WO2022207345A1

WO2022207345A1 - Kühlanordnung für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2022207345A1
Application number: PCT/EP2022/057008
Authority: WO
Inventors: Richard BRÜMMER; Gunther Hentschel; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-10-06
Also published as: DE102022202648A1

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.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vernebler zwischen dem Lüf terrad und dem Wärmeübertrager so im Luftpfad angeordnet, dass die im Verneb ler mit Wasser vernebelte Kühlluft vom Lüfterrad zum Wärmeübertrager gefördert werden kann. Diese Ausführungsform erfordert besonders wenig Bauraum.

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 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 ausgetretenes 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 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 einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Vernebler als drehbarer Kreisel vernebler ausgebildet sein. Dieser weist wenigstens einen von dem Wasser durch- strömbaren Sprühkopf mit wenigstens zwei, vorzugsweise mit mehreren, Wasser auslässen zum Einsprühen des Wassers in den Luftpfad bzw. in die Kühlluft auf. Mittels eines solchen Kreiselverneblers kann die durch den Luftpfad gekühlt Luft besonders homogen mit Wasser vernebelt werden.

Alternativ dazu kann der drehbare Kreiselvernebler eine drehbare Um lenkfläche aufweisen, mittels welcher das aus dem, vorzugsweise ortsfest zum Wärmeüber trager angeordneten, Wasserauslass ausgetretene Wasser in Richtung des Wär meübertragers hin abgelenkt werden kann. Diese Variante ist technisch besonders einfach umzusetzen und somit auch besonders kostengünstig. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der drehbare Vernebler, insbeson dere die Umlenkfläche des Verneblers bzw. der Sprühkopf des Verneblers, Teil des drehbaren Lüfterrads sein. Eine solche Integration des Verneblers in das Lüf terrad vereinfacht den Aufbau des Verneblers, insbesondere da der Antrieb zum Drehbewegen des Lüfterrads vom Vernebler mitbenutzt werden kann. Es ist also kein separater Antrieb zu Antreiben des drehbaren Kreiselverneblers erforderlich.

Besonders bevorzugt kann der Vernebler, insbesondere die Umlenkfläche des Verneblers oder der Sprühkopf des Verneblers, zumindest teilweise drehfest mit dem Lüfterrad verbunden sein. Auch bei dieser besonders bevorzugten Variante kann auf einen separaten elektrischen Antrieb für den Vernebler verzichtet sein. Auch mit dieser Variante gehen daher Kostenvorteile einher.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Vernebler separat zum Lüfterrad ausgebildet und mittels eines - 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 Lüfterrad, insbesondere stromauf des Lüfter rads, anzuordnen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Kühlanordnung eine Pumpvor richtung zum Fördern von Wasser aus dem Wasserreservoir über die Wasserzu führung zum Vernebler aufweisen, wobei der Vernebler und eine Pumpvorrichtung beide mittels des elektrischen Antriebs antreibbar oder angetrieben sind. Auf diese Weise kann ein auf die Bereitstellung eines separaten Antriebs für die Pumpvor richtung bzw. den Vernebler verzichtet werden, was mit Kostenvorteilen bei der Herstellung der Kühlanordnung einhergeht. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann der Vernebler als Pumpvorrichtung zum Fördern von Wasser über die Wasserzuführung aus dem Wasserreservoir ausgebildet ist. Somit kann nicht nur auf einen separaten Antrieb für die Pumpvorrichtung, sondern auf die gesamte Pumpvorrichtung verzichtet werden, da diese Funktion vom Vernebler mit übernommen wird. Auch mit dieser Variante gehen folglich erhebliche Kosteneinsparungen einher.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Lüfterrad eine Hohlwelle und wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, Lüfterrad-Blätter. Die Hohlwelle kann di rekt oder indirekt - über eine Lüfterrad-Nabe - drehfest mit den Lüfterrad-Blättern verbunden sein. In diesem Fall ist also auch die Hohlwelle gegenüber dem Wär meübertrager drehbar ausgebildet. Alternativ dazu kann die Hohlwelle auch orts fest zum Wärmeübertrager angeordnet sein. In diesem Fall sind die Lüfterrad-Blät- ter gegenüber der Hohlwelle drehbar.

