AT524817B1 - Kühlvorrichtung für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zum Führen eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) und einem Abgabeabschnitt (24) zur Abgabe der aufgenommen Wärme an die Umgebung, wobei stromabwärts des Aufnahmeabschnitts (22) und stromaufwärts des Abgabeabschnitts (24) ein Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) angeordnet ist zum zusätzlichen Kühlen des primären Kühlmittels (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (40) mit einem Fluidanschluss an einen Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100) und mit einem Kondensatorabschnitt (42) zum Kondensieren von Produktwasser (PW) aus Abgas des Brennstoffzellensystems (100) als sekundäres Kühlmittel (SK), wobei weiter der sekundäre Kühlkreislauf (40) stromabwärts des Kondensatorabschnitts (42) mit dem Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) des primären Kühlkreislaufs (20) fluidkommunizierend verbunden ist für ein Verdunsten und/oder Verdampfen des kondensierten Produktwassers (PW) als sekundärem Kühlmittel (SK) zur Kühlung des primären Kühlmittels (PK), wobei der Verdampfungs- Kühlabschnitt (30) einen eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf (32) aufweist mit einem Verdampfungs-Wärmetauscher (34) zum Wärmeaustausch mit dem primären Kühlkreislauf (20).

Description

Beschreibung

KÜHLVORRICHTUNG FÜR EIN KÜHLEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS EINES FAHRZEUGS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kühlvorrichtung, ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme im Betrieb temperiert werden müssen. Dies gilt insbesondere dahingehend, dass eine Kühlung gegen ein zu hohes Erhitzen bei kontinuierlichem Betrieb erfolgen muss. Insbesondere ist dies der Fall, wenn die Brennstoffzelle mobil in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Bekannte Lösungen weisen daher üblicherweise einen Kühlkreislauf auf, welcher in der Lage ist, die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems zu kühlen. Hierfür sind solche Kühlsysteme mit einem Kühlkreislauf ausgestaltet, durch welchen Kühlmittel gefördert wird. Das Kühlmittel kann mit einem oder mehreren Wärmetauscherabschnitten ausgestattet sein, um beispielsweise in oder an einem Brennstoffzellenstapel, Wärme auf das Kühlmittel zu übertragen. Das erwärmte Kühlmittel wird weiter gefördert und in einem Abgabeabschnitt wieder gekühlt. Diese Kühlung erfolgt unter Abgabe der vom Brennstoffzellenstapel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung. Diese Wärmeabgabe kann beispielsweise unterstützt werden durch entsprechende aktive Kühlvorrichtungen, wie Gebläse oder Ventilatoren.

[0003] Eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug ist beispielsweise aus der US 10411275 B2 bekannt.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Kühlvorrichtungen für den gesamten Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems ausgelegt sein müssen. Sie inkludieren also insbesondere auch Betriebssituationen unter Spitzenlast, welche im realen Betrieb nur selten und nur über kurze Zeitspannen auftreten. Handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem um eine mobile Energieversorgung, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug, so muss also der Kühlkreislauf ausgelegt sein für Spitzenlastsituationen, welche beispielsweise beim Anfahren mit schwerem Anhänger oder bei Berganfahrten über eine kurze Zeitspanne notwendig sind. Über die meiste Betriebszeit, also beispielsweise im regulären Autobahnbetrieb, ist der Kühlkreislauf damit deutlich überdimensioniert.

[0005] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist die beschriebe Überdimensionierung, welche auf die Spitzenlast ausgelegt sein muss. Dies führt zu großen Kühlkreisläufen mit entsprechend großen Kühlkapazitäten. Dies geht einher mit entsprechend hohem Gewicht, einem hohen Platzbedarf und hohen Kosten für eine Zurverfügungstellung des Kühlkreislaufs. Somit wird der Kühlkreislauf teurer, schwerer und mit einem höheren Platzbedarf ausgestaltet sein, als dies für den Großteil der Einsatzsituationen des Brennstoffzellensystems tatsächlich notwendig wäre.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile, zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kühlung sicherzustellen und den Gewichtsbedarf, den Platzbedarf und/oder die Kosten für die Kühlvorrichtung zu senken.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen

wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß dient eine Kühlvorrichtung dem Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs. Hierfür weist die Kühlvorrichtung einen primären Kühlkreislauf zum Führen eines primären Kühlmittels auf. Dieser primäre Kühlkreislauf ist mit einem Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem und einem Abgabeabschnitt zur Abgabe der aufgenommenen Wärme an die Umgebung ausgestattet. Stromabwärts des Aufnahmeabschnitts und stromaufwärts des Abgabeabschnitts ist ein Verdampfungs-Kühlabschnitt angeordnet zum zusätzlichen Kühlen des primären Kühlmittels. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist weiter einen sekundären Kühlkreislauf mit einem Fluidanschluss an einen Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist dieser sekundäre Kühlkreislauf mit einem Kondensatorabschnitt zum Kondensieren von Produktwasser aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems als sekundäres Kühlmittel ausgestattet. Der sekundäre Kühlkreislauf ist stromabwärts des Kondensatorabschnitts mit dem Verdampfungs-Kühlabschnitt des primären Kühlkreislaufs fluidkommunizierend verbunden. Dies dient einem Verdunsten und/oder Verdampfen des kondensierten Produktwassers als sekundären Kühlmittels zur Kühlung des primären Kühlmittels. Der Verdampfungsabschnitt kann demnach auch als Verdunstungs- und Verdampfungsabschnitt bezeichnet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird hauptsächlich auf eine Kühlung durch Verdampfen eingegangen. Dies beinhaltet im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Kühlung durch Verdunsten.

[0009] Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung basiert auf der grundsätzlichen Problematik, dass ein Brennstoffzellensystem im Betrieb gekühlt werden muss. Für die Hauptbetriebszeiten ist hierfür ein primärer Kühlkreislauf gemäß den bekannten Lösungen vorgesehen, welcher ein primäres Kühlmittel vorsieht, um Wärme im Brennstoffzellensystem über den Aufnahmeabschnitt aufzunehmen und über den Abgabeabschnitt die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abzugeben. Die Ausgestaltung des primären Kühlkreislaufs kann dabei auf die bekannten Lösungen zurückgreifen und zum Beispiel ein flüssiges primäres Kühlmittel im Kreislauf pumpen. Der Aufnahmeabschnitt kann mehrere Teil-Aufnahmeabschnitte aufweisen, um an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellensystems, Wärme aufnehmen und abtransportieren zu können. Auch der Abgabeabschnitt kann mehrere Teil-Abgabeabschnitte aufweisen, und ist insbesondere mit einem Kühler ausgestattet, welcher in der Front eines Nutzfahrzeugs platziert ist. Auch eine aktive Unterstützung der Abgabe der Wärme, zum Beispiel über Ventilatorvorrichtungen, ist am Abgabeabschnitt möglich.

[0010] Der primäre Kühlkreislauf wird nun bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung durch einen sekundären Kühlkreislauf ergänzt. Der sekundäre Kühlkreislauf ist mit einem speziellen sekundären Kühlmittel ausgebildet. Um dieses sekundäre Kühlmittel zur Verfügung zu stellen, ist der sekundäre Kühlkreislauf zur Aufnahme von Produktwasser aus einem Abgas des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Dies gilt insbesondere für Brennstoffzellensysteme, welche als PEMBrennstoffzellensysteme ausgebildet sind und Wasserstoff als Brenngas verwenden. Wasser, welches in kondensierter und/oder in gasförmiger Form im Abgas des Brennstoffzellensystems vorliegt, kann nun über den Fluidanschluss als Produktwasser in den sekundären Kühlkreislauf eingebracht werden. Uber den Kondensatorabschnitt wird eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige Kondensation des Produktwassers erzeugt, sodass nach dem Kondensatorabschnitt kondensiertes Produktwasser in flüssiger Form als sekundäres Kühlmittel im sekundären Kühlkreislauf zur Verfügung steht. Es ist nun möglich, dieses Produktwasser als sekundäres Kühlmittel zur Verdampfung am Verdampfungs-Kühlabschnitt für eine zusätzliche Kühlung des primären Kühlmittels einzusetzen. Dadurch, dass das Produktwasser nicht konstant, sondern in Abhängigkeit von der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems anfällt, ist diese sekundäre Kühlmöglichkeit mithilfe des sekundären Kühlabschnitts nicht kontinuierlich einsetzbar. In Spitzenlastsituationen, also in Situationen, in welchen das Brennstoffzellensystem mit hoher Betriebstemperatur und hohem Brenngasdurchsatz betrieben wird, ist jedoch auch mit einem hohen Abgasausstoß und dementsprechend mit einer großen Menge an Produktwasser zu rechnen. Dementsprechend wird automatisch und insbesondere selbstverstärkend zu einem Zeitpunkt des Spitzenlastbetriebes mit erhöhtem Kühlbedarf auch eine erhöhte Produktion an sekundärem Kühlmittel, welches

durch das Produktwasser zur Verfügung gestellt wird, sichergestellt. Somit kann dieser erhöhte Kühlbedarf durch die erhöhte Produktionsmenge an Produktwasser in Form des sekundären Kühlmittels, auch für eine verstärkte Kühlung eingesetzt werden.

