WO2022207311A1 - Kühlanordnung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2022207311A1
WO2022207311A1 PCT/EP2022/056717 EP2022056717W WO2022207311A1 WO 2022207311 A1 WO2022207311 A1 WO 2022207311A1 EP 2022056717 W EP2022056717 W EP 2022056717W WO 2022207311 A1 WO2022207311 A1 WO 2022207311A1
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Richard BRÜMMER
Gunther Hentschel
Thomas STRAUβ
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Mahle International Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a cooling arrangement for a fuel cell system and a fuel cell system with such a cooling arrangement.
  • cooling medium used to cool the fuel cell typically a cooling liquid—must be cooled with significantly increased heat transfer.
  • the basic idea of the invention is therefore to atomize water in the cooling air and cool it down by at least partially evaporating the water to water vapor before the cooling air absorbs heat from a cooling medium guided through the heat exchanger.
  • said cooling air can absorb a particularly large amount of heat from the cooling medium guided through the heat exchanger by thermal interaction or heat transfer.
  • the structure of the cooling arrangement proposed here is relatively simple, since the water for nebulizing and for evaporative cooling in the solution proposed here is introduced into the air path through which the cooling air flows anyway on the way to the heat exchanger.
  • nebulizer a device for nebulizing the water in the cooling air—hereinafter referred to as “nebulizer”—is arranged in the air path.
  • nebulizer a device for nebulizing the water in the cooling air.
  • This allows the cooling air to be easily cooled by evaporative cooling. Since--as explained above--the nebulization and the evaporative cooling take place in the air path, which in any case extends to the heat exchanger, the installation space required for such a cooling arrangement is very small.
  • the portion of the water that is not immediately evaporated in the form of water droplets can be guided to the heat exchanger together with the cooling air and there by evaporation on the surface of the heat exchanger, just like the cooling air with the evaporated Water absorbs heat from the cooling medium guided through the heat exchanger.
  • the cooling medium guided through the heat exchanger can be cooled with high efficiency in a simple manner and with little need for installation space.
  • a cooling arrangement according to the invention for a fuel cell system comprises a heat exchanger through which a cooling medium can flow, which for cooling by means of cooling air is arranged at least partially in an air path through which cooling air can flow.
  • the air path can be formed by an air duct, which in turn can be delimited by a tubular body or a housing or the like.
  • the cooling arrangement comprises a fan wheel, which is arranged in the air path and can be rotated about a predetermined axis of rotation relative to the heat exchanger, for conveying the cooling air guided through the air path to the heat exchanger.
  • the cooling arrangement also includes a rotatable nebulizer which is arranged in the air path and by means of which the cooling air for cooling, in particular evaporative cooling, can be nebulized with water introduced into the air path.
  • the nebuliser comprises a hub which can rotate about an axis of rotation and from which—connected in a rotationally fixed manner to the hub—at least two, preferably several, particularly preferably four, hollow struts extend radially outwards.
  • Each hollow strut delimits a strut interior through which the water can flow.
  • at least one, preferably each, hollow strut at least one water outlet is formed, via which the water guided through the interior space of the strut can exit into the external environment of the nebulizer.
  • the nebulizer rotates, the water that escapes from the hollow struts forms a fanned-out jet of water, which is entrained by the cooling air flowing through the nebulizer.
  • the water entrained in the cooling air preferably follows a parabolic path in a longitudinal section along the axis of rotation before it hits the heat exchanger.
  • a wing-like drive element is present on at least one hollow strut, preferably on each of the hollow struts, and is connected to the hollow strut.
  • the at least one drive element is designed in such a way that the rotatable nebulizer can be driven or is driven by the cooling air impinging on the drive element.
  • the wing-like drive element can have a wing surface arranged in the air path, which the cooling air guided through the air path impinges on, so that the largest possible effective cross section of the drive element with the cooling air results. In this way, the nebulizer can be set in motion without providing a separate, in particular electric, drive.
  • the rotary speed of the nebulizer adapts to the flow rate of the cooling air flowing through the nebulizer.
  • the rotational speed of the nebulizer with the hollow struts increases with increasing flow rate of the cooling air, which in turn promotes more water and introduces it into the cooling air via the water outlets.
  • a high rotational speed of the nebulizer relative to the flow rate of the cooling air flowing through the nebulizer is achieved.
  • At least one hollow strut can have a radially extending main section that merges radially outwards into an end section in which the water outlet is arranged and which is arranged at an angle to the main section and/or protrudes at an angle from the main section.
  • This preferably applies to all hollow struts of the nebulizer in the same way. In this way, an exit direction of the water exiting the strut interior is optimized, so that the water after exiting in the cooling air is transported to the heat exchanger as a fanned-out water jet.
  • the end section that has the water outlet can be designed like a nozzle at least for one hollow strut, preferably for all hollow struts.
  • a nozzle function By means of such a nozzle function, the speed of the water as it emerges from the respective strut interior can be increased compared to a water outlet without a nozzle function. In this way, the water can be distributed over a relatively large cross-sectional area of the air duct through which the cooling air flows.
  • the end section in a longitudinal section along the axis of rotation, forms a first acute angle, preferably between 30° and 60°, with the main section.
  • the arrangement of the end section at such an acute angle ensures that when it emerges from the respective water outlet, a jet of water is generated that can also reach the areas of the heat exchanger that are radially further away from the axis of rotation.
  • the escaping water can be distributed in an advantageous trajectory in the air duct so that the largest possible cross-section of the air duct is covered.
  • Further input parameters for determining the value of the first acute angle can be used in addition to the rotational speed of the nebulizer typically achieved during operation its axial distance from the heat exchanger and the radial distance of the water outlet from the axis of rotation, but also the desired coverage of the heat exchanger with the water jet, which is required along the radial direction.
  • the end section can expediently be formed by an extension of the main section, which is bent inwards towards the axis of rotation. This variant is particularly easy to produce and therefore inexpensive.
  • the at least one water outlet points away from the heat exchanger.
  • the water that is guided through the strut interior also exits the water outlet in the direction away from the heat exchanger, so that it does not flow directly to the heat exchanger after exiting, but can be fanned out beforehand, preferably radially or circularly. In this way, the above-mentioned, preferred flow path of the water in the cooling air is generated.
  • the hollow struts are arranged in a plane of rotation which extends perpendicularly to the axis of rotation.
  • the end section of at least one hollow strut, preferably all hollow struts is arranged at a (second) acute angle, preferably between 30° and 60°, to the main section in a plan view of the plane of rotation along the axis of rotation.
  • the hollow struts are expediently configured longitudinally along a radial direction of the nebulizer away from the axis of rotation and—as an alternative or in addition thereto—arranged at a distance from one another—along a circumferential direction of the nebulizer about the axis of rotation—preferably equidistantly.
  • the nebuliser comprises a hollow shaft which is stationary relative to the heat exchanger or which is rotatably mounted relative to the heat exchanger about the axis of rotation and through which the water can flow.
  • This hollow shaft delimits a hollow shaft interior through which the water can flow, which fluidly communicates with at least one strut interior, preferably with all strut interiors. This variant enables the water to be fed into the nebuliser in a technically simple manner.
  • the nebulizer can preferably be designed as a rotation repeller—such a rotation repeller is also known to those skilled in the art as a “sprinkling repeller”.
  • the heat exchanger is arranged in the air path between the rotatable fan wheel and the nebulizer, which is also designed to be rotatable.
  • the heat exchanger is therefore arranged upstream of the fan wheel and the nebuliser is arranged upstream of the heat exchanger in the air path.
  • the cooling air nebulized with water in the nebulizer can be sucked from the fan wheel to the heat exchanger. This causes an advantageous flow through the heat exchanger with the cooling air sucked in by the fan wheel and loaded with water.
  • the nebulizer can also be arranged in the air path between the fan wheel and the heat exchanger in such a way that the cooling air nebulized with water in the nebulizer can be conveyed from the fan wheel to the heat exchanger.
  • This embodiment requires particularly little space.
  • the rotatable nebulizer can be designed as a gyro nebulizer and have a rotary body with a rotatable deflection surface, by means of which the water that has escaped from the water outlet, which is preferably arranged in a stationary manner in relation to the heat exchanger, can be deflected in the direction of the heat exchanger.
  • This variant is technically particularly easy to implement and therefore also particularly cost-effective.
