WO2022183226A1

WO2022183226A1 - Kühlvorrichtung zur wenigstens teilweisen kühlung eines brennstoffzellensystems eines fahrzeugantriebs

Info

Publication number: WO2022183226A1
Application number: PCT/AT2022/060054
Authority: WO
Inventors: Johannes Mayr
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-09-09
Also published as: AT524789A4; DE112022000421A5; AT524789B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) eines Antriebs eines Fahrzeugs (200), aufweisend eine Radiatorvorrichtung (20) mit Kühlkanälen (22) zur Führung eines Kühlmittels (K) als Teil eines Kühlkreislaufs (150) für das Brennstoffzellensystem (100) und mit einem Einlassabschnitt (40) für einen Einlass einer Luftströmung (LS) entlang einer Einlassrichtung (ER), wobei die Radiatorvorrichtung (20) wenigstens zwei getrennte Radiatorabschnitte (24) mit unterschiedlichen Durchlassrichtungen (DR) quer zur Einlassrichtung (ER) für die Luftströmung (LS) aufweist zum Kühlen des Kühlmittels (K) in den Kühlkanälen (22), und wobei zwischen den wenigstens zwei Radiatorabschnitten (24) ein Einlassspalt (30) zum Führen der Luftströmung (LS) vom Einlassabschnitt (40) zu den Radiatorabschnitten (24) ausgebildet ist, weiter aufweisend eine Sprühvorrichtung (50) mit wenigstens einem Sprühventil (52) mit einer Sprührichtung (SR) in die Luftströmung (LS) im Einlassabschnitt (40) und/oder im Einlassspalt (30) und mit einem Wasserkanal (54) für eine Zuführung von Wasser (W) zum wenigstens einen Sprühventil (52).

Description

KÜHLVORRICHTUNG ZUR WENIGSTENS TEILWEISEN KÜHLUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS EINES FAHRZEUGANTRIEBS

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Antriebs eines Fahrzeugs, ein Fahr zeug mit einer solchen Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs.

Es ist bekannt, dass Fahrzeuge in naher Zukunft von Brennstoffzellensystemen an getrieben oder im Antrieb unterstützt werden sollen. Solche Brennstoffzellensysteme sind üblicherweise mit einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen ausgestattet. Um die Brennstoffzellen zu betreiben, werden sie mit Brenngas versorgt und es stellt sich eine Betriebstemperatur ein. Brennstoffzellen systeme, beispielsweise mit dem Brenngas Wasserstoff, können dabei eine Betriebs temperatur von circa 100 C° aufweisen. Um einem unerwünscht hohen Temperatur wert im Betrieb des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken, sind die bekannten Brennstoffzellensysteme mit Kühlkreisläufen ausgestattet. Solche Kühlkreisläufe füh ren üblicherweise ein Kühlmittel im Kreislauf, um über einen Wärmetauscher im Brennstoffzellenstapel Wärme aus diesem in das Kühlmittel zu übertragen. Das er wärmte Kühlmittel wird zu einem Radiator am Fahrzeug transportiert und dort durch Wärmeaustausch mit durchströmender Umgebungsluft wieder gekühlt. Das auf diese Weise wieder gekühlte Kühlmittel kann als Rücklauf zurückgeführt werden.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass ein solcher Kühlkreislauf über die gesamte Breite der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ausgelegt werden muss. Insbesondere muss also auch die Kühlfunktion gegeben sein, wenn das Brennstoffzellensystem in einer Spitzenlastsituation betrieben wird. Solche Spitzen lasten treten beispielsweise bei voll beladenen Nutzfahrzeugen bei Bergfahrten oder in kurzen Anfahrsituationen auf. Die längste Zeitspanne werden solche Brennstoffzel lensysteme bei Nutzfahrzeugen jedoch deutlich unterhalb der Spitzenlast betrieben. Dadurch, dass die bekannten Kühlvorrichtungen in der Auslegung an der Spitzenlast orientiert sind, müssen sie sehr groß, sehr schwer und sehr kostenintensiv ausgebil det werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorlie genden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kühlung zu gewähr leisten und für die gesamte Betriebsspanne in kleinerer, leichterer und/oder kosten günstigerer Weise die Kühlvorrichtung auszubilden. Bevorzugt ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine sehr große durchströmte Radiatorfläche zu schaffen mit entsprechend niedrigem Druckverlust am Radiator, wobei insbesondere eine kom pakte Bauweise eine Integration in bestehende Fahrzeugarchitekturen erlaubt.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkma len des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeich nungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfin dungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zu sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemä ßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den ein zelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.

Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient der wenigstens teilweisen Kühlung ei nes Brennstoffzellensystems eines Antriebs eines Fahrzeugs. Hierfür weist die Kühl vorrichtung eine Radiatorvorrichtung mit Kühlkanälen zur Führung eines Kühlmittels als Teil eines Kühlkreislaufes für das Brennstoffzellensystem auf. Darüber hinaus ist ein Einlassabschnitt für einen Einlass einer Luftströmung entlang einer Einlassrich tung vorgesehen. Die Radiatorvorrichtung ist mit wenigstens zwei getrennten Radia torabschnitten mit unterschiedlichen Durchlassrichtungen quer zur Einlassrichtung für die Luftströmung ausgestattet, um das Kühlmittel in den Kühlkanälen zu kühlen. Dabei ist zwischen den wenigstens zwei Radiatorabschnitten ein Einlassspalt zum Führen der Luftströmung vom Einlassabschnitt zu den Radiatorabschnitten ausgebil det. Weiter weist die Kühlvorrichtung eine Sprühvorrichtung mit wenigstens einem Sprühventil, mit einer Sprührichtung in die Luftströmung im Einlassabschnitt und/oder im Einlassspalt und einen Wasserkanal für eine Zuführung von Wasser zu mindes tens einem Sprühventil auf. Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung basiert auf grundsätzlich vorhandenen Kühl vorrichtungen eines Brennstoffzellensystems. Hier wird ein Kühlkreislauf eingesetzt, als Teil des Brennstoffzellensystems, welcher ein Kühlmittel im Kreislauf fördert. Die ses Kühlmittel, welches auch als primäres Kühlmittel bezeichnet werden kann, kann Wärme über einen Wärmetauscher im Brennstoffzellenstapel aufnehmen und zum Radiator der Kühlvorrichtung führen. Ebenfalls in bekannter Weise, durchströmt das erwärmte Kühlmittel die einzelnen Kühlkanäle des Radiators und kann dort durch Wärmeaustausch mit durchströmender Luftströmung wieder gekühlt werden. Für das Durchströmen der Luftströmung kann der Radiator Bohrungen und/oder Luftkanäle aufweisen, welche die Kühlkanäle wärmeübertragend kontaktieren. Anschließend wird das gekühlte Kühlmittel wieder dem Brennstoffzellenstapel im Kreislauf zur neuen Aufnahme von Wärme zurückgeführt.

Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke beruht nun darauf, die Radiatorvorrichtung mit separaten Radiatorabschnitten auszugestalten. Die einzelnen Radiatorabschnitte sind dabei separat voneinander ausgebildet und so zueinander angeordnet, dass sie eine Durchlassrichtung quer zur Einlassrichtung für die Luftströmung aufweisen. Mit anderen Worten wird eine solche Radiatorvorrichtung beispielsweise im Frontbereich eines Fahrzeuges quer, insbesondere senkrecht, zur Fahrtrichtung angeordnet. Ähn lich bekannten Kühlergrills von Fahrzeugen, strömt also Luftströmung beim Fahren des Fahrzeugs, entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, entlang der Einlassrich tung in den Einlassabschnitt ein. Bei den bekannten Radiatorvorrichtungen folgt die Luftströmung dieser Einlassrichtung entlang der Fahrtrichtung des Fahrzeugs durch die Radiatorvorrichtung hindurch und wird auf diese Weise auf der Rückseite der Ra diatorvorrichtung in erwärmter Form austreten.

Im Gegensatz zu den bekannten Radiatorvorrichtungen wird durch die Aufteilung in separate Radiatorabschnitte nun ein Umlenken der Luftströmung möglich. Die Luft strömung wird quer zur Einlassrichtung in die Durchlassrichtungen umgelenkt und durchströmt damit quer zur Einlassrichtung die mindestens zwei getrennten Radiator abschnitte. Die Wärmeübertragung findet dabei in identischer Weise statt, sodass Wärme vom Kühlmittel in den Kühlkanälen der Radiatorabschnitte an die durchströ mende Luftströmung abgegeben wird. Durch das Querstellen der einzelnen Radiatorabschnitte, insbesondere senkrecht zur Einlassrichtung und damit parallel zueinander, kann die gesamte Radiatorfläche deutlich erhöht werden, ohne die Breite der gesamten Radiatorvorrichtung signifikant zu vergrößern. Es ist also möglich, bei begrenzter Breite der Front eines Fahrzeugs, eine deutlich vergrößerte Radiatorfläche für den Wärmeübergang zur Verfügung zu stellen im Vergleich zu den bekannten Lösungen zur Verfügung zu stellen.

