DE102016120459A1 - Fuel cell system with a coolant circuit and vehicle having a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Um ein Brennstoffzellensystem (10) einen Kühlmittelkreislauf mit einem Hauptkühler aufweisend bereitzustellen, das eine verbesserte Abfuhr von Wärme und damit eine höhere elektrische Leistung als nach dem Stand der Technik ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass in dem Kühlmittelkreislauf mindestens ein Nebenkühler (16) angeordnet ist, der parallel zu einer Kühlmittelleitungseinheit ausgerichtet ist und der eine zur Kühlmittelleitungseinheit gegenläufige Strömungsrichtung eines Kühlmittels (28) besitzt, wobei stromauf des mindestens einen Nebenkühlers (16) das Brennstoffzellensystem (10) befindlich ist.Zudem wird ein Fahrzeug (100) ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem (10) aufweisend offenbart.In order to provide a fuel cell system (10) having a coolant circuit with a main cooler, which enables improved dissipation of heat and thus a higher electrical output than in the prior art, it is proposed that at least one secondary cooler (16) be arranged in the coolant circuit, which is aligned parallel to a coolant line unit and which has a flow direction of a coolant (28) opposite to the coolant line unit, wherein upstream of the at least one secondary cooler (16) the fuel cell system (10) is located. In addition, a vehicle (100) is a fuel cell system (10 ).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem einen Kühlmittelkreislauf mit einem Hauptkühler aufweisend sowie ein Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem aufweisend.The invention relates to a fuel cell system having a coolant circuit with a main radiator and a vehicle having a fuel cell system.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.

In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen, is supplied to the anode via a flow field of the bipolar plate and electrochemically oxidized to protons with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). About the electrolyte or the membrane, which gas-tight and electrically isolated from each other, the reaction chambers, a transport of protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.

Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser O2- + 2 H+ → H2O).The cathode is supplied during operation of the fuel cell, oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½ O 2 + 2 e - → O 2-). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water O 2- + 2 H + → H 2 O).

Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff) und dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft), erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen) and the cathode operating gas (for example air), via main supply channels, which enforce the stack in its entire stacking direction and from which the operating media are supplied via the bipolar plates to the individual cells. For each operating medium at least two such main supply channels are present, namely one for feeding and one for discharging the respective operating medium.

Um einen optimalen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, muss dieser in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Bei den bevorzugt für mobile Anwendungen genutzten Brennstoffzellen mit protonenleitenden Membranen (PEM-Brennstoffzellen) liegt dieser Temperaturbereich beispielsweise zwischen 60°C und 90°C. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, einen Brennstoffzellenstapel zu temperieren, was ein Aufheizen des Stapels vor dessen Inbetriebnahme und das Kühlen des Stapels während dessen laufenden Betriebs umfasst. Ein Brennstoffzellenstapel weist daher in der Regel einen weiteren Hauptversorgungskanal für ein weiteres Betriebsmedium auf, nämlich ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs.To ensure optimal efficiency and long life of a fuel cell stack, it must be operated in a narrow temperature range. In the case of the fuel cells with proton-conducting membranes (PEM fuel cells) which are preferably used for mobile applications, this temperature range is, for example, between 60 ° C. and 90 ° C. This results in the need to temper a fuel cell stack, which includes heating the stack prior to its start-up and cooling the stack during its ongoing operation. A fuel cell stack therefore generally has a further main supply channel for a further operating medium, namely a coolant of a coolant circuit.

Mit steigender elektrischer Leistung der Brennstoffzellensysteme steigen auch die abzuführende Wärmemenge und damit die Anforderungen an die Fahrzeugkühlung. Daher limitiert die abführbare Wärmemenge an die Umgebung die maximal installierbare beziehungsweise nutzbare elektrische Leistung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug. Fahrzeugkühlkonzepte, die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt sind, sind bei Brennstoffzellen-Leistungsklassen nicht mehr in der Lage, die anfallende Wärme unter allen Betriebsbedingungen vom Fahrzeug an die Umgebung abzuführen.With increasing electrical power of the fuel cell systems, the amount of heat to be dissipated and thus the requirements for vehicle cooling also increase. Therefore, the amount of heat dissipatable to the environment limits the maximum installable or usable electric power of a fuel cell system in a vehicle. Vehicle cooling concepts, which are known from vehicles with internal combustion engines, are no longer able to dissipate the accumulated heat from the vehicle to the environment in fuel cell performance classes.

So wird in der DE 102004061424 A1 eine Kühleinrichtung in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Hauptkühler zur Kühlung einer Brennstoffzelleneinrichtung offenbart. Zusätzliche Kühlflächen sind in verschiedenen Fahrzeugbereichen zuschaltbar, wobei eine der zusätzlichen Kühlflächen in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet ist. Eine Zuschaltung der zusätzlichen Kühlflächen erfolgt beispielsweise bei großem Bedarf an Wärmeabfuhr, also bei hohen Lasten, bei welchen viel Abwärme anfällt.So will in the DE 102004061424 A1 discloses a cooling device in a fuel cell vehicle with a main radiator for cooling a fuel cell device. Additional cooling surfaces are switchable in different vehicle areas, wherein one of the additional cooling surfaces is arranged in an underfloor region of the vehicle. A connection of the additional cooling surfaces takes place, for example, with great need for heat dissipation, ie at high loads at which much waste heat is generated.

Die DE 60206214 T2 beschreibt, dass ein Kühler zur Kühlung einer Brennstoffzelle in einem vorderen Teil und ein Nebenkühler zur Kühlung der Brennstoffzelle in einem Unterbodenteil eines Fahrzeugs angeordnet sind.The DE 60206214 T2 describes that a radiator for cooling a fuel cell in a front part and a subcooler for cooling the fuel cell in a lower floor part of a vehicle are arranged.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem aufweisend bereitzustellen, das eine verbesserte Abfuhr von Wärme und damit eine höhere elektrische Leistung als nach dem Stand der Technik ermöglicht. The invention is based on the object of providing a fuel cell system as well as a vehicle having a fuel cell system which enables improved dissipation of heat and thus higher electrical output than in the prior art.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem aufweisend mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.This object is achieved by a fuel cell system having the features of claim 1 and a vehicle having a fuel cell system having the features of claim 7.

Das Brennstoffzellensystem weist einen Kühlmittelkreislauf auf, mit dem beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entstehende Wärme abgeleitet werden kann. Dazu ist ein Hauptkühler vorgesehen, der üblicherweise im Frontbereich eines Fahrzeuges angeordnet ist, sodass dieser direkt vom Fahrtwind angeströmt werden kann. Da dieser bei entsprechender Auslegung des Brennstoffzellensystems nicht in der Lage ist, die Wärme in ausreichendem Maß abzutransportieren, ist erfindungsgemäß im Unterbodenbereich des Fahrzeugs mindestens ein Nebenkühler angeordnet, der parallel zu mindestens einer Kühlmittelleitungseinheit ausgerichtet ist, die Teil des Kühlmittelkreislaufs ist, wobei der mindestens eine Nebenkühler eine zur Kühlmittelleitungseinheit gegenläufige Strömungsrichtung des Kühlmittels besitzt, und wobei stromauf des mindestens einen Nebenkühlers das Brennstoffzellensystem beziehungsweise die zu temperierenden Brennstoffzellen befindlich ist beziehungsweise sind.The fuel cell system has a coolant circuit with which the heat generated during operation of the fuel cell system can be dissipated. For this purpose, a main radiator is provided, which is usually arranged in the front region of a vehicle, so that it can be directly flown by the wind. Since this is not able to remove the heat sufficiently with an appropriate design of the fuel cell system, according to the invention at least one secondary cooler is arranged in the underbody area of the vehicle, which is aligned parallel to at least one coolant line unit, which is part of the coolant circuit, wherein the at least one Secondary cooler has a direction opposite to the coolant line unit flow direction of the coolant, and wherein upstream of the at least one secondary cooler, the fuel cell system or the fuel cells to be tempered is or is located.

Das Brennstoffzellensystem beziehungsweise die Brennstoffzellen sind vorzugswiese im Vorderwagen des Fahrzeugs angeordnet, sodass der mindestens eine Nebenkühler eine zum Fahrtwind gegenläufige Strömungsrichtung des Kühlmittels aufweist.The fuel cell system or the fuel cells are preferably arranged in the front of the vehicle, so that the at least one secondary cooler has a direction of flow opposite direction of flow of the coolant.

Der mindestens eine Nebenkühler und die mindestens eine Kühlmittelleitungseinheit sind vorzugsweise in Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet, sodass bei Fahrt des Fahrzeugs der dabei entstehende Fahrtwind zu dem mindestens einen Nebenkühler und der mindestens einen Kühlmittelleitungseinheit in Gegenstrom- beziehungsweise in Gleichstromanordnung ist. The at least one secondary cooler and the at least one coolant line unit are preferably aligned in the longitudinal direction of the vehicle, so that when driving the vehicle, the resulting wind to the at least one secondary cooler and the at least one coolant line unit in countercurrent or DC arrangement.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Kühlmittelleitungseinheit ein Nebenkühler oder ein Rohr, wobei durch die Ausbildung als Nebenkühler die Kühlleistung vergrößert wird und durch die Ausbildung als Rohr der konstruktive Aufwand sinkt.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one coolant line unit is a secondary cooler or a pipe, the cooling capacity being increased as a result of the design as a secondary cooler and the constructional outlay being reduced as a result of the design as a pipe.

Die Nebenkühler sollen vorzugsweise einen möglichst lang gestreckten Körper aufweisen und eine große Kühloberfläche besitzen.The auxiliary coolers should preferably have a body which is as elongated as possible and have a large cooling surface.

Das Kühlmittel wird vom Ort des Brennstoffzellensystems, bevorzugt im Vorderwagen, des Fahrzeugs unterhalb der Fahrgastzelle in die mindestens eine Kühlmittelleitungseinheit geführt. In dieser strömt das Kühlmittel in Richtung Hinterwagen beziehungsweise den Unterbodenbereich. Nach einer bestimmten Strömungslänge wird die Strömung des Kühlmittels umgelenkt und durch den Nebenkühler wieder in den Vorderwagen zurückgeführt. Die Rückführung ist somit, wie bereits ausgeführt, als Gegenstromkühlung ausgeführt, da der Kühlmittelstrom dem durch die Fahrzeugbewegung erzeugten Luftstrom unter dem Fahrzeug entgegengesetzt ist. Im Gegenstrom erfolgt die Wärmeübertragung besonders effizient.The coolant is conducted from the location of the fuel cell system, preferably in the front end of the vehicle, below the passenger compartment into the at least one coolant line unit. In this, the coolant flows in the direction of the rear carriage or the underbody area. After a certain flow length, the flow of the coolant is deflected and returned by the secondary cooler back into the front end. The feedback is thus, as already stated, designed as a countercurrent cooling, since the coolant flow is opposite to the air flow generated by the vehicle movement under the vehicle. In countercurrent heat transfer is particularly efficient.

Ansonsten sind im Bereich des Unterbodens des Fahrzeuges verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Nebenkühlern gegeben. So können diese in den Bereichen angeordnet werden, in denen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren üblicherweise der Abgasstrang mit Katalysator, Abgas-Endtopf und dergleichen befindlich sind.Otherwise, various possibilities for the arrangement of secondary radiators are given in the area of the underbody of the vehicle. Thus, these can be arranged in the areas in which usually located in vehicles with internal combustion engines, the exhaust system with catalyst, exhaust gas outlet and the like.

Bevorzugt ist es auch nach der mindestens einen Kühlmittelleitungseinheit eine Aufteilung des Kühlmittelstroms vorzunehmen und das Kühlmittel in zwei oder auch mehr, vorzugsweise zwei Nebenkühler umzuleiten, sodass in diesen, die im Gegenstrom zum Fahrtwind ausgerichtet sind, sich die Strömungsgeschwindigkeit reduziert und ein optimierter Wärmeaustausch stattfinden kann.It is also preferable to divide the coolant flow after the at least one coolant line unit and divert the coolant into two or even more, preferably two, secondary coolers, so that the flow velocity is reduced and an optimized heat exchange can take place in these, which are aligned countercurrently to the airstream ,

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den oder die Nebenkühler, der beziehungsweise die im Gegenstrom zum Fahrtwind geführt wird beziehungsweise werden, mäanderförmig zu führen, sodass eine Kombination aus Kreuz- und Gegenstrom resultiert.In the context of the invention, it is also possible, the or the secondary cooler, which is or are performed in countercurrent to the wind, or meandering, so that a combination of cross and countercurrent results.