Bei dieser Ausführungsform bildet ein von der Hohlwelle umfangsseitig begrenzter Hohlraum einen Teil des Verneblers und ist hierzu von dem Wasser durchström- bar ausgebildet. Der Hohlraum kommuniziert fluidisch mit wenigstens einem in o- der an einem der Lüfterrad-Blätter ausgebildeten Wasserkanal, der einen Teil des Verneblers bildet, von dem Wasser durchströmbar ist und in dem wenigstens ei nen Wasserauslass mündet. Dies bedeutet, dass der Wasserkanal und auch der Wasserauslass sich im Betrieb des Lüfterrads mit diesem mit drehen. Somit er fährt das durch den Wasserkanal strömende Wasser eine Zentrifugalkraft t, die zu einer bedarfsabhängigen Steuerung der durch den Vernebler geführten Menge an Wasser pro Zeiteinheit genutzt werden kann. Dabei ist die durch das Lüfterrad ge förderte Luftmenge näherungsweise proportional der eingebrachten Wasser menge. Dies bedeutet, dass bei hohem Bedarf an Kühlleistung im Wärmeübertra ger durch Erhöhung der Lüfterrad-Drehzahl nicht nur mehr Kühlluft zum Wärme übertrager gefördert wird, sondern simultan - aufgrund der Zunahme der auf das Wasser wirkenden Zentrifugalkraft - auch die Menge an in den Luftpfad geförder tem Wasser erhöht wird. Auf diese Weise kann insbesondere auf die Bereitstel lung eines steuerbaren Ventils zum bedarfsabhängigen Einstellen des Wasser- Stroms, welches durch den wenigstens einen Wasserauslass in den Luftpfad ein gebracht wird, entfallen. Damit gehen Kostenvorteile einher.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann in wenigstens zwei Lüfterrad-Blät- tern jeweils wenigstens ein Wasserkanal mit wenigstens einem Wasserauslass angeordnet sein. Diese Maßnahme unterstützt eine besonders gleichmäßige Ver nebelung der durch den Luftpfad geführten Luft mit Wasser. Um die maximal mög liche Fördermenge an Wasser in den Luftkanal weiter zu erhöhen, kann beson ders bevorzugt in allen Lüfterrad-Blättern jeweils wenigstens ein Wasserkanal mit wenigstens einem Wasserauslass angeordnet sein.

Bei einer weiteren als bevorzugt einzustufenden Ausführungsform kann der we nigstens eine Wasserauslass auf die dem Wärmeübertrager abgewandten Saug seite des Lüfterrads angeordnet sein. Diese Variante kann für die Schallemissio nen des Lüfters vorteilhaft sein. Darüber hinaus wird bei dieser Variante auf das aus der Wasserzuführung in den Luftpfad eingebrachte Wasser eine vorteilhafte Sogwirkung ausgeübt.

Besonders bevorzugt kann die Wasserzuführung mit dem bereits erwähnten Was serreservoir - beispielsweise einem Wasserspeicher in Form eines Behältnisses - der Kühlanordnung verbunden sein, wobei in der Wasserzuführung eine verstell bare 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 erbrin genden Kühlleistung gesteuert oder geregelt werden. Hierzu kann die Ventilein richtung zwischen einer Schließstellung, in welcher kein Wasser durch die Venti- leinrichtung und somit die Wasserzuführung strömen kann, und einer Offenstel lung, in welcher eine pro Zeiteinheit maximale Wassermenge durch die Wasserzu führung strömen, verstellbar sein. Die genaue technische Realisierung einer sol chen Ventileinrichtung - typischerweise mit Ventilöffnung und gegenüber der Ven tilöffnung relativverstellbarem Ventilkörper - ist dem einschlägigen Fachmann be kannt 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 - also druckseitig - umfassen. Dies erlaubt es, durch entspre chende Ansteuerung der voranstehend erläuterten Ventileinrichtung die Menge an in den Luftpfad einzubringendem Wasser in Abhängigkeit von der vom Lüfterrad erzeugten Förderleistung 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/Regelung der Menge an in den Ver nebler eingebrachtem Wasser und somit eine Steuerung/Regelung der von der Kühlanordnung bewirkten Kühlleistung auf einen vorgegebenen Soll-Wert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der bevorzugt kreisrunde Rotations körper in einer Draufsicht entlang der axialen Richtung eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung und in verschiedenen radialen Abständen zur Drehachse an geordneten Durchbrüchen aufweisen, durch welche die vom Lüfterrad angesaugte Luft hindurchtreten kann. Besonders bevorzugt sind diese Durchbrüche mit schlitz artiger Geometrie realisiert. Um das Abperlen von Wasser zu verhindern, kann die Oberfläche des Rotationskörpers aufgeraut sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform die Wasserzuführung mit dem Wasserauslass bezüg lich der Schwerkraftrichtung nach unten geneigt sein, um ein Zurücklaufen von Wasser an der typischerweise rohrförmigen Wasserzuführung zu verhindern.

