DE102021204962A1

DE102021204962A1 - Cooling device for a fuel cell and method for operating a cooling device

Info

Publication number: DE102021204962A1
Application number: DE102021204962.1A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Steurer; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) für eine Brennstoffzelle (3) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlvorrichtung (1). Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung (1) ist mit einem Kühlmittelkreislauf (2) zum Kühlen einer Brennstoffzelle (3) ausgerüstet, der wenigstens einen Kühlmittelkanal (4) aufweist, durch den sich ein Kühlstrom (5) aus Kühlfluid erstreckt. Zum Kühlen des Kühlfluids ist die Kühlvorrichtung (1) mit einer Kühleinrichtung (6) ausgestattet, die ihrerseits wenigstens einen Expansionskanal (7) aufweist, durch den sich ein Expansionsstrom (8) aus Prozesswasser erstreckt. Die Kühleinrichtung (6) weist ferner einen Wärmetauscher (11) auf, in dem der Kühlmittelkanal (4) und der Expansionskanal (7) so aneinander vorbeigeführt sind, dass Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragbar ist. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Wärmetauscher (11) in den Expansionskanal (7) eingegliedert ist, so dass der Expansionskanal (7) in einen Drosselkanal (12) und in einen Ansaugkanal (13) aufgetrennt ist. Im Betrieb der Kühlvorrichtung (1) ist vorgesehen, dass durch Verdampfung des durch den Drosselkanal (12) angesaugten Prozesswassers im Wärmetauscher (11) Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragen wird und dass das expandierte Prozesswasser weiter stromab durch den Ansaugkanal (13) und die Unterdruckerzeugereinrichtung (10) ausströmt.The present invention relates to a cooling device (1) for a fuel cell (3) and a method for operating such a cooling device (1). A cooling device (1) according to the invention is equipped with a coolant circuit (2) for cooling a fuel cell (3), which has at least one coolant channel (4) through which a cooling flow (5) of cooling fluid extends. To cool the cooling fluid, the cooling device (1) is equipped with a cooling device (6), which in turn has at least one expansion channel (7) through which an expansion flow (8) of process water extends. The cooling device (6) also has a heat exchanger (11) in which the coolant channel (4) and the expansion channel (7) are guided past one another in such a way that heat energy can be transferred from the cooling fluid to the process water. It is essential for the invention that the heat exchanger (11) is integrated into the expansion channel (7), so that the expansion channel (7) is divided into a throttle channel (12) and an intake channel (13). When the cooling device (1) is in operation, it is provided that the evaporation of the process water sucked in through the throttle channel (12) in the heat exchanger (11) transfers thermal energy from the cooling fluid to the process water and that the expanded process water is further downstream through the suction channel (13) and the Vacuum generating device (10) flows out.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlvorrichtung.The invention relates to a cooling device for a fuel cell and a method for operating such a cooling device.

Kühlvorrichtungen für Brennstoffzellen dienen dazu, die sich im Betrieb aufheizenden Brennstoffzellen auf eine vorgegebene Betriebstemperatur zwischen 70°C bis 90°C zu kühlen. Heutzutage ist man bestrebt, die durch die jeweilige Kühlvorrichtung bereitgestellte Kühlleistung zu steigern, um so beispielsweise noch leistungsstärkere Brennstoffzellen einsetzen zu können. Dies geht derzeit allerdings mit einer Erhöhung des Bauraumbedarfs und des Gesamtgewichts der jeweiligen Kühlvorrichtung einher, obwohl man stets mit strengeren Bauraum- und Gewichtsanforderungen konfrontiert ist.Cooling devices for fuel cells are used to cool the fuel cells that heat up during operation to a specified operating temperature between 70 ° C and 90 ° C. Nowadays efforts are made to increase the cooling capacity provided by the respective cooling device in order to be able to use even more powerful fuel cells, for example. However, this is currently associated with an increase in the installation space requirement and the total weight of the respective cooling device, although one is always confronted with stricter installation space and weight requirements.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform einer Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle anzugeben. Insb. soll versucht werden, die Kühlleistung einer Kühlvorrichtung zu optimieren, ohne dass deren Bauraumbedarf und Gesamtgewicht wesentlich zunehmen. Weiterhin hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlvorrichtung bereitzustellen.The object of the invention is therefore to provide an improved or at least a different embodiment of a cooling device for a fuel cell. In particular, an attempt should be made to optimize the cooling performance of a cooling device without significantly increasing its space requirement and overall weight. Another object of the invention is to provide a method for operating such a cooling device.

Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.In the present invention, this object is achieved in particular by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the description.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, das durch eine Kühlvorrichtung strömende Kühlfluid durch die Verdampfung von unterdruckbeaufschlagtem Prozesswasser zu kühlen.The basic idea of the invention is to cool the cooling fluid flowing through a cooling device by evaporating process water subjected to negative pressure.

Hierzu ist gemäß der Erfindung eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle vorgesehen, die einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Brennstoffzelle hat, der wenigstens einen Kühlmittelkanal aufweist, durch den sich ein Kühlstrom aus Kühlfluid erstreckt. Weiterhin weist die Kühlvorrichtung eine vom Kühlfluid wenigstens abschnittsweise durchströmte Kühleinrichtung zum Kühlen des Kühlfluids auf. Die Kühleinrichtung weist ihrerseits wenigstens einen Expansionskanal auf, durch den sich ein Expansionsstrom aus Prozesswasser erstreckt. Der Expansionskanal mündet einenends in einen den Expansionskanal mit Prozesswasser speisenden, sozusagen versorgenden, Fluidvorratsspeicher für Prozesswasser und anderenends in eine den Expansionskanal mit Unterdruck beaufschlagende Unterdruckerzeugereinrichtung. Der bereitgestellte Unterdruck liegt unterhalb des Standardatmosphärendrucks bzw. Umgebungsdrucks von etwa 1,013 bar und beträgt beispielsweise weniger als 0,8 bar, insbesondere weniger als 0,5 bar. Zweckmäßigerweise liegt der Unterdruck etwa bei 0,4 bar. Die hier angegebenen Druckwerte für den eingestellten Unterdruck sind Absolutdrücke keine Differenzdrücke. Weiterhin weist die Kühleinrichtung einen Wärmetauscher auf, in dem der Kühlmittelkanal und der Expansionskanal aneinander vorbeigeführt sind, so dass Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragbar ist. Um das Prozesswasser im Wärmetauscher für die Übertragung von Wärmeenergie bereitzustellen, ist ferner vorgesehen, dass der Wärmetauscher in den Expansionskanal eingegliedert ist, nämlich derart, dass der Expansionskanal stromauf des Wärmetauschers in einen den Fluidvorratsspeicher und den Wärmetauscher fluidisch miteinander verbindenden Drosselkanal und stromab des Wärmetauschers in einen den Wärmetauscher und die Unterdruckerzeugereinrichtung fluidisch miteinander verbindenden Ansaugkanal auftrennt. Dadurch ist der Wärmetauscher sozusagen zwischen den Fluidvorratsspeicher und die Unterdruckerzeugereinrichtung geschaltet, wobei der bereitgestellte Unterdruck zweckmäßigerweise im Drosselkanal, im Wärmetauscher und im Ansaugkanal gleichermaßen anliegt. Im Betrieb der Kühlvorrichtung kann somit mittels des bereitgestellten Unterdrucks Prozesswasser vom Fluidvorratsspeicher her durch den Drosselkanal in den Wärmetauscher gesaugt werden. Dort angekommen kann das Prozesswasser Verdampfungswärmeenergie vom Kühlfluid aufnehmen und volumenexpandierend Verdampfen. Das verdampfte Prozesswasser kann stromab des Wärmetauschers durch den Ansaugkanal sowie durch die Unterdruckerzeugereinrichtung hindurch in die die Kühlvorrichtung umgebende Atmosphäre ausströmen. Zweckmäßigerweise ist die Kühleinrichtung zum Kühlen des Kühlmittels damit als offener Kreis gestaltet.For this purpose, according to the invention, a cooling device for a fuel cell is provided which has a closed coolant circuit for cooling a fuel cell, which has at least one coolant channel through which a cooling flow of cooling fluid extends. Furthermore, the cooling device has a cooling device, through which the cooling fluid flows at least in sections, for cooling the cooling fluid. The cooling device for its part has at least one expansion duct through which an expansion flow of process water extends. The expansion channel opens at one end into a fluid storage reservoir for process water that feeds the expansion channel with process water, so to speak, and at the other end into a vacuum generator device that applies negative pressure to the expansion channel. The vacuum provided is below the standard atmospheric pressure or ambient pressure of approximately 1.013 bar and is, for example, less than 0.8 bar, in particular less than 0.5 bar. The negative pressure is expediently around 0.4 bar. The pressure values given here for the set negative pressure are absolute pressures not differential pressures. Furthermore, the cooling device has a heat exchanger in which the coolant channel and the expansion channel are led past one another, so that thermal energy can be transferred from the cooling fluid to the process water. In order to provide the process water in the heat exchanger for the transfer of thermal energy, provision is also made for the heat exchanger to be incorporated into the expansion duct, namely in such a way that the expansion duct upstream of the heat exchanger is in a throttle duct that fluidly connects the fluid reservoir and the heat exchanger and downstream of the heat exchanger in separates an intake duct which fluidly connects the heat exchanger and the vacuum generator device to one another. As a result, the heat exchanger is connected, so to speak, between the fluid reservoir and the vacuum generator device, the vacuum provided expediently being applied equally in the throttle duct, in the heat exchanger and in the intake duct. When the cooling device is in operation, process water can thus be sucked from the fluid reservoir through the throttle channel into the heat exchanger by means of the vacuum provided. Once there, the process water can absorb heat energy from evaporation from the cooling fluid and evaporate in a volume-expanding manner. The evaporated process water can flow out downstream of the heat exchanger through the intake duct and through the vacuum generator device into the atmosphere surrounding the cooling device. The cooling device for cooling the coolant is expediently designed as an open circle.

