DE102016119444A1

DE102016119444A1 - Kühlereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug

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Publication number: DE102016119444A1
Application number: DE102016119444.1A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Martin Buchenberger; Friedrich Wilhelm; Thomas Lichius
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-Kühlereinrichtung (100) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, aufweisend wenigstens einen Fahrzeug-Hauptkühler (44) einer Kühlmediumversorgung (40) zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats (1) des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei der Fahrzeug-Hauptkühler (44) mit einer Luftauslasshutze (80) in einer Fluidkommunikation steht, und die Luftauslasshutze (80) wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler (45, 50, 60, 70, 80, ...) umfasst. In Ausführungsformen weist die Luftauslasshutze (80) neben der Luftauslasshutze (80) selbst den wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler (45, 50, 60, 70) auf und/oder die Luftauslasshutze (80) selbst ist als wenigstens ein Fahrzeug-Zusatzkühler (80) ausgebildet. In Ausführungsformen ist der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45, 50, 60, 70, 80, ...) als ein Kühlmedium-Kühler (45), als ein Ladeluft-Kühler (50), als ein Kältemaschinen-Kühler (60), als ein Wärmepumpen-Kühler (70), als Luftauslasshutze (80) und/oder als ein Hutzenabschnitt der Luftauslasshutze (80) ausgebildet. In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) derart ausgebildet, dass der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45, 50, 60, 70, 80, ...) in einem Gegenstrom und/oder in einem Kreuzstrom und/oder in einem Konvektionsstrom von einer Kühlluft passierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung.
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 der Brennstoffzelle 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.
Der Brennstoffzellenstapel liefert sowohl elektrische Energie als auch Wärmeenergie. Eine abzuführende Wärmeenergie wird heutzutage über Fahrzeugkühler abgegeben. Es kann hierbei zwischen Fahrzeug-Hauptkühler und Fahrzeug-Zusatzkühler unterschieden werden. Gewöhnlich wird die vom Brennstoffzellenstapel anfallende Wärmeenergie über den Fahrzeug-Hauptkühler abgegeben. Mit steigenden Leistungsansprüchen von Brennstoffzellenaggregaten, steigt auch die Anforderung an die Kühlung. Dies geschieht in Brennstoffzellenfahrzeugen heute soweit, dass gewöhnliche Kühlkonzepte nicht mehr in der Lage sind, die anfallende Wärmeenergie im Betrieb des Brennstoffzellensystems abzuführen.
Die DE 10 2004 053 729 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem mit einer Brennstoffzelle ausgebildeten Antriebsaggregat sowie einer Kühleinheit, die einen in Längsrichtung des gesamten Kraftfahrzeugs durchströmbaren Kühlluftkanal aufweist. Der abseits eines Hauptkühlers vorgesehene Kühlluftkanal weist eine Einlassöffnung im Bereich einer vorderen Stirnfläche des Kraftfahrzeugs und eine Auslassöffnung im Bereich einer hinteren Stirnfläche des Kraftfahrzeugs auf. Zumindest ein Teil des Antriebsaggregats ist durch eine Wärmeübertragung von einer Wandung des Kühlluftkanals und/oder einer Wärmeübertragung von einer Wandung mindestens eines, von dem Kühlluftkanal abzweigenden Teilluftkanals kühlbar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug anzugeben. Hierbei soll eine effektive Kühlleistung für das Brennstoffzellenfahrzeug bei bevorzugt kleinen Abmessungen der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung realisierbar sein. Ferner sollen den Anforderungen an eine steigende Kühlleistung einer solchen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung sinnvoll begegnet werden können. Des Weiteren soll ein entsprechendes Brennstoffzellenfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug; und mittels eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung 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-Kühlereinrichtung weist wenigstens einen Fahrzeug-Hauptkühler einer Kühlmediumversorgung zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellenfahrzeugs auf, wobei der Fahrzeug-Hauptkühler mit einer Luftauslasshutze in einer Fluidkommunikation steht, und die Luftauslasshutze wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler umfasst. In Ausführungsformen weist die Luftauslasshutze neben der Luftauslasshutze selbst den wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler auf; und/oder die Luftauslasshutze ist selbst als wenigstens ein Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet. In Ausführungsformen ist der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler als ein Kühlmedium-Kühler, als ein Ladeluft-Kühler, als ein Kältemaschinen-Kühler, als ein Wärmepumpen-Kühler, als die Luftauslasshutze und/oder als ein Hutzenabschnitt der Luftauslasshutze ausgebildet.