Um das auf den Rohrkörper treffende Wasser mit einer möglichst hohen Drehge schwindigkeit zu versehen, bevor es den Rotationskörper verlässt, können auf der Oberfläche des Rotationskörpers stegartige oder/und rillenartige Vorsprünge bzw. Vertiefungen vorgesehen sein, die für das auf den Rotationskörper treffende Was ser 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, beschleunigt werden.

Um eine möglichst hohe Drehzahl erreichen zu können, erweist sich als vorteilhaft, wenn der Rotationskörper entlang der axialen Richtung möglichst dünn ausgebil det ist. Insbesondere kann der Rotationskörper eine scheibenartige oder glocken artige geometrische Formgebung aufweisen. Im Falle einer glockenartigen Geo metrie kann die Glocke entgegen oder in Strömungsrichtung der Kühlluft geöffnet sein.

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, bei welcher die Wasserzuführung des Verneblers teilweise in Lüfterrad-Blätter des drehbaren Lüfterrads integriert ist,

Fig. 2 eine perspektivische Detaildarstellung des in Figur 1 nur schema tisch angedeuteten Lüfterrads des Verneblers der erfindungsgemä ßen Kühlanordnung,

Fig. 3 eine erste Variante des Beispiels der Figur 1 , bei welcher die Was serzuführung als mit dem Lüfterrad drehbarer Kreiselvernebler reali siert ist,

Fig. 4a, 4b zwei unterschiedliche technische Ausgestaltungsvarianten des in der Variante der Figur 3 verwendbaren Sprühkopfs,

Fig. 5 eine zweite Variante des Beispiels der Figur 1 , bei welcher die ge samte Wasserzuführung ortsfest zum Wärmeübertrager angeordnet ist, Fig. 6 ein zu den Figuren 1 bis 5 alternatives Ausführungsbeispiel, bei wel chem der Wärmeübertrager zwischen dem Vernebler und dem Lüf terrad angeordnet,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Rotationskörper des Kreiselverneblers ge mäß Figur 6.

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. Im Beispiel umfasst das Lüfterrad 10 eine um eine Drehachse D drehbare Hohlwelle 16 und mehrere über eine Lüfterrad-Nabe 15 drehfest mit der Hohlwelle 16 verbundene Lüfterrad-Blätter 18 zum Fördern der Kühlluft KL. Eine axiale Richtung A des Lüfterrads 10 erstreckt sich dabei entlang der Drehachse D. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Drehachse weg. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht sowohl zur axialen Rich tung A als auch zur radialen Richtung R um die Drehachse D um. Die Drehachse D kann eine Mittellängsachse M der Hohlwelle 16 sein. Die Lüfterrad-Blätter 18 sind entlang der Umfangsrichtung U nebeneinander angeordnet, wobei sich jedes Lüfterrad-Blatt 18 entlang der radialen Richtung R von der Drehachse D bzw. Mit tellängsachse M weg erstreckt. Der Luftpfad 5, in welchem das Lüfterrad 10 abge ordnet ist, erstreckt sich zweckmäßig entlang der axialen Richtung A. Des Weite ren umfasst die Anordnung 1 einen im Luftpfad 5 angeordneten und relativ zum Wärmeübertrager 2 und auch relativ zum Luftpfad 5 drehbaren Vernebler 4. Mit tels des Verneblers 4 kann die durch den Luftpfad 5 strömende Kühlluft KL verne belt und mittels Verdunstungskühlung gekühlt werden. In einer Variante kann die Hohlwelle 16 ortsfest zum Wärmeübertrager 2 ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Lüfterrad-Blätter 18 nicht drehfest mit der Hohlwelle 16 verbunden, son dern relativ zu dieser drehverstellbar.

