DE102022103984A1 - Cooling device for at least partial cooling of a fuel cell system in a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) in einem Fahrzeug (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zur Führung eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) im primären Kühlmittel (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (30) mit einem Aufnahmebehälter (32) zur Aufnahme von Wasser als sekundärem Kühlmittel (SK) und einem Druckerzeuger (34) zur Erzeugung eines definierten Aufnahmedrucks (AP) im Aufnahmebehälter (32), wobei im Aufnahmebehälter (32) ein Wärmetauscher (26) angeordnet ist zur Führung des primären Kühlmittels (PK) als Teil des primären Kühlkreislaufs (20) zur Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel (PK) an das im Aufnahmebehälter (32) befindliche sekundäre Kühlmittel (SK), wobei weiter der Aufnahmebehälter (32) zumindest einen semipermeablen Wandungsabschnitt (36) in Form eines Verdunstungsabschnitts (38) aufweist für eine Verdunstung von sekundärem Kühlmittel (SK) durch den Verdunstungsabschnitt (38) hindurch in die Umgebung zur Erzeugung einer Verdunstungskühlung des sekundären Kühlmittels (SK) im Aufnahmebehälter (32).The present invention relates to a cooling device (10) for at least partially cooling a fuel cell system (100) in a vehicle (200), having a primary cooling circuit (20) for conducting a primary coolant (PK) with a receiving section (22) for absorbing heat from the fuel cell system (100) in the primary coolant (PK), further comprising a secondary cooling circuit (30) with a receiving container (32) for receiving water as the secondary coolant (SK) and a pressure generator (34) for generating a defined receiving pressure (AP) in the receiving container (32), a heat exchanger (26) being arranged in the receiving container (32) for conducting the primary coolant (PK) as part of the primary cooling circuit (20) for dissipating heat from the primary coolant (PK) to that in the receiving container ( 32) located secondary coolant (SK), further the receiving container (32) at least one semi-permeable wall section (36) in the form of an evaporator ungsabschnitts (38) has for an evaporation of secondary coolant (SK) through the evaporation section (38) through into the environment for generating an evaporative cooling of the secondary coolant (SK) in the receptacle (32).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs.The present invention relates to a cooling device for at least partially cooling a fuel cell system in a vehicle, a vehicle having such a cooling device, and a method for cooling a fuel cell system of a vehicle.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden sollen, um den Antrieb eines Fahrzeugs zu unterstützen oder diesen vollständig zur Verfügung zu stellen. Solche bekannten Brennstoffzellensysteme sind üblicherweise mit einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgestattet, welche mit einem Brenngas, insbesondere Wasserstoff, elektrischen Strom für den Antrieb mithilfe eines Elektromotors erzeugen. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ist dabei die Einhaltung eines Betriebstemperaturfensters notwendig. Bei Wasserstoffbrennstoffzellen, sogenannten PEM-Brennstoffzellen, liegt dieses Betriebstemperaturfenster im Bereich von circa 100 C°. Um im Betrieb dieses Temperaturfenster einzuhalten, sind bekannte Brennstoffzellensysteme üblicherweise mit Kühlvorrichtungen und Kühlkreisläufen ausgestattet. Diese Kühlkreisläufe führen ein Kühlmittel im Kreis, welches innerhalb des Brennstoffzellensystems, beispielsweise über Wärmetauscher im Brennstoffzellenstapel, Wärme im Kühlmittel aufnehmen kann. Das auf diese Weise erwärmte Kühlmittel transportiert diese Wärme aus dem Brennstoffzellensystem ab und gibt diese, zum Beispiel über einen Abgabeabschnitt in der Front des Fahrzeugs, an die Umgebung ab. Das auf diese Weise wieder gekühlte Kühlmittel wird dem Kreislauf zurückgeführt und steht dem erneuten Wärmetransport aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung zur Verfügung.It is known that fuel cell systems are to be used in order to support the drive of a vehicle or to provide it completely. Such known fuel cell systems are usually equipped with a fuel cell stack with a large number of fuel cells, which use a fuel gas, in particular hydrogen, to generate electricity for driving with the aid of an electric motor. In this case, compliance with an operating temperature window is necessary for the operation of the fuel cell system. In the case of hydrogen fuel cells, so-called PEM fuel cells, this operating temperature range is around 100°C. In order to maintain this temperature window during operation, known fuel cell systems are usually equipped with cooling devices and cooling circuits. These cooling circuits circulate a coolant which can absorb heat in the coolant within the fuel cell system, for example via heat exchangers in the fuel cell stack. The coolant heated in this way transports this heat away from the fuel cell system and releases it to the environment, for example via a discharge section in the front of the vehicle. The coolant, which has been cooled again in this way, is fed back into the circuit and is available for renewed transport of heat from the fuel cell system to the environment.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Kühlvorrichtungen an der Spitzenlastsituation und damit über die gesamte Betriebsspanne eines Brennstoffzellensystems ausgelegt sein müssen. Dies gilt auch dann, wenn eine Spitzenlast nur in sehr kurzen Zeitspannen und/oder nur sehr selten auftritt. Handelt es sich bei dem Fahrzeug beispielweise um ein Nutzfahrzeug, so wird eine Spitzenlast nur auftreten, wenn beispielsweise eine Bergfahrt unter voller Beladung erfolgt oder aber bei einem kurzen Anfahrprozess mit schwerer Last. Die meiste Zeit, beispielsweise im Autobahnbetrieb, befindet sich das Nutzfahrzeug und damit auch das Brennstoffzellensystem in einer Betriebssituation, welche deutlich unterhalb der Spitzenlast liegt. Die Auslegung der Kühlvorrichtung auf die Spitzenlast führt jedoch dazu, dass ein sehr hohes Gewicht, entsprechend hohe Kosten sowie hoher Platzbedarf für diese Kühlvorrichtung berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise sind größere Strömungsdurchmesser, eine größere Menge an Kühlmittel und größere Kühlflächen an den Abgabeabschnitten zur Umgebung notwendig. Dies führt zu entsprechenden Kostennachteilen, Gewichtsnachteilen und einer schlechteren Platzausnutzung beim Nutzfahrzeug.A disadvantage of the known solutions is that such cooling devices have to be designed for the peak load situation and thus over the entire operating range of a fuel cell system. This also applies if a peak load occurs only for very short periods of time and/or only very rarely. If the vehicle is, for example, a commercial vehicle, a peak load will only occur if, for example, driving uphill takes place with a full load or during a short start-up process with a heavy load. Most of the time, for example when driving on the freeway, the commercial vehicle and thus also the fuel cell system are in an operating situation which is well below the peak load. However, the design of the cooling device for the peak load means that a very high weight, correspondingly high costs and a high space requirement for this cooling device must be taken into account. For example, larger flow diameters, a larger amount of coolant and larger cooling surfaces at the discharge sections to the environment are necessary. This leads to corresponding cost disadvantages, weight disadvantages and a poorer use of space in the commercial vehicle.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kühlung zu sichern und gleichzeitig leichter, kostengünstiger und/oder kleiner zu bauen.It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to ensure cooling in a cost-effective and simple manner and at the same time to build lighter, more cost-effectively and/or smaller.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.The above object is achieved by a cooling device having the features of claim 1, a vehicle having the features of claim 9 and a method having the features of claim 12. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings . Features and details that are described in connection with the cooling device according to the invention naturally also apply in connection with the vehicle according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.
Erfindungsgemäß dient eine Kühlvorrichtung der wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug. Hierfür ist ein primärer Kühlkreislauf zur Führung eines primären Kühlmittels vorgesehen, welches mit einem Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem im primären Kühlmittel ausgestattet ist. Weiter weist die Kühlvorrichtung einen sekundären Kühlkreislauf auf mit einem Aufnahmebehälter zur Aufnahme von Wasser als sekundärem Kühlmittel. Weiter ist im sekundären Kühlkreislauf ein Druckerzeuger vorgesehen, zur Erzeugung eines definierten Aufnahmedrucks im Aufnahmebehälter. Im Aufnahmebehälter ist ein Wärmetauscher angeordnet zur Führung des primären Kühlmittels als Teil des primären Kühlkreislaufs zur Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel an das im Aufnahmebehälter befindliche sekundäre Kühlmittel. Weiter weist der Aufnahmebehälter zumindest einen semipermeablen Wandungsabschnitt in Form eines Verdunstungsabschnitts auf für eine Verdunstung von sekundärem Kühlmittel durch den Verdunstungsabschnitt hindurch in die Umgebung zur Erzeugung von Verdunstungskühlung des sekundären Kühlmittels im Aufnahmebehälter.According to the invention, a cooling device is used for at least partial cooling of a fuel cell system in a vehicle. For this purpose, a primary cooling circuit is provided for conducting a primary coolant, which is equipped with an absorbing section for absorbing heat from the fuel cell system in the primary coolant. Furthermore, the cooling device has a secondary cooling circuit with a receptacle for receiving water as a secondary coolant. A pressure generator is also provided in the secondary cooling circuit to generate a defined intake pressure in the receptacle. A heat exchanger is arranged in the receptacle for conducting the primary coolant as part of the primary cooling circuit for dissipating heat from the primary coolant to the secondary coolant located in the receptacle. Furthermore, the receptacle has at least one semi-permeable wall section in the form of an evaporation section for evaporation of secondary coolant through the evaporation section into the environment for generating evaporative cooling of the secondary coolant in the receptacle.
Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke beruht darauf, dass die bekannten Lösungen mit einem einzigen Kühlkreislauf, in zwei separate Kühlkreisläufe umgesetzt werden. Der primäre Kühlkreislauf kann dabei auf eine reguläre Betriebssituation, beispielsweise bis circa 80 % der Spitzenlast des Brennstoffzellensystems, ausgelegt sein und auf diese Weise die grundlegende Kühlfunktion zur Verfügung stellen. Der sekundäre Kühlkreislauf erlaubt eine Zusatzkühlung, welche insbesondere in einer Spitzenlastsituation eingeschaltet werden kann, um in einer solchen Spitzenlastsituation eine zusätzliche Kühlfunktion zur Verfügung zu stellen. Bereits hier ist gut zu erkennen, dass in der Summe ein primärer Kühlkreislauf und ein sekundärer Kühlkreislauf kleiner, leichter sowie kostengünstiger ausgestaltet sein können, als dies bei einem einzigen, großen Hauptkühlkreislauf möglich wäre.A core idea of the invention is based on the fact that the known solutions with a single cooling circuit can be converted into two separate cooling circuits. The primary cooling circuit can be designed for a regular operating situation, for example up to around 80% of the peak load of the fuel cell system, and in this way can provide the basic cooling function. The secondary cooling circuit allows additional cooling, which can be switched on in particular in a peak load situation in order to provide an additional cooling function in such a peak load situation. It can already be seen here that, overall, a primary cooling circuit and a secondary cooling circuit can be designed to be smaller, lighter and more cost-effective than would be possible with a single, large main cooling circuit.
Alternativ ist auch eine Betriebsstrategie denkbar, bei welcher der sekundäre Kühlkreislauf permanent oder im Wesentlichen permanent in Betrieb ist. Da der sekundäre Kühlkreislauf keine Durchströmung durch das Fahrzeug benötigt, ist dieser sekundäre Kühleffekt mit geringer oder sogar bei niedriger Last für das Brennstoffzellensystem ohne wesentlicher Durchströmung erzielbar. Die geringe oder sogar im Wesentlichen vermiedene Durchströmung reduziert den Luftwiderstand beim Betrieb des Fahrzeugs und damit direkt den Brennstoffverbrauch sowie Last auf das Brennstoffzellensystem. Beispielsweise ist ein mechanisches Schließen eines Strömungsweges durch einen Abgabeabschnitt des primären Kühlkreislaufs, beispielsweise mittels einer Jalousiemechanik, denkbar.Alternatively, an operating strategy is also conceivable in which the secondary cooling circuit is permanently or essentially permanently in operation. Since the secondary cooling circuit does not require any flow through the vehicle, this secondary cooling effect can be achieved with little or even at low load for the fuel cell system without any significant flow. The low or even essentially avoided flow reduces the air resistance when operating the vehicle and thus directly the fuel consumption and load on the fuel cell system. For example, mechanical closing of a flow path through a discharge section of the primary cooling circuit, for example by means of a blind mechanism, is conceivable.
Erfindungsgemäß wird dieser Vorteil noch weiter dadurch verstärkt, dass der sekundäre Kühlkreislauf eine passive Kühlung zur Verfügung stellen kann. Dies beruht auf der Tatsache, dass Wasser beim Verdunsten, also beim Phasenübergang aus der flüssigen Phase in die gasförmige Phase unterhalb der Siedetemperatur, dem verbleibenden flüssigen Wasser eine Verdunstungsenthalpie entzieht. Bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung führt dies dazu, dass Wasser, welches als sekundäres Kühlmittel im sekundären Kühlkreislauf und dort im Aufnahmebehälter angeordnet ist, durch entsprechende Verdampfung einen Kühleffekt zum Kühlen des verbleibenden Wassers zur Verfügung stellen kann. Um dieses Verdunsten zu gewährleisten, ist der Aufnahmebehälter mit wenigstens einem semipermeablen Wandungsabschnitt ausgestattet. Darunter ist ein Wandungsabschnitt zu verstehen, durch welchen hindurch Wasser in dampfförmiger Phase hindurchtreten kann. Wasser und damit sekundäres Kühlmittel in flüssiger Phase können jedoch nicht durch diesen semipermeablen Wandungsabschnitt austreten, sodass ein Auslaufen des Aufnahmebehälters vermieden wird. Wie später noch erläutert wird, kann der Verdunstungsabschnitt entsprechend mit einem Außenkarosserieabschnitt des Fahrzeugs korreliert werden, sodass durch die Anordnung in einem umströmten Bereich der Karosserie des Fahrzeugs, diese Umströmung dazu führt, dass ein Verdunsten von Wasser aus dem Aufnahmebehälter durch den Verdunstungsabschnitt hindurch an die Umgebung unterstützt wird. Wie bereits erläutert, findet dieses Verdunsten unter Entzug der Verdunstungsenthalpie vom verbleibenden flüssigen sekundären Kühlmittel im Aufnahmebehälter statt, sodass dieses durch den Verdunstungsvorgang gekühlt wird. Auf diese Weise gekühltes sekundäres Kühlmittel im Aufnahmebehälter, kann nun durch die Anordnung des Wärmetauschers innerhalb des Aufnahmebehälters dazu dienen, einen zusätzlichen Kühleffekt auf das primäre Kühlmittel innerhalb dieses Wärmetauschers auszuüben.According to the invention, this advantage is further enhanced in that the secondary cooling circuit can provide passive cooling. This is based on the fact that during evaporation, i.e. during the phase transition from the liquid phase to the gaseous phase below the boiling point, water removes an evaporation enthalpy from the remaining liquid water. In a cooling device according to the invention, this means that water, which is arranged as a secondary coolant in the secondary cooling circuit and there in the receiving container, can provide a cooling effect for cooling the remaining water through appropriate evaporation. In order to ensure this evaporation, the receptacle is equipped with at least one semi-permeable wall section. This is to be understood as meaning a wall section through which water in the vapor phase can pass. However, water and thus secondary coolant in the liquid phase cannot escape through this semipermeable wall section, so that the receptacle is prevented from leaking. As will be explained later, the evaporation section can be correspondingly correlated with an outer body section of the vehicle, so that the arrangement in an area of the body of the vehicle around which there is a flow leads to the evaporation of water from the receptacle through the evaporation section to the environment is supported. As already explained, this evaporation takes place with the removal of the evaporation enthalpy from the remaining liquid secondary coolant in the receiving container, so that it is cooled by the evaporation process. Secondary coolant cooled in this way in the receiving container can now be used by the arrangement of the heat exchanger inside the receiving container to exert an additional cooling effect on the primary coolant inside this heat exchanger.
Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist eine passive Kühlung möglich. Das bedeutet, dass keine aktiven Bestandteile, wie beispielsweise Kompressoren, Gebläse oder Ähnliches notwendig sind, um diese Zusatzkühlung gewährleisten zu können. Insbesondere kann eine einfache Verdunstung durch die Triebkraft des Druckunterschiedes zwischen dem Aufnahmedruck im Aufnahmebehälter und dem Umgebungsdruck in der Umgebung außerhalb des Aufnahmebehälters, zur Verfügung gestellt sein. Wie dies später noch erläutert wird, kann selbstverständlich eine aktive Kontrolle erfolgen, um beispielsweise durch ein Erhöhen des Aufnahmedrucks und damit ein Erhöhen der Druckdifferenz zur Umgebung, diesen Verdunstungseffekt noch weiter zu verstärken und damit die Zusatzkühlung zu intensivieren.As can be seen from the explanation above, passive cooling is possible. This means that no active components such as compressors, blowers or the like are required to ensure this additional cooling. In particular, easy evaporation can be provided by the driving force of the pressure difference between the receiving pressure in the receiving container and the ambient pressure in the environment outside the receiving container. As will be explained later, an active control can of course take place, for example by increasing the intake pressure and thus increasing the pressure difference to the environment, to further enhance this evaporation effect and thus to intensify the additional cooling.
Wie ebenfalls später noch erläutert wird, kann Produktwasser, welches beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, für die Verwendung in dem Aufnahmebehälter abgezweigt werden.As will also be explained later, product water that arises during operation of the fuel cell system can be diverted for use in the receptacle.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass einfaches Wasser als sekundäres Kühlmittel verwendet werden kann. Somit ist kein Rückgriff auf teure oder chemisch aufwendige sekundäre Kühlmittel notwendig, sondern vielmehr ein einfaches, kostengünstiges und überall erhältliches Fluid als sekundäres Kühlmittel einsetzbar.Another advantage of the present invention is that plain water can be used as the secondary coolant. It is therefore not necessary to resort to expensive or chemically complex secondary coolants, but rather a simple, inexpensive fluid that is available everywhere can be used as the secondary coolant.
Wie dies ebenfalls später noch näher erläutert wird, findet eine weitere Unterstützung der Verdunstungskühlung dadurch statt, dass der Verdunstungsabschnitt beispielsweise in Bereichen des Fahrzeugs angeordnet werden kann, welche relativ stark umströmt sind. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der umströmenden Luftströmung, führt dies zu einem verstärkten Luftaustausch und damit einem verstärkten Konzentrationsunterschied, welcher wiederum den Verdunstungseffekt intensiviert. Darüber hinaus führt eine starke Umströmung, beispielsweise durch die Anordnung des Verdunstungsabschnitts an einer Seitenkante des Fahrzeugs, dazu, dass der Umströmungsdruck an dieser Position abnimmt und sich das Druckverhältnis mit einer höheren Druckdifferenz zum Aufnahmedruck einstellt. Auch dies führt zu einer Intensivierung des erläuterten Kühleffekts.As will also be explained in more detail later, the evaporative cooling is further supported by the fact that the evaporative section can be arranged, for example, in areas of the vehicle around which there is a relatively strong flow. Especially at high flow speeds of the surrounding air flow, this leads to an increased air exchange and thus an increased concentration difference, which in turn intensifies the evaporation effect. In addition, there is a strong flow around, for example the arrangement of the evaporation section on a side edge of the vehicle, to the fact that the surrounding flow pressure decreases at this position and the pressure ratio is adjusted with a higher pressure difference to the intake pressure. This also leads to an intensification of the cooling effect explained.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der primäre Kühlkreislauf, insbesondere stromabwärts des Wärmetauschers, einen Abgabeabschnitt aufweist, für eine Abgabe von Wärme vom primären Kühlmittel an die Umgebung. Wenn grundsätzlich, je nach notwendiger Gesamtkühlleistung, eine Kühlvorrichtung auch alleine durch die Verdunstungskühlung den gewünschten Kühleffekt zur Verfügung stellen kann, wird doch bevorzugt für den primären Kühlkreislauf als Hauptkühlfunktion ein separater Abgabeabschnitt zur Verfügung gestellt. Dieser kann beispielsweise ebenfalls in einer Frontpartie des Fahrzeugs angeordnet sein, sodass Luftströmung diesen umströmt und auf diese Weise durch Wärmeübergang, Wärme vom primären Kühlmittel an die Umgebung abführt. Auch eine Unterstützung dieses Wärmeübergangs, beispielsweise durch einen Lüfter, ist hier selbstverständlich denkbar. Bei dieser Ausführungsform dient also der primäre Kühlkreislauf der Hauptkühlung des Brennstoffzellensystems bei normaler Betriebsweise und der sekundäre Kühlkreislauf einer Unterstützung der Hauptkühlfunktion in Form einer Zusatzkühlfunktion. Wie bereits erläutert worden ist, kann auch ein kontinuierlicher Betrieb des sekundären Kühlkreislaufs erfolgen, insbesondere in Betriebssituation mit geringem Kühlbedarf. Hierfür ist der Abgabeabschnitt vorzugsweise mit einem Verschlussmittel ausgestattet, beispielsweise in Form einer Jalousievorrichtung, um den Abgabeabschnitt von einer Durchströmung von Luft abzusperren. Wie bereits erläutert, kann durch das Absperren der Durchströmung des Abgabeabschnitts für diese Betriebssituationen ein reduzierter Luftwiderstand für den Betrieb des Fahrzeugs erreicht werden. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf einen Entnahmeabschnitt aufweist für eine Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgabeabschnitt des Brennstoffzellensystems. Während eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung grundsätzlich auch mit nachgefülltem Wasser in dem Aufnahmebehälter funktioniert, bringt ein Anschluss an den Abgasabschnitt eine weitere Reduktion der Komplexität, der Kosten und des Aufwands mit sich. So kann ohne Nachfüllnotwendigkeit, Produktwasser, welches in kondensierter Weise oder in dampfförmiger Phase beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, über das gesammelte Abgas im Abgasabschnitt dem Aufnahmebehälter zugeführt werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einem manuellen Nachfüllen stattfinden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform durch das Brennstoffzellensystem erzeugtes Produktwasser dafür verwendet, den Verdunstungsverlust im Aufnahmebehälter auszugleichen. Dabei kann eine Abscheidevorrichtung bereits kondensiertes flüssiges Produktwasser zurückführen oder aber ein Kondensatorabschnitt im Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems die Kondensation unterstützen und/oder durchführen.There can be advantages if, in a cooling device according to the invention, the primary cooling circuit has a discharge section, in particular downstream of the heat exchanger, for discharging heat from the primary coolant to the environment. If, depending on the overall cooling capacity required, a cooling device can also provide the desired cooling effect solely through evaporative cooling, a separate delivery section is preferably provided for the primary cooling circuit as the main cooling function. This can also be arranged, for example, in a front part of the vehicle, so that the air flow flows around it and in this way, through heat transfer, dissipates heat from the primary coolant to the environment. A support of this heat transfer, for example by a fan, is of course conceivable here. In this embodiment, the primary cooling circuit is used for the main cooling of the fuel cell system during normal operation and the secondary cooling circuit is used to support the main cooling function in the form of an additional cooling function. As has already been explained, the secondary cooling circuit can also be operated continuously, in particular in operating situations with a low cooling demand. For this purpose, the dispensing section is preferably equipped with a closure means, for example in the form of a venetian blind device, in order to block the dispensing section from air flowing through. As already explained, a reduced air resistance for the operation of the vehicle can be achieved by shutting off the flow through the dispensing section for these operating situations. It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the secondary cooling circuit has a removal section for receiving product water from a discharge section of the fuel cell system. While a cooling device according to the invention basically also works with refilled water in the receiving container, a connection to the exhaust gas section entails a further reduction in complexity, costs and effort. In this way, product water, which is produced in a condensed manner or in the vapor phase during the operation of the fuel cell system, can be fed to the receptacle via the collected exhaust gas in the exhaust gas section without the need for refilling. This can take place in addition to or as an alternative to manual refilling. In other words, in this embodiment, product water generated by the fuel cell system is used to compensate for the evaporation loss in the receptacle. In this case, a separating device can recycle already condensed liquid product water or else a condenser section in the exhaust gas section of the fuel cell system can support and/or carry out the condensation.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Verdunstungsabschnitt eine Verstärkungsstruktur aufweist für eine mechanische Verstärkung des semipermeablen Wandungsabschnitt. Als Materialien für den semipermeablen Wandungsabschnitt können beispielsweise Silikone, Gummi oder Neoprenmaterialien eingesetzt werden. Auch eine Kombination von unterschiedlichen Membranen sind hier denkbar, um die gewünschten semipermeablen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Das Einsetzen einer Verstärkungsstruktur, beispielsweise in Form von Verstärkungsrippen, Verstärkungsstützen und/oder Verstärkungsgittern, führt dazu, dass eine noch freiere Materialwahl für den Verdunstungsabschnitt zur Verfügung gestellt werden kann. Die Verstärkungsstruktur für die mechanische Verstärkung übt dabei vorzugsweise keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Verdunstungsoberfläche aus, deckt diese also insbesondere nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil ab.It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the evaporation section has a reinforcement structure for mechanical reinforcement of the semipermeable wall section. For example, silicone, rubber or neoprene materials can be used as materials for the semipermeable wall section. A combination of different membranes is also conceivable here in order to provide the desired semi-permeable properties. The use of a reinforcement structure, for example in the form of reinforcement ribs, reinforcement supports and/or reinforcement grids, means that an even freer choice of material can be made available for the evaporation section. The reinforcement structure for the mechanical reinforcement preferably exerts little or no influence on the evaporation surface, ie in particular it does not cover it or covers it only to a very small extent.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung die Verstärkungsstruktur wenigstens abschnittsweise strömungsführend für eine Führung von Luftströmung entlang des Verdunstungsabschnitts ausgebildet ist. Beispielsweise können Führungsrippen oder Führungswandungen eingesetzt werden, um den Strömungswiderstand für die Luftströmung entlang der Verstärkungsstruktur zu reduzieren. Auch ist es möglich, dass durch diese Führungsfunktion die Luftströmung noch weiter beschleunigt wird, was wiederum zu einem weiter reduzierten Umströmungsdruck in diesem Bereich und damit einer erhöhten Druckdifferenz zum Aufnahmedruck führt.Further advantages can result if, in a cooling device according to the invention, the reinforcement structure is designed to be flow-guiding, at least in sections, for guiding the air flow along the evaporation section. For example, guide ribs or guide walls can be used to reduce the flow resistance for the air flow along the reinforcement structure. It is also possible that the air flow is further accelerated by this guiding function, which in turn leads to a further reduced surrounding flow pressure in this area and thus an increased pressure difference to the receiving pressure.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Aufnahmebehälter eine Nachfüllöffnung aufweist für ein Nachfüllen von Wasser als sekundärem Kühlmittel. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu dem bereits erläuterten Anschluss des Aufnahmebehälters an die Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgasabschnitt zur Verfügung gestellt sein. Die Nachfüllöffnung erlaubt es also, zum Beispiel beim ersten Einsatz der Kühlvorrichtung oder aber nach langer Standzeit, die Zusatzkühlfunktion des sekundären Kühlabschnitts sozusagen aufzuladen oder vorzuladen. Auch kann über eine solche Nachfüllöffnung das Nachfüllen von Zusatzstoffen, beispielsweise Frostschutzmittel oder Ähnlichem, erfolgen.It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the receiving container has a refill opening for refilling with water as the secondary coolant. This can be provided in addition to or as an alternative to the already explained connection of the receiving container to the receiving of product water from an exhaust gas section. The refill opening thus makes it possible, for example when the cooling device is used for the first time or after a long period of inactivity, to charge or pre-charge the additional cooling function of the secondary cooling section, so to speak. Such a refill opening can also be used tion, additives, such as antifreeze or similar, can be added.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wenigstens ein Variationsmittel vorgesehen ist für eine Variation der Verdunstungsmenge an sekundärem Kühlmittel über den Verdunstungsabschnitt. So ist es beispielsweise möglich, die Kontrolle des Überdrucks zur Verfügung zu stellen, sodass durch eine Erhöhung des Aufnahmedrucks eine erhöhte Druckdifferenz zum Umströmungsdruck entsprechend die Kühlfunktion intensiviert. Auch ist es möglich, dass ein direkter Einfluss auf den Verdunstungsabschnitt selbst genommen wird, beispielsweise durch Anlegen einer Spannung, so dass auf diese Weise die Permeabilität und damit der Verdunstungswiderstand für das Durchdringen von dampfförmigem Wasser variiert wird. Auch eine mechanische Ausgestaltung des Variationsmittels, für ein verstärktes oder reduziertes Abdecken des Verdunstungsabschnitts, ist denkbar. It is also advantageous if at least one variation means is provided in a cooling device according to the invention for varying the evaporation quantity of secondary coolant via the evaporation section. For example, it is possible to provide control of the overpressure, so that by increasing the intake pressure, an increased pressure difference to the surrounding flow pressure correspondingly intensifies the cooling function. It is also possible for the evaporation section itself to be directly influenced, for example by applying a voltage, so that in this way the permeability and thus the evaporation resistance for the penetration of vaporous water is varied. A mechanical configuration of the variation means for increased or reduced covering of the evaporation section is also conceivable.
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf stromabwärts des Aufnahmebehälters eine Filtervorrichtung aufweist für ein Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem sekundären Kühlmittel. Insbesondere, wenn aus dem Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems Produktwasser gewonnen werden soll, kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass ein unerwünschtes Verstopfen des Verdunstungsabschnitts durch verbleibende Partikel vermieden wird. Auch der Eintrag von anderweitigen Verschmutzungen in Feststoffform ist auf diese Weise reduzierbar.It is also advantageous if, in a cooling device according to the invention, the secondary cooling circuit has a filter device downstream of the receiving container for filtering out solid particles from the secondary coolant. In particular, if product water is to be obtained from the exhaust gas section of the fuel cell system, it can be ensured in this way that an undesired clogging of the evaporation section by remaining particles is avoided. The entry of other contaminants in solid form can also be reduced in this way.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb und/oder zur Unterstützung des Antriebs des Fahrzeugs, weiter aufweisend eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung des Brennstoffzellensystems. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind.The present invention also relates to a vehicle, in particular a commercial vehicle, having a fuel cell system for driving and/or supporting the drive of the vehicle, further having a cooling device according to the invention for cooling the fuel cell system. A vehicle according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a cooling device according to the invention.
Vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug der Verdunstungsabschnitt des Aufnahmebehälters in einem Unterdruckabschnitt der umströmten Karosserie des Fahrzeugs angeordnet ist. Insbesondere ist diese Anordnung an oder im Wesentlichen an einer Fahrzeugkante des Fahrzeugs ausgebildet. Unterdruckabschnitte einer umströmten Karosserie des Fahrzeugs entstehen dort, wo durch die geometrische Kontur der Karosserie des Fahrzeugs die daran entlangströmende Luftströmung beschleunigt wird. Diese Beschleunigung entsteht beispielsweise an den beiden vorderen Seitenkanten als Fahrzeugkanten des Fahrzeugs. Die Beschleunigung der Luftströmung führt zu einer Erzeugung eines Unterdrucks und damit zu einer Erhöhung des Differenzdrucks zum Aufnahmedruck im Aufnahmebehälter. Wie bereits mehrfach erläutert worden ist, wirkt ein verstärkter Druckunterschied im Resultat als ein verstärkter Verdunstungseffekt und bringt damit eine verbesserte Zusatzkühlung. Insbesondere bei sehr heißen Außentemperaturen kann auf diese Weise die Verdunstungskühlung weiter verstärkt und effizienter durchgeführt werden.It is advantageous if, in a vehicle according to the invention, the evaporation section of the receptacle is arranged in a negative pressure section of the body of the vehicle around which the air flows. In particular, this arrangement is formed on or essentially on a vehicle edge of the vehicle. Negative pressure sections of a body of the vehicle around which air flows arise where the air flow flowing along it is accelerated by the geometric contour of the body of the vehicle. This acceleration occurs, for example, at the two front side edges as vehicle edges of the vehicle. The acceleration of the air flow leads to the generation of a negative pressure and thus to an increase in the differential pressure to the receiving pressure in the receiving container. As has already been explained several times, an increased pressure difference results in an increased evaporation effect and thus brings improved additional cooling. In this way, evaporative cooling can be further intensified and carried out more efficiently, particularly when the outside temperatures are very hot.
Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug die Kühlvorrichtung wenigstens zwei Aufnahmebehälter, insbesondere in identischer oder im Wesentlichen identischer Ausgestaltung, aufweist. Dabei kann der Kühlkreislauf mit einem gemeinsamen Druckerzeuger den Aufnahmedruck in beiden Aufnahmebehältern identisch halten. Auch unterschiedliche Aufnahmedrücke sind jedoch grundsätzlich möglich. Bevorzugt sind die Aufnahmebehälter beispielsweise in den beiden vorderen Außenkanten des Fahrzeugs entlang der Höhenachse angeordnet. Der sekundäre Kühlkreislauf kann dabei die beiden Aufnahmebehälter in einem gemeinsamen sekundären Kühlkreislauf integrieren oder jeweils sekundäre Teilkühlkreisläufe aufweisen. Mit entsprechenden Ventilvorrichtungen ist eine gezielte Kontrolle des Durchflusses beziehungsweise der Befüllung, der jeweiligen Wärmetauscher und der jeweiligen Aufnahmebehälter möglich.There are also advantages if, in a vehicle according to the invention, the cooling device has at least two receptacles, in particular in an identical or essentially identical design. The cooling circuit can keep the receiving pressure in both receiving containers identical with a common pressure generator. In principle, however, different intake pressures are also possible. The receptacles are preferably arranged, for example, in the two front outer edges of the vehicle along the vertical axis. The secondary cooling circuit can integrate the two receptacles in a common secondary cooling circuit or each have secondary partial cooling circuits. With appropriate valve devices, a targeted control of the flow or the filling, the respective heat exchanger and the respective receptacle is possible.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, aufweisend die folgenden Schritte:
- - Erfassen des Kühlbedarfs des Brennstoffzellensystems,
- - Erzeugen eines Aufnahmedrucks im Aufnahmebehälter als Überdruck relativ zum Umgebungsdruck.
- - recording the cooling requirement of the fuel cell system,
- - Generation of a receiving pressure in the receiving container as overpressure relative to the ambient pressure.
Ein solches Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Es dient insbesondere dazu, durch die erzeugte Druckdifferenz die Verdunstung zu unterstützen, insbesondere bei relativ hohen Umgebungstemperaturen, und damit die bereits mehrfach erläuterte Zusatzkühlfunktionalität zur Verfügung zu stellen.Such a method entails the same advantages as have been explained in detail with reference to a cooling device according to the invention. It serves in particular to support the evaporation through the pressure difference generated, in particular at relatively high ambient temperatures, and thus to provide the additional cooling functionality already explained several times.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der an dem Verdunstungsabschnitt anliegende Umströmungsdruck erfasst wird und der Aufnahmedruck anhand des erfassten Umströmungsdrucks erzeugt wird. Der Umströmungsdruck unterscheidet sich dabei üblicherweise vom normalen Umgebungsdruck. Insbesondere in Unterdruckabschnitten ist der Umströmungsdruck entlang der Karosserie geringer als der normale Umgebungsdruck und führt zu einer Verstärkung des bereits mehrfach erläuterten Druckunterschieds. Die Bestimmung des Umströmungsdrucks kann zum Beispiel direkt durch Drucksensoren erfolgen. Auch eine indirekte Bestimmung, beispielsweise durch die Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, ist selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.There can be advantages if, in a method according to the invention, the surrounding flow pressure present at the evaporation section is detected and the intake pressure is generated on the basis of the detected surrounding flow pressure. The surrounding flow pressure usually differs from the normal ambient pressure. Into the Especially in low-pressure sections, the flow pressure along the body is lower than the normal ambient pressure and leads to an increase in the pressure difference already explained several times. The ambient flow pressure can be determined directly by pressure sensors, for example. An indirect determination, for example by detecting the speed of the vehicle, is of course also conceivable within the scope of the present invention.
