WO2023061710A1 - Evaporative cooling of a cooling unit by means of product water from at least one fuel cell system - Google Patents

Evaporative cooling of a cooling unit by means of product water from at least one fuel cell system Download PDF

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WO2023061710A1
WO2023061710A1 PCT/EP2022/076157 EP2022076157W WO2023061710A1 WO 2023061710 A1 WO2023061710 A1 WO 2023061710A1 EP 2022076157 W EP2022076157 W EP 2022076157W WO 2023061710 A1 WO2023061710 A1 WO 2023061710A1
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WO
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fuel cell
cell system
cooler
product water
water
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PCT/EP2022/076157
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Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a method for supporting a cooler of a fuel cell system in cooling the fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a corresponding device and a corresponding system with a corresponding device.
  • Fuel cell systems are known in principle, also as energy suppliers in vehicles.
  • fuel cell systems i. i.e. R. uses oxygen from the ambient air as the oxidizing agent and hydrogen as the reducing agent or fuel in order to react to form water (or water vapor) in the fuel cell stack of the system and thus to supply electrical power by electrochemical conversion.
  • Another system-inherent property in fuel cell systems is the formation of product water (reaction product of hydrogen and oxygen from the ambient air).
  • Water management plays an important role in the operation of fuel cell systems, e.g. for humidifying membranes, for removing product water from the stack, etc.
  • the cooling system faces considerable challenges Challenges. High coolant temperatures and thus also high stack temperatures in turn cause higher degradation/aging of the fuel cell stack and thus a shorter service life.
  • the invention provides a method for supporting a cooler of a fuel cell system when cooling the fuel cell system with the features of the independent method claim. Furthermore, the invention provides a corresponding device with the features of the independent device claim and a corresponding system with the features of the independent system claim. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with individual aspects of the invention naturally also apply in connection with the other aspects of the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.
  • the present invention provides: a method for supporting a cooler of a fuel cell system in cooling the fuel cell system, in particular for cooling the cooler, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler, comprising: Providing (or obtaining) product water from the fuel cell system, e.g. by separating it from a cathode exhaust gas path and/or an anode path and preferably storing it in a water storage tank specially provided for this purpose, supplying the product water from the fuel cell system to the cooler, e.g line unit and e.g. B. at least one specially designed pump,
  • Wetting of the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system in order to cool the at least one cooler by evaporating the product water, e.g. B. is designed for wetting a surface of the cooler and for this purpose, for example.
  • the at least one fuel cell system can preferably be used for mobile applications, e.g. B. be designed in vehicles.
  • the at least one fuel cell system within the meaning of the invention can serve as the main energy supplier for an electric motor of the vehicle.
  • the at least one fuel cell system according to the invention can be used as an energy supplier for an auxiliary drive and/or an auxiliary drive of a vehicle, for example a hybrid vehicle.
  • the at least one fuel cell system for stationary applications such. B. in generator systems, be designed.
  • the at least one fuel cell system can have at least one fuel cell stack (or stack for short) with a plurality of stacked fuel cells.
  • the at least one fuel cell system can have a cathode system for providing an oxygen-containing reactant to the at least one fuel cell stack.
  • Each cathode system can have a supply air line for providing supply air to the at least one fuel cell stack and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell stack.
  • the at least one fuel cell system can have an anode system for providing a fuel-containing reactant to the at least one fuel cell stack.
  • the anode system can also have a purge and/or drain system for flushing an anode path and/or for removing product water from the anode path.
  • the purge and/or drain system can also have at least one combined purge and/or drain line (which can also be referred to as a purge and/or drain discharge line) or a separate purge line and drain line each.
  • the purge and drain system can be integrated (one valve and one line) or implemented separately (a purge valve with a purge line and a drain valve with a drain line).
  • the at least one fuel cell system can have a cooling system for controlling the temperature of the at least one fuel cell stack.
  • the cooling system can in turn have at least one or more coolers that can be cooled using the invention.
  • the invention recognizes that the cooling system of a fuel cell system faces challenges associated with limited heat dissipation to the environment. Only the temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature is available.
  • the operating strategy can specify a sufficiently high coolant temperature and thus also the stack temperature in order to dissipate the waste heat to the environment.
  • higher stack temperatures result in a significant increase in the degradation/aging of the stack. This in turn leads to a reduction in the service life of the stack and thus also of the overall system.
  • the stack temperature is limited by a permissible limit temperature. If the permissible limit temperature of the stack is reached, then the operating strategy is to carry out derating, ie a power reduction, in order to protect the components of the stack from overheating. However, the power reduction results in a power loss.
  • the inventive idea is that the performance of the cooler and the heat dissipation to the environment - at least temporarily and / or under certain conditions - is improved by wetting the cooler and the resulting evaporative cooling (use of the evaporation enthalpy of the product water).
  • a significant increase in the cooling capacity can be achieved by evaporating the product water.
  • the cooler can be supported as needed and flexibly.
  • the operating mode for evaporative cooling can be intermittent or constant for a specific time.
  • the invention significantly improves the heat dissipation to the environment, even with low temperature differences between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment.
  • the power reduction or derating can be reduced or even avoided with the aid of the invention.
  • the coolant system can be designed to be compact and operated effectively.
  • one method can provide that when product water is provided from the at least one fuel cell system, the product water from external sources is additionally or alternatively used, in particular by refilling a water storage tank and/or by collecting rainwater. In this way, the availability of the water for cooling the at least one cooler can be improved.
  • a water storage tank is used to provide product water from the at least one fuel cell system, it being possible in particular for the water storage tank to be provided for a plurality of fuel cell systems.
  • the provision of product water from the at least one fuel cell system can be temporally decoupled from the use of the product water for wetting the at least one cooler by means of the water storage tank.
  • the water storage tank can be used to provide a central point for the at least one fuel cell system or for a plurality of fuel cell systems, which can be used to separate water from media streams, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system.
  • the water storage tank can make it possible for the product water to be transferred between the individual fuel cell systems.
  • the water storage container can have at least one of the following elements: at least one line connection for one or each exhaust air line for discharging an exhaust air from a cathode system of the at least one fuel cell system, one, in particular exclusively one, line outlet for discharging media flows from the water storage container, and in particular exclusively one, preferably controllable and/or adjustable, shut-off device for draining product water from the water storage tank, and/or at least one line connection for one or each purge and/or drain line of an anode system of the at least one fuel cell system.
  • the water storage tank can be designed in the form of a central point for the at least one fuel cell system or for several fuel cell systems, which can serve to separate water from media flows, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system.
  • the shut-off device can advantageously enable a controllable and/or regulatable use of the product water.
  • the purge and/or drain fluid mixture of different fuel cell systems can be diluted with a combined cathode exhaust air.
  • At least one line unit is used to supply the product water from the at least one fuel cell system to the cooler.
  • the product water occurring in the system can be routed over spatial distances.
  • the installation space in the at least one fuel cell system can be designed and used in a flexible manner.
  • At least one pump is used to supply the product water from the at least one fuel cell system to the cooler.
  • the product water can be fed to the at least one cooler at a required pressure.
  • the at least one pump can be provided as part of a line unit and/or as part of a water storage tank.
  • an atomization unit is used to wet the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system.
  • the at least one cooler can be wetted with a film of water in order to enable cooling of the cooler using evaporative cooling.
  • the atomizing unit can have at least one active or passive nozzle.
  • the atomization unit can preferably be designed in such a way that a surface of the cooler is evenly wetted with the product water.
  • the atomization unit can have at least one rail structure, which can be embodied in the form of a lattice, frame and/or ring.
  • the steps of the method are carried out at different times from one another.
  • the provision of product water and the wetting of the at least one cooler with the product water can be carried out at different times.
  • the processes for collecting product water can be placed at the operating points of the fuel cell system that are favorable for this purpose, for example during cooling
  • a method can provide for the method to be controlled, in particular triggered and/or started and/or ended, depending on a heat removal requirement at the at least one cooler, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water.
  • the cooling of the at least one cooler can be switched on in a targeted manner by evaporating the product water if the actual cooling capacity of the cooler is not sufficient to sufficiently cool the fuel cell system.
  • This can be particularly advantageous in situations where heat dissipation to the environment is limited. i.e. in situations where there is not a sufficient temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature. In this way, reliable cooling of the fuel cell system can be ensured even under unfavorable conditions.
  • Operating parameters of the at least one fuel cell system and/or the at least one cooler in particular a stack temperature of the at least one fuel cell system and/or coolant temperature, preferably at an outlet from a stack of the at least one fuel cell system,
  • Ambient parameters in particular including: temperature, pressure, humidity, wind speed, Performance requirement for the at least one fuel cell system, in particular including: high-load operation, full-load operation, - operating parameters of a fan of the at least one cooler, in particular including: speed, operating mode, such as. B. sucking or pushing, rotor blade setting position,
  • Vehicle parameters in particular including: speed, acceleration, payload,
  • Route parameters in particular including: incline, traffic situation, route planning, navigation, prediction horizon, and/or
  • Water storage parameters in particular comprising: filling level, thermodynamic and/or chemical state of the product water.
  • the method can advantageously be carried out intermittently or continuously, and in particular adaptively.
  • the intermittent control mode can have at least one of the following types of control: time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled, and/or event-controlled.
  • Evaporative cooling can be provided, at least over a period of time.
  • Evaporative cooling can be provided intermittently to allow time for the evaporation process after product water has been applied to the at least one cooler (evaporation before further product water is applied) and/or in the event of a recurring performance requirement of the system.
  • the method can be time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
  • the use of the product water can be optimized so that not too much product water is provided and/or that no excess water is produced, preferably that only the surface of the cooler and only so much is wetted that the product water used can evaporate completely.
  • the method can have at least one of the following steps:
  • the present invention provides: a device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler, which is specially developed for carrying out a method as described above can run, having:
  • Water storage tank for providing product water from the at least one fuel cell system
  • Line unit for supplying the product water from the at least one fuel cell system to the cooler.
  • Atomization unit for wetting the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system in order to cool the at least one cooler by evaporating the product water.
  • the present invention provides: a system comprising: at least one fuel cell system, at least one cooler for the at least one fuel cell system, and a device, in particular a common device, for supporting the at least one cooler when cooling the at least one fuel cell system, in particular for cooling the radiator, preferably to increase the cooling capacity of the radiator.
  • FIG. 1 shows a schematic side view and front view of a possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system
  • FIG. 2 shows a schematic front view of another possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system
  • FIG. 3 shows a schematic front view of another possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a possible device for supporting a high-temperature cooler and a low-temperature cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a possible device for supporting a high-temperature cooler, a medium-temperature cooler and a low-temperature cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system, and
  • FIG. 6 shows an exemplary sequence of a method for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system.
  • FIGS. 1 to 5 serve to explain the idea according to the invention, according to which a method for supporting a cooler 101 of a fuel cell system 100 in cooling the fuel cell system 100 is provided.
  • the method serves to cool the cooler 101 or to increase the cooling capacity of the cooler 101.
  • the method can be carried out using one of the devices shown in FIGS.
  • Wetting the at least one cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 in order to cool the at least one cooler 101 by evaporating the product water, e.g. B. is designed for wetting a surface of the cooler 101 and for this purpose, for example.