Im Beispiel der Figur 1 ist der Vernebler 4 in das Lüfterrad 10 integriert. Somit kann die im Vernebler 4 mit Wasser W vernebelte Kühlluft KL vom Lüfterrad 10 zum Wärmeübertrager 2 gefördert werden und dort, wie voranstehend erläutert, Wärme von dem durch den Wärmeübertrager 2 geführten Kühlmedium KM auf nehmen.

Wie in Figur 1 grafisch angedeutet kann zum Vernebeln des Wassers W der Ver nebler 4 eine mit einem Wasserreservoir 20 fluidisch verbundene Wasserzufüh rung 6 umfassen. Dabei bildet ein von der Hohlwelle 16 umfangsseitig begrenzter Hohlraum 19 einen Teil der Wasserzuführung 6, der von Wasser W aus dem Was serreservoir 20 durchströmt werden kann.

Wie in Figur 1 ebenfalls angedeutet, kommuniziert der Hohlraum 19 als Teil der Wasserzuführung 6 fluidisch mit in den Lüfterrad-Blättern 18 ausgebildeten Was serkanälen 21. Ein ähnliches Szenario verdeutlicht die Darstellung der Figuren 2a und 2b. Figur 2a zeigt perspektivisch den Aufbau des Lüfterrads 10 mit den Lüfterrad-Blättern 18. Figur 2b ist eine Schnittdarstellung eines einzelnen Lüfterrad-Blatts 18. Dem nach kann in einem Lüfterrad-Blatt 18 ein sich entlang der radialen Richtung R von der Drehachse D weg erstreckender Wasserkanal 21 (vgl. Figur 2b) vorgesehen sein. Entlang seiner radialen Erstreckung kann jeder Wasserkanal 21 einen oder mehrere Wasserauslässe 7 aufweisen, über welche(n) das Wasser W in den Luft pfad 5 eingebracht wird. In Varianten des Beispiels ist es selbstverständlich auch denkbar, dass jedes Lüfterrad-Blatt 18 mindestens einen Wasserkanal 21 - also auch zwei oder mehr solche Wasserkanäle 21 - aufweisen kann, wobei wiederum in jedem Wasserkanal 21 mindestens ein Wasserauslass 7 - also ausdrücklich auch zwei oder, wie in Figur 2a angedeutet, mehr Wasserauslässe 7 - angeordnet sein können. Umgekehrt ist es aber auch denkbar, dass nicht in jedem der Lüfter- rad-Blätter 18 ein solcher Wasserkanal 21 vorgesehen ist. In allen genannten Vari anten drehen sich die Wasserkanäle 21 mit den Lüfterrad-Blättern 18 des Lüfter rads 10 mit. Bevorzugt können die Wasserauslässe 7 wie in den Figuren 1 und 2a gezeigt auf einer Saugseite 9a des Lüfterrads 10 angeordnet sein, die im Beispiel der Figur 1 vom Wärmeübertrager 2 abgewandt ist.

In einer Variante des Beispiels der Figuren 2a und 2b ist es auch denkbar, den je weiligen Wasserkanal 21 nicht innerhalb eines Lüfterrad-Blatts 18 auszubilden, sondern separat auf einer Außenoberfläche 30 des Lüfterrad-Blatts 18. Dieses Szenario veranschaulicht die Figur 2c, welche ebenso wie Figur 2b eine Schnitt darstellung eines einzelnen Lüfterrad-Blatts 18 zeigt. Man erkennt, dass auf einer Außenoberfläche 30, die im Beispiel der Figur 2c einer der Saugseite 9a gegen überliegenden Druckseite 9b zugewandt ist, ein Rohrkörper 31 , beispielsweise aus Kunststoff, angeordnet ist, der den Wasserkanal 21 begrenzt. Der Rohrkörper 31 kann lösbar am Lüfterrad-Blatt 18 befestigt sein, wozu beispielsweise eine geeig nete Clipverbindung oder Rastverbindung (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann.

Auch im Beispiel der Figur 2c befindet sich die Wasserauslässe 7 auf der Saug seite 9a des Lüfterrads 10. Daher ist wie in Figur 2c angedeutet im Lüfterrad-Blatt 18 zweckmäßigerweise für jeden Wasserauslass 7 eine Durchführung 32 ausge bildet, welche jeden druckseitigen Wasserkanal 31 fluidisch mit dem jeweiligen saugseitigen Wasserauslass 7 verbindet.