[0011] Basierend auf den voranstehenden Überlegungen, wird es nun möglich, in einer Normalbetriebssituation den sekundären Kühlkreislauf ausgeschaltet zu lassen und die Kühlung des Brennstoffzellensystems ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich durch den primären Kühlkreislauf zu gewährleisten. Für eine kurze Zeit unter Spitzenlast, kann der sekundäre Kühlkreislauf eingeschaltet werden oder sich automatisch durch den erhöhten Ausstoß an Produktwasser selbst einschalten. Damit kann bei einer erhöhten Spitzenlastsituation ein erhöhter Kühlbedarf durch eine zusätzliche Kühlung mithilfe des sekundären Kühlabschnitts abgepuffert werden. Dadurch, dass Produktwasser aus dem Abgas als sekundäres Kühlmittel verwendet wird, muss der sekundäre Kühlkreislauf kein eigenes sekundäres Kühlmittel vorhalten. Neben der Reduktion der Kosten kann zusätzlich auch das Gewicht des zweiten Kühlkreislaufs damit deutlich reduziert werden.

[0012] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, reicht es nun aus, den primären Kühlkreislauf, welcher auch als Hauptkühlkreislauf bezeichnet werden kann, auf die normalen Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems auszulegen. Damit kann eine deutlich kleinere, kostengünstigere und leichtere Ausgestaltung dieses primären Kühlkreislaufs im Vergleich zu den bisher bekannten Auslegungen die Folge sein. Neben den konstruktiven Vorteilen werden zusätzliche Vorteile im Betrieb erzielbar. So ist die für die Durchströmung von Luft notwendige Fläche kleiner. Damit reduziert sich der Luftwiderstand der Durchströmung des Fahrzeugs und damit indirekt auch die notwendige Antriebsleistung. Dies führt wiederum zu reduziertem Kühlbedarf.

[0013] Um trotzdem Spitzenlastsituationen mit einem besonders hohen Kühlbedarf abpuffern zu können, kann temporär der sekundäre Kühlkreislauf zugeschaltet werden. Dadurch, dass dieser jedoch nur in Sondersituationen, nämlich einer Spitzenlastsituation im Betrieb des Brennstoffzellensystems, eingesetzt werden muss, kann dieser ebenfalls sehr leicht, klein und kostengünstig ausgebildet werden. In der Summe sind also vorzugsweise der sekundäre Kühlkreislauf und der primäre Kühlkreislauf, kleiner, leichter und kostengünstiger, als wenn gemäß dem Stand der Technik ein einziger Hauptkühlkreislauf über den gesamten Betriebsbereich, inklusive der Spitzenlasten, ausgelegt werden müsste. Ein weiter Vorteil liegt im modularen Aufbau. So kann der primäre Kühlkreislauf als Basis für alle Ausstattungsvarianten eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Für Fahrzeuge zum Einsatz im Flachland und in gemäßigten Klimazonen kann dies ausreichen. Für gehobenere Einsatzzwecke in heißen und/oder bergigen Gebieten sowie bei besonders leistungsstarken Fahrzeugen wird die sekundäre Kühlvorrichtung verbaut. Somit kann eine einfache und auf dem modularen Aufbau beruhende Anpassung der gesamten Kühlleistung für verschiedene Fahrzeugvarianten erfolgen. Dies reduziert die Komplexität und die Kosten der gesamten Fahrzeugfertigung.

[0014] Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bringt somit die genannten Vorteile mit sich, insbesondere leichter und kleiner ausgestaltet zu sein, als dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. Gleichzeitig ist eine einfache und kostengünstige Betriebsweise denkbar, da kein zusätzliches sekundäres Kühlmittel notwendig ist. Vielmehr kann auf ein sekundäres Kühlmittel zurückgegriffen werden, welches in Form des Produktwassers automatisch beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht.

[0015] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass es in erfindungsgemäßer Weise selbstverständlich unerheblich ist, wo und in welcher Weise die Wärmeaufnahme mithilfe des primären Kühlmittels erfolgt. Insbesondere können hier einzelne Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte vorgesehen sein. Bei dem Produktwasser aus dem Abgas handelt es sich insbesondere um Produktwasser im Anodenabgas des Brennstoffzellensystems. Jedoch kann auch der fluidtechnische Anschluss an eine kombinierte Abgasleitung, also an eine Abgasleitung, welche Anodenabgas und Kathodenabgas bereits in kombinierter Form enthält, aufweisen. Die beiden Kühlkreisläufe, also der primäre Kühlkreislauf einerseits und der sekundäre Kühlkreislauf andererseits, sind voneinander fluidtechnisch getrennt. Dies gilt insbesondere für die Wärmeaustauschfunktionalität am

Verdampfungs-Kühlabschnitt, welche ein Vermischen der Fluide des sekundären Kühlmittels und des primären Kühlmittels verhindert. Wie später noch erläutert wird, kann der VerdampfungsKühlabschnitt für eine direkte Kühlung, aber auch für eine indirekte Kühlung mit zwischengeschaltetem Verdampfungs-Kühlkreislauf ausgestaltet sein. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Kühlkreisläufe vorzugsweise eine integrierte Fördervorrichtung, beispielsweise in Form einer Förderpumpe aufweisen, um das jeweilige Kühlmittel durch den jeweiligen Kühlkreislauf zu fördern.

