DE112013001164T5

DE112013001164T5 - Verfahren und System zum Kühlen von Ladeluft für eine Brennstoffzelle und Drei-Fluidladeluftkühler

Info

Publication number: DE112013001164T5
Application number: DE112013001164.6T
Authority: DE
Inventors: Doug Vanderwees; Colin A. Shore
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-11-06
Also published as: US9343755B2; WO2013127009A1; CN104247119B; JP2015511754A; US20130224613A1; CN104247119A; CA2864768A1; JP6168070B2

Abstract

Verfahren und System zum Kühlen eines unter Druck Ladeluftstroms in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, die einen ersten Ladeluftkühler und einen zweiten Ladeluftkühler umfassen. Das System umfasst außerdem einen Brennstoffzellenstapel und einen Gas-Gas-Befeuchter. Entsprechend dem Verfahren und System passiert ein unter Druck stehender Kathodenabgasstrom den Gas-Gas-Befeuchter und wird auch als Kühlmittelgas in dem ersten Ladeluftkühler verwendet. Daher wird das Brennstoffzellenabgas aufgeheizt und im Wassergehalt verringert, wodurch die Tendenz des Kondensierens des Wassers in dem Abgas und des Bildens einer Wasserlache unter dem Fahrzeug verringert wird. Auch ist ein Drei-Fluid-Wärmetauscher vorgesehen, in dem der erste Ladeluftkühler und zweite Ladeluftkühler integriert sind.

Description

QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der US-Provisional Patentanmeldung Nr. 61/603 734, eingereicht am 27. Februar 2012, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Systeme für das Kathodenwärmemanagement von Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge und auf Drei-Fluidladeluftkühler, die in solchen Verfahren und System verwendet werden können, die aber für die Verwendung in anderen Systemen, bei denen eine Gaskühlung verlangt wird, angepasst sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Kathode einer Brennstoffzelle verwendet unter Druck stehende Ladeluft, die durch einen Luftkompressor auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle gebracht wird. Während der Kompression kann die Luft auf eine Temperatur von ungefähr 200°C oder höher aufgeheizt werden, was wesentlich höher ist als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. Daher wird ein Ladeluftkühler zum Kühlen der unter Druck stehenden Ladeluft auf die gewünschte Temperatur verwendet, bevor sie den Brennstoffzellenstapel erreicht; und bevor sie einen Befeuchter erreicht, der in Reihe zwischen dem Luftkompressor und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein kann.
Kathodenwärmemanagementsysteme nach dem Stand der Technik verwenden einen Flüssigkeit-Luft-Ladeluftkühler, um die Wärme aus der Ladeluft zu entfernen. Das flüssige Kühlmittel ist typischerweise Wasser oder eine Wasser-Glykolmischung, die durch das Brennstoffzellenkühlsystem zirkuliert werden. Die von dem flüssigen Kühlmittel absorbierte Wärme wird anschließend über einen Wärmetauscher, wie einen Radiator im Vorderteil des Fahrzeugs in die Atmosphäre abgelassen. Die Brennstoffzellenmaschine selbst erzeugt ebenfalls Abwärme, die eine untergeordnete Wärme wegen der relativ niedrigen Betriebstemperatur des Stapels ist. Dieser Ausstoß von niederwertiger Wärme verlangt typischerweise einen relativen großen Radiator und die zusätzliche Wärmebelastung von dem Ladeluftkühler, die über diesen selben Radiator abgelassen wird, verlangt einen weiteren Anstieg hinsichtlich der Radiatorgröße bis zu dem Punkt, dass der Radiator schwierig in dem vorderen Raum des Fahrzeugs unterzubringen ist. Somit ergibt das Kühlen der Ladeluft eine zusätzliche Belastung für das Brennstoffzellenkühlsystem und kompliziert das Verstauen in einem schon begrenzten Raum. Ein Beispiel eines solchen Kathodenwärmemanagementsystems nach dem Stand der Technik ist in 1A dargestellt.
Alternative Ansätze für ein Kathodenwärmemanagement werden benötigt, um die Wärmelast auf das Brennstoffzellenkühlsystem zu verringern, wobei sichergestellt wird, dass die Ladeluft auf eine geeignete Temperatur gekühlt wird. Darüberhinaus ist es erwünscht, parasitäre Energieverluste bei der Kühlung einer Brennstoffzellenmaschine zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bezüglich eines Aspekts ist ein Verfahren zum Kühlen eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, das einen Brennstoffzellenstapel, einen ersten Ladeluftkühler, der einen Gas-Gas-Ladeluftkühler umfasst, einen Gas-Gas-Befeuchter und einen zweiten Ladeluftkühler umfasst. Das Verfahren umfasst: (a) Bereitstellen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms, der eine erste Temperatur (T₁) aufweist; (b) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch den ersten Ladeluftkühler im Wärmeaustausch mit einem Kathodenabgasstrom aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Kathodenabgasstrom eine zweite Temperatur (T₂) am Eingang des ersten Ladeluftkühlers aufweist und der unter Druck stehende Kathodenluftstrom auf eine dritte Temperatur (T₃) an einem Ausgang des ersten Ladeluftkühlers gekühlt wird; (c) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch den zweiten Ladeluftkühler im Wärmeaustausch mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel, das eine vierte Temperatur (T₄) an einem Kühlmitteleingang des Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühlers aufweist, wobei der unter Druck stehende Kathodenluftstrom auf eine fünfte Temperatur (T₅) an einem Ausgang des zweiten Ladeluftkühlers gekühlt wird; (d) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms und des Kathodenabgasstroms durch den Gas-Gas-Befeuchter, wobei Wasserdampf von dem Kathodenabgasstrom an den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom in dem Befeuchter übertragen wird; und (e) Führen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms zu einem Kathodenlufteingang des Brennstoffzellenstapels. Der Kathodenabgasstrom geht durch den Gas-Gas-Befeuchter hindurch, bevor er durch den ersten Ladeluftkühler hindurchgeht; und wobei der unter Druck stehende Kathodenluftstrom durch den Befeuchter hindurchgeht, nachdem er durch den zweiten Ladeluftkühler hindurchgegangen ist und bevor er in den Ladelufteingang des Brennstoffzellenstapels eintritt.
In einem Ausführungsbeispiel sind bei normalen Bedingungen die Temperaturen T₂ < T₃ < T₁ und/oder T₄ < T₅ < T₃.
In einem Ausführungsbeispiel liegt der Kathodenabgasstrom bei einer sechsten Temperatur (T₆) an dem Eingang des Gas-Gas-Befeuchters und wobei der unter Druck stehende Kathodenluftstrom eine siebente Temperatur (T₂) an dem Ausgang des Gas-Gas-Befeuchters aufweist, wobei T₅ < T₇ < T₆ bei normalen Betriebsbedingungen ist. Auch ist in einigen Ausführungsbeispielen T₂ < T₆ bei normalen Betriebsbedingungen.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühler und wobei das flüssige Kühlmittel Wärme von einer oder mehreren anderen Wärmequellen in dem Brennstoffzellensystem absorbiert.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Menge an Wärmeenergie, die aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von dem ersten Ladeluftkühler entfernt wird, größer ist als die Menge an Wärmeenergie, die durch den zweiten Ladeluftkühler aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom entfernt wird.
Nach einem anderen Aspekt ist ein System zum Erzeugen eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das System umfasst: (a) einen ersten Ladeluftkühler, der einen Gas-Gas-Ladeluftkühler zum Kühlen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms von einer ersten Temperatur (T₁) auf eine dritte Temperatur (T₃) mit einem gasförmigen Kühlmittel, das eine zweite Temperatur (T₂) an einem Eingang des ersten Ladeluftkühlers aufweist, umfasst; (b) einen zweiten Ladeluftkühler zum Kühlen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms von T₃ auf eine fünfte Temperatur (T₅) mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel, das eine vierte Temperatur (T₄) an einem Kühlmitteleingang des zweiten Ladeluftkühlers aufweist; (c) einen Gas-Gas-Befeuchter zum Erhöhen eines Wassergehalts des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch Übertragung von Wasser aus einem befeuchtenden Gas; und (d) einen Brennstoffzellenstapel, der einen Kathodenlufteingang und einen Kathodenabgasausgang aufweist. Das befeuchtende Gas umfasst einen Kathodenabgasstrom aus dem Kathodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels. Das gasförmige Kühlmittel des ersten Ladeluftkühlers umfasst einen Kathodenabgasstrom. Der erste Ladeluftkühler ist angeordnet, den Kathodenabgasstrom aus dem Befeuchter zu empfangen und der Befeuchter ist angeordnet, den Kathodenabgasstrom von dem Kathodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels zu empfangen.
In einem Ausführungsbeispiel sind der erste Ladeluftkühler und der zweite Ladeluftkühler sequentiell angeordnet, derart, dass der zweite Ladeluftkühler den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei der dritten Temperatur T₃ von dem ersten Ladeluftkühler empfängt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühler und wobei der erste Ladeluftkühler und der zweite Ladeluftkühler in einem Drei-Fluid-Ladeluftkühler integriert sind, der eine Mehrzahl von Strömungskanälen für den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom, eine Mehrzahl von Strömungskanälen für das gasförmige Kühlmittel und eine Mehrzahl von Strömungskanälen für das flüssige Kühlmittel umfasst.