Wie wiederum die Figur 1 veranschaulicht, 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 Kühlanord nung 1 mit einem Drucksensor 25 zum Bestimmen einer Druckdifferenz Dr zwi schen dem Luftdruck p1 der Kühlluft KL im Luftpfad 5 stromauf des Wärmeüber tragers 10 und dem Luftdruck p2 der Kühlluft KL stromab des Wärmeübertragers 10 ausgestattet sein. Eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 3 der Kühlanord nung 1 ermöglicht es, die Ventileinrichtung 17 in Abhängigkeit von der mittels des Drucksensors 25 ermittelten Druckdifferenz Dr zu verstellen auf diese Weise die vom Vernebler 4 bereitgestellte Vernebelungsleistung einzustellen. Damit einher geht auch eine Einstellung der von der Kühlanordnung 1 bereitgestellten Kühlleis tung.

Die Figur 3 zeigt eine weitere Variante des Beispiels der Figuren 1 und 2a bis 2c. Im Beispiel der Figur 3 ist der Vernebler 4 als drehbarer Kreiselvernebler 11 mit ei nem Sprühkopf 13 ausgebildet, der mit dem Lüfterrad 10 drehfest verbunden ist und somit einer Drehbewegung des Lüfterrads 10 folgt.

Die Figuren 4a und 4b zeigen unterschiedliche Ausgestaltungsformen des Sprüh kopfs 13 jeweils in einer Detaildarstellung. Anhand der Figuren 4a und 4b lässt sich erkennen, dass der Sprühkopf 13 drehbar mit der Wasserleitung 12 verbun den sein kann, wobei zwischen Sprühkopf 13 und Wasserleitung 12 eine geeig nete Dichtungseinrichtung 8 vorgesehen sein kann, um einen Austritt von Wasser W aus der Wasserleitung 12 zu verhindern.

In beiden Beispielen umfasst der Sprühkopf 13 ein Sprühkopf-Gehäuse 23, wel ches einen Gehäuseinnenraum 24 umgibt, der von Wasser W aus dem Wasserre servoir 20 durchströmt werden kann, und in welchem die Wasserauslässe 7 ange ordnet sind.

Im Beispiel der Figur 4a sind in dem Gehäuseinnenraum 24 des Sprühkopfs 13 mehrere Wasserkanäle 22 ausgebildet, welche jeweils in einem im Sprühkopf-Ge häuse 23 ausgebildeten Wasserauslass 7 der Wasserzuführung 6 münden. Die Wasserauslässe 7 sind also sowohl im Beispiel der Figur 4a als auch im Beispiel der Figur 4b als im Sprühkopf-Gehäuse 23 vorgesehene Gehäuseöffnungen 26 ausgebildet.

Im Beispiel der Figur 4b sind in analoger Weise zum Beispiel der Figur 4a im Sprühkopf-Gehäuse 23 Wasserauslässe 7 ausgebildet. Jedoch ist hier gegensätz lich zum Beispiel der Figur 4a auf die Ausbildung separater Wasserkanäle 22 im Gehäuseinnenraum 24 verzichtet.

Auch im Beispiel der Figuren 3, 4a und 4b kann die Kühlanordnung 1 in analoger Weise zum Beispiel der Figuren 1 und 2 mit einer Ventileinrichtung, einem Druck sensor und einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung (in Figur 3 nicht dargestellt) ausgestattet sein und somit diesbezüglich mit derselben Funktionalität ausgestat tet sein wie die Anordnung 1 gemäß dem Beispiel der Figuren 1 und 2. Die Figur 5 zeigt eine Variante des Kreiselverneblers 11 der Figuren 3, 4a und 4b. Beim Kreiselvernebler 11 der Figur 5 ist der nur schematisch angedeutete Was serauslass 7 der Wasserzuführung 6 - im Beispiel der Figur 5 ist der Einfachheit halber eine Variante gezeigt, bei welcher die Wasserzuführung 6 nur einen einzi gen solchen Wasserauslass 7 aufweist - ortsfest zum Wärmeübertrager 2 in der Kühlanordnung 1 angeordnet. Dies bedeutet, dass sich der Wasserauslass 7 nicht mit dem Lüfterrad 10 mit dreht, also auch nicht drehfest mit dem Lüfterrad 10 ver bunden ist. Dies gilt selbstredend auch für Varianten, bei welcher die Wasserzu führung 6 zwei oder mehr Wasserauslässe 7 aufweist.