  • Several passive and / or active nozzles 15 can have.
  • the at least one fuel cell system 100 is shown only schematically in FIGS.
  • the at least one fuel cell system 100 can preferably be used for mobile applications, e.g. B. in vehicles. But also a use for stationary applications, e.g.
  • the at least one fuel cell system 100 can have a cooling system 20 for tempering the at least one fuel cell stack.
  • the cooling system 20 can in turn have at least one cooler 101 (see Figures 1 to 3) or a plurality of coolers 101 (see Figures 4 and 5), which can be cooled using the invention and thus the cooling system 20 when cooling the at least one fuel cell system 100 support.
  • the invention recognizes that the cooling systems 20 of fuel cell systems 100, which have operating temperatures comparable to the ambient temperatures, face major challenges since the heat dissipation to the environment is limited in such fuel cell systems 100. Only the temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature is available. If this temperature difference is low, the cooling systems 20 can only provide a limited cooling capacity.
  • a sufficiently high coolant temperature and thus also a correspondingly high stack temperature can be specified in order to dissipate the waste heat to the environment.
  • higher stack temperatures have the disadvantage that the stack is subject to significant degradation/aging, which considerably shortens the service life of the stack and thus also of the entire system.
  • the stack temperature must be limited by a permissible limit temperature.
  • a permissible limit temperature of the stack When the permissible limit temperature of the stack is reached, such fuel cell systems 100 have to be derated, i.e. the power is reduced, in order to protect the components of the fuel cell systems 100 from overheating. The power reduction results in an immediate loss of power.
  • the idea of the invention is to improve the performance of the cooler 101 and thus the heat dissipation to the environment - at least temporarily and/or under certain conditions - by wetting the cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 and by evaporative cooling using the enthalpy of vaporization of the to increase product water.
  • a significant increase in the cooling capacity can be achieved by evaporating the product water.
  • the cooler 101 can be supported flexibly as required.
  • the operating mode for evaporative cooling can be intermittent or constant for a specific time.
  • the operating mode for evaporative cooling can also be adjusted adaptively to specific conditions.
  • the heat dissipation to the environment can be significantly improved, even with low temperature differences between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment.
  • the service life of the stack and thus also of the entire fuel cell system 100 can be extended considerably.
  • the power reduction or derating during operation of the fuel cell system 100 can be reduced or even avoided with the aid of the invention.
  • the coolant system 20 can be designed to be compact and operated effectively with the aid of the invention. Reliable provision of drive energy can be ensured with the aid of the invention even in vehicles with a high payload and with high performance requirements and possibly low speeds.
  • the product water can be obtained from a cathode exhaust air line and/or an anode path of the at least one fuel cell system 100.
  • the product water from external sources can be used additionally or alternatively, for example by refilling a water storage tank and/or by collecting rainwater.
  • a water storage container 11 can preferably be used in step 201 .
  • the water storage tank 11 allows the obtaining of product water in step 201 to be temporally decoupled from the use of the product water for wetting the at least one cooler 101 in step 203 .
  • the water storage tank 11 for the at least one fuel cell system 100 or for several Fuel cell systems 100 can be provided.
  • a central point for the at least one fuel cell system 100 or for a plurality of fuel cell systems 100 can advantageously be provided, which can serve to separate water from media flows, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system 20.
  • the water storage tank 11 can advantageously make it possible for the product water to be transferred between the individual fuel cell systems 100 .
  • the product water that occurs in one fuel cell system 100 can be used in another fuel cell system 100 .
  • the water storage tank 11 is not shown with all the details merely for reasons of simplicity.
  • the water storage tank 11 can have the following elements, for example: at least one line connection for one or each exhaust air line for discharging an exhaust air from a cathode system of the at least one fuel cell system 100, one, in particular exclusively one, line outlet for discharging media flows from the water storage tank 11, and in particular exclusively one, preferably controllable and/or regulatable, shut-off device for draining product water from the water storage tank 11, and/or at least one line connection for one or each purge line and/or drain line of an anode system of the at least one fuel cell system 100.
  • the non-illustrated shut-off device can advantageously enable a controllable and/or regulatable use of the product water.
  • the water storage container 11 can make it possible for the purge and/or drain fluid mixture of different fuel cell systems 100 to be diluted with a combined cathode exhaust air. In principle, however, it is also conceivable that steps 201 to 203 can be implemented without a water storage tank 11 .
  • FIGS. 1 to 5 indicate that in step 202 at least one line unit 12 can be used.
  • step 202 at least one pump 14 can be used.
  • the at least one pump 14 can be provided as part of the line unit 12 and/or as part of the water storage tank 11 .
  • FIGS. 1 to 5 show that in step 203 an atomization unit 13 can be used.
  • the atomizing unit 13 can have several active or passive nozzles 15 as required.
  • the atomization unit 13 can be designed to uniformly wet a surface O of the cooler 101 with the product water.
  • the atomization unit 13 can have at least one rail structure R, which can be embodied in the form of a grid (cf. FIGS. 1 and 2), in the form of a frame (cf. FIG. 3) and/or in the shape of a ring.
  • the method is controlled, in particular triggered and/or started and/or ended, depending on a heat removal request to the at least one cooler 101, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water. Consequently, the cooling of the at least one cooler 101 can be switched on in a targeted manner by evaporating the product water if the at least one cooler 101 has to be supported. This is particularly advantageous in situations in which the heat dissipation to the environment is limited or in which there is not a sufficient temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment. In this way, reliable cooling of the fuel cell system 100 can be ensured even under unfavorable conditions.
  • At least one of the following parameters can be taken into account to determine whether there is a heat removal requirement that requires additional cooling capacity through evaporation of the product water:
  • Operating parameters of the at least one fuel cell system 100 and/or the at least one cooler 101 in particular a stack temperature of the at least one fuel cell system 100 and/or coolant temperature, preferably at an outlet from a stack of the at least one fuel cell system 100,
  • Ambient parameters in particular including: temperature, pressure, humidity, wind speed,
  • Power demand on the at least one fuel cell system 100 in particular including: high-load operation, full-load operation,
  • Operating parameters of a fan of the at least one cooler 101 in particular including: speed, operating mode, such as. B. sucking or pushing, rotor blade setting position,
  • Vehicle parameters in particular including: speed, acceleration, payload,
  • Route parameters in particular including: incline, traffic situation, route planning, navigation, prediction horizon, and/or
  • Water storage parameters in particular comprising: filling level, thermodynamic and/or chemical state of the product water.
  • the method can be carried out intermittently or continuously, and in particular adaptively.
  • the intermittent control operation can be carried out, for example: time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
  • permanent evaporative cooling can be provided, at least over a period of time.
  • the evaporative cooling can be provided intermittently. The process can be time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
  • the flexible and preferably adaptive control of the process can optimize the use of the product water. In this way, it can be ensured that not too much product water is provided or that there is no excess water, so that only the surface of the at least one cooler 101 is wetted and only so much that the product water used can evaporate as completely as possible.
  • the method can have at least one of the following steps:
  • the invention provides: a device 10 for supporting at least one cooler 101 of at least one fuel cell system 100 in cooling the at least one fuel cell system 100, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler 10, specifically for carrying out a method is developed, which can proceed as described above, comprising:
  • Water storage tank 11 for providing product water from the at least one fuel cell system 100
  • Line unit 12 for supplying the product water from the at least one fuel cell system 100 to the cooler 101.
  • Atomization unit 13 for wetting the at least one cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 in order to cool the at least one cooler 101 by evaporation of the product water.
  • FIG. 1 shows a schematic side view and front view of a possible device 10.
  • An arrangement of the cooler 101 is shown in which a fan F has a suction effect, ie in the direction of the air flow L shown schematically with the arrows.
  • the spray-generating nozzles 15 (here for example nine) within the scope of the atomization unit 13 are supplied with product water at sufficient pressure via a lattice-shaped rail structure R in order to achieve sufficiently fine spray formation and thus the largest possible and most uniform wetting of the surface O of the at least one cooler 101.
  • a high-temperature cooler 101 or HT cooler 101 or high-temperature circuit cooler 101 can be used as the at least one cooler 101, to which the cooling circuit of the fuel cell system 100 is usually connected.
  • Figure 2 shows a schematic front view of a possible device 10 with a different arrangement of spray-generating nozzles 15 (here, for example, two) in comparison to Figure 1 in the atomization unit 13 and the water supply via a lattice-shaped rail structure R. It is also indicated that different Cooler 101 can be connected to the device 10.
  • Figure 3 shows a schematic front view of a possible device 10 with a different arrangement of the spray-generating nozzles 15 (here, for example four) in the context of the atomization unit 13 and the water supply via a frame-shaped rail structure R than in Figure 1.
  • the product water can also be used here for several coolers 101 with corresponding arrangements of nozzles 15 and corresponding rail structures R for supporting the cooler 101 can be used.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a possible device 10 with an additional low-temperature or LT cooler 101 compared to FIG.
  • the device 10 according to the invention is used here for the high-temperature cooler 101 . If the low-temperature cooler 101 is also to be relieved of water evaporation, nozzles 15 for spray formation can also be arranged in front of the low-temperature cooler 101 upstream of the air flow L.
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a possible device 10 with an additional low-temperature or LT cooler compared to FIG 101 and medium-temperature or MT coolers.
  • the arrangement with three coolers 101 can cover three cooling circuits with three different temperature levels.
  • the idea according to the invention can be transferred accordingly.
  • the HT cooler 101 and the LT cooler 101 are supported directly and the MT cooler 101 indirectly by the device 10 according to the invention in order to increase the heat dissipation from the corresponding cooling circuit to the environment or ambient air L.
  • the positions LI, L2, L3 for the arrangement of nozzles 15 for spray formation come into consideration for a suction arrangement of the fan F. If the fan F is used in a pushing manner or the air flow L is reversed, then the positions L4, LI, L2 come into play for the arrangement of nozzles 15 for spray formation into consideration.
  • the present invention provides according to the second aspect: a system 110 having at least one fuel cell system 100, at least one cooler 101 for the at least one fuel cell system 100, and one, in particular a common, device 10 for supporting the at least one cooler 101 in cooling the at least one fuel cell system 100, in particular for cooling the cooler 10, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler 10.

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Abstract

The invention relates to a method for assisting at least one cooling unit (10) of at least one fuel cell system (100) in cooling the at least one fuel cell system (100), comprising: - providing product water from the at least one fuel cell system (100), - supplying the product water from the at least one fuel cell system (100) to the cooling unit (101), and - wetting the at least one cooling unit (101) with the product water from the at least one fuel cell system (100) to cool the at least one cooling unit (101) by evaporation of the product water.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Verdunstungskühlung eines Kühlers mithilfe von Produktwasser aus mindestens einem Brennstoffzellensystem Evaporative cooling of a cooler using product water from at least one fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein korrespondierendes System mit einer entsprechenden Vorrichtung. The invention relates to a method for supporting a cooler of a fuel cell system in cooling the fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a corresponding device and a corresponding system with a corresponding device.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt, auch als Energielieferanten bei Fahrzeugen. In Brennstoffzellensystemen wird i. d. R. das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Brennstoffzellenstapel des Systems zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Eine weitere system inhärente Eigenschaft in Brennstoffzellensystemen ist die Entstehung von Produktwasser (Reaktionsprodukt aus Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft). Das Wassermanagement spielt eine wichtige Rolle beim Betreiben von Brennstoffzellensystemen, z.B. zur Befeuchtung von Membranen, zum Abtransport von Produktwasser aus dem Stack, etc. Fuel cell systems are known in principle, also as energy suppliers in vehicles. In fuel cell systems i. i.e. R. uses oxygen from the ambient air as the oxidizing agent and hydrogen as the reducing agent or fuel in order to react to form water (or water vapor) in the fuel cell stack of the system and thus to supply electrical power by electrochemical conversion. Another system-inherent property in fuel cell systems is the formation of product water (reaction product of hydrogen and oxygen from the ambient air). Water management plays an important role in the operation of fuel cell systems, e.g. for humidifying membranes, for removing product water from the stack, etc.