In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung derart ausgebildet, dass der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler in einem Gegenstrom und/oder in einem Kreuzstrom und/oder in einem Konvektionsstrom von einer Kühlluft passierbar ist. Das heißt, die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung ist derart ausgebildet, dass ein einziger Fahrzeug-Zusatzkühler, eine Mehrzahl von Fahrzeug-Zusatzkühlern oder alle Fahrzeug-Zusatzkühler in einem Gegenstrom und/oder in einem Kreuzstrom und/oder in einem Konvektionsstrom von der Kühlluft passierbar ist beziehungsweise sind.
In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung derart ausgebildet, dass innerhalb der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung von der Kühlluft der Fahrzeug-Hauptkühler und in einer zeitlichen Folge von der vom Fahrzeug-Hauptkühler vorgewärmten Kühlluft der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler passierbar ist. Zeitlich vor einem Eintreten der Kühlluft in den Fahrzeug-Hauptkühler kann die Kühlluft von einem anderen Kühler, zum Beispiel einem Kondensator oder einer Unterkühlstrecke, insbesondere einer Kältemaschine einer Klimaanlage, bereits vorgewärmt sein.
In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung derart ausgebildet, dass innerhalb der Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung ein vergleichsweise warmes Kühlmedium durch den Fahrzeug-Zusatzkühler (in diesem Fall als Kühlmedium-Zusatzkühler ausgebildet) strömbar ist, und das vorgekühlte Kühlmedium in einer zeitlichen Folge durch den Fahrzeug-Hauptkühler strömbar ist. Dies betrifft natürlich auch das Brennstoffzellenfahrzeug selbst, von welchem das vergleichsweise warme Kühlmedium in einen entsprechenden Fluideinlass des Kühlmedium-Zusatzkühlers pumpbar ist. Das vergleichsweise warme Kühlmedium stammt dabei vom Brennstoffzellenaggregat, wobei ein Kühlmedium-Zusatzkühler ein bevorzugt erster Kühler für das vom Brennstoffzellenaggregat stammende Kühlmedium ist.
In Ausführungsformen umfasst die Luftauslasshutze einen Fluideinlasskasten und wenigstens einen mit dem Fluideinlasskasten in einer Fluidkommunikation stehenden Fluidauslassstutzen, wobei der Fluideinlasskasten mit dem Fahrzeug-Hauptkühler bevorzugt fest verbunden ist. In Ausführungsformen: ist die Luftauslasshutze als ein in eine Umfangsrichtung im Wesentlichen geschlossener Hohlkörper ausgebildet, in welchem der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler eingerichtet ist; ist die Luftauslasshutze derart ausgebildet, dass durch die Luftauslasshutze selbst hindurch, wenigstens ein Teil des Kühlmediums, ein Kältemittel oder eine Ladeluft hindurch transportierbar ist; und/oder ist die Luftauslasshutze selbst als der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet, wobei innerhalb der Luftauslasshutze eine Kühlstrecke eingerichtet ist.
In Ausführungsformen ist die Luftauslasshutze bevorzugt direkt an den Fahrzeug-Hauptkühler mechanisch angeschlossen, wobei: innerhalb der Luftauslasshutze wenigstens zwei Kühlmedium-Zusatzkühler in Reihe geschaltet angeordnet sind; die Luftauslasshutze selbst als ein Kühlmedium-Zusatzkühler oder ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet ist; wenigstens ein Hutzenabschnitt der Luftauslasshutze selbst als ein Kühlmedium-Zusatzkühler und/oder ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet ist; und/oder innerhalb der Luftauslasshutze wenigstens ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler angeordnet ist. Ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler ist zum Beispiel ein gegebenenfalls einziger Kältemaschinen-Kühler, ein gegebenenfalls einziger Wärmepumpen-Kühler et cetera.