Wie bereits erläutert worden ist, ist bei dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems für den Antrieb eines Fahrzeugs der überwiegende Regelbetrieb von Spitzenlastsitu ationen zu unterscheiden. Somit wird es erfindungsgemäß möglich, den Regelbetrieb in der beschriebenen Weise durch die Radiatorabschnitte zu kühlen. Ist eine Spit zenlastsituation vorhanden, reicht diese normale Kühlfunktion nicht aus. Es ist also ein zusätzliches Kühlen notwendig. Diese Zusatzkühlmenge wird erfindungsgemäß durch die Sprühvorrichtung gewährleistet. Die Sprühvorrichtung erlaubt es, ein se kundäres Kühlmittel in Form von Wasser in den Einlassabschnitt und/oder in den Einlassspalt zu sprühen. Damit wird die eingetretene Luftströmung im Vergleich zur Umgebungstemperatur abgekühlt. Dieses Abkühlen der Luftströmung erfolgt noch bevor die Luftströmung durch die einzelnen Radiatorabschnitte tritt. Es ist somit mög lich, die Temperaturdifferenz zwischen der Luftströmung beim Durchtritt durch die Radiatorabschnitte und der Temperatur des Kühlmittels in den Kühlkanälen, zu erhö hen und damit die Kühlleistung durch den vergrößerten Temperaturgradienten zu verstärken. Befindet sich also ein Brennstoffzellensystem in einer Spitzenlastsitua tion, führt dies dazu, dass das Kühlmittel mit einer höheren Temperatur in die Kühl kanäle der Radiatorabschnitte befördert wird. Um möglichst gleichbleibend einen Kühleffekt und eine reduzierte Temperatur nach den Kühlkanälen für das Kühlmittel zu erreichen, wird nun durch das Verwenden der Sprühvorrichtung, die Temperatur differenz zur durchströmenden Luftströmung vergrößert, sodass auf diese Weise ein erhöhter Kühleffekt zur gleichen oder im Wesentlichen gleichen Kühltemperatur im Rücklauf des gekühlten Kühlmittels führt.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, können nun die Radiator vorrichtung und insbesondere die einzelnen Radiatorabschnitte, trotz sehr kompakter Bauweise, mit einer hohen Kühlleistung durch eine hohe Radiatorfläche ausgestattet werden. Darüber hinaus kann diese Kühlleistung auf die normale Betriebsweise des Brennstoffzellensystems begrenzt werden, da Spitzenlastsituationen mit zusätzlichem Kühlbedarf durch zusätzliche Kühlleistungen aus der Sprühvorrichtung abgedeckt werden können. Die Sprühvorrichtung ist dabei sehr klein und kompakt ausgebildet und trägt insbesondere nicht oder nur in sehr geringer Weise, zur Ver größerung der Kühlvorrichtung bei. Das Wasser, welches im Wasserkanal für die Sprühventile verwendet wird, kann von einem separaten Wasserbehälter zur Verfü gung gestellt werden. Jedoch ist es auch denkbar, dass dieses Wasser aus anderen Bereichen des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird, insbesondere in Form von Produktwasser, welches im Abgasstrom des Brennstoffzellensystems bei dessen Be trieb vorhanden ist.

Erfindungsgemäß werden also die einzelnen Radiatorabschnitte im Vergleich zu den bekannten Lösungen winklig gestellt, insbesondere im Wesentlichen senkrecht ge stellt. Dabei sind die Radiatorabschnitte sozusagen entlang oder im Wesentlichen entlang der Einlassrichtung im Einlassabschnitt und damit entlang oder im Wesentli chen entlang der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs ausgerichtet. Jedoch ist es auch denkbar, dass eine winklige Anordnung von bis zu beispielsweise 45° oder sogar bis zu 60° für einzelne Radiatorabschnitte vorgesehen ist. Auch ist ein Überlappen oder zumindest teilweises Überlappen einzelner Radiatorabschnitte in Querrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden bereits dann erzielt, wenn eine gesamte Ra diatorvorrichtung in wenigstens zwei separate und voneinander getrennte Radiator abschnitte aufgeteilt wird. Auch kann eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung sowohl passiv als auch aktiv, beispielsweise durch den Einsatz eines später noch erläuterten Lüfterrades, betrieben werden. In Summe kann eine verbesserte Kühlleistung mit gleichbleibendem oder reduziertem Bauraum erzielt werden. Darüber hinaus ist eine Zusatzkühlung in sehr einfacher, kostengünstiger und effizienter Weise durch die Sprühvorrichtung möglich. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass insbesondere eine senkrechte Anordnung der Radiatorabschnitte entlang einer Höhenrichtung des Fahrzeugs bevorzugt sein kann. Dies führt dazu, dass bei größeren Fahrzeugen ent sprechend größerer vorhandener Bauraum in dieser Höhenrichtung sehr einfach ver wendet werden kann, da eine Höhenskalierung und damit eine Verlängerung der Ra diatorabschnitte sowie der Sprühvorrichtung sehr einfach und kostengünstig kon struktiv umsetzbar ist. Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung die Radiatorabschnitte jeweils mehrere Kühlkanäle aufweisen, welche sich insbeson dere entlang einer Höhenrichtung der Kühlvorrichtung erstrecken und plattenförmig ausgebildet sind, wobei die Durchlassrichtung quer, insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, zur Höhenrichtung ausgerichtet ist. Bei dieser Ausführungs form handelt es sich um eine besonders kompakte und einfache Ausgestaltung der Kühlvorrichtung. Die plattenförmigen Radiatorabschnitte können dabei in einer Durchlassrichtung quer zur Höhenrichtung entsprechende Durchlassöffnungen oder Durchlasskanäle für die Luftströmung aufweisen. Die plattenförmige Anordnung ne beneinander führt zu einer parallelen oder im Wesentlichen parallelen Anordnung der Radiatorabschnitte zueinander. Die Kompaktheit in der Breitenrichtung wird dabei deutlich vergrößert. Nicht zuletzt ist hier bereits gut zu erkennen, dass entlang der Höhenrichtung durch eine Vergrößerung der Länge der Radiatorabschnitte und der Kühlkanäle entsprechend sehr einfach und kostengünstig eine konstruktive Vergrö ßerung der Kühlvorrichtung und damit auch der Kühlleistung erzielt werden kann. Die Durchströmung der Kühlkanäle erfolgt dabei vorzugsweise von unten nach oben ebenfalls entlang der Höhenrichtung.

Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühl vorrichtung die Durchlassrichtung der Radiatorabschnitte senkrecht oder im Wesent lichen senkrecht zur Einlassrichtung ausgerichtet ist. Ähnlich der parallelen oder im Wesentlichen parallelen Anordnung der Radiatorabschnitte gemäß dem voranste henden Absatz wird auf diese Weise eine sehr kompakte Bauweise der Kühlvorrich tung erzielt. Ein weiterer Vorteil ist es, dass sich bei dieser Ausgestaltung Partikel in Form von Wassertropfen, Feststoffen oder anderen Verunreinigungen, wie beispiels weise Insekten, durch die Massenträgheit entlang der Einlassrichtung auch nach dem Um lenken der Luftströmung weiter entlang der Einlassrichtung bewegen. Es ist also auch möglich, große Tropfen abzufangen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Abtrennung solcher Partikel aus dem Luftstrom zu erzielen, bevor diese Luftströ mung durch die Radiatorabschnitte hindurchdringt. Dies verhindert zum einen, einen erhöhten Verschleiß der Radiatorabschnitte, zum anderen auch ein vollständiges o- der temporäres Blockieren der Durchlassöffnungen in den Radiatorabschnitten. Ins besondere dann, wenn die Sprühvorrichtung eingesetzt wird, wird eine aktive Be feuchtung und damit eine Sprühkühlung der Luftströmung erfolgen. So kann es sein, dass sich größere Wassertröpfchen in der Luftströmung bilden, die bei einer solchen Ausführungsform nicht auf die Radiatorabschnitte gelangen, sondern vielmehr ent lang der Einlassrichtung trotz Umlenken der Luftströmung in die Durchlassrichtung weitergetragen werden. Es erfolgt also ein Abtrennen dieser Wassertröpfchen und damit einer Vermeiden eines Blockierens der Radiatorabschnitte.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung die Radiatorvorrichtung sekundäre Kühlkanäle eines sekundären Kühlkreislaufs auf weist. Während grundsätzlich eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ihre Vorteile bereits für einen einzigen Kühlkreislauf zur Verfügung stellt, können auch mehrere Kühlkreisläufe in einer solchen Radiatorvorrichtung kombiniert werden. So können unterschiedliche Kühlkanäle als primäre Kühlkanäle und andere Kühlkanäle als se kundäre Kühlkanäle ausgebildet werden. Bevorzugt ist es, wenn komplette Radiator abschnitte ausschließlich spezifisch einem dieser Kühlkreisläufe zugewiesen sind.

So kann beispielsweise ein Brennstoffzellensystem einen heißen Kühlkreislauf und einen mittleren Kühlkreislauf mit mittleren Temperaturen aufweisen. Die einzelnen Radiatorabschnitte können spezifisch diesen unterschiedlichen Kühlkreisläufen des Brennstoffzellensystems konstruktiv zugewiesen sein. Auch eine Integration eines Kühlkreislaufs einer Klimaanlage des Fahrzeugs ist hier denkbar. Dabei ist noch da rauf hinzuweisen, dass die Ausbildung sekundärer Kühlkanäle eines sekundären Kühlkreislaufs konstruktiv fest vorgegeben sein kann. Jedoch ist es auch denkbar, dass mithilfe einer oder mehrerer Ventilvorrichtungen eine Schaltbarkeit gegeben ist, wie sie nachfolgend noch erläutert wird.

So kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ge mäß dem voranstehenden Absatz, die Kühlkanäle und die sekundären Kühlkanäle über Ventilvorrichtungen schaltbar ausgebildet sind. Dies kann im einfachsten Fall ein Ein- und ein Ausschalten eines Radiatorabschnitts für den jeweiligen Kühlkreis lauf darstellen. Auch ist ein qualitatives Schalten möglich, um den Volumenstrom durch den jeweiligen Radiatorabschnitt spezifisch für den jeweiligen Kühlkreislauf qualitativ variieren zu können. Auch ist ein komplexes Verschalten der einzelnen Ra diatorabschnitte mit den einzelnen Kühlkreisläufen denkbar, sodass je nach aktueller Temperatursituation im jeweiligen Kühlkreislauf, eine größere Anzahl oder eine gerin gere Anzahl von Radiatorabschnitten diesem Kühlkreislauf flexibel zugewiesen wer den kann. Insbesondere kann dabei in den unterschiedlichsten Situationen die maximale Kühlleistung aller Radiatorabschnitte auf die einzelnen Kühlkreisläufe flexi bel oder im Wesentlichen flexibel angepasst werden.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung die Sprühvorrichtung neben einem Einlassspalt angeordnet ist, insbesondere zwischen zwei benachbarten Einlassspalten, und sich insbesondere der Wasserkanal und der Einlassspalt entlang der Höhenrichtung der Kühlvorrichtung erstrecken. Sind bei spielsweise 2, 4, insbesondere in gerader Zahl alternierend, mehrere Radiatorab schnitte vorgesehen, so können sich Einlassspalte und eine Abdeckung eines ge meinsamen Wasserkanals zwischen den Radiatorabschnitten abwechseln. Dies führt zu einer modularen Aufbauweise, welche auch in der Breite im Wesentlichen beliebig erweiterbar ist. Der Wasserkanal kann auch als sogenanntes Common-Rail und ge meinsame Wasserversorgung bezeichnet werden, welche in der Lage ist, Sprühven tile auf beiden Seiten, also für jeweils zwei benachbarte Einlassspalte, über die ge samte Höhenrichtung mit Wasser zu versorgen. Dies erlaubt es, mit einer sehr einfa chen Konstruktionsweise eine sehr breite Zusatzkühlung über eine Vielzahl von ein zelnen Sprühventilen zu gewährleisten.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Wasserkanal der Sprühvorrichtung einen Anschluss an einen Wasserspeicher und/o der an einen Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems zum Aufnehmen von Pro duktwasser aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass insbesondere Wasser von außen nachgefüllt und zwischengespei chert werden kann. Auch ein Zwischenspeichern von Produktwasser, welches beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, ist hier denkbar. So kann beispiels weise flüssiges Produktwasser im Abgasstrom des Brennstoffzellenstapels und/oder gasförmiges Produktwasser in kondensierter Weise in diesen Wasserspeicher zu rückgeführt werden. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Komplexität und einer Erhöhung der Einsatzflexibilität einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Erfindungsgemäß bringt es weitere Vorteile mit sich, wenn bei der Kühlvorrichtung zwischen den wenigstens zwei Radiatorabschnitten, insbesondere entlang der Ein lassrichtung am Ende der Radiatorabschnitte, eine Auffangrinne angeordnet ist, für ein Auffangen von flüssigem Wasser aus der Sprühvorrichtung. Bei dieser Auf fangrinne handelt es sich also um eine Art Drainagevorrichtung, welche Wasser, welches nicht zur zusätzlichen Kühlung der Luftströmung verwendet worden ist, auf fängt und in definierter Weise abführt. Diese Auffangrinne erstreckt sich vorzugs weise entlang der Höhenrichtung, sodass eine Schwerkraftförderung des aufgefan genen Wassers in der Rinne nach unten möglich ist. Am unteren Ende dieser Auf fangrinnen können entsprechende Auffangbehälter vorgesehen sein, welche in der Lage sind, das aufgefangene und abgeführte Wasser aufzunehmen und entweder an die Umgebung abzuführen oder einer weiteren Nutzung zuzuführen.

Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer Kühlvorrichtung gemäß dem voran stehenden Absatz, die Auffangrinne einen Anschluss an den Wasserkanal der Sprühvorrichtung aufweist, für ein Überführen von aufgefangenem Wasser in den Wasserkanal. Ein solcher Anschluss kann direkt oder indirekt zur Verfügung gestellt sein und dient dazu, das aufgefangene Wasser in dem Wasserkanal nochmals wie derzuverwenden. Auch kann auf diese Weise Luftfeuchtigkeit oder eingebrachte Re gentropfen, welche über die Auffangrinne abgeführt werden, ebenfalls der Zusatz kühlung zugeführt werden. Dies ist insbesondere korreliert mit einer Schwerkraftför derung für das in der Auffangrinne aufgefangene Wasser, wie sie im voranstehenden Absatz erläutert worden ist.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Einlassabschnitt, insbesondere benachbart zu den Sprühventilen, eine Schutz wandung angeordnet ist, für einen Schutz der Sprühventile und/oder der Radiatorab schnitte gegen mechanische Beschädigung. Eintretende Partikel, beispielsweise Steinschlag oder Insekten, werden auf diese Weise abgebremst oder am weitern Eintritt vollständig gehindert, sodass die Sprühventile selbst, aber auch die Radiator abschnitte, vor mechanischer Beschädigung durch solche Partikel geschützt sind. Darüber hinaus kann eine solche Schutzwandung auch dazu dienen, dass das ver sprühte Wasser nicht nach vorne aus dem Einlassabschnitt entweicht, sondern der gewünschten Zusatzkühlung in der Luftströmung vollständig oder im Wesentlichen vollständig zur Verfügung gestellt wird.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrich tung die Kühlkanäle der Radiatorabschnitte parallel oder im Wesentlichen parallel zu einander verlaufen. Neben einer kostengünstigen und einfachen Fertigungsmöglich keit für die Radiatorabschnitte führt dies zu einem verbesserten Strömungsverlauf des Kühlmittels in den Kühlkanälen und einem verbesserten Wärmeübergang zu der durchströmenden Luftströmung. Die gleiche Wärmeübertragungsfunktionalität wird dabei vorzugsweise für alle Kühlkanäle gewährleistet, sodass nach dem Durchströ men der Kühlkanäle im Rücklaufbereich der Kühlkanäle, für alle Radiatorabschnitte und für alle Kühlkanäle eine identische oder im Wesentlichen identische Rücklauf temperatur erreicht werden kann. Dies harmonisiert und homogenisiert die Kühlfunk tion einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühl vorrichtung für eine aktive Förderung der Luftströmung durch die Radiatorabschnitte eine gemeinsame Lüftervorrichtung vor dem Einlassabschnitt, im Einlassabschnitt und/oder nach den Radiatorabschnitten angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei die An ordnung einer solchen Lüftervorrichtung nach den Radiatorabschnitten, sodass sie ebenfalls vor mechanischer Beschädigung durch entsprechend eintretende Partikel geschützt ist. Dies führt zu einer aktiven Unterstützung der Luftströmung, wenn ein Lüfterrad einer solchen Lüftervorrichtung in Betrieb genommen wird. Befindet sich das Fahrzeug beispielsweise in einem Standbetrieb oder im Stau, so findet nur eine sehr reduzierte passive Luftströmung durch die Radiatorabschnitte statt. Erfindungs gemäß kann bei dieser Ausführungsform auch in solchen Sondersituationen die Luft strömung aktiv erzeugt oder zumindest unterstützt werden. Bei sehr heißen Außen temperaturen kann auch bei Fährbetrieb und bestehender passiver Luftströmung, diese noch weiter verstärkt werden, um einen gewünschten starken Kühleffekt zur Verfügung zu stellen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem für den Antrieb oder eine Unterstüt zung des Antriebs des Fahrzeugs. Ein solches Fahrzeug weist eine erfindungsge mäße Kühlvorrichtung zur Kühlung des Brennstoffzellensystems auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Das Brenn stoffzellensystem ist mit dem bereits erläuterten Kühlkreislauf ausgestattet, wobei ein Teil dieses Kühlkreislaufs durch die Kühlkanäle der Radiatorabschnitte zur Verfü gung gestellt wird. Auch weitere Kühlkreisläufe, zum Beispiel des gleichen Brenn stoffzellensystems und/oder eines separaten Klimaanlagensystems des Fahrzeugs, können hier in die Kühlvorrichtung integriert und insbesondere spezifisch einzelnen Radiatorabschnitten zugewiesen sein.

Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug die Kühlvor richtung in einem Frontabschnitt des Fahrzeugs angeordnet ist. So kann beispiels weise hinter dem Kühlergrill eines Fahrzeugs die Kühlvorrichtung angeordnet sein, sodass im Fährbetrieb eine passive Anströmung durch den Fahrtwind die Luftströ mung zur Verfügung stellt. Auch ist dieser Bereich üblicherweise für die Kühlvorrich tung freigehalten, sodass auch ein Nachrüsten bestehender Fahrzeugkonstruktionen möglich ist. Es ist damit eine direkte Anströmung im Fährbetrieb möglich und eine In tensivierung der passiv erzeugten und zur Verfügung gestellten Luftströmung.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Küh lung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfin dung, aufweisend die folgenden Schritte:

- Fördern eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf zur Aufnahme von Wärme im Brennstoffzellensystem,

- Fördern des erwärmten Kühlmittels in die Kühlkanäle der Radiatorab schnitte,

- Durchführen einer Sprühkühlung mittels der Sprühvorrichtung für die Luft strömung vor dem Durchströmen der Radiatorabschnitte.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Fahrzeug sowie mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Die Zusatzkühlung in Form der Sprühkühlung kann vorzugsweise schaltbar sein, sodass diese nur in Spit zenlastsituationen bei erhöhtem Kühlbedarf, eingeschaltet wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema tisch: Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrich tung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühl vorrichtung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühl vorrichtung,

Fig. 4 die Ausführungsform der Figur 3 in einer Ansicht entlang der

Einlassrichtung,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs und

Fig. 6 die Ausführungsform der Figur 5 in Frontansicht.

Figur 1 zeigt schematisch eine besonders einfache erfindungsgemäße Kühlvorrich tung 10. Diese ist mit einer Radiatorvorrichtung 20 mit hier zwei separaten Radiator abschnitten 24 ausgestattet. Die Radiatorabschnitte 24 sind plattenförmig ausgebil det und parallel zueinander angeordnet. Ein trichterförmiger Einlassabschnitt 40 er laubt es, dass Luftströmung LS in den Einlassabschnitt 40 eindringt. Diese Luftströ mung LS folgt der Einlassrichtung ER in die Einlassspalte 30 oberhalb und unterhalb, bezogen auf die Einlassrichtung ER links und rechts der beiden Radiatorabschnitte 24. In diesen Einlassspalten 30 erfolgt ein Umlenken der Luftströmung LS in die Durchlassrichtung DR, wobei beim Durchtritt durch die Radiatorabschnitte 24, Kühl mittel K in den Kühlkanälen 22 gekühlt wird. Auf der Rückseite, in Figur 1 links darge stellt, tritt auf diese Weise erwärmte Luftströmung LS wieder aus, und wird insbeson dere der Umgebung des Fahrzeugs 200 zugeführt.