In einem Ausführungsbeispiel empfängt der Kathodenlufteingang den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von einem Gas-Gas-Befeuchter, der ein Membranbefeuchter sein kann.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das System weiterhin einen Kompressor, der Luft mit einer Umgebungstemperatur und -druck empfängt und die Umgebungsluft komprimiert, um den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei der ersten Temperatur (T₁) zu erzeugen, und wobei der erste Ladeluftkühler den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von dem Kompressor empfängt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Ladeluftkühler ein Gas-Gas-Ladeluftkühler, wobei der zweite Ladeluftkühler durch einen Ventilator mit variabler Geschwindigkeit gekühlt wird und wobei der Ventilator mit variabler Geschwindigkeit von einem Steuerkreis gesteuert wird, derart, dass die Temperatur T₇ in einem gewünschten Bereich gehalten wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeits-Gas-Ladeluftkühler, bei dem der unter Druck stehende Kathodenluftstrom durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt wird, das durch einen Kühlkreis zirkuliert, der auch den Brennstoffstapel umfasst, und wobei der Kühlkreis eine Pumpe variabler Geschwindigkeit einschließt, die den Strom des flüssiges Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel und den zweiten Ladeluftkühler steuert.
In noch einem anderen Aspekt ist ein Drei-Fluid-Ladeluftkühler vorgesehen. Der Ladeluftkühler umfasst eine Vielzahl von Platten, die in einem Plattenstapel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer sich von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende erstreckenden Länge angeordnet sind, wobei der Plattenstapel entlang seiner Länge in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufgeteilt ist, wobei der Ladeluftkühler eine Vielzahl von Ladeluftströmungskanälen aufweist, die durch den Stapel hindurch mit einer Vielzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen und einer Vielzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen alternieren. Der Drei-Fluid-Ladeluftkühler umfasst weiterhin: ein Ladelufteinlassrohr und ein Ladeluftauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von Ladeluftströmungskanälen, wobei das Ladelufteinlassrohr und das Ladeluftauslassrohr nahe den entgegengesetzten Enden des Plattenstapels angeordnet sind; ein erstes Kühlmitteleinlassrohr und ein zweites Kühlmittelauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen, wobei die ersten Kühlmittelströmungskanäle sich längs des zweiten Bereichs des Plattenstapels erstrecken, wobei das erste Kühlmitteleinlassrohr an dem zweiten Ende des Plattenstapels angeordnet ist und das erste Kühlmittelauslassrohr in dem zweiten Bereich des Plattenstapels, benachbart zu den Rippen, angeordnet ist; ein zweites Kühlmitteleinlassrohr und ein zweites Kühlmittelauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen, wobei die zweiten Kühlmittelströmungskanäle sich längs des ersten Bereichs des Plattenstapels erstrecken und wobei das zweite Kühlmitteleinlassrohr in dem ersten Bereich des Plattenstapels, nahe den Rippen angeordnet ist und das zweite Kühlmittelauslassrohr an dem ersten Ende des Plattenstapels angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Einlass- und Auslassrohre für die Ladeluft, das erste Kühlmittel und das zweite Kühlmittel integral mit dem Plattenstapel gebildet und von diesem eingeschlossen und die Ladeluftströmungskanäle können sich über die Gesamtlänge des Plattenstapels erstrecken. Der Drei-Fluid-Ladeluftkühler kann außerdem eine Mehrzahl von Rippen umfassen, die den ersten Bereich des Stapels von dem zweiten Bereich des Stapels trennen, wobei jede der Rippen in einer der Platten des Plattenstapels ausgebildet ist und sich quer über die Platte erstreckt, um einen der ersten Kühlmittelströmungskanäle von einem der zweiten Kühlmittelströmungskanäle zu trennen, derart, dass die Mehrzahl von Rippen die Vielzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen von der Mehrzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen trennt.
In einem Ausführungsbeispiel sind das Ladelufteinlassrohr an dem ersten Ende des Plattenstapels und das Ladeluftauslassrohr an dem zweiten Ende des Plattenstapels angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Plattenstapel eine Mehrzahl von ersten Kernplatten und eine Mehrzahl von zweiten Kernplatten, wobei jede der ersten Kernplatten und jede der zweiten Kernplatten einen flachen Plattenboden aufweist, der von einer hochstehenden Wand umgeben ist; wobei der flache Plattenboden jeder der ersten Kernplatten zu dem flachen Plattenboden einer benachbarten Platte der zweiten Kernplatten abgedichtet ist, wobei Paare der ersten und zweiten zueinander abgedichteten Platten längs ihres Plattenbodens durch eine flache Trennplatte getrennt sind. Der flache Plattenboden mindestens einer der ersten und zweiten Kernplatte in jedem Paar von Platten kann mit mindestens einem Loch versehen sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung diskutiert, bei der:
1A eine schematische Darstellung ist, die ein Verfahren und ein System für ein Kathodenwärmemanagement eines Brennstoffzellensystems zeigt.
1B eine schematische Darstellung ist, die ein Verfahren und ein System für ein Kathodenwärmemanagement eines Brennstoffzellensystems entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
1C eine schematische Darstellung ist, die ein Verfahren und ein System wie vorher nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 eine perspektivische Aufsicht auf den Kern eines Wärmetauschers entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel ist.
3 eine perspektivische Aufsicht auf eine erste Kernplatte des Kerns ist.
4 eine perspektivische Unteransicht der ersten Kernplatte ist.
5 eine perspektivische Aufsicht auf eine zweite Kernplatte des Wärmetauschers ist.
6 eine perspektivische Unteransicht der zweiten Kernplatte ist.
7 eine perspektivische Aufsicht auf eine Trennplatte ist.
8 eine perspektivische Aufsicht und Seitenansicht des Kerns des Wärmetauschers des ersten Ausführungsbeispiels ist.
9 ein Querschnitt längs der Linie 9-9' von 8 ist.
10 ein Querschnitt längs der Linie 10-10' der 8 ist.
11 ein Querschnitt längs der Linie 11-11' der 8 ist.
12 eine perspektivische Aufsicht auf den Kern eines Wärmetauschers entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel ist.
13 eine Aufsicht auf eine erste Kernplatte davon ist.
14 eine perspektivische Unteransicht der ersten Kernplatte ist.
15 eine perspektivische Aufsicht auf eine zweite Kernplatte davon ist.
16 eine perspektivische Unteransicht der zweiten Kernplatte ist.
17 ein Querschnitt längs der Linie 17-17' der 12 ist.
18 ein Querschnitt längs der Linie 18-18' der 12 ist.
19 ein Querschnitt längs der Linie 19-19' der 12 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Folgende ist eine Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt ist.
Ein Verfahren und ein System zum Kühlen und Befeuchten eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms in einem Brennstoffzellensystem werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1B und 1C diskutiert. Die folgende Beschreibung erwähnt spezifische Temperaturen der verschiedenen Fluidströme in einem Brennstoffzellensystem. Es sei bemerkt, dass jede hier erwähnte Temperatur nur zum Zwecke der Darstellung angegeben ist und nicht die Erfindung begrenzt. Darüber hinaus sind die hier offenbarten Temperaturen erläuternd für Temperaturen von Fluiden im stabilen Zustand oder normalen Betriebsbedingungen und es können signifikante Temperaturänderungen bei Kaltstart oder anderen Übergangsbedingungen gegeben sein. Bei normalen Betriebsbedingungen ändert sich der Leistungspegel in dem Brennstoffzellenstapel nicht radikal und fast die gesamte exothermische Wärme, die von dem Stapel erzeugt wird, wird durch das Brennstoffzellenkühlsystem absorbiert, wobei eine geringe Menge an Energie der Brennstoffzelle verwendet wird, den Kathodenstrom aufzuheizen, um die Wasseraufnahme auf der Kathodenseite des Stapels zu unterstützen.
Die 1B und 1C zeigen schematisch eine Anzahl von Komponenten eines Fahrzeugs mit einer Brennstoffzellenmaschine, insbesondere ein Automobil-Brennstoffzellenmaschinensystem 10, das eine unter Druck stehende und befeuchtete Kathodenluftversorgung verwendet; und insbesondere solche Komponenten, die sich auf die Lieferung dieser Luft an die Kathode des Brennstoffzellensystems beziehen.
Das dargestellte System 10 umfasst einen Luftkompressor 12, der Luft bei Umgebungstemperatur und -druck empfängt und die Luft auf einen Druck komprimiert, der für die Einführung in den Brennstoffzellenstapel geeignet ist. Die Kompression der Umgebungsluft bewirkt, dass die Temperatur der Luft von Umgebungstemperatur auf eine erhöhte Temperatur ansteigt, die hier als erste Temperatur T₁ bezeichnet ist. In einem typischen Brennstoffzellensystem erzeugt die Kompression von Umgebungsluft in einem Luftkompressor 12 komprimierte Luft mit einer Temperatur von ungefähr 200°C. Die Temperatur T₁ ist wesentlich höher als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (und die maximal tolerierbare Temperatur des Befeuchters, der stromaufwärts in Bezug auf die Brennstoffzelle angeordnet sein kann) und daher muss die von dem Luftkompressor 12 erzeugte, unter Druck stehende Kathodenluftströmung vor ihrer Einführung in den Befeuchter und/oder den Brennstoffzellenstapel gekühlt werden.
Das System umfasst außerdem einen ersten Ladeluftkühler 14, der ein Gas-Gas-Ladeluftkühler ist. Der erste Ladeluftkühler 14 empfängt den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von dem Luftkompressor 12. Der erste Ladeluftkühler 14 umfasst einen Kathodenlufteinlass, der den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei einer Temperatur T₁ empfängt, und einen Kathodenluftausgang, der den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei einer dritten Temperatur T₃ ausstößt, wobei T₃ < T₁ ist. Der erste Ladeluftkühler 14 kühlt den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von T₁ auf T₃ unter Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels, das aus dem Brennstoffzellenkathodenauslass abgezogen wird und eine zweite Temperatur T₂ aufweist, wobei T₂ < T₃ < T₁ bei stabilem Zustand oder normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ist. Es können einige Schwankungen in diesen relativen Temperaturen bei Kaltstart oder Übergangsbedingungen geben.
Der erste Ladeluftkühler 14 umfasst außerdem einen Kühlmitteleinlass bzw. -eingang, um das gasförmige Kühlmittel mit der Temperatur T₂ zu empfangen und einen Kühlmittelauslass bzw. -ausgang, um das gasförmige Kühlmittel aus dem ersten Ladeluftkühler 14 auszugeben. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Temperatur T₂ des gasförmigen Kühlmittels bei ungefähr 90 bis 100°C, beispielsweise bei ungefähr 94°C, und das gasförmige Kühlmittel wird durch den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom auf eine Temperatur von ungefähr 175°C am Kühlmittelauslass des ersten Ladeluftkühlers 14 aufgeheizt. Das aufgeheizte gasförmige Kühlmittel, das von dem ersten Ladeluftkühler 14 ausgelassen wird, kann in die Umgebung ausgestoßen werden oder als eine Wärmequelle an anderer Stelle des Systems 10 verwendet werden.
Das System 10 umfasst weiterhin einen zweiten Ladeluftkühler 16 zum Kühlen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms von einer Temperatur T₃ auf eine fünfte Temperatur T₅. Der zweite Ladeluftkühler 16 kann ein zweiter Gas-Gas-Ladeluftkühler sein, der einen gesteuerten Ventilator mit variabler Geschwindigkeit verwenden kann, um die Temperatur T₅ zu steuern. Unabhängig davon, ob der zweite Ladeluftkühler ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel verwendet, hat das Kühlmittel eine vierte Temperatur T₄, wobei T₄ < T₅ < T₃ bei stabilem Zustand oder normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ist. Es können einige Änderungen in diesen relativen Temperaturen bei Kaltstart und Übergangsbedingungen auftreten. Bei stabilem Zustand oder normalen Betriebsbedingungen kann die Temperatur T₅ bei ungefähr 85 bis 95°C, beispielsweise bei ungefähr 90°C, liegen. Eine Variante des Systems 10, bei der der zweite Ladeluftkühler 16 ein flüssiges Kühlmittel verwendet, wird weiter unten mit Bezugnahme auf die 1C beschrieben.
Der zweite Ladeluftkühler 16 umfasst einen Kathodenlufteinlass, der den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei einer Temperatur T₃ empfängt, und einen Kathodenluftauslass, der den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei einer Temperatur T₅ auslässt. Der zweite Ladeluftkühler 16 umfasst außerdem einen Kühlmitteleinlass, der das gasförmige oder flüssige Kühlmittel bei einer Temperatur T₄ empfängt, und einen Kühlmittelauslass, der das Kühlmittel aus dem zweiten Ladeluftkühler 16 auslässt.
Der zweite Ladeluftkühler 16 führt eine selbststabilisierende Funktion durch dahingehend, dass er hilft, eine ausreichende Kühlung bei einem größeren Bereich von Betriebsbedingungen sicherzustellen, insbesondere bei bestimmten Übergangsbedingungen, bei denen die Kühlanforderungen stark erhöht sind. Diese selbststabilisierende Funktion stellt eine ausreichende und konsistente Kühlung der Ladeluft sicher, die den zweiten Ladeluftkühler 16 verlässt. Dies ist insbesondere in Hinblick auf die geringen Betriebstemperaturen und den engen Bereich der Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels und des Membranbefeuchters wichtig, der stromaufwärts zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein kann, wobei beide typische mittlere Betriebstemperaturen in dem Bereich von ungefähr 80 bis 100°C aufweisen. Es sei jedoch bemerkt, dass es auch keine aktive Steuerung bezüglich der Auslasstemperatur T₅ des zweiten Ladeluftkühlers 16 geben kann. Die relativ konstante Temperatur T₆ des Kathodenabgases, das den Brennstoffzellenstapel 20 verlässt, schützt den Befeuchter vor einer Überhitzung bei Übergangsbedingungen, wie bei einer Beschleunigung aus einer stabilen Zustands-Bedingung (heiß), bei der der Stapel 20 voll aufgewärmt ist, da T₆ bei solchen Bedingungen geringer als T₅ ist.
Wenn der zweite Ladeluftkühler 16 luftgekühlt ist, wird eine Selbststabilisierung erreicht, indem der zweite Ladeluftkühler 16 mit einem Ventilator (nicht gezeigt) mit variabler Geschwindigkeit versehen wird, wobei dessen Betrieb von einem Steuerkreis gesteuert wird, der einen Thermistor oder ein Thermoelement zur Überwachung der Einlasstemperatur T₇ des Brennstoffzellenstapels 20 und/oder der Auslasstemperatur T₅ des zweiten Ladeluftkühlers 16 verwendet.
Wenn der zweite Ladeluftkühler 16 durch Wasser oder ein Wasser/Glykol-Kühlmittel gekühlt wird, ist eine Selbststabilisierung durch die größere Wärmekapazität des Wassers vorgesehen. Wie beispielsweise in 1C gezeigt ist, können der zweite Ladeluftkühler 16 und der Brennstoffzellenstapel 20 einen gemeinsamen Kühlkreis 21 einschließen, bei dem eine Pumpe 23 variabler Geschwindigkeit die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit durch den Kreis 21 steuert, wobei der Kreis einen Primärstapelradiator 25 und einen Ventilator 27 mit variabler Geschwindigkeit einschließt, der bei dem Primärstapelradiator vorgesehen ist. Das Vorhandensein des zweiten Ladeluftkühlers 16 mit Assistenz des Ventilators 27 und der Pumpe 23 hilft, das System zu stabilisieren und die Einlasstemperatur T₇ des Brennstoffzellenstapels auf einer konsistenten Temperatur bei variablen Betriebsbedingungen oder im Falle einer Fehlfunktion einer anderen Komponente in dem System 10 zu halten. Um eine genaue Temperatursteuerung des Brennstoffzellenstapels 20 sicherzustellen, sind der Radiator 25 und der Ventilator 17 in 1C als stromaufwärts zu dem Stapel 20 liegend gezeigt und können beispielsweise direkt stromaufwärts zum Stapel 20 sein, derart, dass die Temperatur des den Radiator 25 verlassenden flüssigen Kühlmittels im Wesentlichen die gleiche sein kann, wie die Temperatur des flüssigen Kühlmittels, das von dem Stapel 20 empfangen wird.
Die Stapeleinlasstemperatur T₇ kann aktiv gesteuert werden, z. B. durch Sensoren und Regelschleifen (nicht gezeigt). Die Stapeleinlass- und -auslasstemperaturen T₇ und T₆ werden durch die Sensoren gemessen und der Kühlmittelstrom in dem gemeinsamen Kühlkreis 21 wird erhöht durch Erhöhen der Geschwindigkeit der Pumpe 23, wenn T₆ zu hoch ist. Dies erhöht die Kühlwirkung sowohl im Stapel 20 als auch im zweiten Ladeluftkühler 16. Wenn umgekehrt T₇ zu niedrig ist, wird der Kühlmittelstrom in dem Kreis 21 durch Reduzieren der Geschwindigkeit 23 verringert, was gleichzeitig die Kühlung sowohl des Stapels 20 als auch des zweiten Ladeluftkühlers 16 reduziert.
Das System 10 umfasst außerdem einen Gas-Gas-Befeuchter 18 zum Erhöhen des Wassergehalts des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms auf einen Feuchtigkeitspegel, der für die Einführung in den Brennstoffzellenstapel annehmbar ist. In einem Ausführungsbeispiel kann der Gas-Gas-Befeuchter 18 einen Membranbefeuchter umfassen, wie er in der Veröffentlichung der US-Patentanmeldung Nr. US 2012/0181712 A1 beschrieben ist, die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
Der Befeuchter 18 umfasst einen Kathodenlufteinlass zum Empfangen des unter. Druck stehenden Kathodenluftstroms, der einen relativ niedrigen Feuchtigkeitspegel aufweist, und einen Kathodenluftauslass zum Ausstoßen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms bei einem relativ höheren Feuchtigkeitspegel. Der Befeuchter 18 umfasst außerdem einen Einlass für befeuchtendes Gas, um ein Gas zu empfangen, das auf den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom zu übertragendes Wasser enthält, und einen Auslass für befeuchtendes Gas zum Auslassen des in der Feuchtigkeit verminderten befeuchtenden Gases aus dem Befeuchter 18.
Nachdem der unter Druck stehende Kathodenluftstrom gekühlt und befeuchtet wurde, strömt er zu einem Brennstoffzellenstapel 20, der einen Kathodenlufteinlass zum Empfangen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms und einen Kathodenabgasauslass zum Auslassen eines Kathodenabgases, das durch in dem Brennstoffzellenstapel stattfindende chemische Reaktionen erzeugt wird, aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 20 kann als eine Komponente des Systems 10 betrachtet werden oder kann als eine separate Komponente eines Brennstoffzellensystems betrachtet werden.
Der relativ große Flächenbereich des Befeuchters 18 ergibt einen effektiven Wärmetauscher und seine Anordnung unmittelbar vor dem Brennstoffzellenstapel 12 hilft, das System 10 zu stabilisieren und eine konsistente Einlasstemperatur an dem Brennstoffzellenstapel 12 aufrechtzuerhalten in dem Fall von Temperaturspitzen des unter Druck stehenden Gasstroms, die durch Übergangsbedingungen oder einer Fehlfunktion in dem System 10 bewirkt werden. Somit wird durch den Befeuchter 18 ein zweites Niveau der Selbststabilisierung vorgesehen, das auf die relative stabile Temperatur T₆ des Kathodenabgases vertraut, um mit allen Abweichungen der Übergangstemperatur in dem unter Druck stehenden Kathodenluftsystem fertig zu werden, die den ersten Stabilisierungspegel an dem zweiten Ladeluftkühler 16 überstehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind der erste und zweite Ladeluftkühler sequentiell angeordnet, derart, dass der zweite Ladeluftkühler 16 den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei der Temperatur T₃ von dem ersten Ladeluftkühler 14 erhält. Das Anordnen des ersten Ladeluftkühlers 14 stromaufwärts (d. h. in Richtung der Strömung des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms) relativ zu dem zweiten Ladeluftkühler 16 kann vorteilhaft sein, insbesondere wenn der zweite Ladeluftkühler 16 ein Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühler ist, der Kühlmittel mit anderen wärmerzeugenden Komponenten des Brennstoffzellensystems teilt. Bei normalen Betriebsbedingungen wird das Meiste der Wärmeenergie, die aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom entfernt wird, von dem ersten Ladeluftkühler 14 entfernt und die geringere Menge an Wärmeenergie wird aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom durch den zweiten Ladeluftkühler 16 entfernt. Als Ergebnis wird das Meiste an Abwärme aus dem Ladeluftstrom in die Atmosphäre ausgestoßen statt durch das Brennstoffzellenkühlsystem absorbiert zu werden, zumindest bei normalen Betriebsbedingungen. Dies kann verschiedene Vorteile erzeugen. Beispielsweise kann die Verwendung des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellensystem helfen, die thermische Belastung auf das Kühlsystem der Brennstoffzellenmaschine zu reduzieren und kann die Verwendung eines kleineren Radiators erlauben, wodurch Raum in dem Vorderteil des Fahrzeugs gespart wird. Zur gleichen Zeit kann das Kühlsystem größere Kühlanforderungen des Kathodenluftstroms unter Übergangsbedingungen befriedigen. Das System und das Verfahren der Erfindung können auch parasitäre Energieverluste in dem Kühlsystem der Brennstoffzellenmaschine, wie Verluste aufgrund des Betriebs des Ventilators des Radiators, reduzieren, indem mehr thermische Belastung des Gesamtsystems von dem Flüssigkeitskühlsystem abgelenkt wird.
Ein zusätzlicher Vorteil des Systems und des Verfahrens nach der Erfindung, verglichen mit üblichen Praktiken, ist, dass das Brennstoffzellenkathodenabgas nicht länger in die Atmosphäre bei ungefähr 80–90°C entlassen wird, eine Temperatur, die niedrig genug ist, um eine Wasserkondensation und ein Zusammenlaufen von Wasser oder Eis (bei Winterbetrieb) unter dem Fahrzeugzeug zu bewirken. Dahingehen bewirken das System und das Verfahren der Erfindung, dass das Brennstoffzellenabgas auf eine höhere Temperatur geheizt wird, nachdem es zur Kühlung des Ladeluftstroms verwendet wurde. Das Ablassen des aufgeheizten Abgases in die Umgebungsluft bei einer höheren Temperatur kann eine lokale Kondensation und Wasser- oder Eiszusammenführung verhindern.
In einem Beispiel fügt die Kompression des Kathodenluftstroms 14,5 kW an Wärmeenergie in den Kathodenluftstrom ein und ungefähr 10,5 kW von Abwärme wird aus dem komprimierten Kathodenluftstrom entfernt. Der erste Ladeluftkühler entfernt ungefähr 10 kW an Wärmeenergie und der zweite Ladeluftkühler 16 entfernt ungefähr 0,5 kW an Wärmeenergie. Dies ist eine Reduktion von ungefähr 10 kW an Wärme, die sonst in das Brennstoffzellen-Flüssigkeitskühlsystem eingelassen wird.
Sobald der unter Druck stehende Kathodenluftstrom auf die Temperatur T₅ gekühlt ist, strömt er aus dem zweiten Ladeluftkühler 16 zu dem Gas-Gas-Befeuchter 18.
Der Kathodenabgasstrom, der den Brennstoffzellenstapel 20 verlässt, hat typischerweise eine Temperatur von ungefähr 90 bis 100°C, was leicht höher ist als die Temperatur des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms, der den Brennstoffzellenstapel 20 betritt. Außerdem ist aufgrund der Erzeugung von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel der Feuchtigkeitspegel des Kathodenabgasstroms relativ hoch. Somit umfasst bei der vorliegenden Erfindung das durch den Befeuchter 18 strömende befeuchtende Gas den Kathodenabgasstrom aus dem Kathodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 20. Die Entfernung von Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas durch den Befeuchter 18 reduziert ebenfalls die relative Feuchtigkeit des Abgases.
Es kann auch ein relativ kleiner Teil eines Wärmeaustausches in dem Befeuchter 18 stattfinden. Wie beispielsweise oben erwähnt, ist die Temperatur des Kathodenabgases, das den Brennstoffzellenstapel 20 verlässt (dargestellt durch T₆ in 1), typischerweise leicht höher als die des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms (dargestellt durch T₇ in 1), der von dem Befeuchter 18 dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist T₆ ungefähr 95 bis 100°C, beispielsweise ungefähr 96°C, während T₇ typischerweise bei ungefähr 90 bis 95°C, z. B. bei 92°C liegt, wobei T₅ < T₇ < T₆ ist. Nochmals gesagt, sind dies typische Temperaturen in dem Brennstoffzellensystem während des stabilen Zustands oder einem normalen Betrieb und sie können bei Kaltstart und Übergangsbedingungen unterschiedlich sein.
Der Kathodenabgasstrom tritt somit in den Befeuchter 18 bei einer leicht erhöhten Temperatur T₆ ein und wird leicht durch den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom gekühlt, der in den Befeuchter 18 bei der Temperatur T₅ eintritt. Als Ergebnis kann der Kathodenabgasstrom den Befeuchter 18 bei einer leicht niedrigeren Temperatur T₂ als die Temperatur T₆ am Auslass des Brennstoffzellenstapels 20 verlassen. Aus der obigen Diskussion kann gesehen werden, dass die Verwendung des Kathodenabgasstroms als ein Kühlmittel und/oder befeuchtendes Gas den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom auf eine Temperatur kühlt, die für die Verwendung in der Brennstoffzelle geeignet ist, und Überkühlung oder Unterkühlung des Kathodenluftstroms kann vermieden werden.
Wie in 1 gezeigt wird, verlässt der Kathodenabgasstrom den Befeuchter 18 bei einer Temperatur T₂ und strömt zu dem Gas-Gas-Ladeluftkühler 14, der unmittelbar stromabwärts bzw. nach dem Luftkompressor 12 angeordnet sein kann.
Ein Verfahren zum Kühlen und Befeuchten eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms wird nun weiter unten in Übereinstimmung mit 1 beschrieben.
Wie oben erwähnt, kann das Brennstoffzellensystem den Brennstoffzellenstapel 20, den ersten Ladeluftkühler 14, den zweiten Ladeluftkühler 16 und den Gas-Gas-Befeuchter 18 umfassen.
Entsprechend der Erfindung wird ein unter Druck stehender Kathodenluftstrom bei einer Temperatur T₁, beispielsweise von einem Luftkompressor 12 zur Verfügung gestellt. Der unter Druck stehende Kathodenluftstrom wird dann durch den Gas-Gas-Ladeluftkühler 14 hindurchgeleitet und überträgt Wärme auf einen Kathodenabgasstrom vom Brennstoffzellenstapel 20. Der Kathodenabgasstrom hat eine zweite Temperatur T₂ an dem Einlass des ersten Ladeluftkühlers 14 und der unter Druck stehende Kathodenluftstrom wird dabei auf eine dritte Temperatur T₃ an dem Auslass des ersten Ladeluftkühlers 14 gekühlt, wobei T₂ < T₃ < T₁ bei stabilem Zustand oder normalen Betriebsbedingungen ist.
Der unter Druck stehende Kathodenluftstrom wird dann durch den zweiten Ladeluftkühler 16 geleitet und überträgt Wärme auf ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel, das eine Temperatur T₄ an einem Einlass des zweiten Ladeluftkühlers 16 aufweist. Der unter Druck stehende Kathodenluftstrom wird dabei auf eine Temperatur T₅ an dem Auslass des zweiten Ladeluftkühlers 16 gekühlt, wobei T₄ < T₅ < T₃ bei stabilem Zustand oder normalen Betriebsbedingungen ist.
Der unter Druck stehende Kathodenluftstrom wird dann durch den Gas-Gas-Befeuchter 18 geleitet, in dem der Wassergehalt des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms Wasser aus dem Kathodenabgasstrom absorbiert.
Sobald der unter Druck stehende Kathodenluftstrom gekühlt und befeuchtet wurde, wie oben beschrieben, wird er an einen Kathodenlufteinlass des Brennstoffzellenstapels 20 geleitet.
Nachdem nun ein System und ein Verfahren zum Kühlen und Befeuchten eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms beschrieben wurde, ist das Folgende eine Beschreibung eines Drei-Fluid-Ladeluftkühlers entsprechend der Erfindung, der den ersten Ladeluftkühler 14 und den zweiten Ladeluftkühler 16, die schematisch in 1 gezeigt sind, integriert. Obwohl die Drei-Fluid-Ladeluftkühler, die hier beschrieben sind, für die Verwendung in dem System und dem Verfahren entsprechend der Erfindung angepasst sind, können sie in vielen anderen Anwendungen zum Kühlen eines heißen Gasstroms verwendet werden.
Ein Drei-Fluid-Ladeluftkühler 100 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 bis 11 beschrieben. Die Zeichnungen zeigen einen Teil eines Kerns 22 eines Wärmetauschers 100. Es sei bemerkt, dass der Wärmetauscher 100 auch andere Komponenten, wie eine obere Platte, eine Bodenplatte, eine Grundplatte zum Montieren des Wärmetauschers 100 an einer anderen Fahrzeugkomponente, Einlass- und Auslassarmaturen für die Ladeluft und Kühlmittel einschließt, von denen keine in den Figuren gezeigt sind. Diese Komponenten sind üblich und ihr Aussehen und ihre Anordnung können zumindest teilweise durch Raumbegrenzungen vorgegeben sein. Beispielsweise hängen die spezifischen Stellen und Konfigurationen der Einlass- und Auslassöffnungen und -armaturen für die Ladeluft und die Kühlmittel von der spezifischen Konfiguration des Luftansaugsystems des Fahrzeugs und des Brennstoffzellensystems ab und werden von einer Anwendung zur anderen variieren.
Der Kern 22 ist ”in sich geschlossen”, was bedeutet, dass die Rohre bzw. Krümmer und Strömungskanäle vollständig in dem Stapel von Platten eingeschlossen sind, aus denen der Kern 22 gebildet wird, und deswegen muss der Kern 22 des Wärmetauschers 100 nicht in einem separaten Gehäuse eingeschlossen werden.
Der Kern 22 wird aus einer Mehrzahl von Platten zusammengesetzt, die miteinander (zum Beispiel durch Schweißen bzw. Löten) verbunden sind, um alternierende Strömungskanäle für die Ladeluft und die Kühlmittel zu bilden. Der Kern 22 umfasst eine Mehrzahl von ersten Kernplatten 24, eine Mehrzahl von zweiten Kernplatten 26 und eine Mehrzahl von flachen Trennplatten 28.
Die Platten 24, 26, 28 und der Kern 22 sind langgestreckt und definieren eine Längsachse A, die in Figur gezeigt wird. Alle Platten und der Kern 22 schließen Längsseiten, die mindestens im Allgemeinen parallel zur Achse A sind, und relativ kurze Enden ein, die quer zur Achse A liegen.
Der Wärmetauscher 100 umfasst ein Ladelufteinlassrohr 30, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel entlang einer Längsseite des Kerns 22, benachbart zu einer Ecke, angeordnet ist und durch ausgerichtete Ladelufteinlassöffnungen 32, 34 und 36 in den jeweiligen Platten 24, 26 und 28 hergestellt ist. Das Ladelufteinlassrohr 30 erstreckt sich über die gesamte Höhe des Kerns 22. In dem zusammengesetzten Wärmetauscher 100 wird ein Ende des Ladelufteinlassrohres 30 durch eine obere Platte bzw. Deckplatte oder Bodenplatte abgesperrt und das andere Ende des Rohres 30 wird heiße, unter Druck stehende Ladeluft von dem Kompressor 12 über eine Einlassarmatur (nicht gezeigt) erhalten. Es sei bemerkt, dass die genaue Stelle, Form und Ausbildung des Ladelufteinlassrohres 30 zu denen, die in den Figuren gezeigt sind, variieren können.
Ein Ladeluftauslassrohr 38 ist entlang einer Seite des Kerns 22, benachbart zu einer Ecke, angeordnet. Das Ladelufteinlassrohr 30 und das Ladeluftauslassrohr 38 sind benachbart zu entgegengesetzten Seiten des Kerns 22 angeordnet und, wie gezeigt, können an diagonal entgegengesetzten Ecken des Kerns 22 liegen. Das Ladeluftauslassrohr 38 wird aus ausgerichteten Ladeluftauslassöffnungen 40, 42 und 44 der jeweiligen Kernplatten 24, 26 und 28 hergestellt. Das Ladeluftauslassrohr 38 erstreckt sich über die gesamte Höhe des Kerns 22. Ein Ende des Rohrs 38 wird durch eine obere Platte oder Bodenplatte (nicht gezeigt) abgesperrt und das entgegengesetzte Ende wird mit einer Auslassarmatur (nicht gezeigt) versehen, um die gekühlte Ladeluft zu dem Gas-Gas-Befeuchter 18 abzuführen. Die genaue Stelle, Form und Erscheinung des Ladeluftauslassrohres 38, die in den Figuren gezeigt sind, sind nicht wesentlich. Es ist ausreichend, dass die Rohre 30 und 38 an entgegensetzten Enden des Kerns angeordnet sind, unabhängig davon, ob sie direkt entgegengesetzt oder diagonal entgegengesetzt zueinander sind. Beispielsweise können das Einlass- und Auslassrohr 30, 38 an derselben Seite des Kerns 22 statt an diagonal entgegengesetzten Ecken angeordnet sein oder sie können an jedem Punkt an den Enden des Kerns 22 liegen.
Die erste Kernplatte 24 hat eine Oberseite 46 und eine Unterseite 48. Bei Ansehung der Oberseite 46, gezeigt in 2, hat die Platte 24 einen Plattenboden 50, der co-planar zu der Ladelufteinlassöffnung 32 und der Ladeluftauslassöffnung 40 der Platte 24 ist. Der Plattenboden 50 und der äußere Umfang der Platte 24 sind von einer hochstehenden Wand 52 umgeben, die eine ebene obere Dichtfläche 54 zum Abdichten mit einer benachbarten Platte aufweist. Die hochstehende Wand 52 umfasst einen äußeren Umfangsbereich, der den äußeren Umfang der Platte 24 umschließt, und hochstehende Rippen, die die Kühlmittelrohre (weiter unten beschrieben) von dem Plattenboden 50 trennen. Die obere Abdichtfläche 54 der Platte 24 schließt einen äußeren Umfangsflansch, der sich längs des äußeren Umfangsbereichs der hochstehenden Wand 52 erstreckt, sowie ebene Abdichtflächen auf den hochstehenden Rippenbereichen der hochstehenden Wand 52 ein. Die unter Druck stehende Ladeluft strömt diagonal und längs über den Plattenboden 50 entlang der Oberseite 46 der ersten Kernplatte 24 von der Ladelufteinlassöffnung 32 zu der Ladeluftauslassöffnung 40. Somit ist ein Ladeluftströmungskanal 51 entlang dem rechteckigen Bereich des Plattenbodens 50 definiert.
Der Kern 22 des Wärmetauschers 100 schließt auch ein Einlassrohr 56 für gasförmiges Kühlmittel ein, das aus Einlassöffnungen 58, 60 und 62 für gasförmiges Kühlmittel der jeweiligen Kernplatten 24, 26 und 28 hergestellt ist. Das Einlassrohr 56 für gasförmiges Kühlmittel ist entlang einer Seite des Kerns 22 halbwegs zwischen den Enden aus Gründen, die weiter unten klarer werden, angeordnet. Wie bei den Ladeluftrohren wird das Einlassrohr 56 für gasförmiges Kühlmittel an einem Ende von einer Oberplatte oder Bodenplatte abgeschlossen und das entgegengesetzte Ende des Rohrs 56 wird mit einer Einlassarmatur zum Aufnehmen eines gasförmigen Kühlmittels versehen. Wenn beispielsweise das gasförmige Kühlmittel ein Kathodenabgasstrom ist, wird der Einlass für das gasförmige Kühlmittel konfiguriert, um den Kathodenabgasstrom entweder direkt oder indirekt von dem Brennstoffzellenstapel 20 aufzunehmen. Es sei bemerkt, dass die genaue Stelle und Erscheinung des Einlassrohrs 56 für gasförmiges Kühlmittel anders ausgebildet sein können als in den Figuren dargestellt.