  • the preferably circular rotating body can have a plurality of openings along the circumferential direction and arranged at different radial distances from the axis of rotation, through which the air sucked in by the fan wheel can pass, in a plan view along the axial direction.
  • These openings are particularly preferably realized with a slit-like geometry.
  • the surface of the rotation body can be roughened.
  • the water supply with the water outlet can be inclined downwards with respect to the direction of gravity in order to prevent water from running back at the typically tubular water supply.
  • the bell can be open against or in the flow direction of the cooling air.
  • the at least one water outlet of the nebulizer can be arranged in the arrangement in a stationary manner in relation to the heat exchanger. Since the water supply has no rotating parts, this variant is technically particularly easy to implement and is characterized by a high level of operational reliability.
  • the nebulizer can be driven or is driven by means of a separate electric drive—compared to the electric drive of the fan wheel.
  • a separate electric drive compared to the electric drive of the fan wheel.
  • the fan wheel and the nebulizer can be arranged at a distance from one another in the air path.
  • wing-like drive elements are provided on the rotary repeller--if the nebulizer is configured appropriately--as already explained--the provision of an electric drive can be dispensed with.
  • the nebulizer is designed by providing suitable drive elements in such a way that it is set in rotary motion by means of cooling air guided through the nebulizer and is driven in this way.
  • the nebulizer can include a water supply that can be fluidically connected to a water reservoir and has at least one water outlet that is arranged in the air path, so that the water that has escaped from the water outlet is nebulized in the cooling air guided in the air path.
  • the water supply can particularly preferably be connected to the water reservoir mentioned above--for example a water reservoir in the form of a container--of the cooling arrangement, with an adjustable valve device for adjusting a volume flow of water from the water reservoir being arranged in the water supply.
  • the valve device By means of the adjustable valve device, the amount of water conveyed per unit of time can be controlled or regulated as a function of the cooling capacity to be achieved.
  • the valve device can be adjustable between a closed position in which no water can flow through the valve device and thus the water supply, and an open position in which a maximum amount of water per unit of time can flow through the water supply.
  • the precise technical implementation of such a valve device typically with a valve opening and a valve body that can be adjusted relative to the valve opening—is known to the person skilled in the art and is not the core of the present invention, so that more detailed explanations in this regard can be dispensed with.
  • the cooling arrangement can also include a pressure sensor for determining a pressure difference between the air pressure of the cooling air in the air path upstream of the heat exchanger and the air pressure of the cooling air downstream of the heat exchanger. This allows the amount of water to be brought into the air path to be adjusted as a function of the delivery capacity of cooling air generated by the fan wheel by appropriate activation of the valve device explained above.
  • the cooling arrangement therefore particularly preferably comprises a control/regulating device, by means of which the valve device can be adjusted or adjusted as a function of the pressure difference determined by means of the pressure sensor.
  • This allows an advantageous control or regulation of the amount of water introduced into the nebulizer and thus a control or regulation of the cooling capacity effected by the cooling arrangement to a predetermined target value.
  • the invention also relates to a fuel cell system with a fuel cell that can be cooled by means of a cooling medium, in particular a cooling liquid, in particular for a motor vehicle.
  • the fuel cell system comprises a cooling arrangement according to the invention presented above for cooling this cooling medium. The advantages of the cooling arrangement according to the invention explained above are therefore also transferred to the fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a plan view of the rotary body of the nebulizer of FIG. 1, 3a, 3b another example of a cooling arrangement according to the invention, in which the nebulizer is designed as a rotary repeller.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an example of a cooling arrangement 1 according to the invention for a fuel cell system.
  • the cooling arrangement 1 comprises a heat exchanger 2 through which a cooling medium KM, for example cooling liquid KF, can flow.
  • the cooling medium KM is used to cool a fuel cell, not shown in detail in FIG following a heat transfer medium, absorbs waste heat generated by the fuel cell during operation. However, this makes it necessary to release the heat absorbed by the cooling medium KM in the fuel cell again, which takes place in the heat exchanger 2 by heat transfer of heat from the cooling medium KM to cooling air KL, which is also guided through the heat exchanger 2 fluidically separately from the cooling medium KM.
  • the cooling air KL is guided along an air path 5 in which the heat exchanger 2 is arranged.
  • the cooling air KL can be conveyed with a fan wheel 10 arranged in the air path 5 and designed to be rotatable relative to the heat exchanger 2 .
  • the fan wheel 10 comprises a fan wheel hub 15 rotatable about an axis of rotation D and a plurality of fan wheel blades 18 connected in a torque-proof manner to the fan wheel hub 15 for conveying the cooling air KL.
  • An axial direction A Rich of the fan wheel 10 extends along the axis of rotation D.
  • a radi ale direction R extends perpendicular to the axial direction A away from the axis of rotation.
  • a circumferential direction U runs perpendicular to both the axial direction A and the radial direction R around the axis of rotation D.
  • the axis of rotation D can be a central longitudinal axis M of the fan wheel hub 15 .
  • the fan wheel blades 18 are arranged next to one another along the circumferential direction U, with each fan terrad sheet 18 along the radial direction R of the axis of rotation D or central longitudinal axis M away.
  • the air path 5, in which the fan wheel 10 is arranged extends expediently along the axial direction A.
  • the arrangement 1 comprises a nebulizer 4 arranged in the air path 5 and rotatable relative to the heat exchanger 2 and thus also relative to the air path 5.
  • the cooling air KL flowing through the air path 5 can be nebulized by means of the nebulizer 4 and cooled by means of evaporative cooling.
  • the nebulizer 4 is designed as a rotary gyratory nebulizer 11 .
  • the atomizer 4 can include a water supply 6 that is fluidically connected to the water reservoir 20 for atomizing the water W.
  • the water supply 6 has only a single water outlet 7, which is stationary relative to the heat exchanger 2 in the cooling arrangement 1. This means that the water outlet 7 does not rotate with the fan wheel 10 , that is to say it is also not connected to the fan wheel 10 in a rotationally fixed manner.
  • the water supply 6 includes a water line 12 which fluidly connects the water outlet 7 to the water reservoir 20, so that water W can flow from the water reservoir via the water line 12 to the water outlet 7 and from there into the air path 5 can be.
  • An adjustable valve device 17 for adjusting the volume flow of water W from the water reservoir 20 can be arranged in the water supply 6 .
  • the cooling arrangement 1 can be equipped with a pressure sensor 25 for determining a pressure difference Dr between the air pressure p1 of the cooling air KL in the air path 5 upstream of the heat exchanger 10 and the air pressure p2 of the cooling air KL downstream of the heat exchanger 10.
  • a control/regulating device 3 of the cooling arrangement 1 enables the valve device 17 to be controlled as a function of the pressure determined by the pressure sensor 25 To adjust the pressure difference Dr in this way the provided by the nebulizer 4 set nebulization performance. This is accompanied by an adjustment of the cooling capacity provided by the cooling arrangement 1 .
  • a rotation of the gyro nebulizer 11 can take place independently of a rotation of the fan wheel 10 .
  • fan wheel 10 is driven via an electric drive 27, whose output shaft 34 can be connected to fan wheel 10 in a rotationally fixed manner.
  • the gyratory nebuliser 11 also includes a rotary body 29 which can be rotated about an axis of rotation R and on which a deflection surface 28 is provided.
  • the water W emerging from the water outlet 7 is deflected in the air path 5 to the heat exchanger 2 by means of the deflection surface 28.
  • the cooling air KL is misted with the water W.
  • the water outlet 7 is designed for this purpose in such a way that the water exiting the water outlet 7 into the air path 5 W hits a steering surface 28 provided on the face of the rotating body 29 .
  • the rotary body 29 and the fan wheel 10 are arranged coaxially with one another, so that the axis of rotation R of the rotary body 29 and the axis of rotation D of the fan wheel 10 match.
  • the axis of rotation R and the axis of rotation D can also be different from one another.
  • fan wheel 10 is driven via an electric drive 27 whose output shaft 34 can be connected to fan wheel 10 in a rotationally fixed manner.
  • the nebulizer 4 or the gyratory nebulizer 11 includes a further electric drive 35, which is different from the electric drive 27 of the fan wheel 10, and whose drive shaft 33 can be connected in a rotationally fixed manner to the rotating body 29.
  • the heat exchanger 2 is arranged in the air path 5 between the rotatable fan wheel 10 and the nebulizer 4 .