[0016] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Kondensatorabschnitt in einen Außenabschnitt der Karosserie des Fahrzeugs integriert ist und/oder diesen wenigstens teilweise ausbildet. Wie bereits erläutert worden ist, kann eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung seine Vorteile insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems für den Antrieb von Nutzfahrzeugen zur Geltung bringen. Dies wird dann besonders deutlich, wenn der Kondensatorabschnitt mit dem Nutzfahrzeug kombiniert wird. So kann beispielsweise der Kondensatorabschnitt einen Karosserieabschnitt des Fahrzeugs ausbilden, also entsprechend einen Leitungsabschnitt mit hoher Oberfläche an der Außenseite des Fahrzeugs. Bewegt sich das Fahrzeug, wird der Fahrtwind entlang der Außenseite des Fahrzeugs geführt und auf diese Weise eine Kondensationskühlung des Kondensatorabschnitts durchgeführt. Durch den Kondensatorabschnitt geleitetes Produktwasser im gasförmigen Zustand wird auf diese Weise automatisch und ohne zusätzlichen integrierten Kühlbedarf wieder kondensiert. Somit wird es möglich, die Bauweise und die Konstruktion des sekundären Kühlabschnitts noch weiter zu verkleinern und das Gewicht zu reduzieren. Selbstverständlich ist jedoch auch zusätzlich oder alternativ ein aktiver Kondensator möglich. Der Außenabschnitt für den Kondensatorabschnitt ist vorzugsweise mit einer entsprechend hohen Kontaktoberfläche für einen hohen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zur Verfügung gestellt.

[0017] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung stromabwärts des Kondensatorabschnitts und stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts ein Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung von kondensiertem Produktwasser als sekundärem Kühlmittel angeordnet ist. Dies erlaubt es eine Puffermöglichkeit zwischen dem aktuellen Kühlbedarf und der aktuellen Produktionssituation auszubilden. Somit kann Produktwasser, welches während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entsteht und kondensiert wird, zwischengespeichert werden, sodass für einen außerordentlich hohen Zusatzkühlbedarf in einer Spitzenlastsituation über dem Zwischenspeicher sogar mehr sekundäres Kühlmittel zur Verfügung steht, als zu diesem Zeitpunkt produziert wird. Es ist also eine Zusatz-Kühlpufferung möglich, um auch in einer Situation mit wenig erzeugtem Produktwasser und damit entkoppelt von der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems die gewünschte und erfindungsgemäße Zusatzkühlung gewährleisten zu können.

[0018] Bei einer Kühlvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn der Zwischenspeicher eine Füllöffnung für ein externes Befüllen mit flüssigem Wasser als sekundäres Kühlmittel aufweist. Somit kann, beispielsweise nach langer Betriebspause des Brennstoffzellensystems oder für die erste Inbetriebnahme, der Zwischenspeicher gefüllt werden, sodass ohne vorangegangenen Betrieb des Brennstoffzellensystems, bereits die Zusatzkühlmöglichkeit aufgeladen ist.

[0019] Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist weiter vorgesehen, dass der Verdampfungs-Kühlabschnitt einen eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf aufweist mit einem Verdampfungs-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit dem primären Kühlkreislauf. Dabei handelt es sich um die bereits angesprochene indirekte Verdampfungs-Kühlung. Der Verdampfungs-Kühlabschnitt erlaubt also, dass über ein zusätzliches Verdampfungs-Kühlmittel im VerdampfungsKühlkreislauf eine indirekte Wärmeübertragung zwischen dem sekundären Kühlkreislauf und dem primären Kühlkreislauf gewährleistet wird. Diese indirekte Wärmeübertragung entkoppelt die beiden Wärmekreisläufe voneinander und kann beispielsweise eine eigene Pumpvorrichtung aufweisen, insbesondere mit einem eigenen entsprechenden Kältekreislauf. Insbesondere sind hier entsprechende separate Ventilvorrichtungen im eigenen Verdampfungs-Kühlkreislauf zur Verfügung gestellt. Ein Kompressor kann beispielsweise mit der später noch zu erläuternden Dampf-

turbine kombiniert sein, sodass eine zusätzliche Energierückspeisung durch den Betrieb der Dampfturbine nachgelagert der Verdampfungs-Kühlung zur Verfügung gestellt ist.