Neben dieser hauptsächlichen Kühlfunktion kann mithilfe einer Sprühvorrichtung 50 eine Sprühkühlung als Zusatzkühlung zur Verfügung gestellt werden. Für jeden Ein lassspalt 30 ist hier mindestens ein Sprühventil 52 mit einer Sprührichtung SR vorge sehen, welche die eintretende Luftströmung LS mit Wasser W aus dem gemeinsa men Wasserkanal 54 befeuchten kann. Dabei ist diese Sprühkühlung vorzugsweise qualitativ oder quantitativ schaltbar, sodass diese Zusatzkühlung ein- und ausge schaltet oder sogar qualitativ variiert werden kann. Weiter zeigt die Figur 1 entlang der Einlassrichtung ER am Ende des jeweiligen Ein lassspaltes 30 eine Auffangrinne 32. Diese Auffangrinne 32 dient dazu, Partikel, aber auch Wassertropfen, aufzufangen und nach unten, in der Figur 1 in die Bildebene hinein, abzuführen. Diese aufgefangenen Partikel werden entweder an die Umge bung abgeführt oder Wasser W, welches auf diese Weise mit Schwerkraftförderung nach unten abgeführt wird, in den Wasserkanal 54 zurückgefördert.

Figur 2 zeigt eine Variante, welche grundsätzlich auf der Lösung der Figur 1 basiert, jedoch insgesamt acht separate Radiatorabschnitte 24 aufweist. Die entsprechende Kühlleistung ist damit deutlich verstärkt und insbesondere ist gut zu erkennen, dass in der Breite des Fahrzeugs (in Figur 2 in der Ausrichtung von oben nach unten) eine sehr geringe Vergrößerung der Erstreckung der Radiatorvorrichtung 20 zu einer sehr starken Vergrößerung der Radiatorfläche führt. Die Funktionalität der Figur 2 ent spricht der der Figur 1, jedoch mit deutlich verstärkter Kühlleistung.

Figur 3 basiert auf der Ausführungsform der Figur 2, wobei jedoch hier zusätzlich eine Lüftervorrichtung 60 vorgesehen ist. Diese Lüftervorrichtung 60 ist hinter den Radiatorabschnitten 24 angeordnet und arbeitet also im Saugbetrieb für die Unter stützung der Luftströmung LS. Auf diese Weise wird es möglich, auch im Standbe trieb im Stau oder bei geringer Geschwindigkeit, eine erzwungene Luftströmung LS mit entsprechendem Kühleffekt zur Verfügung zu stellen.

Figur 4 zeigt die Frontansicht entlang der Einlassrichtung ER der Figur 3. Hier ist gut zu erkennen, wie sich die einzelnen Radiatorabschnitte 24 entlang der Höhenrich tung HR erstrecken. Diese Höhenrichtung HR ist auch eine Variationsmöglichkeit, um konstruktiv einfach die Kühlvorrichtung 10 nach oben zu verlängern. Hier ist auch gut die Integration mehrerer Kühlkreisläufe 150, 160 und 170 zu erkennen. Während der Hauptkühlkreislauf 150 des Brennstoffzellensystems 100 die Großzahl der Radi atorabschnitte 24 von unten nach oben durch die Kühlkanäle 22 durchströmt, sind die beiden Radiatorabschnitte 24 am linken und am rechten Rand für sekundäre Kühlkreisläufe 160 und 170 vorgesehen. Dabei können, hier nicht dargestellt, Ventil vorrichtungen eine Schaltbarkeit für die einzelnen Kühlkreisläufe 150, 160 und 170 und die einzelnen Radiatorabschnitte 24 zur Verfügung stellen. Die einzelnen Sprühventile 52 der Sprühvorrichtungen 50 sind über die gesamte Höhenrichtung HR angeordnet. Auch ist hier noch gut zu erkennen, dass am, in Schwerkraftrichtung gesehen unteren, Ende der Radiatorabschnitte 24, ein Ende einer Auffangrinne 32 vorgesehen ist, um aufgefangenes Wasser W abzuführen oder den Wasserkanälen 54 der Sprühvorrichtungen 50 zurückführen zu können.

Die Figuren 5 und 6 zeigen beispielhaft ein Fahrzeug 200. Dieses ist im Frontab schnitt 210 mit einer Kühlvorrichtung 10 mit entsprechender Radiatorvorrichtung 20 ausgestattet. Für den Antrieb des Fahrzeugs 200 ist ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist darüber hinaus noch eine Rückführung von Wasser W als Produktwasser aus einem Abgasabschnitt 140 des Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen. Auch kann hier ein Zwischenspeicher 142 für das gewonnene Produktwasser vor Erreichen der Ra diatorabschnitte 20 zur Verfügung gestellt sein.

Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Aus führungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Kühlvorrichtung 20 Radiatorvorrichtung 22 Kühlkanal 24 Radiatorabschnitt 26 sekundärer Kühlkanal 30 Einlassspalt 32 Auffangrinne 40 Einlassabschnitt 42 Schutzwandung 50 Sprühvorrichtung 52 Sprühventil 54 Wasserkanal 60 Lüftervorrichtung

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

140 Abgasabschnitt

142 Wasserspeicher

150 Kühlkreislauf

160 sekundärer Kühlkreislauf

170 weiterer sekundärer Kühlkreislauf

200 Fahrzeug

210 Frontabschnitt

LS Luftströmung ER Einlassrichtung DR Durchlassrichtung SR Sprührichtung HR Höhenrichtung K Kühlmittel

W Wasser

Claims

Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (10) zur wenigstens teilweisen Kühlung eines Brennstoffzel lensystems (100) eines Antriebs eines Fahrzeugs (200), aufweisend eine Ra diatorvorrichtung (20) mit Kühlkanälen (22) zur Führung eines Kühlmittels (K) als Teil eines Kühlkreislaufs (150) für das Brennstoffzellensystem (100) und mit einem Einlassabschnitt (40) für einen Einlass einer Luftströmung (LS) ent lang einer Einlassrichtung (ER), wobei die Radiatorvorrichtung (20) wenigs tens zwei getrennte Radiatorabschnitte (24) mit unterschiedlichen Durchlass richtungen (DR) quer zur Einlassrichtung (ER) für die Luftströmung (LS) auf weist zum Kühlen des Kühlmittels (K) in den Kühlkanälen (22), und wobei zwi schen den wenigstens zwei Radiatorabschnitten (24) ein Einlassspalt (30) zum Führen der Luftströmung (LS) vom Einlassabschnitt (40) zu den Radiator abschnitten (24) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sprüh vorrichtung (50) mit wenigstens einem Sprühventil (52) mit einer Sprührichtung (SR) in die Luftströmung (LS) im Einlassabschnitt (40) und/oder im Einlass spalt (30) und mit einem Wasserkanal (54) für eine Zuführung von Wasser (W) zum wenigstens einen Sprühventil (52) vorgesehen ist.

2. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiatorabschnitte (24) jeweils mehrere Kühlkanäle (22) aufweisen, welche sich insbesondere entlang einer Höhenrichtung (HR) der Kühlvorrichtung (10) erstrecken, und plattenförmig ausgebildet sind, wobei die Durchlassrichtung (DR) quer, insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, zur Hö henrichtung (HR) ausgerichtet ist.

3. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassrichtung (DR) der Radiatorabschnitte (24) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Einlassrichtung (ER) ausgerich tet ist.

4. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiatorvorrichtung (20) sekundäre Kühlkanäle (26) eines sekundären Kühlkreislaufs (160, 170) aufweist.

5. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (22) und die sekundären Kühlkanäle (26) über Ventilvorrichtungen schaltbar ausgebildet sind.

6. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (50) neben einem Einlassspalt (30) angeordnet ist, insbesondere zwischen zwei benachbarten Einlassspalten (30) und sich insbesondere der Wasserkanal (54) und der Einlassspalt (30) entlang der Höhenrichtung (HR) der Kühlvorrichtung (10) erstrecken.

7. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkanal (54) der Sprühvorrichtung (50) einen Anschluss an einen Wasserspeicher (142) und/oder an einen Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100) zum Aufnehmen von Produktwasser aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems (100) aufweist.

8. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den wenigstens zwei Radiatorabschnitten (24), insbesondere entlang der Einlassrichtung (ER) am Ende der Radiatorab schnitte (24), eine Auffangrinne (32) angeordnet ist für ein Auffangen von flüs sigem Wasser aus der Sprühvorrichtung (50).

9. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangrinne (32) einen Anschluss an den Wasserkanal (54) der Sprühvorrich tung (50) aufweist für ein Überführen von aufgefangenem Wasser in den Was serkanal (50).

10. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlassabschnitt (40), insbesondere benachbart zu den Sprühventilen (52), eine Schutzwandung (42) angeordnet ist für einen Schutz der Sprühventile (52) und/oder der Radiatorabschnitte (24) gegen me chanische Beschädigung durch Partikel.

11. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (22) der Radiatorabschnitte (24) parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

12. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine aktive Förderung der Luftströmung (LS) durch die Radiatorabschnitte (24) eine gemeinsame Lüftervorrichtung (60) vor dem Einlassabschnitt (40), im Einlassabschnitt (40) und/oder nach den Radiatorab schnitten (24) angeordnet ist.

13. Fahrzeug (200), insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensys tem (100) für den Antrieb oder eine Unterstützung des Antriebs des Fahrzeugs (200), aufweisend eine Kühlvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der An sprüche 1 bis 12 zur Kühlung des Brennstoffzellensystems (100).

14. Fahrzeug (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl vorrichtung (10) in einem Frontabschnitt (210) des Fahrzeugs (200) angeord net ist.

15. Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahr zeugs (200) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 13 oder 14, aufweisend die folgenden Schritte:

- Fördern eines Kühlmittels (K) in einem Kühlkreislauf (150) zur Auf nahme von Wärme im Brennstoffzellensystem (100),

- Fördern des erwärmten Kühlmittels (K) in die Kühlkanäle (22) der Radi atorabschnitte (24),

- Durchführen einer Sprühkühlung mittels der Sprühvorrichtung (50) für die Luftströmung (LS) vor dem Durchströmen der Radiatorabschnitte (24).