Aufgrund niedriger Betriebstemperaturen von den meisten Brennstoffzellensystemen, der damit verbundenen limitierten Temperaturdifferenzen zur Umgebung, der Notwendigkeit die Abwärme an die Umgebung abzuführen (über den Abgaspfad kann nur wenig Abwärme abgegeben werden) und des begrenzten Bauraums (z.B. für eine Kühleroberfläche) steht das Kühlsystem vor erheblichen Herausforderungen. Hohe Kühlmitteltemperaturen und damit auch hohe Stack-Temperaturen bewirken wiederum eine höhere Degradation/Alterung des Brennstoffzellenstacks und damit eine geringere Lebensdauer zur Folge. Due to the low operating temperatures of most fuel cell systems, the associated limited temperature differences to the environment, the need to dissipate the waste heat to the environment (only little waste heat can be released via the exhaust gas path) and the limited installation space (e.g. for a cooler surface), the cooling system faces considerable challenges Challenges. High coolant temperatures and thus also high stack temperatures in turn cause higher degradation/aging of the fuel cell stack and thus a shorter service life.
Wird die maximal zulässige Stacktemperatur erreicht, bspw. durch hohe Lastanforderungen und/oder hohe Umgebungstemperaturen, erfolgt aus Komponentenschutzgründen ein Derating d.h. eine Leistungsabregelung/- verminderung des Brennstoffzellensystems. Dies hat zur Folge, dass die Performance des Brennstoffzellensystems und des gesamten Antriebs vermindert wird. If the maximum permissible stack temperature is reached, e.g. due to high load requirements and/or high ambient temperatures, derating occurs for reasons of component protection, i.e. a power reduction/reduction of the fuel cell system. As a result, the performance of the fuel cell system and the entire drive is reduced.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie ein korrespondierendes System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. According to a first aspect, the invention provides a method for supporting a cooler of a fuel cell system when cooling the fuel cell system with the features of the independent method claim. Furthermore, the invention provides a corresponding device with the features of the independent device claim and a corresponding system with the features of the independent system claim. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with individual aspects of the invention naturally also apply in connection with the other aspects of the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Kühlen des Kühlers, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers, aufweisend: Bereitstellen (bzw. Gewinnen) von Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem, bspw. durch Abscheiden aus einem Kathodenabgaspfad und/oder einem Anodenpfad und vorzugsweise Speicherung in einem speziell dazu vorgesehenen Wasserbevorratungsbehälter, Zuführen des Produktwassers aus dem Brennstoffzellensystem zum Kühler, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Leitungseinheit und z. B. mindestens eine speziell dazu ausgeführte Pumpe, According to the first aspect, the present invention provides: a method for supporting a cooler of a fuel cell system in cooling the fuel cell system, in particular for cooling the cooler, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler, comprising: Providing (or obtaining) product water from the fuel cell system, e.g. by separating it from a cathode exhaust gas path and/or an anode path and preferably storing it in a water storage tank specially provided for this purpose, supplying the product water from the fuel cell system to the cooler, e.g line unit and e.g. B. at least one specially designed pump,
Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem, um den mindestens einen Kühler durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Zerstäubungseinheit, die z. B. zum Benetzen einer Oberfläche des Kühlers ausgebildet ist und hierzu bspw. mehrere passive und/oder aktive Düsen aufweisen kann. Wetting of the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system in order to cool the at least one cooler by evaporating the product water, e.g. B. is designed for wetting a surface of the cooler and for this purpose, for example. Can have several passive and / or active nozzles.
Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, ausgelegt sein. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für einen Elektromotor des Fahrzeuges dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das zumindest eine Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung als ein Energielieferant für einen Nebenantrieb und/oder einen Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, verwendet werden kann. Darüber hinaus kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem für stationäre Anwendungen, z. B. in Generatoranlagen, ausgelegt sein. The at least one fuel cell system can preferably be used for mobile applications, e.g. B. be designed in vehicles. The at least one fuel cell system within the meaning of the invention can serve as the main energy supplier for an electric motor of the vehicle. At the same time, it is also conceivable that the at least one fuel cell system according to the invention can be used as an energy supplier for an auxiliary drive and/or an auxiliary drive of a vehicle, for example a hybrid vehicle. In addition, the at least one fuel cell system for stationary applications such. B. in generator systems, be designed.
Das zumindest eine Brennstoffzellensystem kann mindestens einen Brennstoffzellenstack (oder kurz genannt Stack) mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen aufweisen. The at least one fuel cell system can have at least one fuel cell stack (or stack for short) with a plurality of stacked fuel cells.
Ferner kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen. Jedes Kathodensystem kann eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstack und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von dem mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen. Weiterhin kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Anodensystem zum Bereitstellen eines brennstoff haltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweisen. Furthermore, the at least one fuel cell system can have a cathode system for providing an oxygen-containing reactant to the at least one fuel cell stack. Each cathode system can have a supply air line for providing supply air to the at least one fuel cell stack and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell stack. Furthermore, the at least one fuel cell system can have an anode system for providing a fuel-containing reactant to the at least one fuel cell stack.
Das Anodensystem kann ferner ein Purge- und/oder Drainsystem zum Spülen eines Anodenpfades und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad aufweisen. Das Purge- und/oder Drainsystem kann weiterhin mindestens eine kombinierte Purge- und/oder Drainleitung (die ebenfalls als eine Purge- und/oder Drain-Ablassleitung bezeichnet werden kann) oder jeweils eine separate Purge-Leitung sowie Drain-Leitung aufweisen. Mit anderen Worten kann das Purge- und Drainsystem zusammengefasst sein (ein Ventil und eine Leitung) oder separat umgesetzt sein (ein Purge-Ventil mit einer Purge-Leitung und ein Drain-Ventil mit einer Drain-Leitung). The anode system can also have a purge and/or drain system for flushing an anode path and/or for removing product water from the anode path. The purge and/or drain system can also have at least one combined purge and/or drain line (which can also be referred to as a purge and/or drain discharge line) or a separate purge line and drain line each. In other words, the purge and drain system can be integrated (one valve and one line) or implemented separately (a purge valve with a purge line and a drain valve with a drain line).
Des Weiteren kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem zum Temperieren des mindestens einen Brennstoffzellenstacks aufweisen. Das Kühlsystem kann wiederum mindestens einen oder mehrere Kühler aufweisen, die mithilfe der Erfindung gekühlt werden können. Furthermore, the at least one fuel cell system can have a cooling system for controlling the temperature of the at least one fuel cell stack. The cooling system can in turn have at least one or more coolers that can be cooled using the invention.
Die Erfindung erkennt, dass das Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems vor Herausforderungen steht, die mit einer limitierten Wärmeabfuhr an die Umgebung einhergehen. Es steht nur die Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung. The invention recognizes that the cooling system of a fuel cell system faces challenges associated with limited heat dissipation to the environment. Only the temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature is available.
Zum einen kann die Betriebsstrategie eine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur und damit auch Stacktemperatur vorgeben, um die Abwärme an die Umgebung abzuführen. Höhere Stacktemperaturen haben jedoch eine signifikante Erhöhung der Degradation/Alterung des Stacks zur Folge. Dies führt wiederum zur Erniedrigung der Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems. On the one hand, the operating strategy can specify a sufficiently high coolant temperature and thus also the stack temperature in order to dissipate the waste heat to the environment. However, higher stack temperatures result in a significant increase in the degradation/aging of the stack. This in turn leads to a reduction in the service life of the stack and thus also of the overall system.
Zum anderen wird die Stacktemperatur durch eine zulässige Grenztemperatur begrenzt. Wird die zulässige Grenztemperatur des Stacks erreicht, dann muss die Betriebsstrategie ein Derating, d.h. eine Leistungsabsenkung, durchführen, um die Komponenten des Stacks vor Überhitzung zu schützen. Die Leistungsabsenkung hat jedoch einen Leistungsverlust zur Folge. On the other hand, the stack temperature is limited by a permissible limit temperature. If the permissible limit temperature of the stack is reached, then the operating strategy is to carry out derating, ie a power reduction, in order to protect the components of the stack from overheating. However, the power reduction results in a power loss.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Leistung des Kühlers bzw. die Wärmeabfuhr an die Umgebung - zumindest zeitweise und/oder bei bestimmten Bedingungen - durch Benetzung des Kühlers und dadurch erzeugter Verdunstungskühlung (Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Produktwassers) verbessert wird. Durch Verdunsten des Produktwassers kann eine signifikante Steigerung der Kühlleistung erzielt werden. Die Unterstützung des Kühlers kann bedarfsgerecht und flexibel erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann intermittierend oder konstant für eine bestimmte Zeit erfolgen. The inventive idea is that the performance of the cooler and the heat dissipation to the environment - at least temporarily and / or under certain conditions - is improved by wetting the cooler and the resulting evaporative cooling (use of the evaporation enthalpy of the product water). A significant increase in the cooling capacity can be achieved by evaporating the product water. The cooler can be supported as needed and flexibly. The operating mode for evaporative cooling can be intermittent or constant for a specific time.
Die Erfindung verbessert die Wärmeabfuhr an die Umgebung signifikant, auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung. The invention significantly improves the heat dissipation to the environment, even with low temperature differences between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment.
Mithilfe der Erfindung kann die Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems erheblich verlängert werden. With the help of the invention, the service life of the stack and thus also of the overall system can be extended considerably.
Außerdem kann mithilfe der Erfindung die Leistungsabsenkung bzw. das Derating reduziert oder gar vermieden werden. In addition, the power reduction or derating can be reduced or even avoided with the aid of the invention.
Ferner kann mithilfe der Erfindung das Kühlmittelsystem kompakt ausgelegt und effektiv betrieben werden. Furthermore, with the help of the invention, the coolant system can be designed to be compact and operated effectively.
Auch bei Fahrzeugen mit hoher Zuladung sowie bei hohen Leistungsanforderungen und ggf. niedrigen Geschwindigkeiten kann mithilfe der Erfindung eine verbesserte Bereitstellung von Antriebsenergie sichergestellt werden. Improved provision of drive energy can also be ensured with the aid of the invention in vehicles with a high payload and with high performance requirements and possibly low speeds.