[0020] Bei einer Kühlvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz ist es weiter von Vorteil, wenn stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im primären Kühlkreislauf ein ZusatzWärmetauscher angeordnet ist, für einen zusätzlichen Wärmeaustausch zwischen dem sekundären Kühlmittel und dem primären Kühlmittel. Dies erlaubt es, sozusagen als Bypass im primären Kühlkreislauf, auch eine direkte Kühlung zwischen primärem Kühlkreislauf und sekundärem Kühlkreislauf mit einer indirekten Kühlung zwischen dem primären Kühlkreislauf und dem sekundären Kühlkreislauf zu kombinieren. Uber entsprechende Ventilvorrichtungen ist vorzugsweise eine Schaltmöglichkeit zur Verfügung gestellt, um zwischen dieser indirekten und direkten Kombination zwischen primärem Kühlkreislauf und sekundärem Kühlkreislauf zu schalten.

[0021] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung stromabwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im sekundären Kühlkreislauf eine Turbine angeordnet ist, für eine Energiegewinnung aus dem verdampften Sekundärkühlmittel. Eine solche Turbine kann den Dampf in eine Rotationsbewegung umwandeln und diese Rotationsenergie beispielsweise mit einem Generator koppeln. Somit ist es möglich, den auf diese Weise erzeugten Strom zwischenzuspeichern und eine weitere Erhöhung der Energieeffizienz beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. Auch eine mechanische Kopplung mit einem Gebläse oder einem Kompressor eines Zusatzkühlkreislaufs ist hier im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0022] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf einen Bypassabschnitt aufweist für ein Führen des sekundären Kühlmittels an dem Kondensatorabschnitt vorbei direkt zum Verdampfungs-Kühlabschnitt. Insbesondere unter kalten Umgebungsbedingungen kann bereits im Abgas direkt kondensiertes Wasser vorliegen. Wird dies in der Abscheidevorrichtung erkannt, so kann dieses bereits kondensierte Wasser direkt am Kondensatorabschnitt vorbeigeführt werden, sodass der Bypassabschnitt es verhindert, dass ein weiteres Unterkühlen des bereits vorliegenden kondensierten Produktwassers zu einer unerwünschten Vereisung im Kondensatorabschnitt führen würde. Auch wird auf diese Weise ein unnötiger Strömungsumweg von bereits kondensiertem Produktwasser vermieden.

[0023] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf eine Heizvorrichtung aufweist, für ein Vorheizen wenigstens eines Abschnitts des sekundären Kühlkreislaufs. Dieses Vorheizen ist beispielsweise in einer Kaltstartsituation sinnvoll. Insbesondere ist dieses Vorheizen nach dem Kondensatorabschnitt angeordnet, um die gewünschte Funktionsfähigkeit bei einer sofort eintretenden Spitzenlastsituation, beispielsweise beim Anfahren eines beladenen Nutzfahrzeuges am Hang, zur Verfügung zu stellen.

[0024] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der sekundäre Kühlkreislauf wenigstens ein Kontrollventil aufweist, für eine Kontrolle des Durchflusses an sekundärem Kühlmittel durch den sekundären Kühlkreislauf. Dabei kann es sich sowohl um ein qualitatives Kontrollventil als auch um ein quantitatives Kontrollventil, also für eine quantitative Kontrolle der Menge, am Durchfluss handeln. Auch bei dem bereits erläuterten Bypass in Form eines Bypassabschnitts, können solche Kontrollventile vorgesehen sein.

[0025] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wenigstens eine Filtervorrichtung, für ein Filtern von Feststoffen aus dem sekundären Kühlmittel, stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts im sekundären Kühlkreislauf angeordnet ist. Dies erlaubt es, vorhandene Partikel und Feststoffe herauszufiltern und damit eine unerwünschte Beschädigung oder sogar einen Defekt des Verdampfungs-Kühlabschnitts wirksam zu verhindern. Insbesondere beim Vorhandensein der bereits erläuterten Turbine kann auf diese Weise ein Eindringen von Feststoffpartikeln in die Turbine verhindert und damit ein erhöhter Verschleiß an den Turbinenblättern vermieden werden.

[0026] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt.

Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführabschnitt ausgestattet. Der Kathodenabschnitt weist einen Kathodenzuführabschnitt und einen Kathodenabführabschnitt auf. Zur Kühlung ist das Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausgestattet und bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind. Insbesondere handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem um ein PEM-Brennstoffzellensystem.

[0027] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend ein solches erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, für einen Antrieb und/oder eine Unterstützung eines Antriebes des Fahrzeugs. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Nutzfahrzeug. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind.

[0028] Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kühlung eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: - Führen eines primären Kühlmittels in einem primären Kühlkreislauf zum Abtransport von Wärme aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung, - Führen eines sekundären Kühlmittels in Form von kondensiertem Produktwasser in einem sekundären Kühlkreislauf, - Kühlen des primären Kühlmittels unter Verdunstung und/oder Verdampfung des sekundären Kühlmittels.

