenn ein Großteil der Wärmeabgabe oberhalb eines gewissen Temperaturniveaus, also zum Beispiel stromabwärts hinter dem Kühlmedium-Kühler 44, erfolgen soll.
Nach einem vollständigen Kondensieren kann das Kältemittel unterkühlt werden. Unterkühlen beschreibt eine Abkühlung des nun flüssigen Kältemittels ohne einen Phasenwechsel, welcher beim Kondensieren auftritt. Hierdurch wird eine Menge eines flüssigen Kältemittels nach einer Expansion und vor dem Verdampfer wesentlich bestimmt, was wiederrum eine Leistung und eine Effizienz der Wärmepumpe 50, 60 positiv beeinflusst. Hierbei bestimmt eine Temperatur einer Kühlluft beziehungsweise einer Frischluft zur Wärmeabgabe eine Höhe der Unterkühlung.
Wenn, wie vorliegend, vergleichsweise viel durch den Kühlmedium-Kühler 44 vorgewärmte Luft und vergleichsweise wenig kühle Luft (Frischluft vor dem vergleichsweise schlecht durchströmten Kühler) vorliegt, so ist es vorteilhaft, einen Großteil an Wärme aus der Wärmepumpe 50, 60 an eine warme Luft stromabwärts des Kühlmedium-Kühlers 44 abzugeben. Die wenige vergleichsweise kühle Luft dient dann ausschließlich der Unterkühlung und kann somit einen großen positiven Effekt auf eine Effizienz haben. Eine vergleichsweise große Menge an vergleichsweise warmer Luft ist notwendig, um einen Großteil der Wärme abzuführen, eine vergleichsweise wenige Menge an vergleichsweise kühler Luft wäre hierzu nicht ausreichend.
Wenn ein Kältemittel in einem transkritischen Prozess betrieben wird (Kältemittel ohne Kondensation in einem Betrieb), so sinkt eine Temperatur des Kältemittels während einer Wärmeabgabe kontinuierlich. Es ist also nicht notwendig, dass die Wärmeabgabe direkt nach dem Verdichter gegen eine vergleichsweise kühle Luft erfolgt, da eine Temperatur hier üblicherweise noch vergleichsweise hoch ist.
Entsprechend einer Beschreibung bei einem kondensierenden Prozess wird auch hier eine Menge eines flüssigen Kältemittels nach einem Expansionsventil durch eine erreichte Abkühlung eines Heißgases (Kältemittel) definiert. Dementsprechend ist es auch hier sinnvoll, wenn eine vergleichsweise kühle Luft dazu genutzt wird, eine Abkühlung eines an einer vergleichsweise warmen Luft vorgekühlten Kältemittels vorzunehmen. – Es ist durchaus möglich, dass je nach Betriebsbereich ein Kältemittel entweder transkritisch und/oder kondensierend betrieben wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems
2: Umgebung, Luft
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch, hinströmend
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas, abströmend
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt (Umgebungs-)Luft, hinströmend
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft, abströmend
7: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch), wasserfreies Kühlmedium, Thermoöl, hinströmend, vergleichsweise kühl
8: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, wasserfreies Kühlmedium, abströmend
10: Brennstoffzelle des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum einer Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
17: Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Fluid-Fördereinrichtung, (Strömungs-)Verdichter, Rezirkulationsverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 27, Rootsgebläse et cetera
27: (Elektro-)Motor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
28: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 27
29: (Gas-)Strahlpumpe, Ejektor
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, (Strömungs-)Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 34, Rootsgebläse et cetera
34: Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, gegebenenfalls eines Abgasturboladers
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
39: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger
40: Brennstoffzellen-Versorgung, Kühlmediumversorgung, Kühlkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
41: Pfad, Zulaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Zulaufpfad
42: Pfad, Ablaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Ablaufpfad
43: Kühlmediumpumpe
44: Kühler, Kühlmedium-Kühler, Wärmeübertrager, Fahrzeug(haupt)kühler
45: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Thermostatventil
47: Kühler-Bypass
48: elektrischer Wärmeerzeuger, elektrischer Zuheizer
50: Hochtemperatur-Wärmepumpe beziehungsweise Kältemaschine, Kältemittelversorgung, Kältemittelkreislauf für Kühlmedium 8
51: (Wärmepumpen-)Kühler, Kondensator, Gaskühler, Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler
52: Kühler, (Radhaus-)Wärmepumpen-Unterkühlstrecke, Wärmeübertrager, gegebenenfalls Radhauskühler
53: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
54: Kühlmedium-Kühler, Kälteübertrager, Chiller
55: Fluid-/Kältemittel-Fördereinrichtung, (Strömungs-)Verdichter, Kompressor, Pumpe mit Motor
60: Kältemaschine beziehungsweise Wärmepumpe, Kältemittelversorgung, Kältemittelkreislauf für Konditionierkreislauf 70, Klimatisierungsmodul
61: (Kältemaschinen-)Kühler, Kondensator, Gaskühler, (Radhaus-)Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler, Wärmeübertrager, gegebenenfalls zweigeteilt, gegebenenfalls Radhauskühler
62: Kühler, (Radhaus-)Kältemaschinen-Unterkühlstrecke, Wärmeübertrager, gegebenenfalls Radhauskühler
64: Kälteübertrager, Fahrgastzellen-Kälteübertrager
70: Konditionierkreislauf der Fahrgastzelle 80
71: Wärmeübertrager, Fahrgastzellen-Wärmeübertrager
73: Wärmeübertrager-Bypass
74: Fahrgastzellenlüfter
75: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Bypassventil
80: Fahrgastzelle
90: Batterie
100: Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung, Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket
110: Stoßfänger, Querträger des Brennstoffzellenfahrzeugs

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wenigstens aufweisend einen Kühlmedium-Kühler (44) einer Kühlmediumversorgung (40) zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats (1) des Brennstoffzellenfahrzeugs, einen Wärmepumpen-Kühler (51; 52; 52.1, 52.2) einer Hochtemperatur-Wärmepumpe (50) zum Kühlen eines Kühlmediums (8) der Kühlmediumversorgung (40) und/oder einen Kältemaschinen-Kühler (61; 61.1, 61.2; 62) einer Kältemaschine (60) zum Kühlen einer Fahrgastzelle (80) des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei der Kühlmedium-Kühler (44) als ein erster Kühler und wenigstens einer der anderen Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) wenigstens teilweise als ein zweiter Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) für das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) als ein von Luft gegenüber dem ersten Kühler schlechter durchströmbarer zweiter Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zweiten Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) wenigstens teilweise als ein Radhauskühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) für das Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) zwei zweite Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) aufweist; und/oder der/ein zweiter Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) als eine Unterkühlstrecke (52; 52.1, 52.2–62) und/oder als ein Kondensator/Gaskühler (61; 61.1, 61.2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) in einer seriellen Fluidkommunikation zu einem Wärmepumpen-Kühler (51) der Hochtemperatur-Wärmepumpe (50); zu einem zusätzlichen zweiten Kühler (52.1, 52.2) der Hochtemperatur-Wärmepumpe (50); zu einem Kältemaschinen-Kühler (61) der Kältemaschine (60); und/oder zu einem zusätzlichen zweiten Kühler (61.1, 61.2; 62) der Kältemaschine (60) steht.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) derart aufgebaut ist, dass: wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche des Kühlmedium-Kühlers (44) durch eine Frischluft kühlbar ist; wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche eines Wärmepumpen-Kühlers (51; 52; 52.1, 52.2) durch eine Frischluft kühlbar ist; und/oder wenigstens eine Teilkühlfläche oder eine Gesamtkühlfläche eines Kältemaschinen-Kühlers (61; 61.1, 61.2; 62) durch eine Frischluft kühlbar ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmedium-Kühler (44) der Kühlmediumversorgung (40) als ein Fahrzeugkühler (44) ausgebildet ist; der Wärmepumpen-Kühler (51; 52; 52.1, 52.2) der Hochtemperatur-Wärmepumpe (50) als ein Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) und/oder eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52; 52.1, 52.2) ausgebildet ist; und/oder der Kältemaschinen-Kühler (61; 61.1, 61.2; 62) der Kältemaschine (60) als ein Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61; 61.1, 61.2) und/oder eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke (62) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) derart aufgebaut ist, dass: eine Gesamtkühlfläche des Wärmepumpen-Kondensators/Gaskühlers (51; 52; 52.1, 52.2) durch eine von der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) erwärmte Luft kühlbar ist; eine Gesamtkühlfläche der Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52; 52.1, 52.2) durch eine Frischluft kühlbar ist; eine Gesamtkühlfläche des Kältemaschinen-Kondensators/Gaskühlers (61) durch eine Frischluft kühlbar ist; und/oder eine Gesamtkühlfläche der Kältemaschinen-Unterkühlstrecke (62) durch eine Frischluft kühlbar ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62): als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52; 52.1, 52.2) der Hochtemperatur-Wärmepumpe (50); als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke (62) der Kältemaschine (60); und/oder als ein Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61; 61.1, 61.2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) an einem vorderen Ende ausschließlich den Kühlmedium-Kühler (44) und stromabwärts den Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) und den Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61) gestapelt aufweist, wobei ein zweiter Kühler (62) als eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke (62) und ein zusätzlicher zweiter Kühler (52) als eine Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52) ausgebildet ist, oder ein zweiter Kühler (52.1) als eine erste Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52.1) und ein zusätzlicher zweiter Kühler (52.2) als eine zweite Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52.2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptkühleranordnung (44–51; 52–61) der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) abseits des zweiten oder der zweiten Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62): eine einzige Ebene umfasst, in welcher der Kühlmedium-Kühler (44), der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) und der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61) gestapelt sind; zwei Ebenen umfasst, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kühlmedium-Kühler (44) und an einer hinteren Ebene ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) eingerichtet sind; zwei Ebenen umfasst, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kühlmedium-Kühler (44) eingerichtet ist und an einer hinteren Ebene der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) und der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61) gestapelt sind; drei Ebenen umfasst, wobei an einer vorderen Ebene ausschließlich der Kältemaschinen-Kondensator/Gaskühler (61), an einer hinteren Ebene ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) und dazwischen ausschließlich der Kühlmedium-Kühler (44) eingerichtet sind; oder zwei Ebenen umfasst, wobei an einer vorderen Ebene der Kühlmedium-Kühler (44) und die Wärmepumpen-Unterkühlstrecke (52) gestapelt sind und an einem hinteren Ende ausschließlich der Wärmepumpen-Kondensator/Gaskühler (51) eingerichtet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die/eine Hauptkühleranordnung (44–51; 52–61) der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) ein Luftgebläse aufweist; und/oder der wenigstens eine zweite Kühler (52; 52.1, 52.2–61; 61.1, 61.2; 62) ein Luftgebläse aufweist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket (100) für ein Konditionieren eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket (100) eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei ein Kühlmedium-Kühler (44) einer Kühlmediumversorgung (40) des Brennstoffzellenfahrzeugs, ein Wärmepumpen-Kühler (51; 52; 52.1, 52.2) einer Hochtemperatur-Wärmepumpe (50) des Brennstoffzellenfahrzeugs und/oder ein Kältemaschinen-Kühler (61; 61.1, 61.2; 62) einer Kältemaschine (60) des Brennstoffzellenfahrzeugs zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind.
Brennstoffzellensystem und/oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem und/oder das Brennstoffzellenfahrzeug eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühleranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 oder ein Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlerpaket (100) gemäß Anspruch 12 sowie eine Brennstoffzelle (10) aufweist.