Weiterhin kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem das Produktwasser aus einer Kathoden-Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems gewonnen wird. Auf diese Weise kann das inhärent im System vorhandene Wasser, welches infolge der chemischen Reaktion durch die Kathoden-Abluftleitung ausgetragen wird und/oder welches auf die Anodenseite diffundiert ist, auf eine verbesserte Weise verwendet werden, um die Leistung des Kühlers bzw. die Wärmeabfuhr an die Umgebung zu erhöhen. Furthermore, it can be provided in a method that when providing product water from the at least one fuel cell system Product water is obtained from a cathode exhaust line and/or an anode path of the at least one fuel cell system. In this way, the water inherent in the system, which is discharged through the cathode exhaust air line as a result of the chemical reaction and/or which has diffused to the anode side, can be used in an improved way to improve the performance of the cooler or heat dissipation to increase the environment.
Zudem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt wird, insbesondere durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit des Wassers zum Kühlen des mindestens einen Kühlers verbessert werden. In addition, one method can provide that when product water is provided from the at least one fuel cell system, the product water from external sources is additionally or alternatively used, in particular by refilling a water storage tank and/or by collecting rainwater. In this way, the availability of the water for cooling the at least one cooler can be improved.
Des Weiteren kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem ein Wasserbevorratungsbehälter verwendet wird, wobei insbesondere der Wasserbevorratungsbehälter für mehrere Brennstoffzellensysteme vorgesehen sein kann. Durch den Wasserbevorratungsbehälter kann das Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem von dem Verwenden des Produktwassers zum Benetzen des mindestens einen Kühlers zeitlich entkoppelt werden. Mithilfe des Wasserbevorratungsbehälters kann eine zentrale Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem oder für mehrere Brennstoffzellensysteme bereitgestellt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem dienen kann. Zudem kann durch den Wasserbevorratungsbehälter ermöglicht werden, dass das Produktwasser zwischen den einzelnen Brennstoffzellensystemen übertragen werden kann. Das Wasser, welches in einem Brennstoffzellensystem anfällt, kann in einem anderen Brennstoffzellensystem genutzt werden. Auf diese Weise kann das Wassermanagement in den Brennstoffzellensystemen erheblich verbessert werden. Vorteilhafterweise kann der Wasserbevorratungsbehälter mindestens einen von den folgenden Elementen aufweisen: mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzellensystems, einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter, und ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter, und/oder mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzellensystems. Furthermore, in a method it can be provided that a water storage tank is used to provide product water from the at least one fuel cell system, it being possible in particular for the water storage tank to be provided for a plurality of fuel cell systems. The provision of product water from the at least one fuel cell system can be temporally decoupled from the use of the product water for wetting the at least one cooler by means of the water storage tank. The water storage tank can be used to provide a central point for the at least one fuel cell system or for a plurality of fuel cell systems, which can be used to separate water from media streams, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system. In addition, the water storage tank can make it possible for the product water to be transferred between the individual fuel cell systems. The water that occurs in one fuel cell system can be used in another fuel cell system. In this way, the water management in the fuel cell systems can be significantly improved. Advantageously, the water storage container can have at least one of the following elements: at least one line connection for one or each exhaust air line for discharging an exhaust air from a cathode system of the at least one fuel cell system, one, in particular exclusively one, line outlet for discharging media flows from the water storage container, and in particular exclusively one, preferably controllable and/or adjustable, shut-off device for draining product water from the water storage tank, and/or at least one line connection for one or each purge and/or drain line of an anode system of the at least one fuel cell system.
Auf diese Weise kann der Wasserbevorratungsbehälter in Form einer zentralen Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem oder für mehrere Brennstoffzellensysteme ausgeführt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem dienen kann. Das Absperrorgan kann vorteilhafterweise eine steuerbare und/oder regelbare Nutzung des Produktwassers ermöglichen. Außerdem kann dadurch ermöglicht werden, dass das Purge- und/oder Drain-Fluidgemisch unterschiedlicher Brennstoffzellensysteme mit einer vereinten Kathoden ab lüft verdünnt werden kann. In this way, the water storage tank can be designed in the form of a central point for the at least one fuel cell system or for several fuel cell systems, which can serve to separate water from media flows, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system. The shut-off device can advantageously enable a controllable and/or regulatable use of the product water. In addition, it can thereby be made possible that the purge and/or drain fluid mixture of different fuel cell systems can be diluted with a combined cathode exhaust air.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass das Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem und das Verwenden von dem Produktwasser ohne einen Wasserbevorratungsbehälter realisiert werden kann. In principle, however, it is also conceivable that the provision of product water from the at least one fuel cell system and the use of the product water can be realized without a water storage tank.
Ferner kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler mindestens eine Leitungseinheit verwendet wird. Auf diese Weise kann das im System anfallende Produktwasser über räumliche Distanzen geführt werden. Auf diese Weise kann der Bauraum bei dem zumindest einen Brennstoffzellensystem auf eine flexible Weise gestaltet und genutzt werden. Furthermore, in a method it can be provided that at least one line unit is used to supply the product water from the at least one fuel cell system to the cooler. In this way, the product water occurring in the system can be routed over spatial distances. On In this way, the installation space in the at least one fuel cell system can be designed and used in a flexible manner.
Weiterhin kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler mindestens eine Pumpe verwendet wird. Auf diese Weise kann das Produktwasser mit einem erforderlichen Druck zu dem mindestens einen Kühler geführt werden. Die mindestens eine Pumpe kann als ein Teil einer Leitungseinheit und/oder als ein Teil eines Wasserbevorratungsbehälters bereitgestellt werden. Furthermore, in a method it can be provided that at least one pump is used to supply the product water from the at least one fuel cell system to the cooler. In this way, the product water can be fed to the at least one cooler at a required pressure. The at least one pump can be provided as part of a line unit and/or as part of a water storage tank.
Des Weiteren kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem eine Zerstäubungseinheit verwendet wird. Mithilfe der Zerstäubungseinheit kann der mindestens eine Kühler mit einem Wasserfilm benetzt werden, um eine Kühlung des Kühlers mithilfe der Verdunstungskühlung zu ermöglichen. Furthermore, in a method it can be provided that an atomization unit is used to wet the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system. With the aid of the atomization unit, the at least one cooler can be wetted with a film of water in order to enable cooling of the cooler using evaporative cooling.
Nach Bedarf kann die Zerstäubungseinheit mindestens eine aktive oder passive Düse aufweisen. If required, the atomizing unit can have at least one active or passive nozzle.
Vorzugsweise kann die Zerstäubungseinheit derart ausgeführt sein, dass eine Oberfläche des Kühlers gleichmäßig mit dem Produktwasser benetzt wird. Hierzu kann die Zerstäubungseinheit mindestens eine Railstruktur aufweisen, die gitterförmig, rahmenförmig und/oder ringförmig ausgebildet sein kann. The atomization unit can preferably be designed in such a way that a surface of the cooler is evenly wetted with the product water. For this purpose, the atomization unit can have at least one rail structure, which can be embodied in the form of a lattice, frame and/or ring.
Zudem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Schritte des Verfahrens zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann das Bereitstellen von Produktwasser und das Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden. Auf diese Weise können die Prozesse zum Sammeln von Produktwasser auf die hierzu günstigen Betriebspunkte des Brennstoffzellensystems gelegt werden, bspw. bei kühlenIn addition, it can be provided in a method that the steps of the method are carried out at different times from one another. Advantageously, the provision of product water and the wetting of the at least one cooler with the product water can be carried out at different times. In this way, the processes for collecting product water can be placed at the operating points of the fuel cell system that are favorable for this purpose, for example during cooling
Umgebungstemperaturen und/oder bei einem Teillastbetrieb. Die Prozesse zum Kühlen des Kühlers, bei denen das Sammeln von flüssigen Produktwasser womöglich nicht möglich ist, können somit unabhängig von dem Sammeln von Produktwasser gesteuert werden. Ambient temperatures and/or during partial load operation. The processes of cooling the chiller involving the collection of liquid product water may not be possible can thus be controlled independently of the collection of product water.
Außerdem kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird. Auf diese Weise kann die Kühlung des mindestens einen Kühlers durch Verdunsten des Produktwassers gezielt zugeschaltet werden, wenn die eigentliche Kühlleistung des Kühlers nicht ausreicht, um das Brennstoffzellensystem ausreichend abzukühlen. Dies kann insbesondere in den Situationen vorteilhaft sein, bei denen die Wärmeabfuhr an die Umgebung limitiert ist. D. h. in Situationen, bei denen keine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kühlung des Brennstoffzellensystems auch bei ungünstigen Bedingungen sichergestellt werden. Dadurch kann die Degradation/Alterung des Stacks sowie die Erniedrigung der Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems vermieden werden. Auch kann dadurch sichergestellt werden, dass eine zulässige Grenztemperatur des Stacks nicht überschritten wird und dass ein Derating bzw. eine Leistungsabsenkung vermieden wird. In addition, a method can provide for the method to be controlled, in particular triggered and/or started and/or ended, depending on a heat removal requirement at the at least one cooler, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water. In this way, the cooling of the at least one cooler can be switched on in a targeted manner by evaporating the product water if the actual cooling capacity of the cooler is not sufficient to sufficiently cool the fuel cell system. This can be particularly advantageous in situations where heat dissipation to the environment is limited. i.e. in situations where there is not a sufficient temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature. In this way, reliable cooling of the fuel cell system can be ensured even under unfavorable conditions. As a result, the degradation/aging of the stack and the reduction in the service life of the stack and thus also of the overall system can be avoided. It can also be ensured in this way that a permissible limit temperature of the stack is not exceeded and that derating or a reduction in power is avoided.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem Bestimmen der Wärmeabfuhranforderung, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: Furthermore, it can be provided that at least one of the following parameters is taken into account when determining the heat dissipation requirement, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water:
Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems und/oder des mindestens einen Kühlers, insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzellensystems, Operating parameters of the at least one fuel cell system and/or the at least one cooler, in particular a stack temperature of the at least one fuel cell system and/or coolant temperature, preferably at an outlet from a stack of the at least one fuel cell system,
Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem, insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb, - Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers, insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition, Ambient parameters, in particular including: temperature, pressure, humidity, wind speed, Performance requirement for the at least one fuel cell system, in particular including: high-load operation, full-load operation, - operating parameters of a fan of the at least one cooler, in particular including: speed, operating mode, such as. B. sucking or pushing, rotor blade setting position,
Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung, Vehicle parameters, in particular including: speed, acceleration, payload,
Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder Route parameters, in particular including: incline, traffic situation, route planning, navigation, prediction horizon, and/or
Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers. Water storage parameters, in particular comprising: filling level, thermodynamic and/or chemical state of the product water.
Auf diese Weise kann eine plausible Antwort auf die Frage gefunden werden, ob die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erforderlich ist. Denkbar sind z. B. Situationen, bei denen die Umgebungstemperaturen zwar hoch sind, aber die Leistungsanforderungen an das System nicht so hoch sind oder ein ausreichender Fahrwind vorhanden ist, sodass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Weiterhin sind Situationen denkbar, bei denen die Route derart beschaffen ist, bspw. Situation-In this way, a plausible answer can be found to the question of whether additional cooling capacity is required due to evaporation of the product water. Conceivable are z. B. Situations where the ambient temperatures are high but the performance demands on the system are not so high or there is sufficient head wind that the additional evaporative cooling is not required. Furthermore, situations are conceivable in which the route is designed in such a way, e.g.