[0029] Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erläutert worden sind.

[0030] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn der Schritt des Kühlens des primären Kühlmittels und der Verdunstung und/oder Verdampfung des sekundären Kühlmittels temporär, insbesondere in einer Spitzenlastsituation des Brennstoffzellensystems, erfolgt. Bevorzugt erfolgt dieser Schritt des Zusatzkühlens nur temporär, insbesondere nur in einer Spitzenlastsituation. Dies führt dazu, dass die Zusatzkühlleistung für diese entsprechende Spitzenlastsituation reserviert ist.

[0031] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale, jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination, erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

[0032] Fig. 1 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Kühlvorrichtung,

[0033] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Kühlvorrichtung,

[0034] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0035] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0036] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0037] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0038] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,

[0039] Fig. 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.

[0040] Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, welches mit einer Kühlvorrichtung 10 ausgestattet ist. Die Kühlvorrichtung 10 ist hier mit einem primären Kühlkreislauf 20 ausgebildet, welcher über einen Wärmetauscher als Aufnahmeabschnitt 22, in Figur 1 schematisch dargestellt, Wärme aus einem Brennstoffzellenstapel 110 des Brennstoffzellensystems 100 in einem primären Kühlmittel PK aufnehmen kann. Das erwärmte primäre Kühlmittel PK wird über eine Förderpumpe an einen Abgabeabschnitt 24 in Form eines Kühlers transportiert und kann dort die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abgeben.

[0041] Um diesen primären Kühlkreislauf 20 in Spitzenlastsituationen mit einer Zusatzkühlmöglichkeit auszustatten, ist die Kühlvorrichtung 10 gemäß der Figur 1 mit einem sekundären Kühlkreislauf 40 ausgestattet. Dieser ist in der Lage, aus einem Abgasabschnitt 140 des Brennstoffzellensystems 100 Produktwasser PW abzuscheiden und über eine Förderpumpe von einem Kondensatorabschnitt 42 abzuführen. Dieser Kondensatorabschnitt 42 kann zum Beispiel an der Außenseite eines Fahrzeugs 200 angeordnet sein, um durch die passive Kühlung die Kondensation des Produktwassers PW als sekundäres Kühlmittel SK zu gewährleisten. Der Förderpumpte nachgeordnet kann optional ein Kühl-Wärmetauscher 47 sein, welcher das bereits kondensierte Produktwasser PW weiter abkühlt. In Figur 1 wird über ein Kontrollventil 41 das flüssige Produktwasser PW als sekundäres Kühlmittel SK dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 zugeführt. Diese Zufuhr erfolgt vorzugsweise ausschließlich für eine Zusatzkühlung, beispielsweise bei hohem Kühlbedarf in einer Spitzenlastsituation des Brennstoffzellensystems 100. Der VerdampfungsKühlabschnitt 30 kühlt dabei zusätzlich das primäre Kühlmittel PK, noch bevor dieses den Abgabeabschnitt 24 erreicht.

[0042] Der Verdampfungskühlabschnitt 30 ist insbesondere für ein Verdampfen und/oder ein Verdunsten ausgebildet. Die vorliegende Beschreibung verwendet den Begriff Verdampfen insbesondere für eine Kombination aus Verdampfen und/oder Verdunsten. Insbesondere sind die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 für ein Verdunsten und die Figuren 3, 4 und 5 für ein Verdampfen ausgebildet.

[0043] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier ist ein Zwischenspeicher 44 vorgesehen, welcher es erlaubt, eine Entkopplung der Betriebssituation von der Kühlsituation zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist dieser Zwischenspeicher 44 hier mit einer Füllöffnung 45 ausgestattet, sodass für einen Erstbetrieb oder für einen Betrieb nach langer Standzeit auch ein Nachfüllen von sekundärem Kühlmittel SK in den Zwischenspeicher 44 möglich ist. Auch ist in der Figur 2 zusätzlich noch eine Filtervorrichtung 43 dargestellt, um ein Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem sekundären Kühlmittel SK zu gewährleisten.

[0044] In der Figur 3 ist im Gegensatz zu den Lösungen der Figuren 1 und 2 eine indirekte Zusatzkühlung gezeigt. Hier ist ein zusätzlicher Verdampfungs-Kühlkreislauf 32 als KompressorKühlkreislauf zur Verfügung gestellt. Mithilfe eines Kompressors kann ein zusätzliches Verdampfungs-Kühlmittel hier im Kreislauf gefördert werden und die Wärme vom primären Kühlkreislauf PK über den Verdampfungs-Wärmetauscher 34 aufnehmen und über den Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 an das sekundäre Kühlmittel SK abgeben. Die Wirkungsweise der Zusatzkühlung wird auf diese Weise erhöht, da das Temperaturniveau auf der sekundären Kühlkreisseite angehoben wird. Im Gegensatz zu der Verdunstung bei den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 erfolgt in den Figuren 3, 4 und 5 damit ein Verdampfen.