Die zum Verdampfen des Prozesswassers benötigte Verdampfungswärmeenergie wird dabei vom zu kühlenden Kühlfluid bereitgestellt bzw. von diesem abgegriffen. Die vorgeschlagene Unterdruckbeaufschlagung des Prozesswassers bzw. des Drosselkanals, des Wärmetauschers und des Ansaugkanals bewirkt eine Absenkung der Phasenwechseltemperatur des Prozesswassers, also derjenigen Temperatur, bei der das Prozesswasser einen Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig durchführt. Zweckmäßig ist es, den oben erwähnten Unterdruck auf einen Druckwert im Bereich unterhalb von 0,8 bar, vorzugsweise unterhalb von 0,5 bar einzustellen, jedenfalls so, dass die Phasenwechseltemperatur die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle abbildet, exemplarisch 70°C bis 90°C.The evaporation heat energy required to evaporate the process water is provided by the cooling fluid to be cooled or tapped from it. The proposed negative pressure application of the process water or the throttle duct, the heat exchanger and the intake duct causes a lowering of the phase change temperature of the process water, i.e. the temperature at which the process water carries out a phase change from liquid to gaseous. It is useful to set the above-mentioned negative pressure to a pressure value in the range below 0.8 bar, preferably below 0.5 bar, in any case so that the phase change temperature maps the operating temperature of a fuel cell, for example 70 ° C to 90 ° C.

Dadurch dass der Wärmetauscher und/oder der Expansionskanal als Verdampfer fungiert, kann das Kühlfluid der Kühlvorrichtung relativ effektiv und weitestgehend ohne bewegliche Komponenten gekühlt werden. Das hat den Vorteil, dass entsprechende Kühlvorrichtungen kompakt und relativ leichtgewichtig sind, während die Kühlleistung relativ hoch ist, so dass insb. auch relativ leistungsstarke Brennstoffzellen kühlbar sind.Because the heat exchanger and / or the expansion duct functions as an evaporator, the cooling fluid of the cooling device can be relatively effective and be cooled as far as possible without moving components. This has the advantage that corresponding cooling devices are compact and relatively lightweight, while the cooling capacity is relatively high, so that, in particular, relatively powerful fuel cells can also be cooled.

Um die Kühlleistung der Kühlvorrichtung weiter zu steigern, kann diese zweckmäßigerweise weitere mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch kommunizierende Kühleinrichtungen aufweisen, beispielsweise einen Lüfter und/oder einen Kühler. Das bietet den Vorteil, dass die Kühlleistung der Kühlvorrichtung weiter steigerbar ist.In order to further increase the cooling performance of the cooling device, it can expediently have further cooling devices that are thermally communicating with the coolant circuit, for example a fan and / or a cooler. This offers the advantage that the cooling capacity of the cooling device can be increased further.

Zweckmäßigerweise kann das Prozesswasser wenigstens anteilig oder vollständig durch Prozessabwasser einer Brennstoffzelle gebildet sein. Dadurch wird sozusagen das Reaktionsendprodukt einer Brennstoffzelle, das gerne auch als Abfallprodukt bezeichnet wird, wiederverwendet. Dadurch kann die Kühlvorrichtung vorteilhafterweise auf zusätzliche Prozesswasser-Quellen verzichten, so dass sie relativ kompakt und ressourcensparend ausführbar ist.The process water can expediently be formed at least partially or completely by process waste water from a fuel cell. As a result, the end product of a fuel cell's reaction, which is often referred to as a waste product, is reused. As a result, the cooling device can advantageously dispense with additional process water sources, so that it can be implemented in a relatively compact and resource-saving manner.

Es ist weiterhin möglich, dass der Fluidvorratsspeicher durch Prozessabwasser einer Brennstoffzelle gespeisten ist. Der Fluidvorratsspeicher bildet damit sozusagen ein Prozessabwasser-Reservoir, das einen ungleichförmigen Zustrom von Prozessabwasser von einer Brennstoffzelle her zur Kühleinrichtung ausgleichen kann. Damit steht der Kühleinrichtung ein praktisch gleichbleibender Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser zur Verfügung, so dass eine konstante Kühlleistung bereitstellbar ist.It is also possible for the fluid storage tank to be fed by process wastewater from a fuel cell. The fluid storage tank thus forms, so to speak, a process wastewater reservoir that can compensate for a non-uniform flow of process wastewater from a fuel cell to the cooling device. A practically constant volume flow or mass flow of process water is thus available to the cooling device, so that a constant cooling output can be provided.

Weiter zweckmäßigerweise kann der Drosselkanal eine vom Prozesswasser durchströmbare lichte Kanalquerschnittsfläche aufweisen, die entlang des Expansionsstroms durchgängig flächenmäßig konstant ist. Um einen vorgegebenen Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser im Wärmetauscher bereitzustellen, kann diese Kanalquerschnittsfläche so gewählt sein, dass ein Drosseleffekt erzielt ist. Dadurch kann der in den Wärmetauscher einströmende vorgegebene oder vorgebare Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser mit einfachsten Mitteln gedrosselt sozusagen gesteuert werden. Das hat den Vorteil, dass eine entsprechend gestaltete Kühlvorrichtung relativ kostengünstig herzustellen ist.Further expediently, the throttle channel can have a clear channel cross-sectional area through which the process water can flow and which is consistently constant in area along the expansion flow. In order to provide a predetermined volume flow or mass flow of process water in the heat exchanger, this channel cross-sectional area can be selected such that a throttling effect is achieved. As a result, the specified or specifiable volume flow or mass flow of process water flowing into the heat exchanger can be controlled in a throttled manner, so to speak, using the simplest means. This has the advantage that a correspondingly designed cooling device can be manufactured relatively inexpensively.

Zweckmäßig ist, wenn der Drosselkanal zusätzlich ein Drosselventil aufweist, mittels dem das durch den Drosselkanal angesaugte Prozesswasser massenstrommäßig oder volumenstrommäßig steuerbar oder regelbar ist. Dadurch kann der in den Wärmetauscher einströmende Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser eingestellt, insb. gesteuert und/oder geregelt, werden. Das hat den Vorteil, dass der einströmende Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser an vorgegebene oder vorgebbare Volumenströme oder Massenströme anpassbar ist, wodurch wiederum die vom Kühlfluid abgegriffene Verdampfungswärmeenergie einstellbar ist. Mit anderen Worten, der durch den Drosselkanal fließende Massenstrom des durch den Drosselkanal angesaugten Prozesswassers kann durch besagtes Drosselventil gesteuert oder geregelt oder gedrosselt werden.It is useful if the throttle channel additionally has a throttle valve by means of which the process water sucked in through the throttle channel can be controlled or regulated in terms of mass flow or volume flow. As a result, the volume flow or mass flow of process water flowing into the heat exchanger can be set, in particular controlled and / or regulated. This has the advantage that the inflowing volume flow or mass flow of process water can be adapted to predefined or predefinable volume flows or mass flows, which in turn allows the heat of vaporization tapped from the cooling fluid to be set. In other words, the mass flow of the process water sucked in through the throttle channel flowing through the throttle channel can be controlled or regulated or throttled by said throttle valve.