Bergab, dass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Zugleich sind Situationen denkbar, bei denen der Wasserbevorratungsbehälter leer ist und keine Verdunstungskühlung bereitgestellt werden kann. Andere Situationen sind denkbar, bei denen das Fahrzeug derart beladen ist und/oder bei hoher Geschwindigkeit mit Gegenwind fährt und/oder hohe Umgebungstemperaturen vorliegen und/oder die Route derart beschaffen ist, z. B. Situation-Bergauf, dass das Kühlsystem alleine keine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems ermöglichen kann. In den letzteren Fällen kann die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers als erforderlich eingestuft werden. Vorteilhafterweise kann das Verfahren intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt werden. Der intermittierende Steuerbetrieb kann mindestens eine der folgenden Steuerarten aufweisen: zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert, und/oder ereignisgesteuert. Downhill that the additional evaporative cooling is not required. At the same time, situations are conceivable in which the water storage tank is empty and no evaporative cooling can be provided. Other situations are conceivable where the vehicle is loaded in this way and/or is traveling at high speed against a headwind and/or there are high ambient temperatures and/or the route is such, e.g. B. Situation-uphill that the cooling system alone cannot provide sufficient cooling of the fuel cell system. In the latter cases, the additional cooling capacity due to evaporation of the product water can be classified as necessary. The method can advantageously be carried out intermittently or continuously, and in particular adaptively. The intermittent control mode can have at least one of the following types of control: time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled, and/or event-controlled.
Wenn bspw. ungünstige Umgebungsbedingungen und hohe Leistungsanforderungen an das System vorhanden sind, kann eine dauerhafte Verdunstungskühlung, zumindest über einen Zeitraum, bereitgestellt werden. Um Zeit für den Verdunstungsprozess nach Aufbringen von Produktwasser auf den mindestens einen Kühler zu lassen (Verdunstung bevor weiteres Produktwasser aufgebracht wird) und/oder bei einer immer wiederkehrenden Leistungsanforderung an das System kann die Verdunstungskühlung intermittierend bereitgestellt werden. Um eine effiziente und gezielte Verdunstungskühlung bereitzustellen, kann das Verfahren zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert und/oder ereignisgesteuert getriggert werden. If, for example, there are unfavorable environmental conditions and high performance requirements for the system, permanent evaporative cooling can be provided, at least over a period of time. Evaporative cooling can be provided intermittently to allow time for the evaporation process after product water has been applied to the at least one cooler (evaporation before further product water is applied) and/or in the event of a recurring performance requirement of the system. In order to provide efficient and targeted evaporative cooling, the method can be time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
Auf diese Weise kann die Benutzung des Produktwassers optimiert werden, sodass nicht zu viel Produktwasser bereitgestellt wird, und/oder dass kein Wasserüberschuss entsteht, vorzugsweise dass nur die Oberfläche des Kühlers und nur so viel benetzt wird, dass das verwendete Produktwasser vollständig verdunsten kann. In this way, the use of the product water can be optimized so that not too much product water is provided and/or that no excess water is produced, preferably that only the surface of the cooler and only so much is wetted that the product water used can evaporate completely.
Dazu kommt noch, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen kann: In addition, the method can have at least one of the following steps:
Entleeren und/oder Freipusten von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit und/oder einer Zerstäubungseinheit, die beim Durchführen des Verfahrens verwendet werden. Emptying and/or blowing out water-carrying components, in particular a line unit and/or an atomization unit, which are used when carrying out the method.
Auf diese Weise kann der Gefrierschutz von wasserführenden Komponenten sichergestellt werden. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: eine Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellen- systems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers, die speziell zum Ausführen eines Verfahrens entwickelt ist, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, aufweisend: In this way, the freeze protection of water-carrying components can be ensured. According to the second aspect, the present invention provides: a device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler, which is specially developed for carrying out a method as described above can run, having:
Wasserbevorratungsbehälter zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem, Water storage tank for providing product water from the at least one fuel cell system,
Leitungseinheit zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem zum Kühler. Line unit for supplying the product water from the at least one fuel cell system to the cooler.
Zerstäubungseinheit zum Benetzen des mindestens einen Kühlers mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem, um den mindestens einen Kühler durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen. Atomization unit for wetting the at least one cooler with the product water from the at least one fuel cell system in order to cool the at least one cooler by evaporating the product water.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. With the aid of the device according to the invention, the same advantages can be achieved that were described above in connection with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein System, aufweisend: zumindest ein Brennstoffzellensystem, mindestens einen Kühler für das zumindest eine Brennstoffzellensystem, und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Kühlen des Kühlers, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers. According to the second aspect, the present invention provides: a system comprising: at least one fuel cell system, at least one cooler for the at least one fuel cell system, and a device, in particular a common device, for supporting the at least one cooler when cooling the at least one fuel cell system, in particular for cooling the radiator, preferably to increase the cooling capacity of the radiator.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Systems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. With the aid of the system according to the invention, the same advantages can be achieved that were described above in connection with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele: Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Preferred embodiments: The invention and its developments as well as its advantages are explained in more detail below with reference to drawings. They each show schematically:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht und Frontansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, 1 shows a schematic side view and front view of a possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system,
Fig. 2 eine schematische Frontansicht einer weiteren möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellen-systems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, 2 shows a schematic front view of another possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system,
Fig. 3 eine schematische Frontansicht einer weiteren möglichen Vorrichtung zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellen-systems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, 3 shows a schematic front view of another possible device for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen eines Hochtemperatur-Kühlers und eines Niedertemperatur-Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, 4 shows a schematic side view of a possible device for supporting a high-temperature cooler and a low-temperature cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung zum Unterstützen eines Hochtemperatur-Kühlers, eines Mitteltemperatur- Kühlers und eines Niedertemperatur-Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems, und 5 shows a schematic side view of a possible device for supporting a high-temperature cooler, a medium-temperature cooler and a low-temperature cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system, and
Fig. 6 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zum Unterstützen mindestens eines Kühlers zumindest eines Brennstoffzellensystems beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems. In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden. 6 shows an exemplary sequence of a method for supporting at least one cooler of at least one fuel cell system when cooling the at least one fuel cell system. In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference symbols, which is why they are generally only described once.
Die Figuren 1 bis 5 dienen zum Erklären der erfindungsgemäßen Idee, gemäß weicher ein Verfahren zum Unterstützen eines Kühlers 101 eines Brennstoffzellensystems 100 beim Kühlen des Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt wird. Das Verfahren dient mit anderen Worten zum Kühlen des Kühlers 101 bzw. zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 101. Das Verfahren kann mithilfe einer der in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Vorrichtung ausgeführt werden. FIGS. 1 to 5 serve to explain the idea according to the invention, according to which a method for supporting a cooler 101 of a fuel cell system 100 in cooling the fuel cell system 100 is provided. In other words, the method serves to cool the cooler 101 or to increase the cooling capacity of the cooler 101. The method can be carried out using one of the devices shown in FIGS.
Die Verfahrensschritte sind beispielhaft in der Figur 6 gezeigt: The process steps are shown as an example in Figure 6:
201 Bereitstellen (bzw. Gewinnen) von Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem 100, bspw. durch Abscheiden aus einem Kathodenabgaspfad und/oder einem Anodenpfad und vorzugsweise Speicherung in einem speziell dazu vorgesehenen Wasserbevorratungsbehälter 11, 201 providing (or obtaining) product water from the fuel cell system 100, e.g. by separating it from a cathode exhaust gas path and/or an anode path and preferably storing it in a water storage tank 11 specially provided for this purpose,
202 Zuführen des Produktwassers aus dem Brennstoffzellensystem 100 zum Kühler 101, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Leitungseinheit 12 und z. B. eine speziell dazu ausgeführte Pumpe 14, 202 supplying the product water from the fuel cell system 100 to the cooler 101, for example. B. a specially designed pump 14,
203 Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100, um den mindestens einen Kühler 101 durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen, bspw. durch eine speziell dazu ausgeführte Zerstäubungseinheit 13, die z. B. zum Benetzen einer Oberfläche des Kühlers 101 ausgebildet ist und hierzu bspw. mehrere passive und/oder aktive Düsen 15 aufweisen kann. 203 Wetting the at least one cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 in order to cool the at least one cooler 101 by evaporating the product water, e.g. B. is designed for wetting a surface of the cooler 101 and for this purpose, for example. Several passive and / or active nozzles 15 can have.
Das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 ist in den Figuren 1 bis 5 lediglich schematisch dargestellt. Das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, verwendet werden. Aber auch eine Verwendung für stationäre Anwendungen, z.The at least one fuel cell system 100 is shown only schematically in FIGS. The at least one fuel cell system 100 can preferably be used for mobile applications, e.g. B. in vehicles. But also a use for stationary applications, e.g.
B. in Generatoranlagen, ist bei dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 denkbar. Des Weiteren kann das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 ein Kühlsystem 20 zum Temperieren des mindestens einen Brennstoffzellenstacks aufweisen. Das Kühlsystem 20 kann wiederum mindestens einen Kühler 101 (vgl. Figuren 1 bis 3) oder mehrere Kühler 101 (vgl. Figuren 4 und 5) aufweisen, die mithilfe der Erfindung gekühlt werden können und somit das Kühlsystem 20 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 unterstützen. B. in generator systems, is conceivable in the at least one fuel cell system 100. Furthermore, the at least one fuel cell system 100 can have a cooling system 20 for tempering the at least one fuel cell stack. The cooling system 20 can in turn have at least one cooler 101 (see Figures 1 to 3) or a plurality of coolers 101 (see Figures 4 and 5), which can be cooled using the invention and thus the cooling system 20 when cooling the at least one fuel cell system 100 support.
Die Erfindung erkennt, dass die Kühlsysteme 20 von Brennstoffzellensystemen 100, die vergleichbare Betriebstemperaturen mit den Umgebungstemperaturen aufweisen, vor hohen Herausforderungen stehen, da die Wärmeabfuhr an die Umgebung bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 begrenzt ist. Dabei steht nur die Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung. Wenn diese Temperaturdifferenz niedrig ist, können die Kühlsysteme 20 nur eine begrenzte Kühlleistung bereitstellen. The invention recognizes that the cooling systems 20 of fuel cell systems 100, which have operating temperatures comparable to the ambient temperatures, face major challenges since the heat dissipation to the environment is limited in such fuel cell systems 100. Only the temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the ambient temperature is available. If this temperature difference is low, the cooling systems 20 can only provide a limited cooling capacity.
Zwar kann bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 eine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur und damit auch eine entsprechend hohe Stacktemperatur vorgegeben werden, um die Abwärme an die Umgebung abzuführen. Höhere Stacktemperaturen haben jedoch den Nachteil, dass der Stack dadurch einer signifikanten Degradation/Alterung unterliegt, die die Lebensdauer des Stacks und damit auch des Gesamtsystems erheblich verkürzt. In such fuel cell systems 100, a sufficiently high coolant temperature and thus also a correspondingly high stack temperature can be specified in order to dissipate the waste heat to the environment. However, higher stack temperatures have the disadvantage that the stack is subject to significant degradation/aging, which considerably shortens the service life of the stack and thus also of the entire system.
Zugleich muss die Stacktemperatur durch eine zulässige Grenztemperatur begrenzt werden. Wenn die zulässige Grenztemperatur des Stacks erreicht wird, muss bei solchen Brennstoffzellensystemen 100 ein Derating, d.h. eine Leistungsabsenkung, durchgeführt werden, um die Komponenten der Brennstoffzellensysteme 100 vor Überhitzung zu schützen. Die Leistungsabsenkung hat einen unmittelbaren Leistungsverlust zur Folge. At the same time, the stack temperature must be limited by a permissible limit temperature. When the permissible limit temperature of the stack is reached, such fuel cell systems 100 have to be derated, i.e. the power is reduced, in order to protect the components of the fuel cell systems 100 from overheating. The power reduction results in an immediate loss of power.
Der Erfindungsidee liegt darin, die Leistung des Kühlers 101 und somit die Wärmeabfuhr an die Umgebung - zumindest zeitweise und/oder bei bestimmten Bedingungen - durch Benetzung des Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 und durch die Verdunstungskühlung unter Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Produktwassers zu erhöhen. Durch Verdunsten des Produktwassers kann eine signifikante Steigerung der Kühlleistung erzielt werden. Die Unterstützung des Kühlers 101 kann bedarfsgerecht und flexibel erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann intermittierend oder konstant für eine bestimmte Zeit erfolgen. Die Betriebsart für die Verdunstungskühlung kann außerdem adaptiv an bestimmte Bedingungen angepasst werden. The idea of the invention is to improve the performance of the cooler 101 and thus the heat dissipation to the environment - at least temporarily and/or under certain conditions - by wetting the cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 and by evaporative cooling using the enthalpy of vaporization of the to increase product water. A significant increase in the cooling capacity can be achieved by evaporating the product water. The cooler 101 can be supported flexibly as required. The operating mode for evaporative cooling can be intermittent or constant for a specific time. The operating mode for evaporative cooling can also be adjusted adaptively to specific conditions.
Mithilfe der Erfindung kann die Wärmeabfuhr an die Umgebung signifikant verbessert werden, auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung. Mithilfe der Erfindung kann die Lebensdauer des Stacks und damit auch des gesamten Brennstoffzellensystems 100 erheblich verlängert werden. Außerdem kann mithilfe der Erfindung die Leistungsabsenkung bzw. das Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 reduziert oder gar vermieden werden. Zugleich kann mithilfe der Erfindung das Kühlmittelsystem 20 kompakt ausgelegt und effektiv betrieben werden. Sogar bei Fahrzeugen mit hoher Zuladung sowie bei hohen Leistungsanforderungen und ggf. niedrigen Geschwindigkeiten kann mithilfe der Erfindung eine zuverlässige Bereitstellung von Antriebsenergie sichergestellt werden. With the help of the invention, the heat dissipation to the environment can be significantly improved, even with low temperature differences between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment. With the help of the invention, the service life of the stack and thus also of the entire fuel cell system 100 can be extended considerably. In addition, the power reduction or derating during operation of the fuel cell system 100 can be reduced or even avoided with the aid of the invention. At the same time, the coolant system 20 can be designed to be compact and operated effectively with the aid of the invention. Reliable provision of drive energy can be ensured with the aid of the invention even in vehicles with a high payload and with high performance requirements and possibly low speeds.
In Schritt 201 kann das Produktwasser aus einer Kathoden-Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 gewonnen werden. Zudem kann in Schritt 201 das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt werden, bspw. durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser. In step 201, the product water can be obtained from a cathode exhaust air line and/or an anode path of the at least one fuel cell system 100. In addition, in step 201 the product water from external sources can be used additionally or alternatively, for example by refilling a water storage tank and/or by collecting rainwater.
Wie es die Figuren 1 bis 5 andeuten, kann in Schritt 201 vorzugsweise ein Wasserbevorratungsbehälter 11 verwendet werden. Durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 kann das Gewinnen von Produktwasser in Schritt 201 von dem Verwenden des Produktwassers zum Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 in Schritt 203 zeitlich entkoppelt werden. As indicated in FIGS. 1 to 5, a water storage container 11 can preferably be used in step 201 . The water storage tank 11 allows the obtaining of product water in step 201 to be temporally decoupled from the use of the product water for wetting the at least one cooler 101 in step 203 .
Dabei ist es denkbar, dass der Wasserbevorratungsbehälter 11 für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 oder für mehrere Brennstoffzellensysteme 100 vorgesehen sein kann. Mithilfe des Wasserbevorratungsbehälters 11 kann vorteilhafterweise eine zentrale Stelle für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100 oder für mehrere Brennstoffzellensysteme 100 bereitgestellt werden, die zur Wasserabscheidung aus Medienströmen, zur Wasserbevorratung vom abgeschiedenen Produktwasser und zur Wasserbereitstellung an das jeweilige Kühlsystem 20 dienen kann. Vorteilhafterweise kann durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 ermöglicht werden, dass das Produktwasser zwischen den einzelnen Brennstoffzellensystemen 100 übertragen werden kann. Das Produktwasser, welches in einem Brennstoffzellensystem 100 anfällt, kann in einem anderen Brennstoffzellensystem 100 genutzt werden. It is conceivable that the water storage tank 11 for the at least one fuel cell system 100 or for several Fuel cell systems 100 can be provided. With the help of the water storage tank 11, a central point for the at least one fuel cell system 100 or for a plurality of fuel cell systems 100 can advantageously be provided, which can serve to separate water from media flows, to store water from the separated product water and to provide water to the respective cooling system 20. The water storage tank 11 can advantageously make it possible for the product water to be transferred between the individual fuel cell systems 100 . The product water that occurs in one fuel cell system 100 can be used in another fuel cell system 100 .
Der Wasserbevorratungsbehälter 11 ist lediglich aus Einfachheitsgründen nicht mit allen Details dargestellt. Der Wasserbevorratungsbehälter 11 kann bspw. folgende Elemente aufweisen: mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter 11, und ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter 11, und/oder mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100. The water storage tank 11 is not shown with all the details merely for reasons of simplicity. The water storage tank 11 can have the following elements, for example: at least one line connection for one or each exhaust air line for discharging an exhaust air from a cathode system of the at least one fuel cell system 100, one, in particular exclusively one, line outlet for discharging media flows from the water storage tank 11, and in particular exclusively one, preferably controllable and/or regulatable, shut-off device for draining product water from the water storage tank 11, and/or at least one line connection for one or each purge line and/or drain line of an anode system of the at least one fuel cell system 100.
Das nicht dargestellte Absperrorgan kann vorteilhafterweise eine steuerbare und/oder regelbare Nutzung des Produktwassers ermöglichen. The non-illustrated shut-off device can advantageously enable a controllable and/or regulatable use of the product water.
Außerdem kann durch den Wasserbevorratungsbehälter 11 ermöglicht werden, dass das Purge- und/oder Drain-Fluidgemisch unterschiedlicher Brennstoffzellensysteme 100 mit einer vereinten Kathoden ab lüft verdünnt werden kann. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Schritte 201 bis 203 ohne einen Wasserbevorratungsbehälter 11 realisiert werden können. In addition, the water storage container 11 can make it possible for the purge and/or drain fluid mixture of different fuel cell systems 100 to be diluted with a combined cathode exhaust air. In principle, however, it is also conceivable that steps 201 to 203 can be implemented without a water storage tank 11 .
Ferner deuten die Figuren 1 bis 5 an, dass in Schritt 202 mindestens eine Leitungseinheit 12 verwendet werden kann. Furthermore, FIGS. 1 to 5 indicate that in step 202 at least one line unit 12 can be used.
Weiterhin kann in Schritt 202 mindestens eine Pumpe 14 verwendet werden. Die mindestens eine Pumpe 14 kann als ein Teil der Leitungseinheit 12 und/oder als ein Teil des Wasserbevorratungsbehälters 11 bereitgestellt werden. Furthermore, in step 202 at least one pump 14 can be used. The at least one pump 14 can be provided as part of the line unit 12 and/or as part of the water storage tank 11 .
Des Weiteren zeigen die Figuren 1 bis 5, dass in Schritt 203 eine Zerstäubungseinheit 13 verwendet werden kann. Nach Bedarf kann die Zerstäubungseinheit 13 mehrere aktive oder passive Düsen 15 aufweisen. Furthermore, FIGS. 1 to 5 show that in step 203 an atomization unit 13 can be used. The atomizing unit 13 can have several active or passive nozzles 15 as required.
Wie es die Figuren 1 bis 3 verdeutlichen kann die Zerstäubungseinheit 13 dazu ausgeführt sein, eine Oberfläche O des Kühlers 101 gleichmäßig mit dem Produktwasser zu benetzen. Hierzu kann die Zerstäubungseinheit 13 mindestens eine Railstruktur R aufweisen, die gitterförmig (vgl. Figuren 1 und 2), rahmenförmig (vgl. Figur 3) und/oder ringförmig ausgebildet sein kann. As illustrated in FIGS. 1 to 3, the atomization unit 13 can be designed to uniformly wet a surface O of the cooler 101 with the product water. For this purpose, the atomization unit 13 can have at least one rail structure R, which can be embodied in the form of a grid (cf. FIGS. 1 and 2), in the form of a frame (cf. FIG. 3) and/or in the shape of a ring.
Aus steuerungstechnischen Gründen kann vorgesehen sein, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler 101, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird. Folglich kann die Kühlung des mindestens einen Kühlers 101 durch Verdunsten des Produktwassers gezielt hinzugeschaltet werden, wenn der mindestens eine Kühler 101 unterstützt werden muss. Dies ist insbesondere in den Situationen vorteilhaft, bei denen die Wärmeabfuhr an die Umgebung begrenzt ist, bzw. bei denen keine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Stacktemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus dem Stack und der Temperatur der Umgebung zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kühlung des Brennstoffzellensystems 100 auch bei ungünstigen Bedingungen sichergestellt werden. Dadurch kann die Degradation/Alterung des Brennstoffzellensystems 100 sowie die Erniedrigung der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 100 vermieden werden. Auch kann dadurch sichergestellt werden, dass eine zulässige Grenztemperatur des Stacks nicht überschritten wird und dass ein Derating bzw. eine Leistungsabsenkung vermieden werden können. For technical control reasons, it can be provided that the method is controlled, in particular triggered and/or started and/or ended, depending on a heat removal request to the at least one cooler 101, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water. Consequently, the cooling of the at least one cooler 101 can be switched on in a targeted manner by evaporating the product water if the at least one cooler 101 has to be supported. This is particularly advantageous in situations in which the heat dissipation to the environment is limited or in which there is not a sufficient temperature difference between the stack temperature or coolant temperature at the exit from the stack and the temperature of the environment. In this way, reliable cooling of the fuel cell system 100 can be ensured even under unfavorable conditions. As a result, the degradation/aging of the fuel cell system 100 and the reduction in the service life of the fuel cell system 100 can be avoided. Also can thereby It must be ensured that a permissible limit temperature of the stack is not exceeded and that derating or a reduction in performance can be avoided.