[0045] In der Figur 4 ist eine Kombination der indirekten und der direkten Zusatzkühlmöglichkeit dargestellt. Hier ist mithilfe eines Zusatz-Wärmetauschers 26 sowohl die direkte Kühlung des primären Kühlmittels PK durch das sekundäre Kühlmittel SK möglich als auch die indirekte Kühlung über den zwischengeschalteten Verdampfungs-Kühlkreislauf 32. Insbesondere erfolgt durch den Zusatz-Wärmetauscher 26 ein Anheben des Temperaturniveaus des Produktwassers PW so dass der Kompressor im Verdampfungskühlkreislauf 32 nur noch eine geringere Temperaturanhebung durchführen muss. Im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 3 kann der Kompressor daher kleiner und leistungsärmer ausgebildet werden. Nicht dargestellt, jedoch zusätzlich möglich, ist eine Schaltbarkeit über weitere Kontrollventile 41, sodass die direkte und die indirekte Kühlung unabhängig voneinander oder aber in Kombination betrieben werden können. Dies führt

zu einer weiteren Steigerung der Variabilität, da zwischen einem energiesparenden direkten Kühlen und einem energieintensiveren, aber stärkeren Kühlen umgeschaltet werden kann.

[0046] Die Figur 5 zeigt eine weitere Steigerungsmöglichkeit der Effizienz im Betrieb der Kühlvorrichtung 10. Hier ist nachgelagert dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 eine Turbine 46 als Dampfturbine vorgesehen, welche mechanisch gekoppelt ist, mit dem Kompressor des Verdampfungs-Kühlkreislauf 32. Die in dem Dampf des sekundären Kühlmittels SK enthaltene Energie kann somit dem System, hier der Kompressorleistung des Verdampfungs-Kühlkreislaufs 32, zurückgeführt werden.

[0047] In der Figur 6 ist eine Bypassmöglichkeit dargestellt, in Form eines Bypassabschnitts 48. Uber Kontrollventile 41 kann nun geschaltet werden, ob bereits vorhandenes flüssiges Produktwasser PW aus dem Abgasabschnitt 140 direkt dem Verdampfungs-Kühlabschnitt 30 zugeführt werden soll oder aber dampfförmiges Produktwasser PW über den Kondensatorabschnitt 42 zur Kondensation gefördert wird. Dies erlaubt es, die Flexibilität eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 weiter zu erhöhen.

[0048] Figur 7 zeigt schematisch weitere Details des Brennstoffzellensystems 100 bei gleicher Funktionsweise der Kühlvorrichtung 10 wie zu den Figuren 1 bis 6 erläutert. Hier ist eine Aufteilung des Brennstoffzellenstapels 110 in einen Anodenabschnitt 120 und Kathodenabschnitt 130 zu erkennen. Der Anodenabschnitt 120 ist mit dem Anodenzuführabschnitt 122 und dem Anodenabführabschnitt 124 sowie der Kathodenabschnitt 130 mit dem Kathodenzuführabschnitt 132 und dem Kathodenabführabschnitt 134 versehen. Beide Abführabschnitte 124 und 134 zusammen bilden den Abgasabschnitt 140 aus, aus welchem das Produktwasser abgeführt und über den Kondensatorabschnitt 42 kondensiert werden kann. Die Funktionsweise ist identisch zu den Erläuterungen zu den Figuren 1 bis 6.

[0049] Figur 8 zeigt schematisch die Integration eines solchen Brennstoffzellensystems 100 in ein Nutzfahrzeug 200. Hier ist der Kondensatorabschnitt 42 des sekundären Kühlkreislaufs 40 in einen Außenkarosserieabschnitt des Außenabschnitts 210 des Fahrzeugs 200 integriert, sodass eine passive Kühlung durch den entlangstreichenden Fahrtwind und damit eine passive und energieeffiziente Kondensation möglich ist. Ebenfalls Teil dieses Außenabschnitts ist ein Kühl-Wärmetauscher 47 für eine weitere Kühlung des kondensierten Produktwassers PW.