Zweckmäßigerweise ist das Drosselventil elektrisch betätigbar und insb. in Abhängigkeit einer Kühlmitteltemperatur des Kühlfluids und/oder eines Kühlmitteldrucks des Kühlfluids gesteuert oder geregelt. Dadurch kann eine einfache Steuerung oder Regelung des einströmenden Volumenstroms oder Massenstroms von Prozesswasser realisiert werden. Beispielsweise kann der Kühlmittelkreislauf zu diesem Zweck mit entsprechenden Sensoren ausgerüstet sein.The throttle valve can expediently be actuated electrically and, in particular, is controlled or regulated as a function of a coolant temperature of the cooling fluid and / or a coolant pressure of the cooling fluid. In this way, a simple control or regulation of the inflowing volume flow or mass flow of process water can be implemented. For example, the coolant circuit can be equipped with appropriate sensors for this purpose.

Insbesondere kann ein Massenstrom des durch den Drosselkanal angesaugten Prozesswassers, bspw. für Brennstoffzellen mit 100kW Leistung, im Massenstrombereich von 0,5g/s bis 15g/s oder optimal 1 ,5g/s bis 12,5g/s oder bevorzugt 2,5g/s bis 10g/s liegen. Mit einem Massenstrom des Prozesswassers im Massestrombereich von 5g/s bis 10g/s kann das im Wärmetauscher durch Verdampfen des Prozesswassers erzeugte Wasserdampfvolumen auf unter 100m³/h eingestellt werden. Denkbar sind ferner Massestrombereiche von 2,5g/s bis 12,5g/s. Im Massestrombereich von 5g/s bis 10g/s ist die Effizienz der Kühleinrichtung optimal, so dass die Kühlung des Kühlfluids maximal ist. Dadurch kann die Kühleinrichtung mit bestem Wirkungsgrad betrieben werden. Das hat den positiven Effekt, dass die Kühlung des Kühlfluids der Kühlvorrichtung bestmöglich realisiert ist, so dass die Kühlung einer Brennstoffzelle verbessert ist.In particular, a mass flow of the process water sucked in through the throttle channel, e.g. for fuel cells with 100kW power, can be in the mass flow range of 0.5g / s to 15g / s or optimally 1.5g / s to 12.5g / s or preferably 2.5g / s to 10g / s. With a mass flow of the process water in the mass flow range of 5g / s to 10g / s, the water vapor volume generated in the heat exchanger by evaporation of the process water can be set to below 100m ³ / h. Mass flow ranges from 2.5 g / s to 12.5 g / s are also conceivable. In the mass flow range from 5g / s to 10g / s, the efficiency of the cooling device is optimal, so that the cooling of the cooling fluid is maximal. As a result, the cooling device can be operated with the best possible degree of efficiency. This has the positive effect that the cooling of the cooling fluid of the cooling device is implemented in the best possible way, so that the cooling of a fuel cell is improved.

Zweckmäßigerweise kann mit dem besagten Drosselventil eine vorgegebene oder vorgebbare Verengung eines durchströmbaren Querschnitts des Drosselventils und/oder der Kanalquerschnittsfläche des Drosselkanals eingestellt werden, um im Ergebnis den durch das Drosselventil und/oder den Drosselkanal fließenden Massenstrom oder Volumenstrom von Prozesswassers zu steuern oder zu regeln oder zu drosseln. Beispielsweise ist für bevorzugte Massenstrombereiche des Prozesswassers von 0,5g/s bis 15g/s oder 1,5g/s bis 12,5g/s oder bevorzugt 2,5g/s bis 10g/s eine durchströmbare Querschnittfläche des Drosselventils zwischen 0 bis 12,5 mm² einstellbar, was einem durchströmbaren Querschnitt des Drosselventils von 0 bis 4mm Durchmesser entspricht.Expediently, with said throttle valve, a predetermined or predeterminable narrowing of a flowable cross-section of the throttle valve and / or the channel cross-sectional area of the throttle channel can be set in order to control or regulate the mass flow or volume flow of process water flowing through the throttle valve and / or the throttle channel as a result to throttle. For example, for preferred mass flow ranges of the process water from 0.5g / s to 15g / s or 1.5g / s to 12.5g / s or preferably 2.5g / s to 10g / s, a cross-sectional area of the throttle valve that can flow through is between 0 to 12, 5 mm ² adjustable, which corresponds to a flow-through cross section of the throttle valve of 0 to 4 mm in diameter.

Zweckmäßigerweise bildet das Drosselventil ein Sperrventil.The throttle valve expediently forms a check valve.

Weiter insbesondere kann der Wärmetauscher durch einen Gleichstrom-Wärmeübertrager oder durch einen Gegenstrom-Wärmeübertrager gebildet sein. Gleichstrom-Wärmeübertrager oder Gegenstrom-Wärmeübertrager können einfach und kostengünstig bereitgestellt werden, so dass die gesamte Kühlvorrichtung relativ kostengünstig zu realisieren ist. Insb. kann ein Wärmetauscher Stapelscheiben aufweisen, die das Kühlfluid und das Prozesswasser so aneinander vorbei führen, dass Wärmeenergie besonders effektiv vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragbar ist.Furthermore, in particular, the heat exchanger can be formed by a cocurrent heat exchanger or by a countercurrent heat exchanger. Co-current heat exchangers or counter-current heat exchangers can be provided simply and inexpensively, so that the entire cooling device can be implemented relatively inexpensively. In particular, a heat exchanger can have stacked disks which guide the cooling fluid and the process water past one another in such a way that thermal energy can be transferred particularly effectively from the cooling fluid to the process water.

Weiterhin kann der Wärmetauscher wenigstens ein Sperrventil aufweisen, das den Expansionsstrom aus Prozesswasser und/oder den Kühlstrom aus Kühlfluid innerhalb des Wärmetauschers steuert und/oder regelt. Insbesondere kann mittels des Sperrventils auch gesperrt werden, um den Zustrom von Prozesswasser zum Wärmetauscher unmittelbar im Wärmetauscher abzusperren, beispielsweise um die Verdampfung weiteren Prozesswassers ohne zeitliche Verzögerung unmittelbar zu stoppen.Furthermore, the heat exchanger can have at least one shut-off valve which controls and / or regulates the expansion flow from process water and / or the cooling flow from cooling fluid within the heat exchanger. In particular, the shut-off valve can also be used to shut off the flow of process water to the heat exchanger directly in the heat exchanger, for example in order to immediately stop the evaporation of further process water without a time delay.

Weiter zweckmäßigerweise kann der Wärmetauscher das besagte Drosselventil und/oder das besagte Sperrventil aufweisen. Bevorzugt bilden diese Komponenten eine integrale Baueinheit.The heat exchanger can also expediently have said throttle valve and / or said shut-off valve. These components preferably form an integral unit.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Wärmetauscher und der Fluidvorratsspeicher als integrale Baueinheit ausgeführt sind. Zweckmäßigerweise können der Wärmetauscher und der Fluidvorratsspeicher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, wobei sich der Drosselkanal durch dieses Gehäuse vom Fluidvorratsspeicher zum Wärmetauscher hin erstreckt. Das gemeinsame Gehäuse kann zweckmäßigerweise einen Fluideinlass für das Prozesswasser, insb. das Prozessabwasser einer Brennstoffzelle, aufweisen. Weithin kann das gemeinsame Gehäuse einen Fluidablass hin zur Unterdruckerzeugereinrichtung aufweisen. Das hat den Vorteil, dass die Kühleinrichtung kompakt und als Baueinheit realisiert werden kann.It is also useful if the heat exchanger and the fluid storage tank are designed as an integral unit. The heat exchanger and the fluid reservoir can expediently be arranged in a common housing, the throttle duct extending through this housing from the fluid reservoir to the heat exchanger. The common housing can expediently have a fluid inlet for the process water, in particular the process waste water of a fuel cell. Furthermore, the common housing can have a fluid outlet towards the vacuum generator device. This has the advantage that the cooling device can be implemented compactly and as a structural unit.

Es ist zweckmäßig, wenn die Unterdruckerzeugereinrichtung zum Beaufschlagen des Expansionskanals mit dem erwähnten Unterdruck durch wenigstens eine Venturidüse gebildet ist. Dadurch kann der im Ansaugkanal, Drosselkanal und Wärmetauscher bereitgestellte Unterdruck auf relativ kostengünstige Weise bereitgestellt werden. Insb. weil entsprechende Venturidüsen keine beweglichen Komponenten aufweisen, kleinbauend und leichtgewichtig sind, können diese im Betrieb vorteilhafterweise besonders vibrationsarm und effektiv betrieben werden.It is expedient if the negative pressure generator device for applying the mentioned negative pressure to the expansion duct is formed by at least one Venturi nozzle. As a result, the negative pressure made available in the intake channel, throttle channel and heat exchanger can be made available in a relatively inexpensive manner. In particular, because corresponding Venturi nozzles have no moving components, are compact and lightweight, they can advantageously be operated particularly effectively and with low vibration during operation.