Um festzustellen, ob eine Wärmeabfuhranforderung vorliegt, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, kann mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt werden: At least one of the following parameters can be taken into account to determine whether there is a heat removal requirement that requires additional cooling capacity through evaporation of the product water:
Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 und/oder des mindestens einen Kühlers 101, insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100 und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, Operating parameters of the at least one fuel cell system 100 and/or the at least one cooler 101, in particular a stack temperature of the at least one fuel cell system 100 and/or coolant temperature, preferably at an outlet from a stack of the at least one fuel cell system 100,
Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Ambient parameters, in particular including: temperature, pressure, humidity, wind speed,
Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100, insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb, Power demand on the at least one fuel cell system 100, in particular including: high-load operation, full-load operation,
Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers 101, insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition, Operating parameters of a fan of the at least one cooler 101, in particular including: speed, operating mode, such as. B. sucking or pushing, rotor blade setting position,
Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung, Vehicle parameters, in particular including: speed, acceleration, payload,
Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder Route parameters, in particular including: incline, traffic situation, route planning, navigation, prediction horizon, and/or
Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers. Water storage parameters, in particular comprising: filling level, thermodynamic and/or chemical state of the product water.
Auf diese Weise kann mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, ob die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erforderlich ist. Als Beispiel sind Situationen denkbar, bei denen die Umgebungstemperaturen zwar hoch sind, aber die Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 gering sind oder ein ausreichender Fahrwind vorhanden ist, sodass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Als weiteres Beispiel sind Situationen denkbar, bei denen die Route derart beschaffen ist, bspw. Situation-Bergab, dass die zusätzliche Verdunstungskühlung nicht erforderlich ist. Zugleich sind Situationen denkbar, bei denen z. B. der Wasserbevorratungsbehälter 11 gerade leer ist, weil das Produktwasser verbraucht wurde, und keine Verdunstungskühlung bereitgestellt werden kann. Andere Situationen sind denkbar, bei denen das Fahrzeug derart beladen ist und/oder bei hoher Geschwindigkeit mit Gegenwind fährt und/oder hohe Umgebungstemperaturen vorliegen und/oder die Route derart beschaffen ist, z. B. Situation-Bergauf, dass das Kühlsystem 20 alleine keine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems 100 ermöglichen kann. In den letzteren Fällen kann die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers als erforderlich eingestuft werden. In this way, it can be determined with increased probability whether the additional cooling capacity is required due to evaporation of the product water. As an example, situations are conceivable in which the Ambient temperatures are high, but the power requirements for the fuel cell system 100 are low or there is sufficient wind so that the additional evaporative cooling is not required. As a further example, situations are conceivable in which the route is such that the additional evaporative cooling is not required, for example a downhill situation. At the same time, situations are conceivable in which z. B. the water storage tank 11 is just empty because the product water has been consumed, and no evaporative cooling can be provided. Other situations are conceivable where the vehicle is loaded in this way and/or is traveling at high speed against a headwind and/or there are high ambient temperatures and/or the route is such, e.g. B. Situation-uphill that the cooling system 20 alone cannot provide sufficient cooling of the fuel cell system 100. In the latter cases, the additional cooling capacity due to evaporation of the product water can be classified as necessary.
Um auf die Frage zu antworten, wie die zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers bereitgestellt werden kann, kann das Verfahren intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt werden. Der intermittierende Steuerbetrieb kann bspw.: zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert, und/oder ereignisgesteuert, durchgeführt werden. To answer the question of how the additional cooling capacity can be provided by evaporating the product water, the method can be carried out intermittently or continuously, and in particular adaptively. The intermittent control operation can be carried out, for example: time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
Wenn bspw. ungünstige Umgebungsbedingungen und hohe Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 vorhanden sind, kann eine dauerhafte Verdunstungskühlung, zumindest über einen Zeitraum, bereitgestellt werden. Um Zeit für den Verdunstungsprozess nach Aufbringen von Produktwasser auf den mindestens einen Kühler zu lassen und/oder bei einer immer wiederkehrenden Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 kann die Verdunstungskühlung intermittierend bereitgestellt werden. Dabei kann das Verfahren zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert und/oder ereignisgesteuert getriggert werden. If, for example, there are unfavorable ambient conditions and high performance requirements for the fuel cell system 100, permanent evaporative cooling can be provided, at least over a period of time. In order to leave time for the evaporation process after product water has been applied to the at least one cooler and/or in the event of a recurring power demand on the fuel cell system 100, the evaporative cooling can be provided intermittently. The process can be time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled and/or event-controlled.
Die flexible und vorzugsweise adaptive Steuerung des Verfahrens kann die Benutzung des Produktwassers optimieren. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nicht zu viel Produktwasser bereitgestellt wird bzw. kein Wasserüberschuss entsteht, sodass nur die Oberfläche des mindestens einen Kühlers 101 und nur so viel benetzt wird, dass das verwendete Produktwasser möglichst vollständig verdunsten kann. The flexible and preferably adaptive control of the process can optimize the use of the product water. In this way, it can be ensured that not too much product water is provided or that there is no excess water, so that only the surface of the at least one cooler 101 is wetted and only so much that the product water used can evaporate as completely as possible.
Um die wasserführenden Komponenten vor Gefrierung zu schützen, kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen: In order to protect the water-carrying components from freezing, the method can have at least one of the following steps:
204 Entleeren und/oder Freipusten von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit 12 und/oder einer Zerstäubungseinheit 13, die beim Durchführen des Verfahrens verwendet werden. 204 Emptying and/or blowing out water-carrying components, in particular a line unit 12 and/or an atomization unit 13, which are used when carrying out the method.
Wie oben bereits erwähnt, sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt vor: eine Vorrichtung 10 zum Unterstützen mindestens eines Kühlers 101 zumindest eines Brennstoffzellensystems 100 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 10, die speziell zum Ausführen eines Verfahrens entwickelt ist, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, aufweisend: As already mentioned above, according to the second aspect, the invention provides: a device 10 for supporting at least one cooler 101 of at least one fuel cell system 100 in cooling the at least one fuel cell system 100, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler 10, specifically for carrying out a method is developed, which can proceed as described above, comprising:
Wasserbevorratungsbehälter 11 zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100, Water storage tank 11 for providing product water from the at least one fuel cell system 100,
Leitungseinheit 12 zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100 zum Kühler 101. Line unit 12 for supplying the product water from the at least one fuel cell system 100 to the cooler 101.
Zerstäubungseinheit 13 zum Benetzen des mindestens einen Kühlers 101 mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem 100, um den mindestens einen Kühler 101 durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen. Atomization unit 13 for wetting the at least one cooler 101 with the product water from the at least one fuel cell system 100 in order to cool the at least one cooler 101 by evaporation of the product water.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht und Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10. Gezeichnet ist eine Anordnung des Kühlers 101, bei der ein Lüfter F saugend wirkt d.h. in Richtung des schematisch mit den Pfeilen dargestellten Luftstroms L. Die Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise neun) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 werden über eine gitterförmige Railstruktur R mit Produktwasser mit ausreichendem Druck versorgt, um eine ausreichend feine Spraybildung und dadurch eine möglichst große und gleichmäßige Benetzung der Oberfläche O des mindestens einen Kühlers 101 zu erreichen. Gemäß der Figur 1 kann als der mindestens eine Kühler 101 ein Hochtemperatur-Kühler 101 bzw. HT-Kühler 101 bzw. Hochtemperatur-Kreis-Kühler 101 verwendet werden, an dem in der Regel der Kühlkreis des Brennstoffzellensystems 100 angebunden wird. Figure 1 shows a schematic side view and front view of a possible device 10. An arrangement of the cooler 101 is shown in which a fan F has a suction effect, ie in the direction of the air flow L shown schematically with the arrows. The spray-generating nozzles 15 (here for example nine) within the scope of the atomization unit 13 are supplied with product water at sufficient pressure via a lattice-shaped rail structure R in order to achieve sufficiently fine spray formation and thus the largest possible and most uniform wetting of the surface O of the at least one cooler 101. According to FIG. 1, a high-temperature cooler 101 or HT cooler 101 or high-temperature circuit cooler 101 can be used as the at least one cooler 101, to which the cooling circuit of the fuel cell system 100 is usually connected.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur Figur 1 abweichenden Anordnung der Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise zwei) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 und der Wasserzufuhr über eine gitterförmige Railstruktur R. Angedeutet ist auch, dass verschiedene Kühler 101 an die Vorrichtung 10 angebunden werden können. Figure 2 shows a schematic front view of a possible device 10 with a different arrangement of spray-generating nozzles 15 (here, for example, two) in comparison to Figure 1 in the atomization unit 13 and the water supply via a lattice-shaped rail structure R. It is also indicated that different Cooler 101 can be connected to the device 10.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Frontansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur Figur 1 abweichenden Anordnung der Spray-erzeugenden Düsen 15 (hier beispielsweise vier) im Rahmen der Zerstäubungseinheit 13 und der Wasserzufuhr über eine rahmenförmige Railstruktur R. Das Produktwasser kann auch hier für mehrere Kühler 101 mit entsprechenden Anordnungen Düsen 15 und korrespondierenden Railstrukturen R zum Unterstützen der Kühler 101 verwendet werden. Figure 3 shows a schematic front view of a possible device 10 with a different arrangement of the spray-generating nozzles 15 (here, for example four) in the context of the atomization unit 13 and the water supply via a frame-shaped rail structure R than in Figure 1. The product water can also be used here for several coolers 101 with corresponding arrangements of nozzles 15 and corresponding rail structures R for supporting the cooler 101 can be used.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur Figur 1 zusätzlichem Niedertemperatur- bzw. NT-Kühler 101, der vor den Hochtemperatur- bzw. HT-Kühler 101 geschaltet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist hier für den Hochtemperatur-Kühler 101 eingesetzt. Wenn auch der Niedertemperatur-Kühler 101 auch durch Wasserverdunstung entlastet werden soll, können auch stromaufwärts der Luftströmung L Düsen 15 zur Spraybildung vor den Niedertemperatur-Kühler 101 angeordnet werden. FIG. 4 shows a schematic side view of a possible device 10 with an additional low-temperature or LT cooler 101 compared to FIG. The device 10 according to the invention is used here for the high-temperature cooler 101 . If the low-temperature cooler 101 is also to be relieved of water evaporation, nozzles 15 for spray formation can also be arranged in front of the low-temperature cooler 101 upstream of the air flow L.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer möglichen Vorrichtung 10 mit im Vergleich zur Figur 1 zusätzlichem Niedertemperatur- bzw. NT -Kühler 101 und Mitteltemperatur- bzw. MT-Kühler. Die Anordnung mit drei Kühlern 101 kann drei Kühlkreise mit drei unterschiedlichen Temperaturniveaus abdecken. Die erfindungsgemäße Idee kann dabei entsprechend übertragen werden. In der Figur 5 wird der HT-Kühler 101 und der NT-Kühler 101 direkt und der MT-Kühler 101 indirekt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 unterstützt, um die Wärmeabfuhr vom entsprechenden Kühlkreis an die Umgebung bzw. Umgebungsluft L zu erhöhen. Die Positionen LI, L2, L3 für Anordnung von Düsen 15 zur Spraybildung kommen in Betracht für eine saugende Anordnung des Lüfters F. Wird der Lüfter F in drückender Weise angewendet bzw. wird der Luftstrom L umgekehrt, dann kommen die Positionen L4, LI, L2 für die Anordnung von Düsen 15 zur Spraybildung in Betracht. FIG. 5 shows a schematic side view of a possible device 10 with an additional low-temperature or LT cooler compared to FIG 101 and medium-temperature or MT coolers. The arrangement with three coolers 101 can cover three cooling circuits with three different temperature levels. The idea according to the invention can be transferred accordingly. In FIG. 5, the HT cooler 101 and the LT cooler 101 are supported directly and the MT cooler 101 indirectly by the device 10 according to the invention in order to increase the heat dissipation from the corresponding cooling circuit to the environment or ambient air L. The positions LI, L2, L3 for the arrangement of nozzles 15 for spray formation come into consideration for a suction arrangement of the fan F. If the fan F is used in a pushing manner or the air flow L is reversed, then the positions L4, LI, L2 come into play for the arrangement of nozzles 15 for spray formation into consideration.