  • the heat exchanger 2 is therefore arranged downstream of the nebulizer 4 in the air path 5 .
  • the fan wheel 10 in turn is arranged downstream of the heat exchanger 2 in the air path 5 so that its suction side 9a faces the heat exchanger 2 . In this way, the cooling air KL nebulized with water W in the nebulizer 4 can be sucked from the fan wheel 10 to the heat exchanger 2 .
  • FIG. 2 shows a plan view of the rotating body 29 in a viewing direction along the axial direction A. Accordingly, the rotating body 29 has a circular geometry.
  • FIG. 2 also shows that the rotary body 29 has a plurality of openings 36 spaced apart from one another along the circumferential direction U and also arranged at different radial distances from the axis of rotation D, through which the cooling air KL sucked in by the fan wheel 10 can pass. These openings are preferably designed with a slot-like geometry.
  • the surface of the rotary body can be roughened.
  • the water supply with the water outlet can be inclined downwards with respect to the direction of gravity in order to prevent water from running back at the typically tubular water supply.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate a further variant in which the nebuliser 4 is designed as a rotary repeller 100 or sprinkling repeller.
  • the nebulizer 4 comprises a hub 105 that can be rotated about the axis of rotation D, from which several hollow struts 101—in the example scenario four such hollow struts 101—extend, connected in a rotationally fixed manner to the hub 105 .
  • Figure 3a shows the rotation repeller 100 in a top view along the axis of rotation D.
  • Figure 3b shows a longitudinal section along the axis of rotation D.
  • the hollow struts 101 are longitudinally formed along the radial direction R away from the axis of rotation D and along the circumferential direction U arranged equidistantly at a distance from one another about the axis of rotation D.
  • a erielarti tot drive element 104 can be present on each of the hollow struts 101 and connected to the hollow strut 101.
  • the drive elements 104 are designed in such a way that the rotatable nebulizer 4 is driven by means of the cooling air KL striking the drive elements 104, ie is set in rotary motion.
  • An electric drive for driving the rotary repeller 100 can thus be omitted.
  • Each hollow strut 101 also delimits a strut interior 102 through which the water W can flow and which is not shown in detail in the figures.
  • the strut interior 102 thus forms a water channel for the water W.
  • a water outlet 103 is formed in each hollow strut 101, via which the guided through the strut interior 102 water W in the outer Environment 106 of the nebulizer 4 can escape.
  • FIG. 3b illustrates, the end sections 108 with the water outlets 103 point away from the heat exchanger 2.
  • the nebulizer 4 can comprise a hollow shaft 109 that is stationary relative to the heat exchanger 2 or - alternatively - that is rotatably mounted relative to the heat exchanger 2 about the axis of rotation D and through which the water W can flow, which delimits a hollow shaft interior 110 through which the water W can flow.
  • the hollow shaft interior 110 communicates fluidly with the strut interiors 10 delimited by the hollow struts 101.
  • the hollow shaft interior 110 in turn can communicate fluidly with the water reservoir 20 shown in Figure 1 via the water supply 6 (not shown in Figures 3a and 3b).
  • each hollow strut 101 has a radially extending main section 107, which merges radially outwards along the radial direction R into an end section 108.
  • the water outlet 103 is arranged in the radially outer end section 108 .
  • the end section 108 can be formed by an extension of the associated main section 107, which is bent inwards toward the axis of rotation D.
  • Each of the end sections 108 is thus arranged at an angle to the associated main section 107 and therefore protrudes from the main section 107 at an angle.
  • Each of the respective water outlet 103 having end portions 108 is preferably designed as an outlet nozzle, ie nozzle-like, so that from the Strut interior 102 exiting water W is jetted into the external environment 106 from. In this way, a particularly uniform fanning out of the water jet generated as it emerges from the water outlet 103 is brought about.
  • each of the end sections 108 forms a first acute angle cd, preferably between 30° and 60°, with the associated main section 107.
  • the optimum value for the first acute angle cd can be specified in an application-specific manner, in particular as a function of at least one operating parameter of the rotary repeller 100, such as a preferred rotational speed of the repeller.
  • the hollow struts 101 are arranged in a plane of rotation RE, which extends perpendicularly to the axis of rotation D.
  • the optimum value for the first acute angle a2 can be defined in an application-specific manner, in particular as a function of at least one operating parameter of the rotary repeller 100, such as the rotational speed of the repeller.
  • the water W emerging from this water outlet 103 is expanded in a fan shape due to the rotational movement of the nebulizer and 4 and its hollow strut 101.
  • FIG. 3a of the heat exchanger 2 along the axis of rotation D or the axial direction A it can be seen that due to the widening of the water jet W, a circular surface 115 with radius RKS is sprayed.
  • the wetted surface of the heat exchanger preferably has the geometry of a circle 118 in the plan view shown in Fig. 3a.
  • a direction of rotation DR of the nebulizer 4 or of its flohl strut 101 about the axis of rotation D is shown.
  • the direction of rotation DR is identical to the circumferential direction U.
  • the end sections 108 with the water outlets 103 are angled or bent opposite to the direction of rotation DR of the nebulizer 4 and opposite to the flow direction of the cooling air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (1) mit einem von einem Kühlmedium (KM) durchströmbaren Wärmeübertrager (2), der zum Kühlen mittels Kühlluft (KL) zumindest teilweise in einem von der Kühlluft (KL) durchströmbaren Luftpfad (5) angeordnet ist. Die Kühlanordnung (1) umfasst ferner einen im Luftpfad (5) angeordneten und relativ zum Wärmeübertrager (2) drehbar ausgebildeten Lüfterrad (10) zum Fördern der Kühlluft (KL) zum Wärmeübertrager (2). Die Kühlanordnung (1) umfasst außerdem einen im Luftpfad (5) angeordneten und drehbar ausgebildeten Vernebler (4), mittels welchem die Kühlluft (KL) zur Kühlung, insbesondere Verdunstungskühlung, derselben mit in den Luftpfad (5) eingebrachtem Wasser (W) vernebelbar ist.

Description

Kühlanordnung für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kühlanordnung.
Zur Kühlung einer Brennstoffzelle, die zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs einge setzt wird, sind typischerweise deutlich höhere Kühlleistungen erforderlich als zum Kühlen einer Brennkraftmaschine. Dies bedeutet, dass insbesondere das zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendete Kühlmedium - typischerweise eine Kühl flüssigkeit - mit deutlich gesteigerter Wärmeübertragung gekühlt werden muss.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Kühlmedium zum Kühlen einer Brennstoffzelle beim Durchströmen eines Wärmeübertragers durch Beaufschla gung des Wärmeübertragers mit Kühlluft zu kühlen.
Derartige Anordnungen offenbaren beispielsweise die DE 102008051 368 A1, die DE 19637926 A1 sowie die DE 11 2007001 422 B4.
Als nachteilig an solchen herkömmlichen Kühlanordnungen erweist sich jedoch, dass diese technisch relativ aufwändig realisiert und somit teuer in der Herstellung sind. Darüber hinaus erfordern herkömmliche Konzepte relativ viel Bauraum, der jedoch in einem Brennstoffzellensystem nur in sehr begrenztem Maße zur Verfü gung steht, insbesondere wenn dieses in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausfüh rungsform für eine Kühlanordnung bereitzustellen, die sich durch einen technisch einfachen und bauraumsparenden Aufbau und somit durch reduzierte Herstel lungskosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Pa tentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, in der Kühlluft Wasser zu vernebeln und durch zumindest teilweises Verdunsten des Wassers zu Wasserdampf abzuküh len, bevor die Kühlluft Wärme von einem durch den Wärmeübertrager geführten Kühlmedium aufnimmt. Auf diese Weise kann besagte Kühlluft besonders viel Wärme von dem durch den Wärmeübertrager geführten Kühlmedium durch ther mische Wechselwirkung bzw. Wärmeübertragung aufnehmen. Gleichzeitig ist der hier vorgeschlagene Aufbau der Kühlanordnung relativ einfach, da das Wasser zum Vernebeln und zum Verdunstungskühlen bei der hier vorgeschlagenen Lö sung in den von der Kühlluft auf dem Weg zum Wärmeübertrager ohnehin durch strömten Luftpfad eingebracht wird.