[0050] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kühlvorrichtung

20 primärer Kühlkreislauf

22 Aufnahmeabschnitt

24 Abgabeabschnitt

26 Zusatz-Wärmetauscher 30 Verdampfungs-Kühlabschnitt 32 Verdampfungs-Kühlkreislauf 34 Verdampfungs-Wärmetauscher 40 sekundärer Kühlkreislauf 41 Kontrollventil

42 Kondensatorabschnitt

43 Filtervorrichtung

44 Zwischenspeicher

45 Füllöffnung

46 Turbine

47 Kühl-Wärmetauscher

48 Bypassabschnitt

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Abgasabschnitt

200 Fahrzeug

210 Außenabschnitt

PK primäres Kühlmittel

SK — sekundäres Kühlmittel PW Produktwasser

Claims (14)

Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (10) für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (200), aufweisend einen primären Kühlkreislauf (20) zum Führen eines primären Kühlmittels (PK) mit einem Aufnahmeabschnitt (22) zur Aufnahme von Wärme vom Brennstoffzellensystem (100) und einem Abgabeabschnitt (24) zur Abgabe der aufgenommen Wärme an die Umgebung, wobei stromabwärts des Aufnahmeabschnitts (22) und stromaufwärts des Abgabeabschnitts (24) ein Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) angeordnet ist zum zusätzlichen Kühlen des primären Kühlmittels (PK), weiter aufweisend einen sekundären Kühlkreislauf (40) mit einem Fluidanschluss an einen Abgasabschnitt (140) des Brennstoffzellensystems (100) und mit einem Kondensatorabschnitt (42) zum Kondensieren von Produktwasser (PW) aus Abgas des Brennstoffzellensystems (100) als sekundäres Kühlmittel (SK), wobei der sekundäre Kühlkreislauf (40) stromabwärts des Kondensatorabschnitts (42) mit dem Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) des primären Kühlkreislaufs (20) fluidkommunizierend verbunden ist für ein Verdunsten und/oder Verdampfen des kondensierten Produktwassers (PW) als sekundärem Kühlmittel (SK) zur Kühlung des primären Kühlmittels (PK), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungs-Kühlabschnitt (30) einen eigenen VerdampfungsKühlkreislauf (32) aufweist mit einem Verdampfungs-Wärmetauscher (34) zum Wärmeaustausch mit dem primären Kühlkreislauf (20).

2. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorabschnitt (42) in einen Außenabschnitt (210) der Karosserie des Fahrzeugs (200) integriert ist und/oder diesen wenigstens teilweise ausbildet.

3. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Kondensatorabschnitts (42) und stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts (30) ein Zwischenspeicher (44) zur Zwischenspeicherung von kondensiertem Produktwasser (PW) als sekundärem Kühlmittel (SK) angeordnet ist.

4. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (44) eine Füllöffnung (45) für ein externes Befüllen mit flüssigem Wasser als sekundäres Kühlmittel (SK) aufweist.

5. Kühlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts (30) im primären Kühlkreislauf (20) ein Zusatz-Wärmetauscher (26) angeordnet ist für einen zusätzlichen Wärmeaustausch zwischen dem sekundären Kühlmittel (SK) und dem primären Kühlmittel (PK).

6. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts (30) im sekundären Kühlkreislauf (40) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Energiegewinnung aus dem verdampften sekundären Kühlmittel (SK).

7. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kühlkreislauf (40) einen Bypassabschnitt (48) aufweist für ein Führen des sekundären Kühlmittels (SK) an dem Kondensatorabschnitt (42) vorbei direkt zum Verdampfungs-Kühlabschnitt (30).

8. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kühlkreislauf (40) eine Heizvorrichtung aufweist für ein Vorheizen wenigstens eines Abschnitts des sekundären Kühlkreislaufs (40).

9. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kühlkreislauf (40) wenigstens ein Kontrollventil (41) aufweist für eine Kontrolle des Durchflusses an sekundärem Kühlmittel (SK) durch den sekundären Kühlkreislauf (40).

10. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Filtervorrichtung (43) für ein Filtern von Feststoffen aus dem se-

kundären Kühlmittel (SK) stromaufwärts des Verdampfungs-Kühlabschnitts (30) im sekundären Kühlkreislauf (40) angeordnet ist.

11. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) und einen Anodenabführabschnitt (124), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) und einen Kathodenabführabschnitt (134), weiter aufweisend eine Kühlvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (110).

12. Fahrzeug (200), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkmalen des Anspruchs 11 für einen Antrieb und/oder eine Unterstützung eines Antriebs des Fahrzeugs (200).

13. Verfahren für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (200) mit einer Kühlvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend die folgenden Schritte:

- Führen eines primären Kühlmittels (PK) in einem primären Kühlkreislauf (20) zum Abtransport von Wärme aus dem Brennstoffzellensystem (100) an die Umgebung,

- Führen eines sekundären Kühlmittels (SK) in Form von kondensiertem Produktwasser (PW) in einem sekundären Kühlkreislauf (40),

- Kühlen des primären Kühlmittels (PK) unter Verdunstung und/oder Verdampfung des sekundären Kühlmittels (SK).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Kühlens des primären Kühlmittels (PK) unter Verdampfung des sekundären Kühlmittels (SK) temporär, insbesondere in einer Spitzenlastsituation des Brennstoffzellensystems (100) erfolgt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen