DE102021211581A1 - Verdunstungskühlung eines Kühlers mithilfe von Produktwasser aus mindestens einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verdunstungskühlung eines Kühlers mithilfe von Produktwasser aus mindestens einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen mindestens eines Kühlers (10) zumindest eines Brennstoffzellensystems (100) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), aufweisend:- Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100),- Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101),- Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), um den mindestens einen Kühler (101) durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein korrespondierendes System mit einer entsprechenden Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt, auch als Energielieferanten bei Fahrzeugen. In Brennstoffzellensystemen wird i. d. R. das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Brennstoffzellenstapel des Systems zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Eine weitere systeminhärente Eigenschaft in Brennstoffzellensystemen ist die Entstehung von Produktwasser (Reaktionsprodukt aus Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft). Das Wassermanagement spielt eine wichtige Rolle beim Betreiben von Brennstoffzellensystemen, z.B. zur Befeuchtung von Membranen, zum Abtransport von Produktwasser aus dem Stack, etc.
  • Aufgrund niedriger Betriebstemperaturen von den meisten Brennstoffzellensystemen, der damit verbundenen limitierten Temperaturdifferenzen zur Umgebung, der Notwendigkeit die Abwärme an die Umgebung abzuführen (über den Abgaspfad kann nur wenig Abwärme abgegeben werden) und des begrenzten Bauraums (z.B. für eine Kühleroberfläche) steht das Kühlsystem vor erheblichen Herausforderungen.
  • Hohe Kühlmitteltemperaturen und damit auch hohe Stack-Temperaturen bewirken wiederum eine höhere Degradation/Alterung des Brennstoffzellenstacks und damit eine geringere Lebensdauer zur Folge.
  • Wird die maximal zulässige Stacktemperatur erreicht, bspw. durch hohe Lastanforderungen und/oder hohe Umgebungstemperaturen, erfolgt aus Komponentenschutzgründen ein Derating d.h. eine Leistungsabregelung/- verminderung des Brennstoffzellensystems. Dies hat zur Folge, dass die Performance des Brennstoffzellensystems und des gesamten Antriebs vermindert wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie ein korrespondierendes System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzel lensystems,
    insbesondere zum Kühlen des Kühlers,
    vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers,
    aufweisend:
    • - Bereitstellen (bzw. Gewinnen) von Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem, bspw. durch Abscheiden aus einem Kathodenabgaspfad und/oder einem Anodenpfad und vorzugsweise Speicherung in einem speziell dazu vorgesehenen Wasserbevorratungsbehälter,
    • - Zuführen des Produktwassers aus dem Brennstoffzellensystem zum Kühler, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Leitungseinheit und z. B. mindestens eine speziell dazu ausgeführte Pumpe,
    • - Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem, um den mindestens einen Kühler durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Zerstäubungseinheit, die z. B. zum Benetzen einer Oberfläche des Kühlers ausgebildet ist und hierzu bspw. mehrere passive und/oder aktive Düsen aufweisen kann.
  • Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, ausgelegt sein. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für einen Elektromotor des Fahrzeuges dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das zumindest eine Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung als ein Energielieferant für einen Nebenantrieb und/oder einen Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, verwendet werden kann. Darüber hinaus kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem für stationäre Anwendungen, z. B. in Generatoranlagen, ausgelegt sein.
  • Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann mindestens einen Brennstoffzellenstack (oder kurz genannt Stack) mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen aufweisen.
  • Ferner kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen. Jedes Kathodensystem kann eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstack und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von dem mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen.
  • Weiterhin kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Anodensystem zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen.
  • Das Anodensystem kann ferner ein Purge- und/oder Drainsystem zum Spülen eines Anodenpfades und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad aufweisen. Das Purge- und/oder Drainsystem kann weiterhin mindestens eine kombinierte Purge- und/oder Drainleitung (die ebenfalls als eine Purge- und/oder Drain-Ablassleitung bezeichnet werden kann) oder jeweils eine separate Purge-Leitung sowie Drain-Leitung aufweisen. Mit anderen Worten kann das Purge- und Drainsystem zusammengefasst sein (ein Ventil und eine Leitung) oder separat umgesetzt sein (ein Purge-Ventil mit einer Purge-Leitung und ein Drain-Ventil mit einer Drain-Leitung).