Erfindungsgemäß ist in dem Luftpfad daher eine Vorrichtung zum Vernebeln des Wassers in der Kühlluft - im Folgenden als „Vernebler“ bezeichnet - angeordnet. Dies erlaubt eine einfache Kühlung der Kühlluft durch Verdunstungskühlung. Da - wie voranstehend erläutert - die Vernebelung und die Verdunstungskühlung in dem sich ohnehin zum Wärmeübertrager erstreckenden Luftpfad erfolgt, ist der Bedarf an Bauraum für eine solche Kühlanordnung sehr gering.
Darüber hinaus kann bei der hier vorgeschlagenen Lösung der nicht sofort ver dunstete Anteil des Wassers in Form von Wassertröpfchen zusammen mit der Kühlluft zum Wärmeübertrager geführt werden und dort durch Verdampfen auf der Oberfläche des Wärmeübertragers ebenso wie die Kühlluft mit dem verdunsteten Wasser Wärme vom dem durch den Wärmeübertrager geführten Kühlmedium auf nehmen.
Im Ergebnis lässt sich mittels der erfindungsgemäßen Anordnung das durch den Wärmeübertrager geführte Kühlmedium auf einfache Weise und bei geringem Be darf an Bauraum mit hoher Effizienz kühlen.
Eine erfindungsgemäße Kühlanordnung für ein Brennstoffzellensystem umfasst ei nen von einem Kühlmedium durchström baren Wärmeübertrager, der zum Kühlen mittels Kühlluft zumindest teilweise in einem von Kühlluft durchström baren Luft pfad angeordnet ist. Der Luftpfad kann durch einen Luftkanal gebildet sein, der wiederum durch einen Rohrkörper oder ein Gehäuse oder dergleichen begrenzt sein kann. Ferner umfasst die Kühlanordnung ein im Luftpfad angeordnetes und relativ zum Wärmeübertrager um eine vorgegebene Drehachse drehbares Lüfter rad zum Fördern der durch den Luftpfad geführten Kühlluft zum Wärmeübertrager. Erfindungsgemäß umfasst die Kühlanordnung außerdem einen im Luftpfad ange ordneten und drehbar ausgebildeten Vernebler, mittels welchem die Kühlluft zur Kühlung, insbesondere Verdunstungskühlung, derselben mit in den Luftpfad ein- gebrachtem Wasser vernebelbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Vernebler eine um eine Dreh achse drehbare Nabe, von welcher weg sich - drehfest mit der Nabe verbunden - radial nach außen wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt vier, Hohlstreben erstrecken. Jede Hohlstrebe begrenzt einen von dem Wasser durch- strömbaren Strebeninnenraum. In wenigstens einer, vorzugsweise jeder, Hohl strebe ist wenigstens ein Wasserauslass ausgebildet, über welchen das durch den Strebeninnenraum geführte Wasser in die äußere Umgebung des Verneblers aus treten kann. Bei Rotation des Verneblers bildet das aus den Hohlstreben ausgetre tene Wasser einen aufgefächerten Wasserstrahl, welcher von der durch den Ver nebler strömenden Kühlluft mitgenommen wird. Bevorzugt folgt das in der Kühlluft mitgenommene Wasser, bevor es auf den Wär meübertrager trifft, in einem Längsschnitt entlang der Drehachse einer parabelför migen Bahn.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an wenigstens einer Hohlstrebe, vorzugsweise an jeder der Hohlstreben, ein flügelartiges Antriebsele ment vorhanden und mit der Hohlstrebe verbunden. Das wenigstens eine Antrieb selement ist dabei derart ausgebildet, dass der drehbare Vernebler durch die auf das Antriebselement treffende Kühlluft antreibbar oder angetrieben ist. Hierzu kann das flügelartige Antriebselement eine im Luftpfad angeordnete Flügelfläche aufweisen, auf welche die durch den Luftpfad geführte Kühlluft trifft, so dass sich ein möglichst großer Wirkungsquerschnitt des Antriebselements mit der Kühlluft ergibt. Auf diese Weise kann der Vernebler ohne Bereitstellung eines separaten, insbesondere elektrischen, Antriebs in Bewegung versetzt werden. Insbesondere passt sich bei geeigneter Ausgestaltung der flügelartigen Elemente die Drehge schwindigkeit des Verneblers der Strömungsgeschwindigkeit der durch den Ver nebler strömenden Kühlluft an. Typischerweise nimmt dabei mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft die Drehgeschwindigkeit des Vernebler mit den Hohlstreben zu, wodurch wiederum mehr Wasser gefördert und über die Was serauslässe in die Kühlluft eingebracht wird.
Insbesondere wird bei geeigneter Ausgestaltung eine relativ zur Strömungsge schwindigkeit der durch den Vernebler strömenden Kühlluft hohe Drehgeschwin digkeit des Verneblers erreicht.
Somit ergibt sich - bei entsprechender Ausgestaltung der Antriebselemente - eine optimale oder zumindest verbesserte Anpassung der vom Vernebler pro Zeitein heit geförderten Menge an Wasser an die mittels des Lüfterrads in derselben Zeit einheit geförderte Menge an Kühlluft. Besonders bevorzugt kann wenigstens eine Hohlstrebe einen sich radial erstre ckenden Hauptabschnitt aufweisen, der radial nach außen in einen Endabschnitt übergeht, in welchem der Wasserauslass angeordnet ist und welcher unter einem Winkel zum Hauptabschnitt angeordnet ist oder/und winkelig vom Hauptabschnitt absteht. Bevorzugt gilt dies für alle Hohlstreben des Vernebler in der gleichen Art. Auf diese Weise wird eine Austrittsrichtung des aus dem Strebeninnenraum aus tretenden Wassers optimiert, so dass das Wasser nach dem Austritt in der Kühlluft aufgefächert als aufgefächerter Wasserstrahl zum Wärmeübertrager transportiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der den Wasserauslass aufwei sende Endabschnitt wenigstens einer Hohlstrebe, vorzugsweise aller Hohlstreben, düsenartig ausgebildet sein. Mittels einer solchen Düsenfunktion kann die Ge schwindigkeit des Wassers beim Austritt aus dem jeweiligen Strebeninnenraum gegenüber einem Wasserauslass ohne Düsenfunktion erhöht werden. Auf diese Weise lässt sich das Wasser über eine relativ große Querschnittsfläche des von der Kühlluft durchströmten Luftkanal hinweg verteilen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bildet in einem Längsschnitt entlang der Drehachse der Endabschnitt einen ersten spitzen Winkel, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, mit dem Hauptabschnitt. Die Anordnung des Endabschnitts unter ei nem solchen spitzen Winkel stellt sicher, dass beim Austreten aus dem jeweiligen Wasserauslass ein Wasserstrahl erzeugt wird, der auch die von der Drehachse ra dial weiter entfernten Bereiche des Wärmeübertragers erreichen kann. Durch ent sprechende Anpassung des Werts für den ersten spitzen Winkel kann das austre tende Wasser in einer vorteilhaften Flugbahn im Luftkanal verteilt werden, so dass ein möglichst großer Querschnitt des Luftkanals überstrichen wird. Weitere Ein gangsparameter zur Festlegung des Wertes des ersten spitzen Winkel können ne ben der im Betrieb typischerweise erreichten Drehgeschwindigkeit des Vernebler dessen axialer Abstand zum Wärmeübertrager sowie der radiale Abstand des Wasserauslasses von der Drehachse, aber auch die gewünschte, entlang der ra dialen Richtung erforderliche Abdeckung des Wärmeübertragers mit dem Wasser strahl sein.
Zweckmäßig kann der Endabschnitt durch eine Verlängerung des Hauptabschnitts gebildet sein, die nach innen, zur Drehachse hin umgebogen ist. Diese Variante ist besonders einfach herzustellen und somit kostengünstig.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der wenigstens eine Wasserauslass vom Wärmeübertrager weg. Somit tritt auch das durch den Stre- beninnenraum geführte Wasser in Richtung vom Wärmeübertrager weg aus dem Wasserauslass aus, so dass es nach dem Austritt nicht direkt zum Wärmeübertra ger hinströmt, sondern zuvor noch, bevorzugt radial oder kreisförmig, aufgefächert werden kann. Auf diese Weise wird der oben erwähnte, bevorzugte Strahlverlauf des Wassers in der Kühlluft erzeugt.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Hohlstreben in einer Rotationsebene angeordnet, die sich senkrecht zur Drehachse erstreckt. Bei die ser Weiterbildung ist in einer Draufsicht auf die Rotationsebene entlang der Dreh achse der Endabschnitt wenigstens einer Hohlstrebe, bevorzugt aller Hohlstreben, unter einem (zweiten) spitzen Winkel, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, zum Hauptabschnitt angeordnet.