Zweckmäßigerweise kann die jeweilige Venturidüse entlang einer Venturilängsachse von einem Venturidüsenbetriebsfluid durchströmt sein, welches zweckmäßigerweise durch das vorstehend erwähnte verdampfte Prozesswasser, das als Prozessabwasser bzw. Abluft der Brennstoffzelle bereitgestellt ist, gebildet sein kann, wobei in einem Einschnürabschnitt der Venturidüse mittels des Venturidüsenbetriebsfluids ein Unterdruck bereitgestellt ist. Der Expansionskanal oder der Ansaugkanal ist zweckmäßigerweise unmittelbar am Einschnürabschnitt ausmündend angeordnet, so dass der Expansionskanal fluidisch mit dem Venturidüsenbetriebsfluid am Einschnürabschnitt kommuniziert. So kann der Expansionskanal relativ einfach mit Unterdruck beaufschlagt werden. Ferner kann der bereitzustellende Unterdruck direkt an einer druckgünstigen Stelle der Venturidüse abgegriffen werden.The respective Venturi nozzle can expediently be flowed through by a Venturi nozzle operating fluid along a longitudinal axis of the Venturi, which can expediently be formed by the aforementioned vaporized process water, which is provided as process wastewater or exhaust air from the fuel cell, a negative pressure being provided in a constriction section of the Venturi nozzle by means of the Venturi nozzle operating fluid is. The expansion duct or the suction duct is expediently arranged opening out directly at the constriction section, so that the expansion duct communicates fluidically with the Venturi nozzle operating fluid at the constriction section. In this way, the expansion duct can be subjected to negative pressure relatively easily. Furthermore, the negative pressure to be provided can be tapped directly at a pressure-favorable point on the Venturi nozzle.

Zweckmäßigerweise kann das durch die Venturidüse strömende Venturidüsenbetriebsfluid wenigstens anteilig oder vollständig durch verdampftes Prozessabwasser oder Prozessabwasser oder Abluft einer Brennstoffzelle gebildet sein. Dadurch wird sozusagen das Reaktionsendprodukt einer Brennstoffzelle, das gerne auch als Abfallprodukt bezeichnet wird, wiederverwendet.The Venturi nozzle operating fluid flowing through the Venturi nozzle can expediently be formed at least partially or completely by vaporized process wastewater or process wastewater or exhaust air from a fuel cell. As a result, the end product of a fuel cell's reaction, which is often referred to as a waste product, is reused.

Weiter zweckmäßigerweise kann die Venturidüse einlassseitig einen sich entlang der Venturilängsachse zum Einschnürabschnitt hin querschnittsverengenden Düsenabschnitt und auslassseitig einen sich entlang der Venturilängsachse weg vom Einschnürabschnitt querschnittserweiternden Auslassabschnitt aufweisen. Der Einschnürabschnitt ist dabei mittig zwischen Düsenabschnitt und Auslassabschnitt angeordnet und bezüglich dem Düsenabschnitt und dem Auslassabschnitt querschnittsminimal gestaltet, um in diesem Bereich einen gewünschten Unterdruck einzustellen. Dadurch ist eine vorteilhafte Venturidüse angegeben, wie sie bei der hier diskutierten Kühlvorrichtung eingesetzt werden kann.Furthermore, the Venturi nozzle can expediently have on the inlet side a nozzle portion that narrows in cross section along the longitudinal axis of the venturi towards the constriction portion and on the outlet side an outlet portion that widens in cross section along the longitudinal axis of the venturi away from the constriction portion. The constriction section is arranged centrally between the nozzle section and the outlet section and has a minimal cross-section with respect to the nozzle section and the outlet section in order to set a desired negative pressure in this area. This provides an advantageous Venturi nozzle, as can be used in the cooling device discussed here.

Zweckmäßigerweise kann das Venturidüsenbetriebsfluid wenigstens anteilig oder vollständig durch verdampftes Prozessabwasser oder Abluft einer Brennstoffzelle gebildet sein. Dadurch wird sozusagen das Reaktionsendprodukt einer Brennstoffzelle, das gerne auch als Abfallprodukt bezeichnet wird, zum Bereitstellen des Unterdrucks wiederverwendet. Dadurch kann die Kühlvorrichtung vorteilhafterweise auf zusätzliche Venturidüsenbetriebsfluidquellen verzichten, so dass sie relativ kompakt und energiesparend ausführbar ist. Zweckmäßigerweise kann die Kühlvorrichtung, wenn auch das Prozesswasser von Prozessabwasser einer Brennstoffzelle gebildet ist, sozusagen vollständig durch das Reaktionsendprodukt einer Brennstoffzelle betrieben werden.The Venturi nozzle operating fluid can expediently be formed at least partially or completely by evaporated process wastewater or exhaust air from a fuel cell. As a result, the end product of a fuel cell's reaction, which is often referred to as a waste product, is reused to provide the negative pressure. As a result, the cooling device can advantageously dispense with additional Venturi nozzle operating fluid sources, so that it can be made relatively compact and energy-saving. The cooling device can expediently be operated, so to speak, completely by the reaction end product of a fuel cell, even if the process water is formed by process waste water from a fuel cell.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Venturidüsenbetriebsfluid durch Abluft einer Brennstoffzelle gebildet ist. Hierbei kann es sich um das vorstehend genannte Prozesswasser und/oder verdampftes Prozesswasser und/oder um einen Abgasstrom der Brennstoffzelle handeln. Die Abluft kann dabei von Wasser und/oder Wasserdampf gebildet sein. Dadurch kann die Abluft einer Brennstoffzelle, statt ungenutzt in die Umwelt abgelassen zu werden, vorteilhaft weiter genutzt werden.Furthermore, it can be provided that the Venturi nozzle operating fluid is formed by exhaust air from a fuel cell. This can be the aforementioned process water and / or vaporized process water and / or an exhaust gas flow from the fuel cell. The exhaust air can be formed by water and / or water vapor. As a result, the exhaust air from a fuel cell, instead of being discharged unused into the environment, can advantageously continue to be used.

Weiter zweckmäßigerweise kann die Unterdruckerzeugereinrichtung zum Beaufschlagen des Expansionskanals mit Unterdruck durch eine Vakuumpumpe gebildet sein. Vakuumpumpen, insb. elektrisch betriebene, sind hier wegen relativ hoher Lebensdauer und relativ großer Leistungsfähigkeit von Vorteil. Durchaus kann man sich vorstellen, eine derartige Vakuumpumpe mit einer Venturidüse nach der vorstehenden Beschreibung zu kombinieren, um eine weitere Steigerung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung zu erreichen.The negative pressure generator device for subjecting the expansion duct to negative pressure can also be advantageously formed by a vacuum pump. Vacuum pumps, especially electrically operated ones, are advantageous here because of their relatively long service life and relatively high performance. One can certainly imagine combining such a vacuum pump with a Venturi nozzle as described above in order to achieve a further increase in the cooling capacity of the cooling device.

Zweckmäßigerweise kann der durch die Unterdruckerzeugereinrichtung bereitgestellte Unterdruck im Expansionskanal, bzw. im Drosselkanal, im Ansaugkanal und im Wärmetauscher, in einem Druckbereich von 200mbar bis 800mbar liegen, zweckmäßigerweise in einem Druckbereich von 200mbar bis 400mbar. Zweckmäßig sind jedenfalls Druckbereiche unterhalb 500mbar. Die hier angegebenen Druckwerte für den eingestellten Unterdruck sind Absolutdrücke keine Differenzdrücke. In den angegebenen Druckbereichen ist die Effizienz der Kühleinrichtung optimal, so dass auch die Kühlung des Kühlfluids bzw. die Kühlleistung der Kühlvorrichtung maximal ist. Dadurch kann die Kühleinrichtung mit bestem Wirkungsgrad betrieben werden.The negative pressure provided by the negative pressure generator device in the expansion channel, or in the throttle channel, in the intake channel and in the heat exchanger, can expediently be in a pressure range from 200 mbar to 800 mbar, expediently in a pressure range from 200 mbar to 400 mbar. In any case, pressure ranges below 500 mbar are expedient. The pressure values given here for the set negative pressure are absolute pressures not differential pressures. The efficiency of the cooling device is optimal in the specified pressure ranges, so that the cooling of the cooling fluid or the cooling capacity of the cooling device is also maximal. As a result, the cooling device can be operated with the best possible degree of efficiency.