  • Des Weiteren kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem zum Temperieren des mindestens einen Brennstoffzellenstacks aufweisen. Das Kühlsystem kann wiederum mindestens einen oder mehrere Kühler aufweisen, die mithilfe der Erfindung gekühlt werden können.
  • Die Erfindung erkennt, dass das Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems vor Herausforderungen steht, die mit einer limitierten Wärmeabfuhr an die Umgebung einhergehen. Es steht nur die Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung.
  • Zum einen kann die Betriebsstrategie eine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur und damit auch Stacktemperatur vorgeben, um die Abwärme an die Umgebung abzuführen. Höhere Stacktemperaturen haben jedoch eine signifikante Erhöhung der Degradation/Alterung des Stacks zur Folge. Dies führt wiederum zur Erniedrigung der Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems.
  • Zum anderen wird die Stacktemperatur durch eine zulässige Grenztemperatur begrenzt. Wird die zulässige Grenztemperatur des Stacks erreicht, dann muss die Betriebsstrategie ein Derating, d.h. eine Leistungsabsenkung, durchführen, um die Komponenten des Stacks vor Überhitzung zu schützen. Die Leistungsabsenkung hat jedoch einen Leistungsverlust zur Folge.
  • Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Leistung des Kühlers bzw. die Wärmeabfuhr an die Umgebung - zumindest zeitweise und/oder bei bestimmten Bedingungen - durch Benetzung des Kühlers und dadurch erzeugter Verdunstungskühlung (Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Produktwassers) verbessert wird. Durch Verdunsten des Produktwassers kann eine signifikante Steigerung der Kühlleistung erzielt werden. Die Unterstützung des Kühlers kann bedarfsgerecht und flexibel erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann intermittierend oder konstant für eine bestimmte Zeit erfolgen.
  • Die Erfindung verbessert die Wärmeabfuhr an die Umgebung signifikant, auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung.
  • Mithilfe der Erfindung kann die Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems erheblich verlängert werden.
  • Außerdem kann mithilfe der Erfindung die Leistungsabsenkung bzw. das Derating reduziert oder gar vermieden werden.
  • Ferner kann mithilfe der Erfindung das Kühlmittelsystem kompakt ausgelegt und effektiv betrieben werden.
  • Auch bei Fahrzeugen mit hoher Zuladung sowie bei hohen Leistungsanforderungen und ggf. niedrigen Geschwindigkeiten kann mithilfe der Erfindung eine verbesserte Bereitstellung von Antriebsenergie sichergestellt werden.
  • Weiterhin kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem das Produktwasser aus einer Kathoden-Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems gewonnen wird. Auf diese Weise kann das inhärent im System vorhandene Wasser, welches infolge der chemischen Reaktion durch die Kathoden-Abluftleitung ausgetragen wird und/oder welches auf die Anodenseite diffundiert ist, auf eine verbesserte Weise verwendet werden, um die Leistung des Kühlers bzw. die Wärmeabfuhr an die Umgebung zu erhöhen.
  • Zudem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt wird, insbesondere durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit des Wassers zum Kühlen des mindestens einen Kühlers verbessert werden.
  • Des Weiteren kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem ein Wasserbevorratungsbehälter verwendet wird, wobei insbesondere der Wasserbevorratungsbehälter für mehrere Brennstoffzellensysteme vorgesehen sein kann. Durch den Wasserbevorratungsbehälter kann das Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem von dem Verwenden des Produktwassers zum Benetzen des mindestens einen Kühlers zeitlich entkoppelt werden. Mithilfe des Wasserbevorratungsbehälters kann eine zentrale Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem oder für mehrere Brennstoffzellensysteme bereitgestellt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem dienen kann. Zudem kann durch den Wasserbevorratungsbehälter ermöglicht werden, dass das Produktwasser zwischen den einzelnen Brennstoffzellensystemen übertragen werden kann. Das Wasser, welches in einem Brennstoffzellensystem anfällt, kann in einem anderen Brennstoffzellensystem genutzt werden. Auf diese Weise kann das Wassermanagement in den Brennstoffzellensystemen erheblich verbessert werden.
  • Vorteilhafterweise kann der Wasserbevorratungsbehälter mindestens einen von den folgenden Elementen aufweisen:
    • - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzel lensystems,
    • - einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter, und
    • - ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter, und/oder
    • - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzel lensystems.
  • Auf diese Weise kann der Wasserbevorratungsbehälter in Form einer zentralen Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem oder für mehrere Brennstoffzellensysteme ausgeführt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem dienen kann. Das Absperrorgan kann vorteilhafterweise eine steuerbare und/oder regelbare Nutzung des Produktwassers ermöglichen. Außerdem kann dadurch ermöglicht werden, dass das Purge- und/oder Drain-Fluidgemisch unterschiedlicher Brennstoffzellensysteme mit einer vereinten Kathodenabluft verdünnt werden kann.
  • Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass das Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem und das Verwenden von dem Produktwasser ohne einen Wasserbevorratungsbehälter realisiert werden kann.
  • Ferner kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler mindestens eine Leitungseinheit verwendet wird. Auf diese Weise kann das im System anfallende Produktwasser über räumliche Distanzen geführt werden. Auf diese Weise kann der Bauraum bei dem zumindest einen Brennstoffzellensystem auf eine flexible Weise gestaltet und genutzt werden.
  • Weiterhin kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler mindestens eine Pumpe verwendet wird. Auf diese Weise kann das Produktwasser mit einem erforderlichen Druck zu dem mindestens einen Kühler geführt werden. Die mindestens eine Pumpe kann als ein Teil einer Leitungseinheit und/oder als ein Teil eines Wasserbevorratungsbehälters bereitgestellt werden.
  • Des Weiteren kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem eine Zerstäubungseinheit verwendet wird. Mithilfe der Zerstäubungseinheit kann der mindestens eine Kühler mit einem Wasserfilm benetzt werden, um eine Kühlung des Kühlers mithilfe der Verdunstungskühlung zu ermöglichen.
  • Nach Bedarf kann die Zerstäubungseinheit mindestens eine aktive oder passive Düse aufweisen.
  • Vorzugsweise kann die Zerstäubungseinheit derart ausgeführt sein, dass eine Oberfläche des Kühlers gleichmäßig mit dem Produktwasser benetzt wird. Hierzu kann die Zerstäubungseinheit mindestens eine Railstruktur aufweisen, die gitterförmig, rahmenförmig und/oder ringförmig ausgebildet sein kann.
  • Zudem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Schritte des Verfahrens zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann das Bereitstellen von Produktwasser und das Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden. Auf diese Weise können die Prozesse zum Sammeln von Produktwasser auf die hierzu günstigen Betriebspunkte des Brennstoffzellensystems gelegt werden, bspw. bei kühlen Umgebungstemperaturen und/oder bei einem Teillastbetrieb. Die Prozesse zum Kühlen des Kühlers, bei denen das Sammeln von flüssigen Produktwasser womöglich nicht möglich ist, können somit unabhängig von dem Sammeln von Produktwasser gesteuert werden.
  • Außerdem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird. Auf diese Weise kann die Kühlung des mindestens einen Kühlers durch Verdunsten des Produktwassers gezielt zugeschaltet werden, wenn die eigentliche Kühlleistung des Kühlers nicht ausreicht, um das Brennstoffzellensystem ausreichend abzukühlen. Dies kann insbesondere in den Situationen vorteilhaft sein, bei denen die Wärmeabfuhr an die Umgebung limitiert ist. D. h. in Situationen, bei denen keine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kühlung des Brennstoffzellensystems auch bei ungünstigen Bedingungen sichergestellt werden. Dadurch kann die Degradation/Alterung des Stacks sowie die Erniedrigung der Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems vermieden werden. Auch kann dadurch sichergestellt werden, dass eine zulässige Grenztemperatur des Stacks nicht überschritten wird und dass ein Derating bzw. eine Leistungsabsenkung vermieden wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem Bestimmen der Wärmeabfuhranforderung, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
    • - Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems und/oder des mindestens einen Kühlers, insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzel lensystems,
    • - Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit,
    • - Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem, insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb,
    • - Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers, insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition,
    • - Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung,
    • - Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder
    • - Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers.