In Ausführungsformen ist der betreffende Zusatzkühler oder sind die betreffenden Zusatzkühler im Fluidauslassstutzen untergebracht, wobei es natürlich möglich ist, wenigstens einen Zusatzkühler ferner im Fluideinlasskasten unterzubringen, beziehungsweise vice versa. Ist die Luftauslasshutze selbst als wenigstens ein Kühlmedium-Zusatzkühler und/oder wenigstens ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet, so ist dieser beziehungsweise sind diese Fahrzeug-Zusatzkühler im Fluideinlasskasten und/oder im Fluidauslassstutzen untergebracht, oder ist dieser beziehungsweise sind diese Fahrzeug-Zusatzkühler als Fluideinlasskasten und/oder als Fluidauslassstutzen ausgebildet.
In Ausführungsformen weist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung einen Karosserie-Abschnitt auf und ist derart ausgebildet, dass die durch die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung gewärmte Kühlluft durch die Luftauslasshutze im Bereich des Karosserie-Abschnitts an die Umgebung abgebbar ist. Der Karosserie-Abschnitt des Brennstoffzellenfahrzeugs ist zum Beispiel als eine Motorhaube oder nur als ein Teil davon ausgebildet.
In Ausführungsformen ist die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung derart ausgebildet, dass bei einer Vorwärtsfahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs die aus der Umgebung an die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung relativ anströmende Kühlluft den Fahrzeug-Hauptkühler passiert, in einer zeitlichen Folge in die Luftauslasshutze eintritt (Fluideinlasskasten), den wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler passiert und in einer zeitlichen Folge, die gewärmte Kühlluft die Luftauslasshutze im Bereich des Karosserie-Abschnitts (Fluidauslassstutzen) wieder verlässt und an die Umgebung abgegeben wird.
In Ausführungsformen ist die Luftauslasshutze einteilig, zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet; ist die Luftauslasshutze oder der/ein Hutzenabschnitt einstückig, stofflich einstückig, einfach oder integral ausgebildet, gegebenenfalls beschichtet; ist eine Innenseite der Luftauslasshutze gut wärmeleitend ausgebildet; ist neben oder stromaufwärts vor dem Fahrzeug-Hauptkühler ein Kältemaschinen-Kühler einer Kältemaschine vorgesehen; ist neben oder stromabwärts hinter (also im Brennstoffzellenfahrzeug) dem Fahrzeug-Hauptkühler oder hinter der Luftauslasshutze ein Wärmepumpen-Kühler einer Hochtemperatur-Wärmepumpe vorgesehen; und/oder ist die Luftauslasshutze stromabwärts des Fahrzeug-Hauptkühlers luftdurchlässig ausgebildet. – 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.
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 (siehe unten)) 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 (Abschnitt, Element, Bauteil, Einheit, Komponente, Funktion, Größe 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 (Beschreibung, Bezugszeichenliste, Patentansprüche, Zeichnung) 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 eine schematische Darstellung der Erfindung zum allgemeinen Erläutern einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung;
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung; und
6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung.
Die Erfindung ist anhand von vier Ausführungsformen von Brennstoffzellen-Kühlereinrichtungen 100 unter anderem für ein Brennstoffzellenaggregat 1 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), wobei zwischen Einzelzellen 11 ein Flussfeld für ein Kühlmedium 7/8 integriert ist.
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 ein Rezirkulationsverdichter 26 bevorzugt 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.
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. 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 Wasteleitung 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 oder ein als Wastegate 38 ausgebildetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 38, ... 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 sowie stromaufwärts eines Kathodeneingangs der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 sowie 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 und/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 (Wasserabscheidemodul) 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 ferner eine in der 1 beispielhaft und stark vereinfacht 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 ein vergleichsweise kühles, das heißt temperiertes, 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 betreibbaren Kühlmediumpumpe 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 beziehungsweise Fahrzeughauptkühler im Kühlkreislauf kühlbar, welcher üblicherweise ein Luftgebläse aufweist. Eine im Wesentlichen wasserfreie Kühlflüssigkeit 7/8 ist natürlich anwendbar.