Auch von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Aufnahmedruck anhand des erfassten Kühlbedarfs variiert wird. Beispielsweise wird die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems erfasst, sodass in einer Spitzenlastsituation von einem erhöhten Zusatzkühlbedarf ausgegangen werden kann. Je größer der Bedarf an Zusatzkühlung ausfällt, umso höher kann der Aufnahmedruck eingestellt werden, um durch die Steigerung der Druckdifferenz zur Umgebung, eine Steigerung der Verdunstungskühlung zur Verfügung zu stellen.It can also be advantageous if, in a method according to the invention, the intake pressure is varied on the basis of the cooling requirement detected. For example, the current operating situation of the fuel cell system is recorded so that an increased need for additional cooling can be assumed in a peak load situation. The greater the need for additional cooling, the higher the intake pressure can be set in order to provide an increase in evaporative cooling by increasing the pressure difference to the environment.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Füllstand des Aufnahmebehälters mit sekundärem Kühlmittel und die Betriebssituation des Brennstoffzellensystems überwacht wird. Dabei wird auf Basis des Füllstandes und der Betriebssituation, Produktwasser aus dem Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems in den Aufnahmebehälter überführt. Es kann also ein betriebsabhängiges Nachfüllen des Aufnahmebehälters zur Verfügung gestellt sein. Dies erfolgt insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einem manuellen Nachfüllen, beispielsweise mithilfe einer Nachfüllöffnung.There are also advantages if, in a method according to the invention, the filling level of the receptacle with secondary coolant and the operating situation of the fuel cell system are monitored. Based on the filling level and the operating situation, product water is transferred from the exhaust gas section of the fuel cell system to the storage tank. Operation-dependent refilling of the receptacle can therefore be made available. This takes place in particular in addition to or as an alternative to manual refilling, for example using a refill opening.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
-
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, -
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, -
3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, -
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, -
5a eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, -
5b die Kühlvorrichtung der5a mit geschlossenem Verschlussmittel -
6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, -
7 die Ausführungsform der6 in Vorderansicht des Fahrzeugs.
-
1 an embodiment of a cooling device according to the invention, -
2 a further embodiment of a cooling device according to the invention, -
3 a further embodiment of a cooling device according to the invention, -
4 a further embodiment of a cooling device according to the invention, -
5a a further embodiment of a cooling device according to the invention, -
5b the cooling device5a with closed closure means -
6 an embodiment of a vehicle according to the invention, -
7 the embodiment of6 in front view of the vehicle.
Innerhalb des Aufnahmebehälters 32 befindet sich flüssiges Produktwasser PW als sekundäres Kühlmittel SK. Dieses flüssige sekundäre Kühlmittel SK kann nun in flüssiger Form nicht aus dem Aufnahmebehälter 32 austreten. Da jedoch ein Teil des Wandungsabschnitts 36 semipermeabel als Verdunstungsabschnitt 38 ausgebildet ist, kann ein Verdunsten von flüssigem sekundärem Kühlmittel SK innerhalb des Aufnahmebehälters 32 und ein Austritt in der Dampfphase aus dem Aufnahmebehälter 32 erfolgen. Die für die Verdunstung notwenige Energie wird dem flüssigen sekundären Kühlmittel SK im Aufnahmebehälter 32 entzogen, sodass dessen Temperatur sinkt. Auf diese Weise gesenkte Temperatur innerhalb des Aufnahmebehälters 32, erlaubt eine Wärmeaufnahme vom erwärmten primären Kühlmittel PK über den Wärmetauscher 26.Inside the
Gemäß der zusätzlichen Verdunstungskühlung kann nun das im Wärmetauscher 26 gekühlte primäre Kühlmittel PK wieder im Kreislauf dem Aufnahmeabschnitt 22 im Brennstoffzellenstapel 110 zurückgeführt werden.According to the additional evaporative cooling, the primary coolant PK cooled in the
Während grundsätzlich das sekundäre Kühlmittel SK innerhalb des Aufnahmebehälters 32 auch von extern zugeführt werden kann, ist hier ein Anschluss an einen Abgasabschnitt 140 des Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen. In einem Entnahmeabschnitt 31, beispielsweise mit einem Kondensatorabschnitt und/oder einem Trennabschnitt, kann nun flüssiges Produktwasser PW abgetrennt und über eine Pumpe als Druckerzeuger 34 unter Aufnahmedruck AP dem Aufnahmebehälter 32 zugeführt werden.While, in principle, the secondary coolant SK within the
Die
In der
Die
Auch die
Weiter kann für einen Abgabeabschnitt 24, wie er in den Ausführungsformen der
Die
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Kühlvorrichtungcooler
- 2020
- primärer Kühlkreislaufprimary cooling circuit
- 2222
- Aufnahmeabschnittrecording section
- 2424
- Abgabeabschnittdelivery section
- 2525
- Verschlussmittelmeans of closure
- 2626
- Wärmetauscherheat exchanger
- 3030
- sekundärer Kühlkreislaufsecondary cooling circuit
- 3131
- Entnahmeabschnittextraction section
- 3232
- Aufnahmebehälterreceptacle
- 3333
- Nachfüllöffnungrefill opening
- 3434
- Druckerzeugerpressure generator
- 3535
- Filtervorrichtungfilter device
- 3636
- Wandungsabschnittwall section
- 3737
- Zwischenspeichercache
- 3838
- Verdunstungsabschnittevaporation section
- 3939
- Verstärkungsstrukturreinforcement structure
- 4040
- Variationsmittel mean of variation
- 100100
- Brennstoffzellensystemfuel cell system
- 110110
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 140140
- Abgasabschnitt exhaust section
- 200200
- Fahrzeugvehicle
- 202202
- Fahrzeugkantevehicle edge
- 210210
- Unterdruckabschnitt vacuum section
- PKPC
- primäres Kühlmittelprimary coolant
- SKSK
- sekundäres Kühlmittelsecondary coolant
- PWpw
- Produktwasserproduct water
- APAP
- Aufnahmedruckrecording pressure
- UPUP
- Umströmungsdruckflow pressure
- LSLS
- Luftströmungairflow
Claims (15)
Applications Claiming Priority (2)
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2022
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