Zweckmäßig sind die Hohlstreben entlang einer radialen Richtung des Vernebler von der Drehachse weg längsförmig ausgebildet und - alternativ oder zusätzlich dazu - entlang einer Umfangsrichtung des Verneblers um die Drehachse - vor zugsweise äquidistant - im Abstand zueinander angeordnet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Vernebler eine ge genüber dem Wärmeübertrager ortsfeste oder gegenüber dem Wärmeübertrager um die Drehachse drehbar gelagerte sowie von dem Wasser durchström bare Hohlwelle. Diese Hohlwelle begrenzt einen von dem Wasser durchström baren Hohlwelleninnenraum, der mit wenigstens einem Strebeninnenraum, vorzugs weise mit allen Strebeninnenräumen, fluidisch kommuniziert. Diese Variante er möglicht eine technisch einfach umsetzbare Zuführung des Wassers in den Ver nebler.
Bevorzugt kann der Vernebler als Rotations-Repeller - ein solcher Rotations-Re- peller ist dem Fachmann auch unter der Bezeichnung „Beregnungs-Repeller" _ „bekannt - ausgebildet sein.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager zwischen dem drehbaren Lüfterrad und dem ebenfalls drehbar ausgebildeten Ver nebler im Luftpfad angeordnet. Der Wärmeübertrager ist also stromauf des Lüfter- rads und der Vernebler stromauf des Wärmeübertragers im Luftpfad angeordnet. Somit kann die im Vernebler mit Wasser vernebelte Kühlluft vom Lüfterrad zum Wärmeübertrager gesaugt werden. Dies bewirkt eine vorteilhafte Durchströmung des Wärmeübertragers mit der vom Lüfterrad angesaugten und mit Wasser bela denen Kühlluft.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform kann der Vernebler aber auch so zwischen dem Lüfterrad und dem Wärmeübertrager im Luftpfad angeordnet sein, dass die im Vernebler mit Wasser vernebelte Kühlluft vom Lüfterrad zum Wärme übertrager gefördert werden kann. Diese Ausführungsform erfordert besonders wenig Bauraum.
Alternativ dazu kann der drehbare Vernebler als Kreiselvernebler ausgebildet sein und einen Rotationskörper mit drehbarer Umlenkfläche aufweisen, mittels welcher das aus dem, vorzugsweise ortsfest zum Wärmeübertrager angeordneten, Was serauslass ausgetretene Wasser in Richtung des Wärmeübertragers hin abgelenkt werden kann. Diese Variante ist technisch besonders einfach umzusetzen und so mit auch besonders kostengünstig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der voranstehend erläuterten Ausfüh rungsform kann der bevorzugt kreisrunde Rotationskörper in einer Draufsicht ent lang der axialen Richtung eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung und in verschiedenen radialen Abständen zur Drehachse angeordneten Durchbrüchen aufweisen, durch welche die vom Lüfterrad angesaugte Luft hindurchtreten kann. Besonders bevorzugt sind diese Durchbrüche mit schlitzartiger Geometrie reali siert. Um das Abperlen von Wasser zu verhindern, kann die Oberfläche des Rota tionskörpers aufgeraut sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausfüh rungsform die Wasserzuführung mit dem Wasserauslass bezüglich der Schwer kraftrichtung nach unten geneigt sein, um ein Zurücklaufen von Wasser an der ty pischerweise rohrförmigen Wasserzuführung zu verhindern.
Um das auf den Rotationskörper treffende Wasser mit einer möglichst hohen Drehgeschwindigkeit zu versehen, wenn es den Rotationskörper verlässt, können auf der Oberfläche des Rotationskörpers stegartige oder/und rillenartige Vor sprünge bzw. Vertiefungen vorgesehen sein, die für das auf den Rotationskörper treffende Wasser als "Mitnehmer" wirken. Diese Vorsprünge bzw. Vertiefungen können, das Wasser radial nach außen mitnehmen. Dadurch kann es entlang der Drehrichtung des Rotationskörpers, also entlang der Umfangsrichtung, beschleu nigt werden. Um eine möglichst hohe Drehzahl erreichen zu können, erweist sich als vorteilhaft, wenn der Rotationskörper entlang der axialen Richtung möglichst dünn ausgebildet ist. Insbesondere kann der Rotationskörper eine scheibenartige oder glockenartige geometrische Formgebung aufweisen. Im Falle einer glocken artigen Geometrie kann die Glocke entgegen oder in Strömungsrichtung der Kühl luft geöffnet sein. Besonders bevorzugt kann der wenigstens eine Wasserauslass des Verneblers ortsfest zum Wärmeübertrager in der Anordnung angeordnet sein. Da die Wasser zuführung folglich keine drehbaren Teile aufweist, ist diese Variante technisch be sonders einfach realisierbar und zeichnet sich durch eine hohe Betriebssicherheit aus.
Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Vernebler mittels ei nes - gegenüber dem elektrischen Antrieb des Lüfterrads - separaten elektrischen Antriebs antreibbar oder angetrieben. Dies erlaubt eine Anordnung des Lüfterrads und des Verneblers im Abstand zueinander im Luftpfad. Insbesondere ist es somit möglich, den Wärmeübertrager im Luftpfad zwischen dem Vernebler und dem Lüf terrad, insbesondere stromauf des Lüfterrads, anzuordnen. In einer Variante - ins besondere der voranstehend erläuterten Variante, bei welcher am Rotations-Re- peller flügelartige Antriebselemente vorgesehen sind - kann bei entsprechender Ausgestaltung des Verneblers aber - wie bereits erläutert - auf Bereitstellung ei nes elektrischen Antriebs verzichtet sein. Dies ist insbesondere vorstellbar, wenn der Vernebler durch Bereitstellung geeigneter Antriebselemente so ausgestaltet wird, dass er mittels durch den Vernebler geführten Kühlluft in Drehbewegung ver setzt und auf diese Weise angetrieben wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Vernebler eine mit einem Was serreservoir fluidisch verbindbare Wasserzuführung mit wenigstens einem Was serauslass umfassen, der im Luftpfad angeordnet ist, so dass das aus dem Was serauslass ausgetretene Wasser in der im Luftpfad geführten Kühlluft vernebelt wird. Dies erlaubt einen einfachen Transport von Wasser aus dem Wasserreser voir direkt in den Luftpfad, wo zunächst die Vernebelung des Wassers und an schließend dessen Transport zum Wärmeübertrager erfolgen können. Besonders bevorzugt kann die Wasserzuführung mit dem voranstehend erwähn ten Wasserreservoir - beispielsweise einem Wasserspeicher in Form eines Behält nisses - der Kühlanordnung verbunden sein, wobei in der Wasserzuführung eine verstellbare Ventileinrichtung zum Einstellen eines Volumenstroms an Wasser aus dem Wasserreservoir angeordnet ist. Mittels der verstellbaren Ventileinrichtung kann die geförderte Wasser-Menge pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der zu er bringenden Kühlleistung gesteuert oder geregelt werden. Hierzu kann die Venti leinrichtung zwischen einer Schließstellung, in welcher kein Wasser durch die Ventileinrichtung und somit die Wasserzuführung strömen kann, und einer Offen stellung, in welcher eine pro Zeiteinheit maximale Wassermenge durch die Was serzuführung strömen, verstellbar sein. Die genaue technische Realisierung einer solchen Ventileinrichtung - typischerweise mit Ventilöffnung und gegenüber der Ventilöffnung relativverstellbarem Ventilkörper - ist dem einschlägigen Fachmann bekannt und nicht Kern der vorliegenden Erfindung, so dass auf genauere Erläute rungen diesbezüglich verzichtet werden kann.
Besonders bevorzugt kann die Kühlanordnung außerdem einen Drucksensor zum Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck der Kühlluft im Luftpfad stromauf des Wärmeübertragers und dem Luftdruck der Kühlluft stromab des Wär meübertragers umfassen. Dies erlaubt es, durch entsprechende Ansteuerung der voranstehend erläuterten Ventileinrichtung die Menge an in den Luftpfad einzu bringendem Wasser in Abhängigkeit von der vom Lüfterrad erzeugten Förderleis tung an Kühlluft anzupassen.
Besonders bevorzugt umfasst die Kühlanordnung daher eine Steuerungs-/Rege- lungseinrichtung, mittels welcher die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der mit tels des Drucksensors ermittelten Druckdifferenz verstellt bzw. eingestellt werden kann. Dies erlaubt eine vorteilhafte Steuerung bzw. Regelung der in den Vernebler eingebrachten Wassermenge und somit eine Steuerung bzw. Regelung der von der Kühlanordnung bewirkten Kühlleistung auf einen vorgegebenen Soll-Wert. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer mittels eines Kühlmediums, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, kühlbaren Brennstoffzelle, ins besondere für ein Kraftfahrzeug. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine voranstehend vorgestellte, erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen dieses Kühlmediums. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlanordnung übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Brennstoff zellensystem.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rotationskörper des Verneblers der Figur 1 , Fig. 3a, 3b ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung, bei welcher der Vernebler als Rotations-Repeller ausgebildet ist.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 für ein Brennstoffzellensystem. Die Kühlanordnung 1 umfasst ei nen von einem Kühlmedium KM, beispielsweise Kühlflüssigkeit KF, durchströmba- ren Wärmeübertrager 2. Das Kühlmedium KM dient dazu, eine in Figur 1 nicht nä her dargestellte Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zu kühlen, in dem es, dem Wirkprinzip eines Wärmeträgers folgend, von der Brennstoffzelle im Betrieb erzeugte Abwärme aufnimmt. Dies macht es jedoch erforderlich, die vom Kühlmedium KM in der Brennstoffzelle aufgenommene Wärme wieder abzugeben, was im Wärmeübertrager 2 durch Wärmeübertragung von Wärme von dem Kühl medium KM auf Kühlluft KL erfolgt, die fluidisch getrennt zum Kühlmedium KM ebenfalls durch den Wärmeübertrager 2 geführt wird.
Die Kühlluft KL wird entlang eines Luftpfads 5 geführt, in welchem der Wärme übertrager 2 angeordnet ist. Die Kühlluft KL kann dabei mit einem im Luftpfad 5 angeordneten und relativ zum Wärmeübertrager 2 drehbar ausgebildeten Lüfter rad 10 gefördert werden. Im Beispiel umfasst das Lüfterrad 10 eine um eine Dreh achse D drehbare Lüfterrad-Nabe 15 und mehrere drehfest mit der Lüfterrad-Nabe 15 verbundene Lüfterrad-Blätter 18 zum Fördern der Kühlluft KL. Eine axiale Rich tung A des Lüfterrads 10 erstreckt sich dabei entlang der Drehachse D. Eine radi ale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Drehachse weg. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung R um die Drehachse D um. Die Drehachse D kann eine Mittellängsachse M der Lüfterrad-Nabe 15 sein. Die Lüfterrad-Blätter 18 sind entlang der Umfangsrichtung U nebeneinander angeordnet, wobei sich jedes Lüf- terrad-Blatt 18 entlang der radialen Richtung R von der Drehachse D bzw. Mittel längsachse M weg erstreckt. Der Luftpfad 5, in welchem das Lüfterrad 10 ange ordnet ist, erstreckt sich zweckmäßig entlang der axialen Richtung A.
Des Weiteren umfasst die Anordnung 1 einen im Luftpfad 5 angeordneten und re lativ zum Wärmeübertrager 2 und somit auch relativ zum Luftpfad 5 drehbaren Vernebler 4. Mittels des Verneblers 4 kann die durch den Luftpfad 5 strömende Kühlluft KL vernebelt und mittels Verdunstungskühlung gekühlt werden. Im Bei spiel der Figur 1 ist der Vernebler 4 als drehbarer Kreiselvernebler 11 ausgebildet.
Wie in Figur 1 grafisch angedeutet kann zum Vernebeln des Wassers W der Ver nebler 4 eine mit dem Wasserreservoir 20 fluidisch verbundene Wasserzuführung 6 umfassen. Dabei weist die Wasserzuführung 6 nur einen einzigen Wasseraus lass 7 auf, der ortsfest zum Wärmeübertrager 2 in der Kühlanordnung 1 angeord net ist. Dies bedeutet, dass sich der Wasserauslass 7 nicht mit dem Lüfterrad 10 mit dreht, also auch nicht drehfest mit dem Lüfterrad 10 verbunden ist.
Im Beispiel der Figur 1 umfasst die Wasserzuführung 6 eine Wasserleitung 12, welche den Wasserauslass 7 fluidisch mit dem Wasserreservoir 20 verbindet, so- dass Wasser W aus dem Wasserreservoir über die Wasserleitung 12 zum Was serauslass 7 strömen kann und von dort in den Luftpfad 5 eingebracht werden kann. Dabei kann in der Wasserzuführung 6 eine verstellbare Ventileinrichtung 17 zum Einstellen des Volumenstroms an Wasser W aus dem Wasserreservoir 20 angeordnet sein. In diesem Fall kann die Kühlanordnung 1 mit einem Drucksensor 25 zum Bestimmen einer Druckdifferenz Dr zwischen dem Luftdruck p1 der Kühl luft KL im Luftpfad 5 stromauf des Wärmeübertragers 10 und dem Luftdruck p2 der Kühlluft KL stromab des Wärmeübertragers 10 ausgestattet sein. Eine Steue- rungs-/Regelungseinrichtung 3 der Kühlanordnung 1 ermöglicht es, die Ventilein richtung 17 in Abhängigkeit von der mittels des Drucksensors 25 ermittelten Druckdifferenz Dr zu verstellen auf diese Weise die vom Vernebler 4 bereitge stellte Vernebelungsleistung einzustellen. Damit einher geht auch eine Einstellung der von der Kühlanordnung 1 bereitgestellten Kühlleistung.
Im Beispiel der Figur 1 ist der drehbare Vernebler 4 bzw. Kreiselvernebler 11 se parat zum Lüfterrad 10 ausgebildet. Somit kann eine Drehung des Kreiselverneb lers 11 unabhängig von einer Drehung des Lüfterrads 10 erfolgen. Im Beispiel der Figur 1 wird das Lüfterrad 10 über einen elektrischen Antrieb 27 angetrieben, des sen Abtriebswelle 34 drehfest mit dem Lüfterrad 10 verbunden sein kann. Der Kreiselvernebler 11 umfasst ferner einen um eine Rotationsachse R drehbaren Rotationskörper 29, an welchem eine Um lenkfläche 28 vorgesehen ist. Der Rotati onskörper 29 bildet ebenso wie Um lenkfläche 28 ebenso wie der Wasserauslass 7 einen Teil des Kreiselverneblers 11 bzw. Verneblers 4. Mittels der Umlenkfläche 28 wird das aus dem Wasserauslass 7 ausgetretene Wasser W im Luftpfad 5 zum Wärmeübertrager 2 hin abgelenkt. Im Zuge der Ablenkung des Wassers W an der zusammen mit dem Lüfterrad 10 rotierenden Umlenkfläche 28 erfolgt die Vernebe lung der Kühlluft KL mit dem Wasser W. Der Wasserauslass 7 ist hierfür so ausge richtet, dass das aus dem Wasserauslass 7 in den Luftpfad 5 austretende Wasser W auf eine am Rotationskörper 29 stirnseitig vorgesehene Um lenkfläche 28 trifft.
Im Beispiel der Figur 1 sind der Rotationskörper 29 und das Lüfterrad 10 koaxial zueinander angeordnet, sodass die Rotationsachse R des Rotationskörpers 29 und die Drehachse D des Lüfterrads 10 übereinstimmen. In einer nicht gezeigten Variante können jedoch die Rotationsachse R und die Drehachse D auch vonei nander verschieden sein. Im Beispiel der Figur 1 wird das Lüfterrad 10 über einen elektrischen Antrieb 27 angetrieben, dessen Abtriebswelle 34 drehfest mit dem Lüfterrad 10 verbunden sein kann. Zum Antreiben des Rotationskörpers 29 um fasst der Vernebler 4 bzw. der Kreiselvernebler 11 einen vom elektrischen Antrieb 27 des Lüfterrads 10 verschiedenen weiteren elektrischen Antrieb 35, dessen An triebswelle 33 drehfest mit dem Rotationskörper 29 verbunden sein kann. Im Beispiel der Figur 1 ist der Wärmeübertrager 2 zwischen dem drehbaren Lüfter rad 10 und dem Vernebler 4 im Luftpfad 5 angeordnet. Der Wärmeübertrager 2 ist also stromab des Verneblers 4 im Luftpfad 5 angeordnet. Das Lüfterrad 10 wiede rum ist stromab des Wärmeübertrager 2 im Luftpfad 5 angeordnet, sodass dessen Saugseite 9a dem Wärmeübertrager 2 zugewandt ist. Auf diese Weise kann die im Vernebler 4 mit Wasser W vernebelte Kühlluft KL vom Lüfterrad 10 zum Wärme übertrager 2 gesaugt werden.