Im Beispiel der Figur 5 umfasst die Wasserzuführung 6 in analoger Weise zum Beispiel der Figur 3 eine Wasserleitung 12, welche den Wasserauslass 7 fluidisch mit dem Wasserreservoir 20 (in Figur 5 nicht gezeigt) verbindet, sodass Wasser W aus dem Wasserreservoir über die Wasserleitung 12 zum Wasserauslass 7 strö men kann und von dort in den Luftpfad 5 eingebracht werden kann. Wie bereits er läutert, kann in der Wasserleitung 12 dabei in analoger Weise zum Beispiel der Fi gur 1 eine Ventileinrichtung 17 (in Figur 5 nicht gezeigt) angeordnet sein.

Im Beispiel der Figur 5 ist der Wasserauslass 7 so ausgerichtet, dass das aus dem Wasserauslass 7 in den Luftpfad 5 austretende Wasser W auf eine am Lüf terrad 10 - im Beispiel stirnseitig an der Lüfterrad-Nabe 15 - vorgesehene Um- lenkfläche 28 trifft, die drehfest mit dem Lüfterrad 10 verbunden ist. Die Umlenkflä- che 28 ebenso wie der Wasserauslass 7 bilden einen Teil des Kreiselverneblers 11 bzw. Verneblers 4 und folgen der Drehbewegung des Lüfterrads 10. 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 Vernebelung der Kühlluft KL mit dem Wasser W. Im Beispiel der Figur 5 wird das Lüfterrad 10 über einen elektrischen Antrieb 27 angetrieben, dessen Abtriebswelle 34 drehtest mit dem Lüfterrad 10 verbunden sein kann. Ein solcher elektrische Antrieb 27 kann auch in den Beispielen der Fi guren 1 bis 4 vorgesehen sein, obwohl er in diesen Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht explizit dargestellt ist. In den Beispielen der Figur 1 bis 5 erfolgt also die Drehung des Lüfterrads 10 und auch die Drehung des Verneblers 4 bzw. Krei selverneblers 11 mittels des gemeinsamen elektrischen Antriebs 27 des Lüfterrads 10.

Die Figur 6 illustriert eine weitere Variante, bei welcher der Kreiselvernebler 11 bzw. Vernebler 4 nicht wie im Beispiel der Figuren 1 bis 5 einen Teil des Lüfter rads 10 bildet oder zumindest teilweise in dieses integriert ist. Vielmehr ist im Bei spiel der Figur 6 der drehbare Vernebler 4 bzw. Kreiselvernebler 11 separat zum Lüfterrad 10 ausgebildet ist und nicht, wie in den voranstehend erläuterten Bei spielen gemäß den Figuren 1 bis 5 zumindest teilweise drehfest mit dem Lüfterrad 10 verbunden. Im Beispiel der Figur 6 kann also eine Drehung des Kreiselverneb lers 11 unabhängig von einer Drehung des Lüfterrads 10 erfolgen. Hierzu umfasst der Kreiselvernebler 11 einen um eine Rotationsachse R drehbaren Rotationskör per 29, an welchem die bereits anhand des Beispiels der Figur 5 erläuterte Um lenkfläche 28 vorgesehen ist.

Im Beispiel der Figur 6 sind der Rotationskörper 29 und das Lüfterrad 10 koaxial zueinander angeordnet, sodass die Rotationsachse des Rotationskörpers 29 und die Drehachse D des Lüfterrads 10 übereinstimmen. In einer nicht gezeigten Vari ante können jedoch die Rotationsachse R und die Drehachse D auch voneinander verschieden sein. Zum Antreiben des Rotationskörpers 29 umfasst der Vernebler 4 bzw. der Kreiselvernebler 11 einen vom elektrischen Antrieb 27 des Lüfterrads 10 verschiedenen weiteren elektrischen Antrieb 35, dessen Antriebswelle 33 dreh fest mit dem Rotationskörper 29 verbunden sein kann. Die Variante der Figur 6 unterscheidet sich von den Varianten der Figuren 1 bis 5 auch darin, dass - gegensätzlich zum Beispiel der Figuren 1 bis 5 - der Wärme übertrager 2 hier zwischen dem drehbaren Lüfterrad 10 und dem Vernebler 4 im Luftpfad 5 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager 2 ist also stromab des Verneblers 4 im Luftpfad 5 angeordnet. Das Lüfterrad 10 wiederum ist stromab des Wärme übertrager 2 im Luftpfad 5 angeordnet, sodass dessen Saugseite 9a dem Wärme übertrager 2 zugewandt ist. Auf diese Weise kann die im Vernebler 4 mit Wasser W vernebelte Kühlluft KL vom Lüfterrad 10 zum Wärmeübertrager 2 gesaugt wer den.

Die Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf den Rotationskörper 29 in einer Blickrichtung entlang der axialen Richtung A. Demnach besitzt der Rotationskörper 29 eine kreisrunde Geometrie. Figur 7 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 hindurchtreten 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.

Soweit sinnvoll kann die in Figur 7 gezeigte Ausgestaltung der Umlenkfläche 28 des Rotationskörpers 29 gemäß dem Beispiel der Figur 6 auch für die Ausgestal tungsvariante der Figur 7 verwendet werden, in welcher die Umlenkfläche 28 an der Lüfterrad-Nabe 15 vorgesehen ist.

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) 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.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) eine mit einem Wasserreservoir (20) fluidisch verbindbare Wasserzuführung (6) mit wenigstens einem Wasserauslass (7) umfasst, der im Luftpfad (5) angeordnet ist, so dass aus dem Wasserauslass (7) ausgetretenes Wasser (W) die durch den Luftpfad (5) geführte Kühlluft (KL) vernebeln kann o- der vernebelt.

5. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens ein Wasserauslass (7) des Verneblers (4) ortsfest zum Wärme übertrager (2) im Luftpfad (5) angeordnet ist.

6. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Vernebler (4) als drehbarer Kreiselvernebler (11 ) mit wenigstens einem von dem Wasser (W) durchström baren und wenigstens zwei, vorzugs weise mehrere Wasserauslässe (7) aufweisenden, Sprühkopf (13) zum Ein sprühen des Wassers (W) in die Kühlluft (KL) ausgebildet ist.

7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) als drehbarer Kreiselvernebler (11 ) ausgebildet ist und eine drehbare Um lenkfläche (28) aufweist, mittels welcher das aus dem Wasseraus lass (7) ausgetretene Wasser in Richtung des Wärmeübertragers (2) hin abge lenkt werden kann.

8. Kühlanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiselvernebler (11), insbesondere die Umlenkfläche (28) oder der Sprüh kopf (13), Teil des drehbaren Lüfterrads (10) ist.

9. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) separat zum Lüfterrad (10) ausgebildet ist und mittels eines gegenüber einem Antrieb (27) des Lüfterrads (10) separaten elektrischen An triebs (35) antreibbar oder angetrieben ist.

10. Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (1) eine Pumpvorrichtung zum Fördern von Wasser aus dem Wasserreservoir (20) über die Wasserzuführung (6) zum Vernebler (4) auf weist, wobei der Vernebler (4) und die Pumpvorrichtung beide mittels des elektrischen Antriebs (35) antreibbar oder angetrieben sind.

11.Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernebler (4) als Pumpvorrichtung zum Fördern von Wasser (W) über die Wasserzuführung (6) aus dem Wasserreservoir (20) ausgebildet ist.

12. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Lüfterrad (10) eine, vorzugsweise um eine Drehachse (D) drehbare, Hohl welle (16) und wenigstens zwei Lüfterrad-Blätter (18) umfasst,

- ein von der Hohlwelle (16) umfangsseitig begrenzter Hohlraum (19) einen Teil des Verneblers (4) bildet und von dem Wasser (W) durchströmbar ausgebildet ist; - wobei der Hohlraum (19) fluidisch mit wenigstens einem in oder an einem Lüf- terrad-Blatt (18) ausgebildeten Wasserkanal (21) kommuniziert, der einen Teil des Verneblers (4) bildet und in dem wenigstens einem Wasserauslass (7) mündet.

13. Kühlanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens zwei Lüfterrad-Blättern (18) jeweils wenigstens ein Wasserkanal (21) mit wenigstens einem Wasserauslass (7) angeordnet ist.

14. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführung (6) mit einem Wasserreservoir (20) der Kühlanordnung (1) verbunden ist, wobei ein der Wasserzuführung (6) eine verstellbare Venti leinrichtung (17) zum Einstellen eines Volumenstroms an Wasser (W) aus dem Wasserreservoir (20) angeordnet ist.

15. 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).

16. Kühlanordnung nach Anspruch 14 und 15, 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.

17. 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).