  • Auf diese Weise kann eine plausible Antwort auf die Frage gefunden werden, ob die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erforderlich ist. Denkbar sind z. B. Situationen, bei denen die Umgebungstemperaturen zwar hoch sind, aber die Leistungsanforderungen an das System nicht so hoch sind oder ein ausreichender Fahrwind vorhanden ist, sodass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Weiterhin sind Situationen denkbar, bei denen die Route derart beschaffen ist, bspw. Situation-Bergab, dass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Zugleich sind Situationen denkbar, bei denen der Wasserbevorratungsbehälter leer ist und keine Verdunstungskühlung bereitgestellt werden kann. Andere Situationen sind denkbar, bei denen das Fahrzeug derart beladen ist und/oder bei hoher Geschwindigkeit mit Gegenwind fährt und/oder hohe Umgebungstemperaturen vorliegen und/oder die Route derart beschaffen ist, z. B. Situation-Bergauf, dass das Kühlsystem alleine keine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems ermöglichen kann. In den letzteren Fällen kann die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers als erforderlich eingestuft werden.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt werden. Der intermittierende Steuerbetrieb kann mindestens eine der folgenden Steuerarten aufweisen:
    • - zeitgesteuert,
    • - temperaturgesteuert,
    • - parametergesteuert, und/oder
    • - ereignisgesteuert.
  • Wenn bspw. ungünstige Umgebungsbedingungen und hohe Leistungsanforderungen an das System vorhanden sind, kann eine dauerhafte Verdunstungskühlung, zumindest über einen Zeitraum, bereitgestellt werden. Um Zeit für den Verdunstungsprozess nach Aufbringen von Produktwasser auf den mindestens einen Kühler zu lassen (Verdunstung bevor weiteres Produktwasser aufgebracht wird) und/oder bei einer immer wiederkehrenden Leistungsanforderung an das System kann die Verdunstungskühlung intermittierend bereitgestellt werden. Um eine effiziente und gezielte Verdunstungskühlung bereitzustellen, kann das Verfahren zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert und/oder ereignisgesteuert getriggert werden.
  • Auf diese Weise kann die Benutzung des Produktwassers optimiert werden, sodass nicht zu viel Produktwasser bereitgestellt wird, und/oder dass kein Wasserüberschuss entsteht, vorzugsweise dass nur die Oberfläche des Kühlers und nur so viel benetzt wird, dass das verwendete Produktwasser vollständig verdunsten kann.
  • Dazu kommt noch, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen kann:
    • - Entleeren und/oder Freipusten von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit und/oder einer Zerstäubungseinheit, die beim Durchführen des Verfahrens verwendet werden.
  • Auf diese Weise kann der Gefrierschutz von wasserführenden Komponenten sichergestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: eine Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers, die speziell zum Ausführen eines Verfahrens entwickelt ist, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, aufweisend:
    • - Wasserbevorratungsbehälter zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem,
    • - Leitungseinheit zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler.
    • - Zerstäubungseinheit zum Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem, um den mindestens einen Kühler durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen.
  • Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein System, aufweisend: zumindest ein Brennstoffzellensystem, mindestens einen Kühler für das zumindest eine Brennstoffzellensystem, und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Kühlen des Kühlers, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers.
  • Mithilfe des erfindungsgemäßen Systems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 eine schematische Seitenansicht und Frontansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzel lensystems,
    • 2 eine schematische Frontansicht einer weiteren möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellen-systems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzel lensystems,
    • 3 eine schematische Frontansicht einer weiteren möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellen-systems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzel lensystems,
    • 4 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen eines Hochtemperatur-Kühlers und eines Niedertemperatur-Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems,
    • 5 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen eines Hochtemperatur-Kühlers, eines Mitteltemperatur-Kühlers und eines Niedertemperatur-Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, und
    • 6 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
  • Die 1 bis 5 dienen zum Erklären der erfindungsgemäßen Idee, gemäß welcher ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers 101 eines Brennstoffzellensystems 100 beim Kühlen des Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt wird. Das Verfahren dient mit anderen Worten zum Kühlen des Kühlers 101 bzw. zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 101. Das Verfahren kann mithilfe einer der in den 1 bis 5 gezeigten Vorrichtung ausgeführt werden.
  • Die Verfahrensschritte sind beispielhaft in der 6 gezeigt:
    201 Bereitstellen (bzw. Gewinnen) von Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem 100, bspw. durch Abscheiden aus einem Kathodenabgaspfad und/oder einem Anodenpfad und vorzugsweise Speicherung in einem speziell dazu vorgesehenen Wasserbevorratungsbehälter 11,
    202 Zuführen des Produktwassers aus dem Brennstoffzellensystem 100 zum Kühler 101, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Leitungseinheit 12 und z. B. eine speziell dazu ausgeführte Pumpe 14,
    203 Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100, um den mindestens einen Kühler 101 durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Zerstäubungseinheit 13, die z. B. zum Benetzen einer Oberfläche des Kühlers 101 ausgebildet ist und hierzu bspw. mehrere passive und/oder aktive Düsen 15 aufweisen kann.
  • Das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 ist in den 1 bis 5 lediglich schematisch dargestellt. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, verwendet werden. Aber auch eine Verwendung für stationäre Anwendungen, z. B. in Generatoranlagen, ist bei dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 denkbar.
  • Des Weiteren kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 ein Kühlsystem 20 zum Temperieren des mindestens einen Brennstoffzellenstacks aufweisen. Das Kühlsystem 20 kann wiederum mindestens einen Kühler 101 (vgl. 1 bis 3) oder mehrere Kühler 101 (vgl. 4 und 5) aufweisen, die mithilfe der Erfindung gekühlt werden können und somit das Kühlsystem 20 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 unterstützen.
  • Die Erfindung erkennt, dass die Kühlsysteme 20 von Brennstoffzellensystemen 100, die vergleichbare Betriebstemperaturen mit den Umgebungstemperaturen aufweisen, vor hohen Herausforderungen stehen, da die Wärmeabfuhr an die Umgebung bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 begrenzt ist. Dabei steht nur die Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung. Wenn diese Temperaturdifferenz niedrig ist, können die Kühlsysteme 20 nur eine begrenzte Kühlleistung bereitstellen.
  • Zwar kann bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 eine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur und damit auch eine entsprechend hohe Stacktemperatur vorgegeben werden, um die Abwärme an die Umgebung abzuführen. Höhere Stacktemperaturen haben jedoch den Nachteil, dass der Stack dadurch einer signifikanten Degradation/Alterung unterliegt, die die Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems erheblich verkürzt.
  • Zugleich muss die Stacktemperatur durch eine zulässige Grenztemperatur begrenzt werden. Wenn die zulässige Grenztemperatur des Stacks erreicht wird, muss bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 ein Derating, d.h. eine Leistungsabsenkung, durchgeführt werden, um die Komponenten der Brennstoffzellensysteme 100 vor Überhitzung zu schützen. Die Leistungsabsenkung hat einen unmittelbaren Leistungsverlust zur Folge.
  • Der Erfindungsidee liegt darin, die Leistung des Kühlers 101 und somit die Wärmeabfuhr an die Umgebung - zumindest zeitweise und/oder bei bestimmten Bedingungen - durch Benetzung des Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 und durch die Verdunstungskühlung unter Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Produktwassers zu erhöhen. Durch Verdunsten des Produktwassers kann eine signifikante Steigerung der Kühlleistung erzielt werden. Die Unterstützung des Kühlers 101 kann bedarfsgerecht und flexibel erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann intermittierend oder konstant für eine bestimmte Zeit erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann außerdem adaptiv an bestimmte Bedingungen angepasst werden.
  • Mithilfe der Erfindung kann die Wärmeabfuhr an die Umgebung signifikant verbessert werden, auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung. Mithilfe der Erfindung kann die Lebensdauer des Stacks und damit auch des gesamten Brennstoffzellensystems 100 erheblich verlängert werden. Außerdem kann mithilfe der Erfindung die Leistungsabsenkung bzw. das Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 reduziert oder gar vermieden werden. Zugleich kann mithilfe der Erfindung das Kühlmittelsystem 20 kompakt ausgelegt und effektiv betrieben werden. Sogar bei Fahrzeugen mit hoher Zuladung sowie bei hohen Leistungsanforderungen und ggf. niedrigen Geschwindigkeiten kann mithilfe der Erfindung eine zuverlässige Bereitstellung von Antriebsenergie sichergestellt werden.
  • In Schritt 201 kann das Produktwasser aus einer Kathoden-Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 gewonnen werden. Zudem kann in Schritt 201 das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt werden, bspw. durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser.
  • Wie es die 1 bis 5 andeuten, kann in Schritt 201 vorzugsweise ein Wasserbevorratungsbehälter 11 verwendet werden. Durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 kann das Gewinnen von Produktwasser in Schritt 201 von dem Verwenden des Produktwassers zum Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 in Schritt 203 zeitlich entkoppelt werden.
  • Dabei ist es denkbar, dass der Wasserbevorratungsbehälter 11 für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 oder für mehrere Brennstoffzellensysteme 100 vorgesehen sein kann. Mithilfe des Wasserbevorratungsbehälters 11 kann vorteilhafterweise eine zentrale Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 oder für mehrere Brennstoffzellensysteme 100 bereitgestellt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem 20 dienen kann. Vorteilhafterweise kann durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 ermöglicht werden, dass das Produktwasser zwischen den einzelnen Brennstoffzellensystemen 100 übertragen werden kann. Das Produktwasser, welches in einem Brennstoffzellensystem 100 anfällt, kann in einem anderen Brennstoffzellensystem 100 genutzt werden.
  • Der Wasserbevorratungsbehälter 11 ist lediglich aus Einfachheitsgründen nicht mit allen Details dargestellt. Der Wasserbevorratungsbehälter 11 kann bspw. folgende Elemente aufweisen:
    • - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100,
    • - einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter 11, und
    • - ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter 11, und/oder
    • - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100.
  • Das nicht dargestellte Absperrorgan kann vorteilhafterweise eine steuerbare und/oder regelbare Nutzung des Produktwassers ermöglichen.
  • Außerdem kann durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 ermöglicht werden, dass das Purge- und/oder Drain-Fluidgemisch unterschiedlicher Brennstoffzellensysteme 100 mit einer vereinten Kathodenabluft verdünnt werden kann.
  • Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Schritte 201 bis 203 ohne einen Wasserbevorratungsbehälter 11 realisiert werden können.
  • Ferner deuten die 1 bis 5 an, dass in Schritt 202 mindestens eine Leitungseinheit 12 verwendet werden kann.
  • Weiterhin kann in Schritt 202 mindestens eine Pumpe 14 verwendet werden. Die mindestens eine Pumpe 14 kann als ein Teil der Leitungseinheit 12 und/oder als ein Teil des Wasserbevorratungsbehälters 11 bereitgestellt werden.
  • Des Weiteren zeigen die 1 bis 5, dass in Schritt 203 eine Zerstäubungseinheit 13 verwendet werden kann. Nach Bedarf kann die Zerstäubungseinheit 13 mehrere aktive oder passive Düsen 15 aufweisen.
  • Wie es die 1 bis 3 verdeutlichen kann die Zerstäubungseinheit 13 dazu ausgeführt sein, eine Oberfläche O des Kühlers 101 gleichmäßig mit dem Produktwasser zu benetzen. Hierzu kann die Zerstäubungseinheit 13 mindestens eine Railstruktur R aufweisen, die gitterförmig (vgl. 1 und 2), rahmenförmig (vgl. 3) und/oder ringförmig ausgebildet sein kann.
  • Aus steuerungstechnischen Gründen kann vorgesehen sein, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler 101, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird. Folglich kann die Kühlung des mindestens einen Kühlers 101 durch Verdunsten des Produktwassers gezielt hinzugeschaltet werden, wenn der mindestens eine Kühler 101 unterstützt werden muss. Dies ist insbesondere in den Situationen vorteilhaft, bei denen die Wärmeabfuhr an die Umgebung begrenzt ist, bzw. bei denen keine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kühlung des Brennstoffzellensystems 100 auch bei ungünstigen Bedingungen sichergestellt werden. Dadurch kann die Degradation/Alterung des Brennstoffzellensystems 100 sowie die Erniedrigung der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 100 vermieden werden. Auch kann dadurch sichergestellt werden, dass eine zulässige Grenztemperatur des Stacks nicht überschritten wird und dass ein Derating bzw. eine Leistungsabsenkung vermieden werden können.
  • Um festzustellen, ob eine Wärmeabfuhranforderung vorliegt, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, kann mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt werden:
    • - Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 und/oder des mindestens einen Kühlers 101, insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100,
    • - Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit,
    • - Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100, insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb,
    • - Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers 101, insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition,
    • - Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung,
    • - Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder
    • - Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers.
  • Auf diese Weise kann mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, ob die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erforderlich ist. Als Beispiel sind Situationen denkbar, bei denen die Umgebungstemperaturen zwar hoch sind, aber die Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 gering sind oder ein ausreichender Fahrwind vorhanden ist, sodass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Als weiteres Beispiel sind Situationen denkbar, bei denen die Route derart beschaffen ist, bspw. Situation-Bergab, dass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Zugleich sind Situationen denkbar, bei denen z. B. der Wasserbevorratungsbehälter 11 gerade leer ist, weil das Produktwasser verbraucht wurde, und keine Verdunstungskühlung bereitgestellt werden kann. Andere Situationen sind denkbar, bei denen das Fahrzeug derart beladen ist und/oder bei hoher Geschwindigkeit mit Gegenwind fährt und/oder hohe Umgebungstemperaturen vorliegen und/oder die Route derart beschaffen ist, z. B. Situation-Bergauf, dass das Kühlsystem 20 alleine keine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems 100 ermöglichen kann. In den letzteren Fällen kann die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers als erforderlich eingestuft werden.
  • Um auf die Frage zu antworten, wie die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers bereitgestellt werden kann, kann das Verfahren intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt werden. Der intermittierende Steuerbetrieb kann bspw.:
    • - zeitgesteuert,
    • - temperaturgesteuert,
    • - parametergesteuert, und/oder
    • - ereignisgesteuert,
    durchgeführt werden.
  • Wenn bspw. ungünstige Umgebungsbedingungen und hohe Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 vorhanden sind, kann eine dauerhafte Verdunstungskühlung, zumindest über einen Zeitraum, bereitgestellt werden. Um Zeit für den Verdunstungsprozess nach Aufbringen von Produktwasser auf den mindestens einen Kühler zu lassen und/oder bei einer immer wiederkehrenden Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 kann die Verdunstungskühlung intermittierend bereitgestellt werden. Dabei kann das Verfahren zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert und/oder ereignisgesteuert getriggert werden.
  • Die flexible und vorzugsweise adaptive Steuerung des Verfahrens kann die Benutzung des Produktwassers optimieren. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nicht zu viel Produktwasser bereitgestellt wird bzw. kein Wasserüberschuss entsteht, sodass nur die Oberfläche des mindestens einen Kühlers 101 und nur so viel benetzt wird, dass das verwendete Produktwasser möglichst vollständig verdunsten kann.
  • Um die wasserführenden Komponenten vor Gefrierung zu schützen, kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:
  • 204
    Entleeren und/oder Freipusten von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit 12 und/oder einer Zerstäubungseinheit 13, die beim Durchführen des Verfahrens verwendet werden.
  • Wie oben bereits erwähnt, sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt vor: eine Vorrichtung 10 zum Unterstützen mindestens eines Kühlers 101 zumindest eines Brennstoffzellensystems 100 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 10, die speziell zum Ausführen eines Verfahrens entwickelt ist, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, aufweisend:
    • - Wasserbevorratungsbehälter 11 zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100,
    • - Leitungseinheit 12 zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 zum Kühler 101.
    • - Zerstäubungseinheit 13 zum Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100, um den mindestens einen Kühler 101 durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht und Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10. Gezeichnet ist eine Anordnung des Kühlers 101, bei der ein Lüfter F saugend wirkt d.h. in Richtung des schematisch mit den Pfeilen dargestellten Luftstroms L. Die Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise neun) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 werden über eine gitterförmige Railstruktur R mit Produktwasser mit ausreichendem Druck versorgt, um eine ausreichend feine Spraybildung und dadurch eine möglichst große und gleichmäßige Benetzung der Oberfläche O des mindestens einen Kühlers 101 zu erreichen. Gemäß der 1 kann als der mindestens eine Kühler 101 ein Hochtemperatur-Kühler 101 bzw. HT-Kühler 101 bzw. Hochtemperatur-Kreis-Kühler 101 verwendet werden, an dem in der Regel der Kühlkreis des Brennstoffzellensystems 100 angebunden wird.
  • Die 2 zeigt eine schematische Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur 1 abweichenden Anordnung der Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise zwei) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 und der Wasserzufuhr über eine gitterförmige Railstruktur R. Angedeutet ist auch, dass verschiedene Kühler 101 an die Vorrichtung 10 angebunden werden können.
  • Die 3 zeigt eine schematische Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur 1 abweichenden Anordnung der Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise vier) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 und der Wasserzufuhr über eine rahmenförmige Railstruktur R. Das Produktwasser kann auch hier für mehrere Kühler 101 mit entsprechenden Anordnungen Düsen 15 und korrespondierenden Railstrukturen R zum Unterstützen der Kühler 101 verwendet werden.