Ferner kann das Brennstoffzellenfahrzeug eine Klimaanlage aufweisen. Für eine Kühlung einer Fahrgastzelle weist das Brennstoffzellenfahrzeug daher eine Kältemaschine beziehungsweise einen Kältemittelkreislauf für einen Konditionierkreislauf der Fahrgastzelle auf. Die Kältemaschine umfasst unter anderem einen als einen Kondensator 60 ausgebildeten Kältemaschinen-Kühler 60 (siehe die 2), gegebenenfalls einen als Unterkühlstrecke 60 ausgebildeten Kältemaschinen-Kühler 60, und einen Fahrgastzellen-Kälteübertrager, sowie eine Fluid- beziehungsweise Kältemittel-Fördereinrichtung, die bevorzugt als ein (Strömungs-)Verdichter beziehungsweise ein Kompressor ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem beziehungsweise das Brennstoffzellenfahrzeug eine Hochtemperatur-Wärmepumpe als einen Kältemittelkreislauf für das Kühlmedium 8 aufweisen, der bevorzugt im Wesentlichen antiparallel zum Kühlkreislauf 40 der Brennstoffzelle 10 geschaltet ist. Die Hochtemperatur-Wärmepumpe umfasst unter anderem einen als Kondensator 70 ausgebildeten Wärmepumpen-Kühler 70 (siehe die 2), gegebenenfalls einen als Unterkühlstrecke 70 ausgebildeten Wärmepumpen-Kühler 70 und einen Kühlmedium-Kühler, auch als Kühlmedium-Kälteübertrager oder Chiller bezeichenbar, sowie eine Fluid- beziehungsweise Kältemittel-Fördereinrichtung, die bevorzugt als ein (Strömungs-)Verdichter beziehungsweise ein Kompressor ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung (siehe die 2 bis 6) ist wenigstens ein Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70, 80, 81, 82 neben einem Fahrzeug-Hauptkühler 44 der Kühlmediumversorgung 40 zum Kühlen vorgesehen, wobei der Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70, 80, 81, 82 in einer Luftauslasshutze 80 (Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70) vorgesehen und/oder als Luftauslasshutze 80 (Fahrzeug-Zusatzkühler 80, 81, 82) selbst beziehungsweise wenigstens ein Hutzenabschnitt 81, 82 selbst ausgebildet ist (Brennstoffzellen-Kühlereinrichtung 100). Als Luftauslasshutze 80; 81, 82 soll hier ein Luftkanal 80; 81, 82 verstanden sein, welcher einen Strom von einer Kühlluft vom Fahrzeug-Hauptkühler 44 zu einer Öffnung in einem Karosserie-Abschnitt 90 des Brennstoffzellenfahrzeugs, bevorzugt einer Motorhaube 90, führt.
Im ersten Fall übernimmt die Luftauslasshutze 80 selbst im Wesentlichen keine Kühlaufgaben und dient einer Halterung der Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70. Im zweiten Fall ist die Luftauslasshutze 80 selbst beziehungsweise wenigstens ein Hutzenabschnitt 81, 82 selbst gegebenenfalls zusätzlich als ein Fahrzeug-Zusatzkühler 80, 81, 82 ausgebildet. Bei solch einem Ausführungsbeispiel ist die Luftauslasshutze 80 selbst beziehungsweise wenigstens ein Hutzenabschnitt 81, 82 selbst hohl ausgebildet und übernimmt eine Aufgabe einer Fluidleitung bei gleichzeitiger Kühlung durch einen Strom von Kühlluft. Dies bedeutet, dass die Luftauslasshutze 80 oder ein Hutzenabschnitt 81, 82 zum Beispiel als ein Blasformteil ausgebildet ist. Hierbei kann die Luftauslasshutze 80 aus wenigstens zwei Hutzenabschnitten 81, 82 oder Schalen 81, 82 bestehen. Die beiden Fälle sind miteinander kombinierbar.
Stützwände beziehungsweise Verbindungselemente der beiden Hutzenabschnitte 81, 82, zum Beispiel der zwei Schalen 81, 82, sind bevorzugt derart angeordnet, dass diese eine Fluidleitung (Kühlmedium 8, Kältemittel, Ladeluft) übernehmen und bevorzugt ein Hohlraum des oder der Hutzenabschnitte 81, 82 hinsichtlich eines Druckverlusts verbessert ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass eine Innenseite der Luftauslasshutze 80; 81, 82, also eine Kühlluftseite, mit einem vergleichsweise gut wärmeleitenden Material versehen oder diese ist durch ein vergleichsweise gut wärmeleitendes Material ausgebildet, um eine konvektive Kühlung zu verbessern. Bevorzugt ist dabei der Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70, 80, 81, 82 in einer Gegen- und/oder Kreuzströmung bezüglich der Kühlluft (weiße Pfeile in den 2 bis 6) eingerichtet.