Weiter zweckmäßigerweise kann zwischen der Brennstoffzelle und dem Fluidvorratsspeicher ein Wasserabscheider oder ein Kondensator in den Abwasserstrang und/oder den Versorgungskanal eingebunden sein, welcher zweckmäßigerweise eine Abscheidung von Flüssigkeit aus dem von der Brennstoffzelle durch den stromauf gelegenen Teil des Abwasserstrangs an den Wasserabscheider oder den Kondensator herangeführten Prozessabwasser bewirkt.Furthermore, a water separator or a condenser can be integrated into the sewage line and / or the supply channel between the fuel cell and the fluid storage tank, which expediently leads to a separation of liquid from the fuel cell through the upstream part of the sewage line to the water separator or the condenser Process wastewater causes.

Weiterhin kann stromauf der Brennstoffzelle eine Vorbaugruppe ergänzt sein, welche mehrere in einem Zuführkanal eingebundene fluidwirksame Komponenten hat. Bei diesen Komponenten kann es sich zweckmäßigerweise um einen Befeuchter, einen Kühler, insb. Ladeluftkühler, einen elektrischen Verdichter sowie einen Filter, insb. Luftfilter handeln.Furthermore, a pre-assembly can be added upstream of the fuel cell, which has several fluid-active components integrated in a feed channel. These components can expediently be a humidifier, a cooler, in particular a charge air cooler, an electric compressor and a filter, in particular an air filter.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung kann darin bestehen, eine Brennstoffzelle mit einer Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug anzugeben. Eine derartige Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug weist eine Brennstoffzelleneinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie und eine Kühlvorrichtung mit Kühleinrichtung nach der vorangehenden Beschreibung auf, wobei deren Unterdruckerzeugereinrichtung, insb. die Venturidüse, in einem Abwasserstrang der Brennstoffzelle angeordnet ist, um Prozessabwasser dieser Brennstoffzelle an der Unterdruckerzeugereinrichtung bereitzustellen. Der Abwasserstrang der Brennstoffzelle ist ferner mit dem Fluidvorratsspeicher dieser Kühleinrichtung fluidisch gekoppelt, um dort Prozessabwasser dieser Brennstoffzelle bereitzustellen. Das hat insgesamt den vorteilhaften Effekt, dass das jeweilige Kraftfahrzeug mit einer relativ leistungsstarken Brennstoffzelle ausrüstbar ist.A further basic concept of the invention can consist in specifying a fuel cell with a cooling device for a motor vehicle. Such a fuel cell for a motor vehicle has a fuel cell device for providing electrical energy and a cooling device with cooling device according to the preceding description, the vacuum generator device thereof, in particular the Venturi nozzle, being arranged in a waste water line of the fuel cell in order to provide process wastewater from this fuel cell to the vacuum generator device . The wastewater line of the fuel cell is also fluidically coupled to the fluid storage tank of this cooling device in order to provide process wastewater from this fuel cell there. Overall, this has the advantageous effect that the respective motor vehicle can be equipped with a relatively powerful fuel cell.

Die Erfindung umfasst zweckmäßigerweise den, insbesondere alternativen oder zusätzlichen, Grundgedanken, ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung anzugeben. Eine derartige Kühlvorrichtung weist hierzu eine an einem Kühlkreislauf anmontierte Kühleinrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen auf und kennzeichnet sich durch die nachfolgenden Schritte:

1) Beaufschlagen des Expansionskanals, insb. des Ansaugkanals, des Drosselkanals und des Wärmetauschers, mit Unterdruck, insb. im Druckbereich von 200mbar bis 400mbar gegenüber dem Standardatmosphärendruck von etwa 1013mbar oder einem Fluiddruck eines durch einen Abwasserstrang einer Brennstoffzelle strömenden Prozessabwassers, um dadurch im Fluidvorratsspeicher gespeichertes Prozesswasser durch den Drosselkanal hindurch anzusaugen;
2) Regeln des Volumenstroms oder Massenstroms des durch den Drosselkanal zum Wärmetauscher strömenden Prozesswassers mit einem im Drosselkanal angeordneten Drosselventil anhand einer Kühlfluidtemperatur und/oder eines Kühlfluiddrucks des Kühlfluids, um im Wärmetauscher einen Massenstrom von Prozesswasser zwischen 5g/s bis 10g/s bereitzustellen;
3) Verdampfung des angesaugten Prozesswassers im Wärmetauscher um im Wärmetauscher durch Verdampfen des Prozesswassers maximal 100m³/Stunde Wasserdampfstrom bereitzustellen unter Übertragung von Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser;
4) Abströmen des expandierten Prozesswassers vom Wärmetauscher durch den Ansaugkanal und weiter stromab;
5) Abströmen des expandierten Prozesswassers durch die Unterdruckerzeugereinrichtung, insb. die Venturidüse; in die die Kühlvorrichtung umgebende Atmosphäre.

The invention expediently comprises the, in particular alternative or additional, basic idea of specifying a method for operating a cooling device. For this purpose, such a cooling device has a cooling device according to the preceding claims mounted on a cooling circuit and is characterized by the following steps:

1) Applying negative pressure to the expansion duct, especially the intake duct, the throttle duct and the heat exchanger, especially in the pressure range from 200mbar to 400mbar compared to the standard atmospheric pressure of about 1013mbar or a fluid pressure of a process waste water flowing through a waste water line of a fuel cell, thereby in the fluid reservoir sucking in stored process water through the throttle channel;
2) regulating the volume flow or mass flow of the process water flowing through the throttle channel to the heat exchanger with a throttle valve arranged in the throttle channel on the basis of a cooling fluid temperature and / or a cooling fluid pressure of the cooling fluid in order to provide a mass flow of process water between 5g / s to 10g / s in the heat exchanger;
3) Evaporation of the sucked-in process water in the heat exchanger in order to ^{provide a maximum of 100m 3} / hour of water vapor flow in the heat exchanger by evaporation of the process water with the transfer of thermal energy from the cooling fluid to the process water;
4) draining the expanded process water from the heat exchanger through the suction channel and further downstream;
5) The expanded process water flows out through the vacuum generator, in particular the Venturi nozzle; into the atmosphere surrounding the cooling device.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlvorrichtung. Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist mit einem Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Brennstoffzelle ausgerüstet, der wenigstens einen Kühlmittelkanal aufweist, durch den sich ein Kühlstrom aus Kühlfluid erstreckt. Zum Kühlen des Kühlfluids ist die Kühlvorrichtung mit einer Kühleinrichtung ausgestattet, die ihrerseits wenigstens einen Expansionskanal aufweist, durch den sich ein Expansionsstrom aus Prozesswasser erstreckt. Die Kühleinrichtung weist ferner einen Wärmetauscher auf, in dem der Kühlmittelkanal und der Expansionskanal so aneinander vorbeigeführt sind, dass Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragbar ist. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Wärmetauscher in den Expansionskanal eingegliedert ist, so dass der Expansionskanal in einen Drosselkanal und in einen Ansaugkanal aufgetrennt ist. Im Betrieb der Kühlvorrichtung ist vorgesehen, dass durch Verdampfung des durch den Drosselkanal angesaugten Prozesswassers im Wärmetauscher Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser übertragen wird und dass das expandierte Prozesswasser weiter stromab durch den Ansaugkanal und die Unterdruckerzeugereinrichtung ausströmt.In summary, it remains to be stated: The present invention preferably relates to a cooling device for a fuel cell and a method for operating such a cooling device. A cooling device according to the invention is equipped with a coolant circuit for cooling a fuel cell, which has at least one coolant channel through which a cooling flow of cooling fluid extends. To cool the cooling fluid, the cooling device is equipped with a cooling device which in turn has at least one expansion duct through which an expansion flow of process water extends. The cooling device also has a heat exchanger in which the coolant duct and the expansion duct are guided past one another in such a way that thermal energy can be transferred from the cooling fluid to the process water. It is essential for the invention that the heat exchanger is incorporated into the expansion duct, so that the expansion duct is separated into a throttle duct and an intake duct. When the cooling device is in operation, it is provided that by evaporation of the process water sucked in through the throttle duct in the heat exchanger, thermal energy is transferred from the cooling fluid to the process water and that the expanded process water flows out further downstream through the suction duct and the vacuum generator device.

Ein Fachmann versteht die Begriffe „eingliedern“ und „einbinden“ zweckmäßigerweise als „sinnvolles Einfügen einer Komponente in ein größeres Ganzes“. Für den Fachmann kann es daher auf der Hand liegen, beispielsweise den Wärmetauscher in den Expansionskanal einzugliedern oder einzubinden, indem er diese Komponenten miteinander fluidisch kommunizierend verbindet.A person skilled in the art understands the terms “integrate” and “integrate” appropriately as “meaningful insertion of a component into a larger whole”. For the person skilled in the art, it may therefore be obvious, for example, to incorporate or integrate the heat exchanger into the expansion duct by connecting these components to one another in a fluidically communicating manner.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch

1 in einem Schaubild ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wobei ein Fluidvorratsspeicher der Kühlvorrichtung an einen Abwasserstrang einer Brennstoffzelle angeschlossen ist, und wobei eine Unterdruckerzeugereinrichtung der Kühlvorrichtung als Venturidüse realisiert ist, und in
2 anhand eines weiteren Schaubilds ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wobei eine Unterdruckerzeugereinrichtung der Kühlvorrichtung als Vakuumpumpe realisiert ist und in
3 anhand eines weiteren Schaubilds ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wobei ein Fluidvorratsspeicher der Kühlvorrichtung an einen Abwasserstrang einer Brennstoffzelle angeschlossen ist, und wobei eine Unterdruckerzeugereinrichtung der Kühlvorrichtung als Venturidüse realisiert ist und in
4 anhand eines weiteren Schaubilds ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle.

It show each schematically

1 in a diagram of an embodiment of a cooling device according to the invention for a fuel cell, wherein a fluid reservoir of the cooling device is connected to a waste water line of a fuel cell, and wherein a vacuum generator of the cooling device is implemented as a Venturi nozzle, and in
2 on the basis of a further diagram, a further exemplary embodiment of a cooling device according to the invention for a fuel cell, wherein a vacuum generator device of the cooling device is implemented as a vacuum pump and in FIG
3 on the basis of a further diagram, a further embodiment of a cooling device according to the invention for a fuel cell, wherein a fluid reservoir of the cooling device is connected to a waste water line of a fuel cell, and wherein a vacuum generator device of the cooling device is implemented as a Venturi nozzle and in
4th on the basis of a further diagram, a further exemplary embodiment of a cooling device according to the invention for a fuel cell.

Die 1 bis 4 zeigen jeweils in einem Schaubild ein Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung 1 für eine Brennstoffzelle 3, die dazu dient, die sich im Betrieb aufheizende Brennstoffzelle 3 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur zwischen 70°C bis 90°C zu kühlen.the 1 until 4th each show, in a diagram, an exemplary embodiment of a cooling device 1 for a fuel cell 3, which is used to cool the fuel cell 3, which heats up during operation, to a predetermined operating temperature between 70.degree. C. and 90.degree.

Zu diesem Zweck ist die Kühlvorrichtung 1 nach 1 mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf 2 ausgerüstet, der zum Kühlen der Brennstoffzelle 3 über wenigstens einen in 1 ausschnittsweise angedeuteten Kühlmittelkanal 4 für einen Kühlstrom 5 aus Kühlfluid verfügt. Der so vom Kühlfluid durchströmbare Kühlmittelkreislauf 2 ist mit der Brennstoffzelle 3 thermisch verbunden, so dass Wärmeenergie mittels des Kühlmittelkreislaufs 2 von der Brennstoffzelle 3 weg abgeführt werden kann. In 1 und 2 ist mittels einfachen Linien stark vereinfacht angedeutet, wie der Kühlmittelkreislauf 2 mit der Brennstoffzelle 3 gekoppelt ist, um diese zu kühlen. Im Kühlmittelkreislauf 2 können beispielsweise Kühlmittelkreislauf-Komponenten, wie insb. eine Kühlmittelpumpe, angeordnet sein, die vorliegend allerdings nicht eingezeichnet sind. Weil sich das Kühlfluid des Kühlmittelkreislaufs 2 in kürzester Zeit aufheizt, ist zum dauerhaften Betrieb der Brennstoffzelle 3 eine ausreichende Kühlung des Kühlfluids notwendig, nach 1 weist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 hierzu eine Kühleinrichtung 6 auf. Diese ist vorliegend in 1 durch ein gestricheltes Kästchen angedeutet.For this purpose, the cooling device 1 is according to 1 equipped with a closed coolant circuit 2, which is used to cool the fuel cell 3 via at least one in 1 Has partially indicated coolant channel 4 for a cooling flow 5 of cooling fluid. The coolant circuit 2 through which the cooling fluid can flow is thermally connected to the fuel cell 3, so that thermal energy can be dissipated away from the fuel cell 3 by means of the coolant circuit 2. In 1 and 2 is indicated by means of simple lines, in a greatly simplified manner, how the coolant circuit 2 is coupled to the fuel cell 3 in order to cool it. In the coolant circuit 2, for example, coolant circuit components, such as a coolant pump in particular, can be arranged, although these are not shown here. Because the cooling fluid of the coolant circuit 2 heats up in a very short time, sufficient cooling of the cooling system is necessary for the permanent operation of the fuel cell 3 fluids necessary after 1 the cooling device 1 according to the invention has a cooling device 6 for this purpose. This is present in 1 indicated by a dashed box.

Die Kühleinrichtung 6 nach 1 ist mit einem Expansionskanal 7 ausgerüstet, durch den sich ein Expansionsstrom 8 aus Prozesswasser erstreckt. Wie man in 1 erkennen kann, mündet der Expansionskanal 7 einenends in ein Fluidvorratsspeicher 9 für Prozesswasser und anderenends in eine Unterdruckerzeugereinrichtung 10. Der Fluidvorratsspeicher 9 ist über einen Abwasserstrang 23 der Brennstoffzelle 3 mit der Brennstoffzelle 3 fluidisch verbunden, so dass der Fluidvorratsspeicher 9 mit Prozessabwasser der Brennstoffzelle 3 gespeist werden kann, also sozusagen mit dem Reaktionsendprodukt der Brennstoffzelle 3, das gerne auch als Abfallprodukt bezeichnet wird. Die Unterdruckerzeugereinrichtung 10 ist exemplarisch als Venturidüse 17 realisiert. Mittels der Venturidüse 17 ist der gesamte Expansionskanal 7 mit Unterdruck beaufschlagt, beispielsweise im Druckbereich von 200mbar bis 800mbar, zweckmäßigerweise im Druckbereich von 200mbar bis 400mbar, jeweils gemessen gegenüber dem Standardatmosphärendruck von etwa 1013mbar oder dem Fluiddruck des durch den Abwasserstrang 23 der Brennstoffzelle 3 strömenden Prozessabwassers. Jedenfalls ist die Venturidüse 17 entlang einer Venturilängsachse 18 von einem Venturidüsenbetriebsfluid durchströmt, die Strömungsrichtung ist in 1 exemplarisch durch einen Pfeil 24 angedeutet. Das Venturidüsenbetriebsfluid ist vorliegend, wie das Prozesswasser, vom Prozessabwasser der Brennstoffzelle 3 gebildet. Vorliegend wird das Prozessabwasser der Brennstoffzelle 3 vom Abwasserstrang 23 abgezweigt, beispielsweise durch eine T-Fluidweiche, und zur Venturidüse 17 geführt, siehe in 1 einen entsprechenden Versorgungskanal 25. Die Venturidüse 17 hat, wie man in 1 erkennen kann, einen mit der Bezugsziffer 19 beschrifteten Einschnürabschnitt, in dem im Betrieb der Kühlvorrichtung 1 mittels dem Venturidüsenbetriebsfluid ein Unterdruck bereitgestellt ist. Nach 1 ist ferner vorgesehen, dass der Expansionskanal 7 unmittelbar am Einschnürabschnitt 19 ausmündet und fluidisch mit dem Venturidüsenbetriebsfluid am Einschnürabschnitt 19 kommuniziert, um so den Expansionskanal 7 mit Unterdruck zu beaufschlagen.The cooling device 6 according to 1 is equipped with an expansion channel 7 through which an expansion stream 8 of process water extends. How to get in 1 The expansion channel 7 opens at one end into a fluid reservoir 9 for process water and at the other end into a vacuum generator device 10. The fluid reservoir 9 is fluidically connected to the fuel cell 3 via a waste water line 23 of the fuel cell 3, so that the fluid reservoir 9 is fed with process waste water from the fuel cell 3 can be, so to speak with the reaction end product of the fuel cell 3, which is often referred to as a waste product. The vacuum generator device 10 is implemented as a Venturi nozzle 17, for example. By means of the Venturi nozzle 17, the entire expansion channel 7 is subjected to negative pressure, for example in the pressure range from 200mbar to 800mbar, expediently in the pressure range from 200mbar to 400mbar, each measured against the standard atmospheric pressure of about 1013mbar or the fluid pressure of the process waste water flowing through the waste water line 23 of the fuel cell 3 . In any case, the Venturi nozzle 17 has a Venturi nozzle operating fluid flowing through it along a longitudinal axis 18 of the Venturi; the direction of flow is in FIG 1 indicated by an arrow 24 as an example. In the present case, the Venturi nozzle operating fluid, like the process water, is formed by the process wastewater from the fuel cell 3. In the present case, the process wastewater from the fuel cell 3 is branched off from the wastewater line 23, for example through a T-fluid switch, and passed to the Venturi nozzle 17, see FIG 1 a corresponding supply channel 25. The Venturi nozzle 17 has, as shown in FIG 1 can recognize a constriction section labeled with the reference number 19, in which a negative pressure is provided during operation of the cooling device 1 by means of the Venturi nozzle operating fluid. To 1 it is also provided that the expansion channel 7 opens out directly at the constriction section 19 and communicates fluidically with the Venturi nozzle operating fluid at the constriction section 19 in order to apply negative pressure to the expansion channel 7.