  • Die 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur 1 zusätzlichem Niedertemperatur- bzw. NT-Kühler 101, der vor den Hochtemperatur- bzw. HT-Kühler 101 geschaltet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist hierfür den Hochtemperatur-Kühler 101 eingesetzt. Wenn auch der Niedertemperatur-Kühler 101 auch durch Wasserverdunstung entlastet werden soll, können auch stromaufwärts der Luftströmung L Düsen 15 zur Spraybildung vor den Niedertemperatur-Kühler 101 angeordnet werden.
  • Die 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur 1 zusätzlichem Niedertemperatur- bzw. NT -Kühler 101 und Mitteltemperatur- bzw. MT-Kühler. Die Anordnung mit drei Kühlern 101 kann drei Kühlkreise mit drei unterschiedlichen Temperaturniveaus abdecken. Die erfindungsgemäße Idee kann dabei entsprechend übertragen werden. In der 5 wird der HT-Kühler 101 und der NT-Kühler 101 direkt und der MT-Kühler 101 indirekt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 unterstützt, um die Wärmeabfuhr vom entsprechenden Kühlkreis an die Umgebung bzw. Umgebungsluft L zu erhöhen. Die Positionen L1, L2, L3 für Anordnung von Düsen 15 zur Spraybildung kommen in Betracht für eine saugende Anordnung des Lüfters F. Wird der Lüfter F in drückender Weise angewendet bzw. wird der Luftstrom L umgekehrt, dann kommen die Positionen L4, L1, L2 für die Anordnung von Düsen 15 zur Spraybildung in Betracht.
  • Wie es die 1 bis 3 ferner andeuten, sieht die vorliegende Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein System 110, aufweisend zumindest ein Brennstoffzellensystem 100, mindestens einen Kühler 101 für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100, und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung 10 zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers 101 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, insbesondere zum Kühlen des Kühlers 10, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 10.
  • Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Unterstützen mindestens eines Kühlers (101) zumindest eines Brennstoffzellensystems (100) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: - Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), - Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101), - Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), um den mindestens einen Kühler (101) durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) das Produktwasser aus einer Kathoden-Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) gewonnen wird, und/oder dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt wird, insbesondere durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) ein Wasserbevorratungsbehälter (11) verwendet wird, wobei insbesondere der Wasserbevorratungsbehälter (11) für mehrere Brennstoffzellensysteme (100) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Wasserbevorratungsbehälter (11) mindestens einen von den folgenden Elementen aufweist: - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), - einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter (11), und - ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter (11), und/oder - mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101) mindestens eine Leitungseinheit (12) verwendet wird, und/oder dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101) mindestens eine Pumpe (14) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) eine Zerstäubungseinheit (13) verwendet wird, wobei insbesondere die Zerstäubungseinheit (13) mindestens eine aktive oder passive Düse (15) aufweist, wobei vorzugsweise die Zerstäubungseinheit (13) derart ausgeführt ist, dass eine Oberfläche (O) des Kühlers (101) gleichmäßig mit dem Produktwasser benetzt wird, wobei bevorzugt die Zerstäubungseinheit (13) mindestens eine, insbesondere eine gitterförmige, rahmenförmige und/oder ringförmige, Railstruktur (R) aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden, und/oder dass das Bereitstellen von Produktwasser und das Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler (101), die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird.
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bestimmen der Wärmeabfuhranforderung, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: - Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) und/oder des mindestens einen Kühlers (101), insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), - Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, - Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem (100), insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb, - Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers (101), insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition, - Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung, - Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder - Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt wird, wobei vorzugsweise ein intermittierender Steuerbetrieb mindestens eine der folgenden Steuerarten aufweist: - zeitgesteuert, - temperaturgesteuert, - parametergesteuert, und/oder - ereignisgesteuert.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: - Entleeren von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit (12) und/oder einer Zerstäubungseinheit (13), die beim Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet werden.
  11. Vorrichtung (10) zum Unterstützen mindestens eines Kühlers (101) zumindest eines Brennstoffzellensystems (100) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), die speziell zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche entwickelt ist, aufweisend: - Wasserbevorratungsbehälter (11) zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), - Leitungseinheit (12) zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101). - Zerstäubungseinheit (13) zum Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), um den mindestens einen Kühler (101) durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen.
  12. System (110), aufweisend: zumindest ein Brennstoffzellensystem (100), mindestens einen Kühler (101) für das zumindest eine Brennstoffzellensystem (100), und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers (101) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100).
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