Die Luftauslasshutze 80; 81, 82 umfasst einen Fluideinlasskasten 88 und einen damit in einer Fluidkommunikation stehenden Fluidauslassstutzen 89, wobei die Luftauslasshutze 80, der Fluideinlasskasten 88 und/oder der Fluidauslassstutzen 89 ein- oder mehrteilig ausgebildet sein können. Die Luftauslasshutze 80; 81, 82 steht mit ihrem Fluideinlasskasten 88 in einer Fluidkommunikation mit dem Fahrzeug-Hauptkühler 44, wobei der Fluideinlasskasten 88 stromabwärts bevorzugt unmittelbar benachbart zum Fahrzeug-Hauptkühler 44 vorgesehen ist. Eine Auslassöffnung des Fluidauslassstutzens 89 liegt bevorzugt in einer Nähe des Karosserie-Abschnitts 90, wobei der Karosserie-Abschnitt 90 dort wenigstens teilweise offen ausgebildet ist. Hierbei kann die Luftauslasshutze 80; 81, 82 wenigstens einen Fluideinlasskasten 88 und/oder wenigstens einen Fluidauslassstutzen 89 aufweisen. Bevorzugt sind zwei Fluidauslassstutzen 89 vorgesehen.
Die 3 bis 5 zeigen jeweils eine der vier dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlereinrichtung 100, wobei die 2, gegebenenfalls in einer Kombination mit der 5 und/oder auch in einer Übertragung der 4 auf die 2, einen allgemeinen Gedanken der Erfindung zeigt. Der Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70, 80, 81, 82 kann dabei als ein Kühlmedium-Zusatzkühler 45, ein Ladeluft-Kühler 50, ein Kältemaschinen-Kühler 60 oder ein Wärmepumpen-Kühler 70 ausgebildet sein. Ferner kann die Luftauslasshutze 80 oder ein Hutzenabschnitt 81, 82 gegebenenfalls zusätzlich als ein Kühlmedium-Zusatzkühler 45, ein Ladeluft-Kühler 50, ein Kältemaschinen-Kühler 60 oder ein Wärmepumpen-Kühler 70 ausgebildet sein.
Die 3 zeigt den stromaufwärts vor dem Fluideinlasskasten 88 vorgesehenen Fahrzeug-Hauptkühler 44, wobei der Fluideinlasskasten 88 selbst keinen Zusatzkühler aufweist. Erst im Fluidauslassstutzen 89 sind drei Kühlmedium-Zusatzkühler 45 in Reihe eingerichtet, wobei das Kühlmedium 8 (dunkle Pfeile) entgegen einer Strömungsrichtung der Kühlluft durch die Kühlmedium-Zusatzkühler 45 transportierbar ist. Eine andere Anzahl von Kühlmedium-Zusatzkühlern 45 ist natürlich anwendbar. Hierbei ist die Luftauslasshutze 80 selbst nicht als ein Fahrzeugzusatzkühler 45, 50, 60, 70 ausgebildet, was aber anwendbar ist.
Die 4 zeigt den stromaufwärts vor dem Fluideinlasskasten 88 vorgesehenen Fahrzeug-Hauptkühler 44, wobei der Fluideinlasskasten 88 einen Kühlmedium-Zusatzkühler 45 aufweist. Der Kühlmedium-Zusatzkühler 45 erstreckt sich ausgehend vom Fluideinlasskasten 88 in den Fluidauslassstutzen 89 hinein. Hierbei ist es bevorzugt, einen wesentlichen Innenraum der Luftauslasshutze 80; 81, 82 mit dem Kühlmedium-Zusatzkühler 45 auszufüllen. Das Kühlmedium 8 ist wie bei der 3 transportierbar. Hierbei ist die Luftauslasshutze 80 selbst nicht als ein Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70 ausgebildet, was aber anwendbar ist.