Wie es die Figuren 1 bis 3 ferner andeuten, sieht die vorliegende Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein System 110, aufweisend zumindest ein Brennstoffzellensystem 100, mindestens einen Kühler 101 für das zumindest eine Brennstoffzellensystem 100, und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung 10 zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers 101 beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems 100, insbesondere zum Kühlen des Kühlers 10, vorzugsweise zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers 10. As also indicated in Figures 1 to 3, the present invention provides according to the second aspect: a system 110 having at least one fuel cell system 100, at least one cooler 101 for the at least one fuel cell system 100, and one, in particular a common, device 10 for supporting the at least one cooler 101 in cooling the at least one fuel cell system 100, in particular for cooling the cooler 10, preferably for increasing the cooling capacity of the cooler 10.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The above description of the figures describes the present invention exclusively within the framework of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the invention.

Claims

- 24 - Ansprüche - 24 - claims
1. Verfahren zum Unterstützen mindestens eines Kühlers (101) zumindest eines Brennstoffzellensystems (100) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: 1. A method for supporting at least one cooler (101) of at least one fuel cell system (100) in cooling the at least one fuel cell system (100), comprising:
Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), Providing product water from the at least one fuel cell system (100),
Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101), Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), um den mindestens einen Kühler (101) durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen. Supplying the product water from the at least one fuel cell system (100) to the cooler (101), wetting the at least one cooler (101) with the product water from the at least one fuel cell system (100) in order to close the at least one cooler (101) by evaporating the product water cool.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) das Produktwasser aus einer Kathoden- Abluftleitung und/oder einem Anodenpfad des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) gewonnen wird, und/oder dass beim Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) das Produktwasser aus externen Quellen ergänzend oder alternativ genutzt wird, insbesondere durch Nachfüllen eines Wasserbevorratungsbehälters und/oder durch Sammeln von Regenwasser. 2. The method according to claim 1, characterized in that when product water is provided from the at least one fuel cell system (100), the product water is obtained from a cathode exhaust air line and/or an anode path of the at least one fuel cell system (100), and/or that when Providing product water from the at least one fuel cell system (100), the product water from external sources is used additionally or alternatively, in particular by refilling a water storage tank and/or by collecting rainwater.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) ein Wasserbevorratungsbehälter (11) verwendet wird, wobei insbesondere der Wasserbevorratungsbehälter (11) für mehrere Brennstoffzellensysteme (100) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Wasserbevorratungsbehälter (11) mindestens einen von den folgenden Elementen aufweist: mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von einem Kathodensystem des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), einen, insbesondere ausschließlich einen, Leitungsauslass zum Abführen von Medienströmen aus dem Wasserbevorratungsbehälter (11), und ein, insbesondere ausschließlich ein, vorzugsweise steuerbares und/oder regelbares, Absperrorgan zum Abführen von Produktwasser aus dem Wasserbevorratungsbehälter (11), und/oder mindestens einen Leitungsanschluss für eine oder jede Purge- und/oder Drainleitung eines Anodensystems des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101) mindestens eine Leitungseinheit (12) verwendet wird, und/oder dass zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101) mindestens eine Pumpe (14) verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) eine Zerstäubungseinheit (13) verwendet wird, wobei insbesondere die Zerstäubungseinheit (13) mindestens eine aktive oder passive Düse (15) aufweist, wobei vorzugsweise die Zerstäubungseinheit (13) derart ausgeführt ist, dass eine Oberfläche (O) des Kühlers (101) gleichmäßig mit dem Produktwasser benetzt wird, wobei bevorzugt die Zerstäubungseinheit (13) mindestens eine, insbesondere eine gitterförmige, rahmenförmige und/oder ringförmige, Railstruktur (R) aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden, und/oder dass das Bereitstellen von Produktwasser und das Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser zeitlich entkoppelt voneinander durchgeführt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren abhängig von einer Wärmeabfuhranforderung an den mindestens einen Kühler (101), die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, gesteuert, insbesondere getriggert und/oder gestartet und/oder beendet, wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bestimmen der Wärmeabfuhranforderung, die eine zusätzliche Kühlleistung durch Verdunsten des Produktwassers erfordert, mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that a water storage tank (11) is used to provide product water from the at least one fuel cell system (100), the water storage tank (11) in particular being provided for a plurality of fuel cell systems (100), the water storage tank (11) preferably containing at least one of the following elements has: at least one line connection for one or each exhaust air line for discharging an exhaust air from a cathode system of the at least one fuel cell system (100), one, in particular exclusively one, line outlet for discharging media flows from the water storage tank (11), and one, in particular exclusively one, preferably controllable and/or regulatable shut-off element for draining product water from the water storage tank (11), and/or at least one line connection for one or each purge and/or drain line of an anode system of the at least one fuel cell system (100). Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one line unit (12) is used to supply the product water from the at least one fuel cell system (100) to the cooler (101), and/or that the product water is supplied from the at least one fuel cell system (100) to the cooler (101) at least one pump (14) is used. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an atomization unit (13) is used to wet the at least one cooler (101) with the product water from the at least one fuel cell system (100), the atomization unit (13) in particular having at least one active or passive nozzle (15), the atomization unit (13) preferably being designed in such a way that a surface (O) of the cooler (101) is evenly wetted with the product water, with the Atomization unit (13) has at least one rail structure (R), in particular a grid-shaped, frame-shaped and/or ring-shaped rail structure. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steps of the method according to claim 1 are carried out at different times, and/or that the provision of product water and the wetting of the at least one cooler (101) with the product water are carried out at different times . Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is controlled, in particular triggered and/or started and/or ended, depending on a heat removal requirement on the at least one cooler (101), which requires additional cooling capacity through evaporation of the product water. Method according to the preceding claim, characterized in that at least one of the following parameters is taken into account when determining the heat dissipation requirement, which requires additional cooling capacity due to evaporation of the product water:
Betriebsparameter des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) und/oder des mindestens einen Kühlers (101), insbesondere eine Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100) und/oder Kühlmitteltemperatur, vorzugsweise an einem Ausgang aus einem Stack des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), - 27 - Operating parameters of the at least one fuel cell system (100) and/or the at least one cooler (101), in particular a stack temperature of the at least one fuel cell system (100) and/or coolant temperature, preferably at an outlet from a stack of the at least one fuel cell system (100), - 27 -
Umgebungsparameter, insbesondere umfassend: Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Ambient parameters, in particular including: temperature, pressure, humidity, wind speed,
Leistungsanforderung an das zumindest eine Brennstoffzellensystem (100), insbesondere umfassend: Hochlastbetrieb, Volllastbetrieb, Performance requirement for the at least one fuel cell system (100), in particular comprising: high-load operation, full-load operation,
Betriebsparameter eines Lüfters des mindestens einen Kühlers (101), insbesondere umfassend: Drehzahl, Betriebsart, wie z. B. saugend oder drückend, Rotorblätter-Stellposition, Operating parameters of a fan of the at least one cooler (101), in particular including: speed, operating mode, such as. B. sucking or pushing, rotor blade setting position,
Fahrzeugparameter, insbesondere umfassend: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zuladung, Vehicle parameters, in particular including: speed, acceleration, payload,
Routenparameter, insbesondere umfassend: Steigung, Verkehrslage, Routenplanung, Navigation, Prädiktionshoriziont, und/oder Route parameters, in particular including: incline, traffic situation, route planning, navigation, prediction horizon, and/or
Wasserbevorratungsparameter, insbesondere umfassend: Füllstand, thermodynamischer und/oder chemischer Zustand des Produktwassers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche intermittierend oder dauerhaft, und insbesondere adaptiv, durchgeführt wird, wobei vorzugsweise ein intermittierender Steuerbetrieb mindestens eine der folgenden Steuerarten aufweist: zeitgesteuert, temperaturgesteuert, parametergesteuert, und/oder ereignisgesteuert. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, - 28 - dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: Entleeren von wasserführenden Komponenten, insbesondere einer Leitungseinheit (12) und/oder einer Zerstäubungseinheit (13), die beim Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet werden. Vorrichtung (10) zum Unterstützen mindestens eines Kühlers (101) zumindest eines Brennstoffzellensystems (100) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100), die speziell zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche entwickelt ist, aufweisend: Water storage parameters, in particular comprising: filling level, thermodynamic and/or chemical state of the product water. Method according to one of the preceding claims 7 or 8, characterized in that the method according to one of the preceding claims is carried out intermittently or continuously, and in particular adaptively, with intermittent control operation preferably having at least one of the following types of control: time-controlled, temperature-controlled, parameter-controlled, and/or event driven. Method according to one of the preceding claims, characterized - 28 - that the method has at least one following step: emptying of water-carrying components, in particular a line unit (12) and/or an atomization unit (13), which are used when carrying out the method according to one of the preceding claims. Device (10) for supporting at least one cooler (101) of at least one fuel cell system (100) when cooling the at least one fuel cell system (100), which is specially developed for carrying out a method according to one of the preceding claims, having:
Wasserbevorratungsbehälter (11) zum Bereitstellen von Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), Leitungseinheit (12) zum Zuführen des Produktwassers aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100) zum Kühler (101). Zerstäubungseinheit (13) zum Benetzen des mindestens einen Kühlers (101) mit dem Produktwasser aus dem zumindest einen Brennstoffzellensystem (100), um den mindestens einen Kühler (101) durch Verdunsten des Produktwassers zu kühlen. System (110), aufweisend: zumindest ein Brennstoffzellensystem (100), mindestens einen Kühler (101) für das zumindest eine Brennstoffzellensystem (100), und eine, insbesondere eine gemeinsame, Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch zum Unterstützen des mindestens einen Kühlers (101) beim Kühlen des zumindest einen Brennstoffzellensystems (100). Water storage tank (11) for providing product water from the at least one fuel cell system (100), line unit (12) for supplying the product water from the at least one fuel cell system (100) to the cooler (101). Atomization unit (13) for wetting the at least one cooler (101) with the product water from the at least one fuel cell system (100) in order to cool the at least one cooler (101) by evaporating the product water. System (110), comprising: at least one fuel cell system (100), at least one cooler (101) for the at least one fuel cell system (100), and one, in particular a common, device (10) according to the preceding claim for supporting the at least one cooler (101) when cooling the at least one fuel cell system (100).
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