Der Kern 22 umfasst außerdem ein Auslassrohr 64 für gasförmiges Kühlmittel, das aus ausgerichteten Auslassöffnungen 66, 68 und 70 für gasförmiges Kühlmittel der jeweiligen Kernplatten 24, 26 und 28 gebildet wird. Das Auslassrohr 64 für gasförmiges Kühlmittel ist längs einer Seite des Kerns 22, nahe einem der Enden angeordnet. In dem darstellten Ausführungseispiel ist das Auslassrohr 64 für gasförmiges Kühlmittel an der Ecke des Kerns 22 angeordnet, diagonal entgegengesetzt zu dem Einlassrohr für gasförmiges Kühlmittel, obwohl die diagonale Anordnung nicht verlangt wird. Es sei bemerkt, dass ein Ende des Auslassrohrs 64 für gasförmiges Kühlmittel durch eine Oberplatte oder eine Bodenplatte des Wärmetauschers 100 abgesperrt wird und das entgegengesetzte Ende des Rohrs 64 wird mit einer Auslassarmatur versehen, durch die das gasförmige Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 100 abgeführt wird. Das gasförmige Kühlmittel, das auf eine erhöhte Temperatur durch den Wärmeaustausch mit der Ladeluft aufgeheizt wird, entweder in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann oder an anderer Stelle in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
Die zweite Kernplatte 26 hat eine Oberseite 72 und eine Unterseite 74. Bei dem zusammengesetzten Kern 22 ist die Oberseite 72 der zweiten Kernplatte 26 festgelegt und abgedichtet mit der Unterseite 48 einer benachbarten ersten Kernplatte 24 des Kerns 22, zum Beispiel durch Löten. Bezugnehmend auf 5 hat die zweite Kernplatte 26 einen Plattenboden 76, der koplanar mit der Einlassöffnung 60 und der Auslassöffnung 68 für gasförmiges Kühlmittel ist. Der Plattenboden 76 und der äußere Umfang der Platte 26 werden von einer hochstehenden Wand 78 umgeben, die mit einer oberen, ebenen Dichtfläche 80 zum Abdichten zu einer benachbarten Platte versehen ist. Die hochstehende Wand 78 umfasst einen äußeren Umfangsbereich, der den äußeren Umfang der Platte 26 umgibt, und hochstehende Rippen, die die Ladeluftrohre 30 und 38 von dem Plattenboden 76 trennen. Die obere Abdichtfläche 80 der Platte 26 umfasst einen äußeren Umfangsflansch, der sich entlang des äußeren Umfangsbereichs der hochstehenden Wand 78 erstreckt, sowie planare Abdichtflächen auf den hochstehenden Rippenbereichen der hochstehenden Wand 78. Es kann gesehen werden, dass das gasförmige Kühlmittel von der Einlassöffnung 60 für gasförmiges Kühlmittel diagonal entlang dem Plattenboden 76 auf der Unterseite 74 der Platte 26 zu der Auslassöffnung 68 für gasförmiges Kühlmittel strömt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel strömen das gasförmige Kühlmittel und die Ladeluft in entgegengesetzte Richtungen entlang der Achse A.
Der Kern 22 des Wärmetauschers 100 umfasst ebenfalls ein Einlassrohr 82 für flüssiges Kühlmittel, das aus ausgerichteten Einlassöffnungen 84, 86 und 88 in jeweiligen Kernplatten 24, 26 und 28 für flüssiges Kühlmittel gebildet ist. Ein Ende des Einlassrohres 82 für flüssiges Kühlmittel wird durch eine obere oder untere Platte abgesperrt und das entgegengesetzte Ende des Rohres 82 wird mit einer Einlassarmatur zum Aufnehmen des flüssigen Kühlmittels von einer Kühlmittelquelle versehen. Das Einlassrohr 82 für flüssiges Kühlmittel ist entlang einer Seite des Kerns 22, nahe einem Ende des Kerns 22 angeordnet und ist in den Figuren als an einer Ecke des Kerns 22 angeordnet gezeigt. Es sei bemerkt, dass die genaue Stelle, Form und Erscheinung des Einlassrohrs 82 für flüssiges Kühlmittel von denen, die in den Figuren gezeigt ist, abweichen können.
Der Kern 22 umfasst auch ein Auslassrohr 90 für flüssiges Kühlmittel, das aus ausgerichteten Auslassöffnungen 92, 94 und 96 für flüssiges Kühlmittel der jeweiligen Kernplatten 24, 26 und 28 gebildet ist. Das Auslassrohr 90 für flüssiges Kühlmittel ist entlang einer Seite des Kerns 22 auf halbem Weg zwischen den Enden angeordnet und wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, liegt es direkt quer über dem Kern 22 vom Einlassrohr 56 für gasförmiges Kühlmittel gesehen.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Bodenseite 74 der zweiten Kernplatte 26, wie in 5 gezeigt, kann gesehen werden, dass die Einlassöffnung 86 für flüssiges Kühlmittel und die Auslassöffnung 94 für flüssiges Kühlmittel koplanar mit dem Plattenboden 76 liegen und ebenfalls von einer hochstehenden Umfangswand 78 umgeben sind. Somit wird das flüssige Kühlmittel von der Einlassöffnung 94 für flüssiges Kühlmittel entlang des Plattenbodens 76 an der Unterseite 74 der zweiten Kernplatte 26 zu der Auslassöffnung 94 für flüssiges Kühlmittel strömen. Das flüssige Kühlmittel strömt daher diagonal und längs entlang des Plattenbodens 76, entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Ladeluft.
Es kann gesehen werden, dass sowohl das gasförmige Kühlmittel als auch das flüssige Kühlmittel entlang des Plattenbodens 76 an der Unterseite 74 der zweiten Kernplatte 26 strömen. Daher sind die Strömungskanäle für das flüssige und das gasförmige Kühlmittel koplanar zueinander. Um physikalisch den Strom des flüssigen Kühlmittels von dem Strom des gasförmigen Kühlmittel zu trennen, ist der Plattenboden 76 der zweiten Kernplatte 26 mit einer hochstehenden Rippe 98 versehen, die sich im Wesentlichen quer zwischen entgegengesetzten Seiten der Platte 26 erstreckt und den Plattenboden 76 in einen Strömungskanal 102 für gasförmiges Kühlmittel und einen Strömungskanal 104 für flüssiges Kühlmittel aufteilt. Die Rippe 98 hat eine Höhe, die die gleiche ist, wie die Höhe der hochstehenden Umfangswand 78 der zweiten Kernplatte 26 mit einer flachen oberen Abdichtfläche 106, die koplanar mit dem Abdichtflansch 80 ist und mit diesem verbunden ist.
Wie oben erwähnt, ist die Bodenfläche bzw. Unterseite 48 jeder ersten Kernplatte 24 in dem Kern 22 mit der oberen Fläche bzw. Oberseite 72 einer benachbarten zweiten Kernplatte 26 verbunden und zu dieser abgedichtet. Daher liegt in dem Kern 22 die Oberseite 46 jeder ersten Kernplatte 24 der Unterseite 74 einer benachbarten zweiten Kernplatte 26 gegenüber. Um den Ladeluftströmungskanal 51 entlang dem Plattenboden 50 der Kernplatte 24 von den Kühlmittelströmungskanälen 102, 104 längs des Plattenbodens 76 der Kernplatte 26 zu trennen, ist eine dünne flache Trennplatte 28 zwischen der Oberseite 46 der ersten Kernplatte 24 und der Unterseite 74 der zweiten Kernplatte 26 vorgesehen. Die Trennplatte 28 weist Öffnungen für jedes Rohr, sowie eine flache Oberseite 108, die zu dem Abdichtflansch 80 und der oberen Deckfläche 106 der zweiten Kernplatte 26 abgedichtet ist, und eine flache Unterseite 110 auf, die gegen den Abdichtflansch 54 der ersten Kernplatte 24, beispielsweise durch Löten abgedichtet ist. Somit findet ein Wärmeaustausch zwischen der Ladeluft und den Kühlmitteln über die flache Trennplatte 28 statt.
Der Kern 22 des Wärmetauschers 100 wird als Rohre aufweisend gezeigt, die von den Seiten des Kerns 22 hervortreten. Es sei bemerkt, dass diese Konfiguration jedoch nicht wesentlich ist. Vielmehr kann die gesamte Form des Kerns rechteckig sein, wobei die Rohre innerhalb des Rechteckbereichs des Kerns 22 angeordnet sind.
Obwohl es nicht in den Figuren gezeigt ist, können einige oder alle der Ladeluftströmungskanäle 51 und der Kühlmittelströmungskanäle 102, 104 in dem Kern 22 mit einem Turbulenzen fördernden Einsatz, wie einem Tubulizer oder einer gewellten Lamelle versehen sein. Jeder Turbulizer oder jede Lamelle ist zwischen einer Trennplatte 28 und dem Plattenboden 50 oder 76 einer Kernplatte 24 oder 26 aufgenommen und kann an einer oder beiden Seiten durch Löten befestigt sein. Die Begriffe ”gewellte Lamelle” oder ”Turbulizer”, wie sie hier verwendet werden, sollen sich auf gewellte, Turbulenzen fördernde Einsätze beziehen, die eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Kanten oder Erhöhungen oder Kämme, die durch Seitenwände verbunden sind, aufweisen, wobei die Erhöhungen abgerundet oder flach sind. Wie hier definiert, hat eine ”Lamelle” kontinuierliche Erhöhungen, wohingegen ein ”Turbulizer” Erhöhungen aufweist, die entlang ihrer Länge unterbrochen sind, so dass der axiale Strom durch den Turbulizer gewunden oder verschlungen ist. Turbulizer werden manchmal bezeichnet als versetzte oder offene Streifenlamellen beschrieben und Beispiele solcher Turbulizer sind in dem US-Patent Nr. RE 35 890 (So) und dem US-Patent Nr. 6 273 183 (So et al.) beschrieben. Die Patente von So und So et al. werden hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen. Wenn eine Lamelle oder ein Turbulizer in einem Ladeluftströmungskanal 51 vorgesehen ist, dann werden sie im Wesentlichen den gesamten rechteckigen Bereich des Plattenbodens 50 einnehmen. In gleicher Weise können Lamellen oder Turbulizers entlang des Plattenbodens 76 der zweiten Kernplatte 26 in den Strömungskanälen 102, 104 für gasförmiges und flüssiges Kühlmittel vorgesehen sein.
Es sei bemerkt, dass anstelle von Lamellen oder Turbulizers die Plattenböden 50, 76 der Platten 24, 26 mit Turbulenz fördernden Vorsprüngen, wie Rippen und/oder Einsenkungen (nicht gezeigt) versehen sein können. Zusätzlich sei bemerkt, dass die ebenen Bereiche der Plattenböden 50, 56 von benachbarten Platten 24, 26 in Kontakt miteinander im Kern 22 sind und typischerweise zueinander durch Löten abgedichtet sind. Löcher können in die planaren Bereiche jedes anstoßenden Paars von Plattenböden 50, 76 eingeschnitten sein, unter der Maßgabe, dass die Löcher keine Leckage bewirken. Die Löcher fördern ein zuverlässiges Löten der Plattenböden 50, 76 miteinander und reduzieren auch den Leitwiderstand der doppelten Plattendicke der planaren Bereiche 50, 76. Eine oder beide Platten 24, 26 können mit solchen Löchern versehen sein, wieder unter der Maßgabe, dass die Löcher in benachbarten Platten 24, 26 sich nicht ausrichten, um Leckagewege zu bilden. Die Löcher können in Größe und Anzahl variieren. Zum Zwecke der Darstellung zeigt 8 einen einzigen breiten Ausschnitt 118 (in gestrichelten Linien) im mittleren Bereich des Plattenbodens 50 zum Verbessern des Lötens zwischen Plattenboden 50 und Plattenboden 76 einer benachbarten Platte 26. 10 zeigt eine Mehrzahl von kleinen Löchern 119 in der Platte 24 und Löcher 121 in der Platte 26, um zuverlässig die Platten 24, 26 miteinander zu verlöten. Wie gezeigt, überlappen sich die Löcher 119, 121 nicht miteinander, so dass die Bildung von Leckagewegen durch die gepaarten Platten 24, 26 vermieden wird. Es sei auch bemerkt, dass Löcher 119, 121 über die planaren Bereiche der Plattenböden 50, 76 vorgesehen sein können, d. h. ausschließlich des Bereichs der Rippe 98, in dem weder 24 noch 26 perforiert sind, um die Bildung von Leckagewegen zu vermeiden.
Ein Wärmetauscher 200 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die 12–19 beschrieben. Der Wärmetauscher 20 schließt einen Kern mit einer Struktur ein, die ähnlich zu dem Kern 22 des Wärmetauschers 100 ist. Gleiche Elemente des Wärmetauschers 200 werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung dieser Elemente wird weiter unten weggelassen.
Der Kern 22 des Wärmetauschers 200 ist in sich geschlossen und benötigt kein externes Gehäuse. Der Wärmetauscher 200 kann außerdem eine Bodenplatte, die an dem Boden des Kerns 22 liegt, eine Oberplatte, die an der oberen Seite des Kerns 22 liegt, eine Basisplatte zur Befestigung und Einlass- und Auslassarmaturen für die Ladeluft und die zwei Kühlmittel umfassen, wobei keines der Elemente in den Figuren gezeigt ist.
Der Kern 22 ist aus einer Mehrzahl von Kernplatten hergestellt, die miteinander Seite an Seite verbunden sind, um alternierende Strömungskanäle für Ladeluft und die zwei Kühlmittel zu bilden. Kern 22 umfasst eine Mehrzahl von ersten Kernplatten 24 und eine Mehrzahl von zweiten Kernplatten 26. Obwohl der Kern des Wärmetauschers 200 in sich geschlossen und aus Kernplatten 24, 26 hergestellt ist, die miteinander Seite an Seite verbunden sind, sei bemerkt, dass der Wärmetauscher 200 stattdessen aus einem Stapel von schalenförmigen Platten mit ineinandergreifen hochstehenden Kanten hergestellt sein kann. Alternativ kann eine Konstruktion aus Stäben und Platten (Skelett) für den Wärmetauscher verwendet werden, obwohl diese Konfiguration weniger zugänglich für eine Massenproduktion ist.
Der Kern 22 des Wärmetauschers 200 umfasst ein Ladelufteingangsrohr 30, das aus ausgerichteten Ladelufteinlassöffnungen 32 und 34 in den jeweiligen Kernplatten 24 und 26 gebildet ist. Der Kern 22 umfasst auch ein Ladeluftauslassrohr 38, das aus ausgerichteten Ladeluftauslassöffnungen 40 und 42 der jeweiligen Kernplatten 24 und 26 gebildet ist.
Wie am besten in den Querschnitten der 17 und 19 zu sehen ist, ist der Plattenboden 50 der ersten Kernplatte 24 koplanar mit den Ladelufteinlass- und -auslassöffnungen 32, 40 angeordnet, derart, dass der Strömungskanal 51 für Ladeluft durch den Raum zwischen der Oberseite 46 der ersten Kernplatte 24 und der Unterseite 74 der benachbarten zweiten Kernplatte 26 definiert ist.
Das Einlassrohr 56 für gasförmiges Kühlmittel und das Auslassrohr 64 für gasförmiges Kühlmittel sind in Verbindung mit einem Strömungskanal 102 für gasförmiges Kühlmittel, der zwischen der Unterseite 48 der ersten Kernplatte 24 und der Oberseite 72 einer zweiten Kernplatte 26 liegt. Es kann gesehen werden, dass die Einlass- und Auslassöffnungen 58 und 66 für gasförmiges Kühlmittel der ersten Kernplatte 24 von dem Ladeluftströmungskanal durch eine hochstehende Wand 52 und durch eine Abdichtfläche 54, die vollständig die Öffnungen 58 und 66 umgibt, abgedichtet sind. Die Einlass- und Auslassöffnungen 60 und 68 für gasförmiges Kühlmittel der zweiten Kernplatte 26 sind in Strömungsverbindung mit dem Plattenboden 76, derart, dass jeder Strömungskanal 102 für gasförmiges Kühlmittel zwischen der Oberseite 72 einer zweiten Kernplatte und der Unterseite 48 einer benachbarten ersten Kernplatte 24 definiert ist.
In gleicher Weise sind das Einlass- und Auslassrohr 82 und 90 für flüssiges Kühlmittel durch die jeweiligen Einlassöffnungen 84, 86 für flüssiges Kühlmittel und Auslassöffnungen 92, 94 für flüssiges Kühlmittel definiert. Die Einlass- und Auslassöffnung 86, 94 für flüssiges Kühlmittel der zweiten Kernplatte 26 sind in Strömungsverbindung mit dem Plattenboden 76 und daher ist jeder Strömungskanal 104 für flüssiges Kühlmittel zwischen dem Plattenboden 76 einer zweiten Kernplatte 26 und dem Plattenboden 50 einer benachbarten ersten Kernplatte 24 definiert.
Es kann gesehen werden, dass die Konfiguration der Platten 24, 26 in dem Wärmetauscher 200 die Notwendigkeit für eine flache Trennplatte 28 des Wärmetauschers 100 eliminiert. Wie jedoch in 19 gezeigt ist, weisen die Ladeluftströmungskanäle 51 des Wärmetauschers 200 Bypasskanäle 120 an ihren Rändern auf, die durch das Vorhandensein einer sich nach oben erstreckenden Abdichtrippe (in der Form der hochstehenden Wand 52), die sich von der Oberseite 46 der Platte 24 nach oben erstreckt und eine benachbarte Abdichtrippe 122, die sich von der Bodenfläche 48 der Platte 24 nach unten erstreckt, bewirkt wird. Die Abdichtrippe 122 dichtet mit einer entsprechenden Rippe 124 ab, die sich von dem Plattenboden einer benachbarten Kernplatte 26 nach oben erstreckt, um die Ränder eines Kühlmittelströmungskanals 102, 104 abzudichten. Der Bypasskanal 120 erstreckt sich durchgehend zwischen dem Ladelufteinlassrohr und -auslassrohr 30, 38 und erzeugt für die Ladeluft in jedem der Ladeluftströmungskanäle Kanäle mit niedrigem Druckabfall. Diese Bypasskanäle 120 können teilweise oder vollständig durch lokale Deformation der Platte in diesem Bereich eliminiert werden, um eine Rippe zu erzeugen, die teilweise oder vollständig den Bypasskanal 120 absperrt. Beispielsweise ist, wie in 19 gezeigt, der Rand des Plattenbodens 50, der relativ zur Abdichtrippe 122 und dem Bypasskanal 120 erhöht ist, nach außen zu der hochstehenden Wand 52 deformiert, um so eine Sperrrippe 126 zu bilden, die teilweise den Bypasskanal 120 sperrt, wobei ein ausreichender Kontaktbereich zwischen den Abdichtrippen 122, 124 verbleibt, um eine wirksame Abdichtung aufrechtzuerhalten. Es sei bemerkt, dass verschiedene Sperrrippen 126 längs des Bypasskanals 120 entlang beider langen Seiten der Platte 24 vorgesehen sein können.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf begrenzt. Stattdessen umfasst die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die unter die folgenden Ansprüche fallen können.

Claims

Verfahren zum Kühlen eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms in einem Brennstoffzellensystem, einen Brennstoffzellenstapel, einen ersten Ladeluftkühler, der einen Gas-Gas-Ladeluftkühler umfasst, einen Gas-Gas-Befeuchter und einen zweiten Ladeluftkühler umfassend, wobei das Verfahren umfasst (a) Bereitstellen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms, der eine erste Temperatur (T₁) aufweist; (b) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch den ersten Ladeluftkühler im Wärmetausch mit einem Kathodenabgasstrom aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Kathodenabgasstrom eine zweite Temperatur (T₂) am Eingang des ersten Ladeluftkühlers aufweist und der unter Druck stehende Kathodenluftstrom auf eine dritte Temperatur (T₃) an einem Ausgang des ersten Ladeluftkühlers gekühlt wird; (c) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch den zweiten Ladeluftkühler im Wärmeaustausch mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel, das eine vierte Temperatur (T₄) an einem Kühlmitteleingang des Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühlers aufweist, wobei der unter Druck stehende Kathodenluftstrom auf eine fünfte Temperatur (T₅) an einem Ausgang des zweiten Ladeluftkühlers gekühlt wird; (d) Hindurchführen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms und des Kathodenabgasstroms durch den Gas-Gas-Befeuchter, wobei Wasserdampf von dem Kathodenabgasstrom an den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom in dem Befeuchter übertragen wird; und (e) Führen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms zu einem Kathodenlufteingang des Brennstoffzellenstapels; wobei der Kathodenabgasstrom durch den Gas-Gas-Befeuchter hindurchgeht, bevor er durch den ersten Ladeluftkühler hindurchgeht; und wobei der unter Druck stehende Ladeluftstrom durch den Befeuchter hindurchgeht, nachdem er durch den zweiten Ladeluftkühler hindurchgegangen ist und bevor er in den Kathodenlufteingang des Brennstoffzellenstapels eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei normalen Betriebsbedingungen T₂< T₃ <T₁ ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem bei normalen Betriebsbedingungen T₄ < T₅ < T₃ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kathodenabgasstrom bei einer sechsten Temperatur (T₆) an dem Eingang des Gas-Gas-Befeuchters liegt und wobei der unter Druck stehende Kathodenluftstrom eine siebente Temperatur (T₇) an dem Ausgang des Gas-Gas-Befeuchters aufweist, wobei T₅ < T₇ < T₆ bei normalen Betriebsbedingungen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei normalen Betriebsbedingungen T₂ < T₆ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühler ist und wobei das flüssige Kühlmittel Wärme von einer oder mehreren anderen Wärmequellen in dem Brennstoffzellensystem absorbiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Menge an Wärmeenergie, die aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von dem ersten Ladeluftkühler entfernt wird, größer ist als die Menge an Wärmeenergie, die durch den zweiten Ladeluftkühler aus dem unter Druck stehenden Kathodenluftstrom entfernt wird.
System zum Erzeugen eines unter Druck stehenden Kathodenluftstroms zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, umfassend: (a) einen ersten Ladeluftkühler, der einen Gas-Gas-Ladeluftkühler zum Kühlen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms von einer ersten Temperatur (T₁) auf eine dritte Temperatur (T₃) mit einem gasförmigen Kühlmittel, das eine zweite Temperatur (T₂) an einem Eingang des ersten Ladeluftkühlers aufweist, umfasst; (b) einen zweiten Ladeluftkühler zum Kühlen des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms von T₃ auf eine fünfte Temperatur (T₅) mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel, das eine vierte Temperatur (T₄) an einem Kühlmitteleingang des zweiten Ladeluftkühlers aufweist; (c) einen Gas-Gas-Befeuchter zum Erhöhen eines Wassergehalts des unter Druck stehenden Kathodenluftstroms durch Übertragung von Wasser aus einem befeuchtenden Gas; (d) einen Brennstoffzellenstapel, der einen Kathodenlufteingang und einen Kathodenabgasausgang aufweist; wobei das befeuchtende Gas einen Kathodenabgasstrom aus dem Kathodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels umfasst; das gasförmige Kühlmittel des ersten Ladeluftkühlers einen Kathodenabgasstrom umfasst, der erste Ladeluftkühler angeordnet ist, den Kathodenabgasstrom aus dem Befeuchter zu empfangen und der Befeuchter angeordnet ist, den Kathodenabgasstrom von dem Kathodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels zu empfangen.
System nach Anspruch 8, bei dem der erste Ladeluftkühler und der zweite Ladeluftkühler sequentiell angeordnet ist, derart, dass der zweite Ladeluftkühler den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei der dritten Temperatur T₃ von dem ersten Ladeluftkühler empfängt.
System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeit-Gas-Ladeluftkühler ist und wobei der erste Ladeluftkühler und der zweite Ladeluftkühler in einem Drei-Fluid-Ladeluftkühler integriert sind, der eine Mehrzahl von Strömungskanälen für den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom, eine Mehrzahl von Strömungskanälen für das gasförmige Kühlmittel und eine Mehrzahl von Strömungskanälen für das flüssige Kühlmittel umfasst.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Kathodenlufteingang den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von einem Gas-Gas-Befeuchter empfängt.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiterhin einen Kompressor umfassend, der Luft mit einer Umgebungstemperatur und -druck empfängt und die Umgebungsluft komprimiert, um den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom bei der ersten Temperatur (T₁) zu erzeugen, und wobei der erste Ladeluftkühler den unter Druck stehenden Kathodenluftstrom von dem Kompressor empfängt.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Gas-Gas-Befeuchter ein Membranbefeuchter ist.
System nach Ansprüche 8 oder 9, bei dem der zweite Ladeluftkühler ein Gas-Gas-Ladeluftkühler ist, wobei der zweite Ladeluftkühler durch einen Ventilator mit variabler Geschwindigkeit gekühlt wird und wobei der Ventilator mit variabler Geschwindigkeit von einem Steuerkreis gesteuert wird, derart, dass die Temperatur T₇ in einem gewünschten Bereich gehalten wird.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem der zweite Ladeluftkühler ein Flüssigkeits-Gas-Ladeluftkühler ist, bei dem der unter Druck stehende Kathodenluftstrom durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt wird, das durch einen Kühlkreis zirkuliert, der auch den Brennstoffstapel umfasst, und wobei der Kühlkreis eine Pumpe variabler Geschwindigkeit einschließt, die den Strom des flüssiges Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel und den zweiten Ladeluftkühler steuert.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler, umfassend eine Vielzahl von Platten, die in einem Plattenstapel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer sich von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende erstreckenden Länge angeordnet sind, wobei der Plattenstapel entlang seiner Länge in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufgeteilt ist, wobei der Ladeluftkühler eine Vielzahl von Ladeluftströmungskanälen aufweist, die durch den Stapel hindurch mit einer Vielzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen und einer Vielzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen alternieren, wobei der Drei-Fluid-Ladeluftkühler weiterhin umfasst: ein Ladelufteinlassrohr und ein Ladeluftauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von Ladeluftströmungskanälen, wobei das Ladelufteinlassrohr und das Ladeluftauslassrohr nahe den entgegengesetzten Enden des Plattenstapels angeordnet sind; ein erstes Kühlmitteleinlassrohr und ein zweites Kühlmittelauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen, wobei die ersten Kühlmittelströmungskanäle sich längs des zweiten Bereichs des Plattenstapels erstrecken, wobei das erste Kühlmitteleinlassrohr an dem zweiten Ende des Plattenstapels angeordnet ist und das erste Kühlmittelauslassrohr in dem zweiten Bereich des Plattenstapels, benachbart zu den Rippen, angeordnet ist; ein zweites Kühlmitteleinlassrohr und ein zweites Kühlmittelauslassrohr in Strömungsverbindung mit der Mehrzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen, wobei die zweiten Kühlmittelströmungskanäle sich längs des ersten Bereichs des Plattenstapels erstrecken und wobei das zweite Kühlmitteleinlassrohr in dem ersten Bereich des Plattenstapels, nahe den Rippen angeordnet ist und das zweite Kühlmittelauslassrohr an dem ersten Ende des Plattenstapels angeordnet ist.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach Anspruch 16, bei dem die Einlass- und Auslassrohre für die Ladeluft, das erste Kühlmittel und das zweite Kühlmittel integral mit dem Plattenstapel gebildet sind.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach Anspruch 17, bei dem die Ladeluftströmungskanäle sich über die Gesamtlänge des Plattenstapels erstrecken.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach Anspruch 18, weiterhin eine Mehrzahl von Rippen umfassend, die den ersten Bereich des Stapels von dem zweiten Bereich des Stapels trennen, wobei jede der Rippen in einer der Platten des Plattenstapels ausgebildet ist und sich quer über die Platte erstreckt, um einen der ersten Kühlmittelströmungskanäle von einem der zweiten Kühlmittelströmungskanäle zu trennen, derart, dass die Mehrzahl von Rippen die Vielzahl von ersten Kühlmittelströmungskanälen von der Mehrzahl von zweiten Kühlmittelströmungskanälen trennt.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Ladelufteinlassrohr an dem ersten Ende des Plattenstapels und das Ladeluftauslassrohr an dem zweiten Ende des Plattenstapels angeordnet sind.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem der Plattenstapel eine Mehrzahl von ersten Kernplatten und eine Mehrzahl von zweiten Kernplatten umfasst, wobei jede der ersten Kernplatten und jede der zweiten Kernplatten einen flachen Plattenboden aufweist, der von einer hochstehenden Wand umgeben ist; wobei der flache Plattenboden jeder der ersten Kernplatten zu dem flachen Plattenboden einer benachbarten Platte der zweiten Kernplatten abgedichtet ist, wobei Paare der ersten und zweiten zueinander abgedichteten Platten längs ihres Plattenbodens durch eine flache Trennplatte getrennt sind.
Drei-Fluid-Ladeluftkühler nach Anspruch 21, bei dem der flache Plattenboden mindestens einer der ersten und zweiten Kernplatte in jedem Paar von Platten mit mindestens einem Loch versehen ist.