Die Kühleinrichtung 6 verfügt weiterhin über einen in 1 in kästchenform angedeuteten Wärmetauscher 11, in dem der Kühlmittelkanal 4 des Kühlmittelkreislaufs 2 und der Expansionskanal 7 aneinander thermisch kontaktierend vorbeigeführt sind, um Wärmeenergie vom Kühlfluid auf das Prozesswasser zu übertragen. Der Wärmetauscher 11 ist dabei derart in den Expansionskanal 7 eingesetzt, dass er den Expansionskanal 7 aufteilt, in einen stromauf des Wärmetauschers 11 angeordneten und den Fluidvorratsspeicher 9 und den Wärmetauscher 11 fluidisch miteinander verbindenden Drosselkanal 12 sowie in einen stromab des Wärmetauschers 11 angeordneten und den Wärmetauscher 11 und die Venturidüse 17 fluidisch miteinander verbindenden Ansaugkanal 13. Der durch die Venturidüse 17 bereitgestellte Unterdruck steht damit selbstverständlich sowohl im Drosselkanal 12, im Ansaugkanal 13 und im Wärmetauscher 11 an, so dass im Betrieb der Kühlvorrichtung 1 mittels des eingestellten Unterdrucks gespeichertes Prozesswasser vom Fluidvorratsspeicher 9 durch den Drosselkanal 12 in den Wärmetauscher 11 gesaugt werden kann. Im Wärmetauscher 11 kann das angesaugte Prozesswasser unter Aufnahme von Verdampfungswärmeenergie vom Kühlfluid volumenexpandierend verdampfen, so dass es anschließend stromab des Wärmetauschers 11 durch den Ansaugkanal 13 hindurch und durch die Venturidüse 17 hindurch zur umgebenden Atmosphäre 26 hin ausströmen kann. Die Kühleinrichtung 6 zum Kühlen des Kühlmittels 2 ist somit als offener Kreis gestaltet.The cooling device 6 also has an in 1 Heat exchanger 11 indicated in the form of a box, in which the coolant channel 4 of the coolant circuit 2 and the expansion channel 7 are guided past one another in thermal contact in order to transfer thermal energy from the cooling fluid to the process water. The heat exchanger 11 is inserted into the expansion channel 7 in such a way that it divides the expansion channel 7, into a throttle channel 12 arranged upstream of the heat exchanger 11 and fluidically connecting the fluid reservoir 9 and the heat exchanger 11, and into a throttle channel 12 arranged downstream of the heat exchanger 11 and the heat exchanger The vacuum provided by the Venturi nozzle 17 is of course present in the throttle channel 12, in the intake channel 13 and in the heat exchanger 11, so that when the cooling device 1 is in operation, the process water stored by the set vacuum from the fluid reservoir 9 can be sucked through the throttle channel 12 into the heat exchanger 11. In the heat exchanger 11, the process water sucked in can evaporate in a volume-expanding manner while absorbing heat energy from the cooling fluid, so that it can then flow out downstream of the heat exchanger 11 through the suction channel 13 and through the Venturi nozzle 17 to the surrounding atmosphere 26. The cooling device 6 for cooling the coolant 2 is thus designed as an open circle.

Um die vom Kühlfluid abgegriffene Verdampfungswärmeenergie und somit die Kühlleistung der Kühlvorrichtung zu kontrollieren, ist eine Drosselung des durch den Drosselkanal 12 angesaugten Prozesswassers vorgesehen. Hierzu weist der Drosselkanal 12 einerseits eine vorgegebene durchströmbare lichte Kanalquerschnittsfläche 14 und ein Drosselventil 15 auf. Mittels des Drosselventils 15 kann das durch den Drosselkanal 12 zum Wärmetauscher 11 angesaugte Prozesswasser massenstrommäßig oder volumenstrommäßig gesteuert oder geregelt oder gedrosselt werden, wodurch sich ein vorgegebener Volumenstrom oder Massenstrom von Prozesswasser im Wärmetauscher 11 zur Verdampfung bereitstellen lässt. Beispielsweise kann mittels des Drosselventils 15 eine Verengung einer durchströmbaren Querschnittsfläche des Drosselventils 15 oder der Kanalquerschnittsfläche 14 des Drosselkanals 12 realisiert werden, um eine massenstrommäßige oder volumenstrommäßige Steuerung oder Regelung oder Drosselung zu bewirken. Um den Zustrom von Prozesswasser in den Wärmetauscher 11 praktisch ohne Zeitverzögerung und unmittelbar im Wärmetauscher 11 zu stoppen, ist ferner vorgesehen, den Wärmetauscher 11 mit wenigstens einem Sperrventil 16 auszurüsten, das exemplarisch den Drosselkanal 12 vollständig absperren kann. Zweckmäßigerweise kann das Drosselventil 15 ein solches Sperrventil 16 bilden.In order to control the evaporation heat energy tapped from the cooling fluid and thus the cooling performance of the cooling device, a throttling of the process water sucked in through the throttle channel 12 is provided. For this purpose, the throttle channel 12 has, on the one hand, a predetermined clear channel cross-sectional area 14 through which a flow can flow, and a throttle valve 15. By means of the throttle valve 15, the process water sucked in through the throttle duct 12 to the heat exchanger 11 can be controlled or regulated or throttled in terms of mass flow or volume flow, whereby a predetermined volume flow or mass flow of process water can be made available in the heat exchanger 11 for evaporation. For example, the throttle valve 15 can be used to narrow a cross-sectional area of the throttle valve 15 that can be flowed through or the cross-sectional area 14 of the throttle channel 12 in order to effect control or regulation or throttling in terms of mass flow or volume flow. In order to stop the inflow of process water into the heat exchanger 11 with practically no time delay and directly in the heat exchanger 11, provision is also made for the heat exchanger 11 to be equipped with at least one shut-off valve 16 which, for example, can completely shut off the throttle duct 12. The throttle valve 15 can expediently form such a shut-off valve 16.

Die 2 zeigt anhand eines weiteren Schaubilds ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 für eine Brennstoffzelle 3. Im Unterschied zum vorangehenden Ausführungsbeispiel ist die Unterdruckerzeugereinrichtung 10 dieser Kühlvorrichtung 1 als Vakuumpumpe 22 realisiert, die beispielsweise elektrisch betreibbar ist.the 2 shows a further embodiment of a cooling device 1 according to the invention for a fuel cell 3 on the basis of a further diagram. In contrast to the previous embodiment, the negative pressure generator device 10 of this cooling device 1 is in the form of a vacuum pump 22 realized, which can be operated electrically, for example.