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Rotationskörper 29 in einer Blickrichtung entlang der axialen Richtung A. Demnach besitzt der Rotationskörper 29 eine kreisrunde Geometrie. Figur 2 veranschaulicht außerdem, dass der Rotationskör per 29 eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander und auch in verschiedenen radialen Abständen zur Drehachse D angeordneten Durchbrüchen 36 aufweist, durch welche die vom Lüfterrad 10 angesaugte Kühl luft KL hindurch treten kann. Bevorzugt sind diese Durchbrüche mit schlitzartiger Geometrie ausgebildet. Um das Abperlen von Wasser zu verhindern, kann die Oberfläche des Rotationskörpers aufgeraut sein. Darüber hinaus kann die Was serzuführung mit dem Wasserauslass bezüglich der Schwerkraftrichtung nach un ten geneigt sein, um ein Zurücklaufen von Wasser an der typischerweise rohrför migen Wasserzuführung zu verhindern.
Um das auf den Rohrkörper 29 treffende Wasser mit einer möglichst hohen Dreh geschwindigkeit zu versehen, bevor es den Rotationskörper verlässt, können auf diesem stegartige oder rillenartige Vorsprünge bzw. Vertiefungen vorgesehen sein, die für das auf den Rotationskörper 29 treffende Wasser W als "Mitnehmer" wirken, welche das Wasser W entlang der radialen Richtung R nach außen mit nehmen. Dadurch kann es entlang der Drehrichtung D des Rotationskörpers 29, also entlang der Umfangsrichtung U, beschleunigt werden. Um eine möglichst ho- her Drehzahl erreichen zu können, erweist sich als vorteilhaft, wenn der Rotations körper 29 entlang der axialen Richtung A möglichst dünn ausgebildet ist. Insbe sondere kann der Rotationskörper 29 daher eine scheibenartige geometrische Formgebung aufweisen.
Die Figuren 3a und 3b illustrieren eine weitere Variante, bei welcher der Vernebler 4 als Rotations-Repeller 100 bzw. Beregnungs-Repeller ausgebildet ist. Flierzu umfasst der Vernebler 4 eine um die Drehachse D drehbare Nabe 105, von wel cher weg sich drehfest mit der Nabe 105 verbunden mehrere Hohlstreben 101 - im Beispielszenario vier solche Hohlstreben 101 - erstrecken. Die Figur 3a zeigt den Rotation-Repeller 100 in einer Draufsicht entlang der Drehachse D. Die Figur 3b zeigt einen Längsschnitt entlang der Drehachse D. Die Hohlstreben 101 sind ent lang der radialen Richtung R von der Drehachse D weg längsförmig ausgebildet und entlang der Umfangsrichtung U um die Drehachse D äquidistant im Abstand zueinander angeordnet.
Gemäß den Figuren 3a und 3b kann an jeder der Hohlstreben 101 ein flügelarti ges Antriebselement 104 vorhanden und mit der Hohlstrebe 101 verbunden sein. Die Antriebselemente 104 sind so ausgebildet, dass der drehbare Vernebler 4 mit tels der auf die Antriebselemente 104 treffende Kühlluft KL angetrieben, also in Drehbewegung versetzt wird. Ein elektrischer Antrieb zum Antreiben des Rotati- ons-Repellers 100 kann somit entfallen.
Jede Hohlstrebe 101 begrenzt außerdem einen von dem Wasser Wdurchström- baren und in den Figuren nicht näher gezeigten Strebeninnenraum 102. Der Stre- beninnenraum 102 bildet somit einen Wasserkanal für das Wasser W aus. Ent sprechend ist in jeder Hohlstrebe 101 ein Wasserauslass 103 ausgebildet, über welchen das durch den Strebeninnenraum 102 geführte Wasser W in die äußere Umgebung 106 des Verneblers 4 austreten kann. Wie die Figur 3b veranschau licht weisen die Endabschnitte 108 mit den Wasserauslässen 103 vom Wärme übertrager 2 weg.
Der Vernebler 4 kann eine gegenüber dem Wärmeübertrager 2 ortsfeste oder - al ternativ dazu - gegenüber dem Wärmeübertrager 2 um die Drehachse D drehbar gelagerte und von dem Wasser W durchström bare Hohlwelle 109 umfassen, die einen von dem Wasser W durchström baren Hohlwelleninnenraum 110 begrenzt. Der Hohlwelleninnenraum 110 kommuniziert fluidisch mit den von den Hohlstre ben 101 begrenzten Strebeninnenräumen 10. Der Hohlwelleninnenraum 110 wie derum kann über die Wasserzuführung 6 fluidisch mit dem in Figur 1 gezeigten Wasser-Reservoir 20 kommunizieren (in den Figuren 3a und 3b nicht gezeigt). Bei Rotation des Rotations-Repellers 100 wird das Wasser W von dem Hohlwellenin nenraum 110 kommend entlang der Hohlstreben-Innenräume 110 aufgrund der auf das Wasser wirkenden Zentrifugalkraft radial nach außen zum jeweiligen Was serauslass 103 gedrückt, über welchen es unter Druck in die äußere Umgebung 106 austritt, so dass bei sich drehendem Rotations-Repeller 100 ein aufgefächer ter Wasserstrahl erzeugt wird.
Gemäß den Figuren 3a und 3b weist jede Hohlstrebe 101 weist einen sich radial erstreckenden Hauptabschnitt 107 auf, der entlang der radialen Richtung R radial nach außen in einen Endabschnitt 108 übergeht. In dem radial äußeren Endab schnitt 108 ist der Wasserauslass 103 angeordnet. Der Endabschnitt 108 kann wie in den Figuren schematisch angedeutet durch eine Verlängerung des zugehörigen Hauptabschnitts 107 gebildet sein, die nach innen, zur Drehachse D hin umgebo gen ist. Jeder der Endabschnitte 108 ist also unter einem Winkel zum zugehörigen Hauptabschnitt 107 angeordnet und steht daher winkelig vom Hauptabschnitt 107 ab. Jeder der den jeweiligen Wasserauslass 103 aufweisenden Endabschnitte 108 ist bevorzugt als Auslassdüse, also düsenartig ausgebildet, sodass das aus dem Strebeninnenraum 102 austretende Wasser W in die äußere Umgebung 106 aus gedüst wird. Auf diese Weise wird eine besonders gleichmäßige Auffächerung des beim Austritt aus dem Wasserauslass 103 erzeugten Wasserstrahls bewirkt.
In dem in Figur 3b gezeigten Längsschnitt entlang der Drehachse D bildet jeder der Endabschnitte 108 einen ersten spitzen Winkel cd, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, mit dem zugehörigen Hauptabschnitt 107 aus. Der optimale Wert für den ersten spitzen Winkel cd kann anwendungsspezifisch, insbesondere in Ab hängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Rotations-Repellers 100 wie etwa einer bevorzugten Rotations-Geschwindigkeit des Repellers, festgelegt werden.
Gemäß den Figuren 3a und 3b sind die Hohlstreben 101 in einer Rotationsebene RE angeordnet, die sich senkrecht zur Drehachse D erstreckt. In der in Figur 3a dargestellten Draufsicht auf die Rotationsebene RE entlang der Drehachse D sind die Endabschnitte 108 der Hohlstreben 101 jeweils unter einem zweiten spitzen Winkel a2, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, zum Hauptabschnitt 107 angeord net. Der optimale Wert für den ersten spitzen Winkel a2 kann anwendungsspezi fisch, insbesondere in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Rotations-Repellers 100 wie etwa der Rotations-Geschwindigkeit des Repellers, festgelegt werden.