Die 5 zeigt den stromaufwärts vor dem Fluideinlasskasten 88 vorgesehenen Fahrzeug-Hauptkühler 44, wobei der Fluideinlasskasten 88 und der Fluidauslassstutzen 89 beziehungsweise wenigstens zwei Hutzenabschnitte 81, 82 als ein Kühlmedium-Zusatzkühler 45 ausgebildet sind. Dieser Kühlmedium-Zusatzkühler 45 ist als ein Konventions-Zusatzkühler ausgebildet. Die Luftauslasshutze 80; 81, 82 ist innen, also kühlluftseitig, hohl ausgebildet, um die Kühlluft hindurchtreten zu lassen. – Die 6 zeigt einen zur 3 ähnlichen Aufbau, wobei der in Strömungsrichtung der Kühlluft stromabwärtige Zusatzkühler als ein Ladeluft-Kühler 50 ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, dass wenigstens einer der in den 3 bis 5 dargestellten Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, auch als ein anderer Kühler, wie zum Beispiel ein Kältemaschinen-Kühler 60 oder einen Wärmepumpen-Kühler 70, ausgebildet sein kann. Ferner sind auch andere Anordnungen von Fahrzeug-Zusatzkühlern 45, 50, 60, 70 in einer Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung 100 möglich. Insbesondere ist es möglich, einen Fahrzeug-Zusatzkühler 50, 60, 70 neben dem Fahrzeug-Hauptkühler 44 vorzusehen. Ferner ist es möglich, stromaufwärts vor dem Fahrzeug-Hauptkühler 44 einen Kältemaschinen-Kühler 60, insbesondere eine Kältemaschinen-Unterkühlstrecke 60, vorzusehen.
Gemäß der Erfindung ist in ein Brennstoffzellenfahrzeug eine Luftauslasshutze 80; 81, 82 integriert, welche eine Kühlluft aus einem Fahrtwind stromabwärts hinter einem Fahrzeug-Hauptkühler 44 an eine Öffnung bevorzugt in einer Motorhaube 90 leitet. Innerhalb dieser Luftauslasshutze 80; 81, 82 ist wenigstens ein weiterer Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70 integriert und/oder die Luftauslasshutze 80; 81, 82 selbst beziehungsweise ein Hutzenabschnitt 81, 82 selbst ist als solch ein Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70 ausgebildet.
Wenigstens ein solcher Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 80, 81, 82 kann strömungstechnisch derart verschaltet sein, dass ein Kühlmedium 8 zuerst durch den Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 80, 81, 82 innerhalb der Luftauslasshutze 80; 81, 82 und erst anschließend durch den Fahrzeug-Hauptkühler 44 strömt. Ein Resultat ist ein Gegenstrom-Wärmeübertrager 45, 80, 81, 82 und/oder ein Kreuzstrom-Wärmeübertrager 45, 80, 81, 82. Ein Vorteil dieser Anordnung liegt in einer verbesserten Wärmeabfuhr gegenüber einem Gleichstrom-Wärmeübertrager.
Hierbei kann durch eine besondere Art einer Ausbildung der Luftauslasshutze 80; 81, 82, die Luftauslasshutze 80; 81, 82 zugleich als eine Fluidleitung und/oder ein Fahrzeug-Zusatzkühler 45, 50, 60, 70 ausgebildet sein, wodurch gegebenenfalls ein Packagevorteil erzielt und eine konvektive (Vor-)Kühlung durchgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems
2: Umgebung
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), wasserfreie Kühlflüssigkeit, hinströmend, vergleichsweise kühl
8: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, abströmend, vergleichsweise warm
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: (Elektro-)Motor, 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, Wasteleitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, gegebenenfalls Wastegate
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: Fahrzeug-Hauptkühler, Kühlmedium-Kühler, Wärmeübertrager
45: Fahrzeug-Zusatzkühler, Kühlmedium-Zusatzkühler
50: Fahrzeug-Zusatzkühler, Ladeluft-Kühler, Wärmeübertrager
60: Fahrzeug-Zusatzkühler, Kältemaschinen-Kühler, Kältemaschinen-Unterkühlstrecke, Wärmeübertrager, Kondensator, Gaskühler
70: Fahrzeug-Zusatzkühler, Wärmepumpen-Kühler, Wärmepumpen-Unterkühlstrecke, Wärmeübertrager, Kondensator, Gaskühler
80: Luftauslasshutze, Luftkanal, gegebenenfalls als Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet
81: Hutzenabschnitt, Schale, gegebenenfalls als Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet
82: Hutzenabschnitt, Schale, gegebenenfalls als Fahrzeug-Zusatzkühler ausgebildet
88: Fluideinlasskasten
89: Fluidauslassstutzen
90: Karosserie-Abschnitt des Brennstoffzellenfahrzeugs, Motorhaube
100: Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004053729 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, aufweisend wenigstens einen Fahrzeug-Hauptkühler (44) einer Kühlmediumversorgung (40) zum Kühlen eines Brennstoffzellenaggregats (1) des Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeug-Hauptkühler (44) mit einer Luftauslasshutze (80) in einer Fluidkommunikation steht, und die Luftauslasshutze (80) wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70; 80; 81, 82, ...; ...) umfasst.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftauslasshutze (80) neben der Luftauslasshutze (80) selbst den wenigstens einen Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70) aufweist; und/oder die Luftauslasshutze (80) selbst als wenigstens ein Fahrzeug-Zusatzkühler (80; 81, 82, ...; ...) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70; 80; 81, 82, ...; ...) als ein Kühlmedium-Kühler (45), als ein Ladeluft-Kühler (50), als ein Kältemaschinen-Kühler (60), als ein Wärmepumpen-Kühler (70), als die Luftauslasshutze (80) und/oder als ein Hutzenabschnitt (81, 82, ...) der Luftauslasshutze (80) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) derart ausgebildet ist, dass der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70; 80; 81, 82, ...; ...) in einem Gegenstrom und/oder in einem Kreuzstrom und/oder in einem Konvektionsstrom von einer Kühlluft passierbar ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftauslasshutze (80) einen Fluideinlasskasten (88) und wenigstens einen mit dem Fluideinlasskasten (88) in einer Fluidkommunikation stehenden Fluidauslassstutzen (87) umfasst, wobei der Fluideinlasskasten (88) mit dem Fahrzeug-Hauptkühler (44) fest verbunden ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass: die Luftauslasshutze (80) als ein in eine Umfangsrichtung im Wesentlichen geschlossener Hohlkörper (80; 81, 82, ...) ausgebildet ist, in welchem der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70; ...) angeordnet ist; die Luftauslasshutze (80) derart ausgebildet ist, dass durch die Luftauslasshutze (80) selbst hindurch, wenigstens ein Teil des Kühlmediums (8 => 7), ein Kältemittel oder eine Ladeluft hindurch transportierbar ist; und/oder die Luftauslasshutze (80) selbst als der wenigstens eine Fahrzeug-Zusatzkühler (45; 50; 60; 70; 80; 81, 82, ...; ...) ausgebildet ist, wobei innerhalb der Luftauslasshutze (80) eine Kühlstrecke eingerichtet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftauslasshutze (80) direkt an den Fahrzeug-Hauptkühler (44) mechanisch angeschlossen ist, wobei: innerhalb der Luftauslasshutze (80) wenigstens zwei Kühlmedium-Zusatzkühler (45) in Reihe geschaltet angeordnet sind; die Luftauslasshutze (80) selbst als ein Kühlmedium-Zusatzkühler (80) oder ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler (50; 60; 70) ausgebildet ist; wenigstens ein Hutzenabschnitt (81, 82, ...) der Luftauslasshutze (80) selbst als ein Kühlmedium-Zusatzkühler (45) und/oder ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler (50; 60; 70) ausgebildet ist; und/oder innerhalb der Luftauslasshutze (80) wenigstens ein kühlmediumfreier Fahrzeug-Zusatzkühler (50; 60; 70) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) einen Karosserie-Abschnitt (90) aufweist und die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) derart ausgebildet ist, dass die durch die Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gewärmte Kühlluft durch die Luftauslasshutze (80) im Bereich des Karosserie-Abschnitts (90) an die Umgebung (2) abgebbar ist.
Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass: die Luftauslasshutze (80) einteilig, zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet ist; die Luftauslasshutze (80) oder der/ein Hutzenabschnitt (81, 82, ...) einstückig, stofflich einstückig, einfach oder integral ausgebildet ist; eine Innenseite der Luftauslasshutze (80) gut wärmeleitend ausgebildet ist; neben oder stromaufwärts vor dem Fahrzeug-Hauptkühler (44) ein Kältemaschinen-Kühler einer Kältemaschine vorgesehen ist; neben oder stromabwärts hinter dem Fahrzeug-Hauptkühler (44) oder hinter der Luftauslasshutze (80) ein Wärmepumpen-Kühler einer Hochtemperatur-Wärmepumpe vorgesehen ist; und/oder die Luftauslasshutze (80) stromabwärts des Fahrzeug-Hauptkühlers (44) luftdurchlässig ausgebildet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug eine Brennstoffzellenfahrzeug-Kühlereinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 sowie ein Brennstoffzellensystem aufweist.