Zuletzt zeigt die 3 anhand eines weiteren Schaubilds ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 für eine Brennstoffzelle 3, wobei ein Fluidvorratsspeicher 9 der Kühlvorrichtung 1 an einen Abwasserstrang 23 einer Brennstoffzelle 3 angeschlossen ist, und wobei eine Unterdruckerzeugereinrichtung 10,17 der Kühlvorrichtung 1 als Venturidüse 17 realisiert ist. Die Komponenten des Ausführungsbeispiels gemäß 3 sind in Gestalt und Funktion weitestgehend deckungsgleich mit denen aus Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die dortige Beschreibung verweisen werden kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist hier zwischen der Brennstoffzelle 3 und dem Fluidvorratsspeicher 9 ein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichneter Wasserabscheider oder Kondensator in den Abwasserstrang 23 eingebunden, welcher zweckmäßigerweise eine Abscheidung von Flüssigkeit aus dem von der Brennstoffzelle 3 durch den stromauf gelegenen Teil des Abwasserstrangs 23 an einen Einlass des Wasserabscheiders oder Kondensators 100 herangeführten Prozessabwasser bewirkt. Der besagte Wasserabscheider oder Kondensator 100 hat neben dem Einlass exemplarisch zwei Auslässe, nämlich einen in den stromab angeordneten Teil des Abwasserstrangs 23 mündenden Auslass und einen weiteren in den stromab angeordneten Versorgungskanal 25 mündenden weiteren Auslass. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel nach 3 im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 stromauf der Brennstoffzelle 3 eine Vorbaugruppe 101 ergänzt. Diese ist in 3 durch einen gestrichelten Rahmen umrissen. Die besagte Vorbaugruppe 101 hat mehrere in einem Zuführkanal 106 eingebundene fluidwirksame Komponenten, nämlich von der Brennstoffzelle 3 aus gesehen einen Befeuchter 105, einen Kühler 104, insb. ein Ladeluftkühler, einen elektrischen Verdichter 103 sowie an einer nicht illustrierten Lufteintrittsseite einen Filter 102, insb. ein Luftfilter.Last shows the 3 Based on a further diagram, a further embodiment of a cooling device 1 according to the invention for a fuel cell 3, a fluid reservoir 9 of the cooling device 1 being connected to a waste water line 23 of a fuel cell 3, and a vacuum generator 10, 17 of the cooling device 1 being implemented as a Venturi nozzle 17. The components of the embodiment according to 3 are largely congruent in shape and function with those from the exemplary embodiment according to 1 so that reference can be made to the description there. In contrast to the embodiment according to 1 Here, between the fuel cell 3 and the fluid storage tank 9, a water separator or condenser designated by the reference numeral 100 is integrated into the waste water line 23, which expediently separates liquid from the fuel cell 3 through the upstream part of the waste water line 23 to an inlet of the water separator or condenser 100 brought process wastewater causes. Said water separator or condenser 100 has two outlets in addition to the inlet, namely one outlet opening into the downstream part of the sewer line 23 and another outlet opening into the downstream supply channel 25. Furthermore, according to the exemplary embodiment 3 in contrast to the embodiment according to 1 A pre-assembly 101 is added upstream of the fuel cell 3. This is in 3 outlined by a dashed frame. Said pre-assembly 101 has several fluid-active components integrated in a supply channel 106, namely a humidifier 105, a cooler 104, especially a charge air cooler, an electric compressor 103 and a filter 102 on a non-illustrated air inlet side, especially as seen from the fuel cell 3. an air filter.

Die besagte Vorbaugruppe 101 gemäß 3 kann selbstverständlich auch bei dem gemäß 2 illustrierten Ausführungsbeispiel angewendet werden, sprich an die dortige Brennstoffzelle 3 angebaut sein. Ein entsprechendes weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Mit Ausnahme der dort als gestricheltes Kästchen eingezeichneten, an die dortige Brennstoffzelle 3 angebaute Vorbaugruppe 101, welche wie zuvor in einem hier nicht dargestellten Zuführkanal eingebundene hier aber nicht dargestellte fluidwirksame Komponenten hat, nämlich von der Brennstoffzelle 3 aus gesehen einen Befeuchter, einen Kühler, insb. ein Ladeluftkühler, einen elektrischen Verdichter sowie an einer nicht illustrierten Lufteintrittsseite einen Filter, insb. ein Luftfilter, entsprechen die übrigen Komponenten aus 4 in Gestalt und Funktion denjenigen aus 2, so dass auf die dortige Beschreibung verweisen werden kann.Said pre-assembly 101 according to 3 can of course also in accordance with 2 The illustrated embodiment can be used, that is to say it can be built onto the fuel cell 3 there. A corresponding further embodiment is shown in 4th shown. With the exception of the pre-assembly 101, which is shown as a dashed box and is attached to the fuel cell 3 there, which, as before, has fluid-active components integrated in a feed channel (not shown here), namely a humidifier, a cooler, especially when viewed from the fuel cell 3 A charge air cooler, an electric compressor and, on an air inlet side (not shown), a filter, especially an air filter, correspond to the remaining components 4th those in shape and function 2 so that reference can be made to the description there.

Claims

Cooling device for a fuel cell (3), - With a closed coolant circuit (2) for cooling a fuel cell (3), which has at least one coolant channel (4) in which a cooling stream (5) of cooling fluid circulates, - With a cooling device (6) through which the cooling fluid flows in sections for cooling the cooling fluid, which has at least one expansion duct (7) through which an expansion flow (8) of process water extends, the expansion duct (7) at one end into one of the expansion ducts (7 ) with process water feeding fluid storage tank (9) for process water and at the other end opens into a vacuum generator device (10) which applies vacuum to the expansion duct (7), - wherein the cooling device (6) furthermore has a heat exchanger (11) in which the coolant duct (4) and the expansion duct (7) are led past one another so that thermal energy can be transferred from the cooling fluid to the process water, - wherein the heat exchanger (11) is incorporated into the expansion duct (7) in such a way that the expansion duct (7) upstream of the heat exchanger (11) in a throttle duct (12) which fluidly connects the fluid reservoir (9) and the heat exchanger (11) to one another. and downstream of the heat exchanger (11) is separated into a suction channel (13) that fluidly connects the heat exchanger (11) and the vacuum generator device (10), with process water flowing through the process water during operation of the cooling device (1) by means of the vacuum set in the expansion channel (7) Throttle channel (12) is sucked into the heat exchanger (11), which there absorbs evaporation heat energy from the cooling fluid and evaporates in a volume-expanding manner, so that it can flow out downstream of the heat exchanger (11) through the suction channel (13) and the vacuum generator (10).

Cooling device after Claim 1 , characterized in that the process water is formed by process waste water from a fuel cell (3).

Cooling device after Claim 1 or 2 , characterized in that the fluid storage tank (9) is fed by process wastewater from a fuel cell (3).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle duct (12) has a duct cross-sectional area (14), which is consistently constant in area along the expansion flow (8), the channel cross-sectional area (14) being selected so that the process water sucked in through the throttle channel (12) is throttled by a predetermined volume flow or mass flow of process water to be provided in the heat exchanger (11) for evaporation.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle channel (12) has a throttle valve (15) by means of which the process water sucked in through the throttle channel (12) can be controlled or regulated in terms of mass flow or volume flow.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that a mass flow of the process water sucked in through the throttle duct (12) is in the mass flow range of 0.5g / s to 15g / s or expediently in the mass flow range of 1.5g / s to 12.5g / s or further expediently in the mass flow range from 2.5 g / s to 10.0 g / s.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (11) is formed by a cocurrent heat exchanger or by a countercurrent heat exchanger.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (11) has at least one shut-off valve (16) to control the expansion flow (8) of process water and / or the cooling flow (5) of cooling fluid within the heat exchanger (11) or to regulate.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (11) and the fluid reservoir (9) are designed as an integral structural unit.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the negative pressure generator device (10) for subjecting the expansion duct (7) to negative pressure is formed by a Venturi nozzle (17).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the Venturi nozzle (17) is flowed through by a Venturi nozzle operating fluid along a Venturi longitudinal axis (18), a negative pressure being provided in a constriction section (19) of the Venturi nozzle (17) by means of the Venturi nozzle operating fluid, the Expansion duct (7) opens out at the constriction section (19) and communicates fluidically with the Venturi nozzle operating fluid at the constriction section (19) in order to apply negative pressure to the expansion duct (7).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the Venturi nozzle operating fluid is formed by evaporated process wastewater from a fuel cell (3).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the Venturi nozzle operating fluid is formed by exhaust air from a fuel cell (3).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the negative pressure generator device (10) for subjecting the expansion duct (7) to negative pressure is formed by a vacuum pump (22).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the negative pressure in the expansion duct (7) provided by the negative pressure generator (10) is in the pressure range from 200 mbar to 800 mbar or from 200 mbar to 500 mbar or from 200 mbar to 400 mbar.

A method for operating a cooling device, comprising a cooling device (1) according to the preceding claims and the steps: 1) subjecting the expansion channel (7) to a negative pressure which is a maximum of 800 mbar in order to suck in process water stored in the fluid storage tank (9) through the throttle channel (12); 2) Regulating the process water flowing through the throttle channel (12) to the heat exchanger (11) with a throttle valve (15) arranged in the throttle channel (12) on the basis of a cooling fluid temperature and / or a cooling fluid pressure of the cooling fluid in order to achieve a mass flow of Provide process water of at least 5 g / s; 3) Evaporation of the sucked process water in the heat exchanger (11) in order to provide a water vapor flow in the heat exchanger (11) by evaporating the process water with the transfer of thermal energy from the cooling fluid to the process water; 4) outflow of the expanded process water from the heat exchanger (11) through the suction channel (13) and further downstream; 5) The expanded process water flows out through the vacuum generator device (10), in particular the Venturi nozzle (17), into the atmosphere (26) surrounding the cooling device (1).