Die Kühlleistung des zumindest einen Nebenkühlers lässt sich durch den Einsatz von Luftleitblechen und/oder Kühlrippen optimieren, da der Fahrtwind gezielt auf den entsprechenden Nebenkühler geleitet werden kann beziehungsweise dessen Oberfläche für den Wärmeaustausch vergrößert wird.The cooling performance of the at least one secondary cooler can be optimized by the use of air baffles and / or cooling fins, since the airstream can be directed to the appropriate secondary cooler or its surface is increased for the heat exchange.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beziehungsweise des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind zwei der Nebenkühler zu einer Einheit thermisch leitend verbunden. Zumindest einer der Nebenkühler ist zudem entlang der Strömungsrichtung mit zumindest einem Luftströmungskanal durchzogen, wobei die beiden Nebenkühler eine Gegen- oder Gleichstromanordnung, vorzugsweise eine Gegenstromanordnung aufweisen.According to a particularly preferred embodiment of the fuel cell system according to the invention or of the vehicle according to the invention, two of the auxiliary coolers are thermally conductively connected to form a unit. At least one of the secondary coolers is also traversed along the flow direction with at least one air flow channel, wherein the two secondary coolers have a counter or DC arrangement, preferably a counter-current arrangement.

Diese bevorzugte Ausführungsform von zwei miteinander kombinierten Nebenkühlern kann auch mehrfach im Unterbodenbereich vorgesehen sein, bevorzugt ist es, dies im Bereich beider Schweller oder in beiden Schwellern integriert vorzusehen.This preferred embodiment of two subcoolers combined with each other may also be provided repeatedly in the underbody area, it is preferred to provide this integrated in the area of both sills or in both sills.

Ferner ist es bevorzugt, zumindest einen Nebenkühler mit einer Abgasleitung des Brennstoffzellensystems thermisch leitend zu verbinden, um die Kondensation von im Abgas befindlichem Wasser zu unterbinden.Furthermore, it is preferable to connect at least one secondary cooler to an exhaust pipe of the fuel cell system in a thermally conductive manner in order to prevent the condensation of water present in the exhaust gas.

Vorzugsweise lässt sich die vom Kühlkreislauf transportierte Wärme für die Temperierung des Innenraums des Fahrzeugs verwenden. Vorzugsweise wird diese von den Nebenkühlern abgeleitet. Dazu ist im Innenbereich des Fahrzeugs ein Wärmemodul oder dergleichen vorgesehen, dass vorzugsweise über einen Wärmetauscher mit dem oder den Nebenkühlern verbunden ist.Preferably, the heat transported by the cooling circuit can be used for the temperature control of the interior of the vehicle. Preferably, this is derived from the secondary coolers. For this purpose, a heat module or the like is provided in the interior of the vehicle, which is preferably connected via a heat exchanger with the or the secondary coolers.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die gemachten Ausführungen betreffen jeweils das Brennstoffzellensystem sowie das Fahrzeug gleichermaßen.The statements made concern both the fuel cell system and the vehicle alike.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem und im Unterbodenbereich angeordneten Nebenkühlern,
  • 2 eine schematische Darstellung der Unterseite des Fahrzeuges gemäß 1 mit möglichen Positionen von Nebenkühlern,
  • 3 eine schematische Detaildarstellung von zwei Nebenkühlern in Gleich-Gegenstrom-Anordnung,
  • 4 eine schematische Detaildarstellung von drei Nebenkühlern in Gleich-Gegenstrom-Anordnung im Unterbodenbereich eines Fahrzeuges,
  • 5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem und im Unterbodenbereich angeordneten Nebenkühlern,
  • 6 eine schematische Detaildarstellung einer bevorzugten Anordnung von Nebenkühlern in Gleich-Gegenstrom-Anordnung im Schwellerbereich eines Fahrzeuges,
  • 7 eine schematische Detaildarstellung eines Nebenkühlers mit einem Luftleitblech,
  • 8 eine schematische Detaildarstellung eines Nebenkühlers mit Kühlrippen,
  • 9 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem, im Unterbodenbereich angeordneten Nebenkühlern und einem Wärmemodul für den Innenraum, und
  • 10 eine schematische Detaildarstellung eines Nebenkühlers, der in Kontakt mit dem Abgasstrang des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a vehicle with a fuel cell system and arranged in the underbody area secondary coolers,
  • 2 a schematic representation of the underside of the vehicle according to 1 with possible positions of secondary coolers,
  • 3 a schematic detail of two secondary coolers in DC counter-current arrangement,
  • 4 a schematic detail of three subcoolers in DC counter-current arrangement in the underbody area of a vehicle,
  • 5 a schematic representation of a vehicle with a fuel cell system and arranged in the underbody area secondary coolers,
  • 6 a schematic detail of a preferred arrangement of secondary coolers in DC counter-current arrangement in the sill area of a vehicle,
  • 7 a schematic detail of a secondary cooler with an air baffle,
  • 8th a schematic detail of a subcooler with cooling fins,
  • 9 a schematic representation of a vehicle with a fuel cell system, arranged in the underbody area secondary coolers and a heat module for the interior, and
  • 10 a schematic detail of a subcooler, which is arranged in contact with the exhaust line of the fuel cell system.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, das über ein Brennstoffzellensystem 10 verfügt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist im Vorderwagenbereich 12 des Fahrzeugs 10 angeordnet, in dem auch die üblichen, hier jedoch nicht dargestellten Aggregate, wie beispielsweise Brennstoffzellen oder ein Hauptkühler als Bestandteil eines ebenfalls nicht dargestellten Kühlmittelkreislaufs, befindlich sind. Im Unterbodenbereich 14 ist ein Nebenkühler 16 angeordnet, um bei einem Brennstoffzellensystem 10 die maximal installierbare beziehungsweise nutzbare elektrische Leistung gegenüber dem Stand der Technik zu vergrößern und die damit anfallende größere Wärmemenge sicher ableiten zu können. 1 shows a schematic representation of a vehicle 100 that has a fuel cell system 10 features. The fuel cell system 10 is in the front area 12 of the vehicle 10 arranged, in which the usual, but not shown here aggregates, such as fuel cells or a main radiator as part of a refrigerant circuit, also not shown, are located. In the underbody area 14 is a secondary cooler 16 arranged to be at a fuel cell system 10 To increase the maximum installable or usable electrical power over the prior art and to be able to safely derive the resulting larger amount of heat.

In 2 ist der Unterbodenbereich 14 eines Fahrzeug 10 vollständig dargestellt, wobei zur Orientierung noch Elemente, das heißt, der Abgasstrang eines Fahrzeuges 10 mit einem Verbrennungsmotor ersichtlich sind, ohne dass diese im Rahmen der Erfindung relevant wären. Eine Reihe von Nebenkühlern 16, deren Anzahl und Dimensionierung sich nach dem zu verbauenden Brennstoffzellensystem 10 richtet, ist in Relation zum Brennstoffzellensystem 10 im Vorderwagenbereich 12 gezeigt. Zur Positionierung sind die Schweller 20 des Fahrzeugs 100, der Bauraum für einen konventionellen Abgasstrang 18 mit Katalysator und Abgas-Endtopf (vorgenannte Teile des konventionellen Abgasstrangs 18 sind nicht detailliert dargestellt) sowie die Teile des Unterbodenbereichs 14, die zwischen den Schwellern 20 und dem Abgasstrang 18 liegen, geeignet.In 2 is the underbody area 14 a vehicle 10 fully illustrated, with elements for orientation, that is, the exhaust system of a vehicle 10 can be seen with an internal combustion engine, without these being relevant in the context of the invention. A series of secondary coolers 16 , their number and dimensioning according to the fuel cell system to be installed 10 is in relation to the fuel cell system 10 in the front area 12 shown. For positioning are the sills 20 of the vehicle 100 , the installation space for a conventional exhaust system 18 with catalytic converter and exhaust end pot (aforementioned parts of the conventional exhaust system 18 are not shown in detail) as well as the parts of the underbody area 14 that between the sills 20 and the exhaust system 18 lie, suitable.

Wie in 3 dargestellt, sind die Nebenkühler 16, in diesem Fall zwei Nebenkühler 16, derart mit dem Brennstoffzellensystem 10 verschaltet, dass ein Nebenkühler 16 im Gleichstrom mit dem durch Pfeile 22 dargestellten Fahrtwind, der im Betrieb des Fahrzeuges 100 gegeben ist, und der zweite Nebenkühler 16 im Gegenstrom zum Fahrtwind 22 ausgerichtet ist, wobei die „Ausrichtung“ sich auf die Strömungsrichtung, die durch Pfeile symbolisiert ist, des Kühlmittels in den Nebenkühlern 16 bezieht.As in 3 shown are the secondary coolers 16 , in this case two auxiliary coolers 16 , so with the fuel cell system 10 interconnects that a side chiller 16 in cocurrent with that by arrows 22 shown wind, the operation of the vehicle 100 is given, and the second subcooler 16 in countercurrent to the wind 22 wherein the "orientation" is the direction of flow symbolized by arrows of the coolant in the subcoolers 16 refers.

Eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß 3 wird in 4 offenbart. Hier sind drei Nebenkühler 16 parallel im Unterbodenbereich angeordnet, wobei im mittleren Nebenkühler 16 das Kühlmittel vom Brennstoffzellensystem 10 eingeleitet wird. Anschließend wird das Kühlmittel in zwei Nebenkühler 16, die im Bereich der Schweller 20 befindlich sind, umgeleitet und zum Brennstoffzellensystem 10 zurückgeführt, sodass ein Nebenkühler 16 im Gleichstrom mit dem Fahrtwind 22 und die beiden außen liegenden Nebenkühler 16 im Gegenstrom zum Fahrtwind 22 geführt werden. Durch die Aufspaltung des Kühlmittelstroms nach dem Nebenkühler 16 im Gleichstrom reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass der Wärmeaustausch in den beiden Nebenkühlern 16 im Gegenstrom im Vergleich zur Ausführungsform nach 3 optimiert wird. An extension of the embodiment according to 3 is in 4 disclosed. Here are three subcoolers 16 arranged parallel in the underbody area, with the middle secondary cooler 16 the coolant from the fuel cell system 10 is initiated. Subsequently, the coolant is in two subcooler 16 in the area of the sills 20 are located, diverted and to the fuel cell system 10 returned, leaving a secondary cooler 16 in cocurrent with the airstream 22 and the two outside auxiliary coolers 16 in countercurrent to the wind 22 be guided. By the splitting of the coolant flow after the secondary cooler 16 in cocurrent reduces the flow velocity of the coolant, so that the heat exchange in the two secondary coolers 16 in countercurrent compared to the embodiment according to 3 is optimized.

5 entspricht 1, jedoch wird bei dieser Figur zusätzlich der Fahrtwind 22 im Vorderwagenbereich 12 gezeigt, der einen im Bereich des Schwellers 20 befindlichen Nebenkühler 16 anströmt und nach dem Nebenkühler 16, symbolisiert durch den Pfeil 24, wieder abströmt. 5 corresponds to 1 However, in this figure, in addition, the wind 22 in the front area 12 the one in the area of the sill 20 located subcooler 16 flows and after the secondary cooler 16 symbolized by the arrow 24 , flows out again.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung mit zwei benachbarten Nebenkühlern 16 für die Anordnung im Bereich des Schwellers 20 des Fahrzeugs 10 ist in 6 gezeigt. Einer der Nebenkühler 16 verfügt über einen Luftströmungskanal 26, der durch den Nebenkühler 16 führt und in den der Fahrtwind 22 geleitet wird. Das Kühlmittel 28 dieses Nebenkühlers ist im Gegenstrom zum Fahrtwind 22 angeordnet. An diesen Nebenkühler 16 angrenzend ist der weitere Nebenkühler 16 befindlich, dessen Kühlmittel 28 in die andere Richtung strömt als das Kühlmittel 28 des Nebenkühlers 16 mit Luftströmungskanal 26, wobei das Kühlmittel 28 an dem Ende der Nebenkühler, an dem die Abströmung 24 stattfindet, von einem Nebenkühler 16 in den anderen Nebenkühler 16 umgeleitet wird. Diese vorteilhafte Ausgestaltung von Nebenkühlern 16 lässt sich insbesondere im Bereich von Schwellern 20 beziehungsweise in Schwellern 20 integrieren, da hier der Fahrtwind 22 besonders effektiv genutzt werden kann.A particularly advantageous embodiment with two adjacent secondary coolers 16 for the arrangement in the area of the sill 20 of the vehicle 10 is in 6 shown. One of the secondary coolers 16 has an air flow channel 26 that by the side cooler 16 leads and in the wind 22 is directed. The coolant 28 This subcooler is in countercurrent to the airstream 22 arranged. At this subcooler 16 adjacent is the additional secondary cooler 16 located, its coolant 28 flows in the other direction than the coolant 28 of the secondary cooler 16 with air flow channel 26 , where the coolant 28 at the end of the secondary cooler, where the outflow 24 takes place from a secondary cooler 16 in the other subcooler 16 is redirected. This advantageous embodiment of secondary coolers 16 can be used especially in the area of sills 20 or in swells 20 integrate, since here the airstream 22 can be used particularly effectively.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Nebenkühlers 16 ist in 7 dargestellt. Bei diesem Nebenkühler 16 ist auf der vom Fahrzeug 100 abgewandten Seite ein (oder mehrere) Luftleitblech 36 vorgesehen, das den Fahrtwind 22 auf die zum Fahrzeug 100 gewandte Seite lenkt, sodass vorteilhafterweise der Nebenkühler 16 von allen Seiten zum Wärmeaustausch vom Fahrtwind 22 überstrichen wird.An advantageous embodiment of a secondary cooler 16 is in 7 shown. In this subcooler 16 is on the of the vehicle 100 opposite side one (or more) air baffle 36 provided that the airstream 22 on the to the vehicle 100 directed side directs, so that advantageously the secondary cooler 16 from all sides to heat exchange from the wind 22 is swept over.

Eine ähnlich vorteilhafte Ausgestaltung eines Nebenkühlers 16 offenbart 8, bei dem zur Vergrößerung der Oberfläche zum effektiveren Wärmeaustausch Kühlrippen 38 über nahezu die gesamte Länge des Nebenkühlers 16 verteilt sind. Zudem ist der Nebenkühler 16 zur Oberflächenvergrößerung aus zwei parallel geführten Strängen aufgebaut.A similarly advantageous embodiment of a secondary cooler 16 disclosed 8th in which, to increase the surface area for more effective heat exchange, cooling fins 38 over almost the entire length of the secondary cooler 16 are distributed. In addition, the secondary cooler 16 built to increase the surface area of two parallel strands.

9 entspricht ebenfalls 1, jedoch ist bei dieser Figur im Innenraum des Fahrzeugs 100 ein Wärmemodul 32 zur Temperierung des Innenraums befindlich, das über einen Wärmetauscher 34 mit dem Nebenkühler 16 verschaltet ist. 9 also corresponds 1 However, in this figure, in the interior of the vehicle 100 a heat module 32 for controlling the temperature of the interior, via a heat exchanger 34 with the subcooler 16 is interconnected.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Nebenkühlers 16 zeigt 10. Hier ist der Nebenkühler 16 an der Abgasleitung 40, insbesondere für das Anodenabgas des Brennstoffzellensystems 10 positioniert. Das Abgas des Brennstoffzellensystems 10 kühlt ab, während dieses durch die Abgasleitung 40 zu einem nicht dargestellten Auslass strömt. Hierbei kann gasförmiges Wasser kondensieren, welches in der Abgasleitung 40 nicht gewünscht ist. Durch die wärmeleitende Verbindung des Nebenkühlers 16 mit der Abgasleitung 40 des Brennstoffzellensystems 10 wird vorteilhaft einer Wasserkondensation entgegengewirkt.A further advantageous embodiment of a secondary cooler 16 shows 10 , Here is the secondary cooler 16 at the exhaust pipe 40 , in particular for the anode exhaust gas of the fuel cell system 10 positioned. The exhaust gas of the fuel cell system 10 Cools while passing through the exhaust pipe 40 flows to an outlet, not shown. This can condense gaseous water, which in the exhaust pipe 40 not desired. Due to the heat-conducting connection of the secondary cooler 16 with the exhaust pipe 40 of the fuel cell system 10 is advantageously counteracted a water condensation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellenfahrzeug fuel cell vehicle
1010
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
1212
VorderwagenbereichFront end area
1414
UnterbodenbereichUnderbody area
1616
NebenkühlerBesides cooler
1818
Abgasstrang exhaust gas line
2020
Schwellersill
2222
Fahrtwindwind
2424
Abströmungoutflow
2626
LuftströmungskanalAir flow channel
2828
Kühlmittel coolant
3030
KühlmittelumlenkungCoolant redirection
3232
Wärmemodulheating unit
3434
Wärmetauscherheat exchangers
3636
LuftleitblechAir baffle
3838
Kühlrippen cooling fins
4040
Abgasleitung des BrennstoffzellensystemsExhaust pipe of the fuel cell system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004061424 A1 [0009]DE 102004061424 A1 [0009]
  • DE 60206214 T2 [0010]DE 60206214 T2 [0010]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (10) einen Kühlmittelkreislauf mit einem Hauptkühler aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf mindestens einen Nebenkühler (16) und mindestens eine Kühlmittelleitungseinheit aufweist, wobei der mindestens eine Nebenkühler (16) eine zur Kühlmittelleitungseinheit gegenläufige Strömungsrichtung eines Kühlmittels (28) besitzt, wobei stromauf des mindestens einen Nebenkühlers (16) das Brennstoffzellensystem (10) befindlich ist.Fuel cell system (10) having a coolant circuit with a main cooler, characterized in that the coolant circuit has at least one secondary cooler (16) and at least one coolant line unit, wherein the at least one secondary cooler (16) has a direction opposite to the coolant line unit flow direction of a coolant (28), wherein upstream of the at least one secondary cooler (16) the fuel cell system (10) is located. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungseinheit ein Nebenkühler (16) oder ein Rohr ist.Fuel cell system (10) after Claim 1 , characterized in that the coolant line unit is a secondary cooler (16) or a pipe. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nebenkühler (16) und eine Kühlmittelleitungseinheit, die die beiden Nebenkühler (16) mit Kühlmittel (28) versorgt, vorhanden sind.Fuel cell system (10) after Claim 1 or 2 , Characterized in that two secondary cooler (16) and a refrigerant pipe unit, which supplies the two sub-radiator (16) with cooling means (28) are present. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Nebenkühler (16) mindestens ein Luftleitblech (36) und/oder Kühlrippen (38) aufweisen.Fuel cell system (10) after Claim 1 to 3 , characterized in that the one or more auxiliary coolers (16) have at least one air guide plate (36) and / or cooling ribs (38). Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Nebenkühler (16) mit vorzugsweise gegenläufiger Strömungsrichtung des Kühlmittels (28) zu einer Einheit thermisch leitend verbunden sind, wobei mindestens einer der Nebenkühler (16) entlang der Strömungsrichtung von mindestens einem Luftströmungskanal (26) durchzogen ist, wobei auch mehr als eine Einheit vorhanden sein kann.Fuel cell system (10) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that two of the secondary coolers (16) are connected to a unit with preferably opposite flow direction of the coolant (28), wherein at least one of the secondary coolers (16) is traversed along the flow direction of at least one air flow channel (26) also more than one unit can be present. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nebenkühler (16) mit einer Abgasleitung (40) des Brennstoffzellensystems (10) thermisch leitend verbunden ist.Fuel cell system (10) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that at least one secondary cooler (16) with an exhaust pipe (40) of the fuel cell system (10) is thermally conductively connected. Fahrzeug (100) ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisend.Vehicle (100) a fuel cell system (10) according to one of Claims 1 to 6 having. Fahrzeug (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Nebenkühler (16) im Unterbodenbereich (14), vorzugsweise im Bereich von Schwellern (20) oder in den Schwellern (20) integriert ist.Vehicle (100) to Claim 7 , characterized in that the at least one secondary cooler (16) in the underfloor region (14), preferably in the region of sills (20) or in the sills (20) is integrated. Fahrzeug (100) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Nebenkühler (16) im Unterbodenbereich (14) im Bereich von konventionellen Elementen eines Abgasstrangs angeordnet ist.Vehicle (100) to Claim 7 and 8th , characterized in that the at least one secondary cooler (16) in the underfloor region (14) is arranged in the region of conventional elements of an exhaust line. Fahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Fahrzeugs (100) ein Wärmemodul angeordnet ist, das über einen Wärmetauscher (34) mit zumindest einem Nebenkühler (16) verschaltet ist.Vehicle (100) after one of Claims 7 to 9 , characterized in that in the interior of the vehicle (100) a heat module is arranged, which is connected via a heat exchanger (34) with at least one secondary cooler (16).
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