Lernen Sie den Brennstoffzellen-Antriebsstrang mit einem interaktiven 3D-Modell besser kennen:

Kühler und Kühlergebläse

Die Kühler inkl. Kühlergebläse (Radiatoren) übernehmen im Brennstoffzellensystem die Aufgabe, die in das Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel und Niedertemperaturkreislauf abgegebene Wärme an die Umgebungsluft abzuführen. Diese werden in den Kühlkreisläufen sowohl im Hochtemperaturkreislauf (HT) als auch im Niedertemperaturkreislauf (NT) eingesetzt.

Arten

Aufgrund der unterschiedlichen Medien Fluid (Kühlmittel) und Gas (Umgebungsluft) bietet sich zur Kühlung des Kühlmittels vor allem das Rippenrohr-Kühlerdesign an. Dabei wird das Fluid durch Rohre geleitet und das Gas durchströmt die Rippenstruktur. Dies ermöglicht eine hohe Wärmeübertragungsfläche bei geringem Bauraum- und Gewichtsbedarf.

Anforderungen

In Fahrzeuganwendung spielt die Betrachtung des gesamten Thermomanagementsystems eine große Rolle. Die Entwicklung richtet sich somit auf Kühlmodule aus mehreren Wärmetauschern und Lüftern aus. Die Kühler werden dabei in vielen Anwendungen aufgrund von Bauraumanforderungen in Reihe mit Luft durchströmt, sodass eine genaue Betrachtung der unterschiedlichen Temperaturniveaus erforderlich ist. Im Allgemeinen wird die Kühlleistung mittels eines Gebläses unterstützt, welches die Luftdurchströmung erhöht. Die erforderliche Antriebsleistung für das Gebläse ist möglichst niedrig zu halten. Als Kühlerwerkstoff hat sich in der Anwendung vor allem Aluminium durchgesetzt. Außerdem werden Kühler über ein Lötverfahren gefügt, welches eine höhere Wärmeübertragung gegenüber mechanisch gefügten Kühlern ermöglicht. [1]

Brennstoffzellenanwendungen stellen erhöhte Anforderungen an das Thermomanagement. Im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren ist die Betriebs- und Abgastemperatur des Brennstoffzellenstapels deutlich niedriger. Dies hat zur Folge, dass über das Abgas nur eine geringe Wärmeabfuhr erfolgt und eine deutlich größere Wärmeabfuhr an das Kühlmittel erforderlich ist. Aufgrund des hohen abgeführten Wärmeanteils an das Kühlmittel und der niedrigen Betriebstemperatur des Stapels und folglich geringen Temperaturdifferenz zur Umgebung sind deutlich größere Wärmeübertragungsflächen der Kühlmittelkühler erforderlich. [2]

Herausforderungen

Primär im Hochtemperaturkühlkreislauf (HT) des Brennstoffzellenstapels besteht die Herausforderung, dass aufgrund der gelöteteten Rippen-Rohr-Verbindungen in Kontakt mit dem aggressiven deionisierten Kühlmittel ein Ioneneintrag in das Kühlmittel verhindert werden muss. Dies erfordert eine Weiterentwicklung der Materialien oder Beschichtung der medienführenden Kanäle.

Literatur

[1] S. Pischinger und U. Seiffert, Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2021.

[2] A. Kampker, H. H. Heimes, F. Schmitt, T. Hadzovic und M. Betz, „Simulation-Based Development of Thermal Management for Heavy Duty Fuel Cell Commercial Vehicles,“ in 23. Internationales Stuttgarter Symposium: Automobil- und Motorentechnik, A. C. Kulzer, H.-C. Reuss, A. Wagner und FKFS, Hg., 2023, S. 487–502, doi: 10.1007/978-3-658-42048-2_35.