Nach dem Austritt aus einem jeweiligen Wasserauslass 103 wird das aus diesem Wasserauslass 103 ausgetretene Wasser W aufgrund der Rotationsbewegung des Verneblers und 4 und dessen Hohlstrebe 101 fächerförmig aufgeweitet. In der in Figur 3a gezeigten Draufsicht auf den Wärmeübertrager 2 entlang der Dreh achse D bzw. der axialen Richtung A lässt sich erkennen, dass aufgrund der Auf weitung des Wasserstrahls W eine Kreis-Fläche 115 mit Radius RKS beregnet.
Mit dem Wasser geregnet. Der Schnittdarstellung der Figur 3b entnimmt man, dass das aus einem einzelnen Wasserauslass 103 austretende Wasser W in eine Vielzahl von Bahnen 116 mit jeweils parabelförmigem Bahnverlauf aufgeteilt wer den, bevor das Wasser W in jeweiligen Auftreffpunkten 117 auf den Wärmeüber trager 2 trifft.
Von besonderer Bedeutung ist es dabei, den ersten und den zweiten Winkel a1 bzw. a2 so festzulegen, dass eine flächige Beregnung des Wärmeübertrager 2 er reicht wird. Dabei weist die beregnete Fläche des Wärmeübertragers in der in Fi gur 3a gezeigten Draufsicht bevorzugt die Geometrie eines Kreises 118.
In der Draufsicht der Figur 3a ist eine Drehrichtung DR des Vernebler 4 bzw. des sen Flohlstrebe 101 um die Drehachse D eingezeichnet. Im Beispiel der Figuren 3a, 3b ist die Drehrichtung DR identisch zur Umfangsrichtung U.
Für eine ordnungsgemäße Funktion des Vernebler 4 ist es bedeutsam, dass die Endabschnitte 108 mit den Wasserauslässen 103 entgegengesetzt zur Drehrich tung DR des Verneblers 4 und entgegen der Strömungsrichtung der Kühlluft abge winkelt bzw. umgebogen sind.
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Claims

Patentansprüche
1. Kühlanordnung (1) für ein Brennstoffzellensystem,
- mit einem von einem Kühlmedium (KM) durchström baren Wärmeübertrager (2), der zum Kühlen mittels Kühlluft (KL) zumindest teilweise in einem von der Kühl luft (KL) durchströmbaren Luftpfad (5) angeordnet ist;
- mit einem im Luftpfad (5) angeordneten und relativ zum Wärmeübertrager (2) drehbar ausgebildeten Lüfterrad (10) zum Fördern der Kühlluft (KL) zum Wär meübertrager (2);
- mit einem im Luftpfad (5) angeordneten und drehbar ausgebildeten Vernebler (4), mittels welchem die Kühlluft (KL) zur Kühlung, insbesondere Verdunstungs kühlung, derselben mit in den Luftpfad (5) eingebrachtem Wasser (W) vernebel bar ist.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Vernebler (4) eine um eine Drehachse (D) drehbare Nabe (105) umfasst, von welcher weg sich - drehfest mit der Nabe verbunden - radial nach außen wenigstens drei, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt vier, Hohlstreben (101) erstrecken, die jeweils einen von dem Wasser (W) durchströmbaren Stre- beninnenraum (102) begrenzen,
- wobei in jeder Hohlstrebe wenigstens ein Wasserauslass (103) ausgebildet ist, über welchen das durch den Strebeninnenraum (102) geführte Wasser (W) in die äußere Umgebung (106) des Verneblers (4) austreten kann.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Hohlstrebe (101), vorzugsweise an jeder der Hohlstreben (101), ein flügelartiges Antriebselement (104) vorhanden und mit der Hohlstrebe (101) verbunden ist, derart ausgebildet, dass der drehbare Vernebler (4) durch die auf das Antriebselement (104) treffende Kühlluft (KL) antreibbar oder ange trieben ist.
4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Hohlstrebe (101) einen sich radial erstreckenden Hauptab schnitt (107) aufweist, der radial nach außen in einen Endabschnitt (108) über geht, in welchem der Wasserauslass (103) angeordnet ist und welcher unter ei nem Winkel zum Hauptabschnitt (107) angeordnet ist oder winkelig vom Haupt abschnitt (107) absteht.
5. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Wasserauslass (103) aufweisende Endabschnitt (108) düsenartig aus gebildet ist.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem Längsschnitt entlang der Drehachse (D) der Endabschnitt (108) einen (ersten) spitzen Winkel (a1), vorzugsweise zwischen 30° und 60°, mit dem Hauptabschnitt (107) bildet.
7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (108) durch eine Verlängerung des Hauptabschnitts (107) ge bildet ist, die nach innen, zur Drehachse (D) hin umgebogen ist.
8. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wasserauslass (103) vom Wärmeübertrager (2) weg weist.
9. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Hohlstreben (101) in einer Rotationsebene (RE) angeordnet sind, die sich senkrecht zur Drehachse (D) erstreckt,
- in einer Draufsicht auf die Rotationsebene (RE) entlang der Drehachse (D) der Endabschnitt (108) wenigstens einer Hohlstrebe (101), vorzugsweise die End abschnitte (108) aller Hohlstreben (101), unter einem (zweiten) spitzen Winkel (a2), vorzugsweise zwischen 30° und 60°, zum Hauptabschnitt (107) angeord net ist/sind.
10. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstreben (101) entlang einer radialen Richtung (R) von der Dreh achse^) weg längsförmig ausgebildet sind und entlang einer Umfangsrichtung (U) um die Drehachse (D), vorzugsweise äquidistant, im Abstand zueinander angeordnet sind.
11.Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Vernebler (4) eine gegenüber dem Wärmeübertrager (2) ortsfeste oder ge genüber dem Wärmeübertrager (2) um die Drehachse (D) drehbar gelagerte und von dem Wasser (W) durchström bare Hohlwelle (109) umfasst, die einen von dem Wasser (W) durchströmbaren Hohlwelleninnenraum (110) begrenzt, der mit wenigstens einem Strebeninnenraum (102), vorzugsweise mit allen Strebeninnenräumen (102), fluidisch kommuniziert.
12. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) als Rotations-Repeller (100) ausgebildet ist.
13. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) zwischen dem Lüfterrad (10) und dem Wärmeübertrager (2) im Luftpfad (5) angeordnet ist, so dass die im Vernebler (4) mit Wasser (W) ver nebelte Kühlluft (KL) vom Lüfterrad (10) zum Wärmeübertrager (2) gedrückt werden kann.
14. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) zwischen dem drehbaren Lüfterrad (10) und dem ebenfalls drehbar ausgebildeten Vernebler (4) und dem Lüfterrad (10) im Luft pfad (5) angeordnet ist, so dass die im Vernebler (4) mit Wasser (W) vernebelte Kühlluft (KL) vom Lüfterrad (10) zum Wärmeübertrager (2) gesaugt werden kann.
15. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) eine mit einem Wasserreservoir (20) fluidisch verbindbare o- der verbundene Wasserzuführung (6) mit wenigstens einem Wasserauslass (7) umfasst, der im Luftpfad (5) angeordnet ist, so dass aus dem Wasserauslass (7) ausgetretenes Wasser (W) in der durch den Luftpfad (5) geführte Kühlluft (KL) vernebeln kann oder vernebelt wird.
16. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführung (6) eine verstellbare Ventileinrichtung (17) zum Einstellen eines Volumenstroms an Wasser (W), insbesondere aus dem Wasserreservoir (20), umfasst.
17. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (1) einen Drucksensor (25) zum Bestimmen einer Druckdif ferenz (Dr) zwischen dem Luftdruck (p1) der Kühlluft (KL) im Luftpfad (5) strom auf des Wärmeübertragers (10) und dem Luftdruck (p2) der Kühlluft (KL) stromab des Wärmeübertragers (10) aufweist.
18. Kühlanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (1) eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (3) umfasst, mit tels welcher die Ventileinrichtung (17) in Abhängigkeit von der mittels des Drucksensors (25) ermittelten Druckdifferenz (Dr) verstellbar ist.
19. Brennstoffzellensystem,
- mit einer mittels einem Kühlmedium (KM), insbesondere einer Kühlflüssigkeit (KF), kühlbaren Brennstoffzelle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug;
- mit einer Kühlanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Kühlen des Kühlmediums (KM) mittels der Kühlluft (KL).
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