DE102015004802A1

DE102015004802A1 - cooler

Info

Publication number: DE102015004802A1
Application number: DE102015004802.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Bühler; Ottmar Schmid
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (20) für eine Brennstoffzelle (3) mit einem in die Brennstoffzelle (3) integrierten Kühlwärmetauscher (6) und mit einem in einem Kühlmedienkreislauf verdampfenden und kondensierenden Kühlmittel. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in dem Kühlwärmetauscher (6) der Brennstoffzelle (3) verdampft.The invention relates to a cooling device (20) for a fuel cell (3) with a cooling heat exchanger (6) integrated in the fuel cell (3) and with a coolant evaporating and condensing in a cooling medium circuit. The cooling device according to the invention is characterized in that the coolant evaporates in the cooling heat exchanger (6) of the fuel cell (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem in die Brennstoffzelle integrierten Kühlwärmetauscher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a cooling device for a fuel cell with a built-in fuel cell cooling heat exchanger according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art.

Kühlvorrichtungen für Brennstoffzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen sind typischerweise Kühlwärmetauscher in die Brennstoffzelle integriert. Häufig ist diese als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie ausgeführt. Die Einzelzellen weisen dann entsprechende Bereiche zur Durchströmung mit Kühlmedium auf, sodass in der Brennstoffzelle entstehende Abwärme in die Umgebung abgeführt werden kann.Cooling devices for fuel cells are known from the general state of the art. In particular, when used in vehicles cooling heat exchangers are typically integrated into the fuel cell. Often this is implemented as a stack of single cells in PEM technology. The individual cells then have corresponding areas for flowing through with cooling medium, so that in the fuel cell resulting waste heat can be dissipated into the environment.

Im Allgemeinen wird dazu ein flüssiges Kühlmedium durch die Brennstoffzelle gefördert, welches in einem anderen Bereich eines Kühlkreislaufs über einen Umgebungskühler abgekühlt wird. Bei der bevorzugten Ausführung der Kühlvorrichtung in einem Fahrzeug wird der Umgebungskühler dabei von Fahrtwind, gegebenenfalls mit Unterstützung durch ein Gebläse, durchströmt. Der Aufbau hat dabei den Nachteil, dass zur Bereitstellung der für den Volllastbetrieb der Brennstoffzelle in einem Fahrzeug benötigten Kühlleistung eine vergleichsweise große Fläche des Kühlers benötigt wird, was aus Gründen der Designvorgaben in Fahrzeugen häufig nicht oder nur eingeschränkt zu realisieren ist. Ein weiterer Nachteil einer derartigen allgemein bekannten Kühlvorrichtung, welche ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und einem Forstschutzmittel, verwendet, liegt darin, dass das Kühlmedium häufig eine entsprechend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Da es in der Brennstoffzelle mit elektrisch aufgeladenen Teilen in Berührung kommt, muss immer sichergestellt werden, dass durch das Kühlmedium keine oder allenfalls eine sehr geringe elektrische Leitung auftritt, um so einen ausreichend hohen elektrischen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle und den mit der Masse des Fahrzeugs in Berührung stehenden Teilen der Kühlvorrichtung zu realisieren. Dies erfordert aufwändige Maßnahmen, wie beispielsweise lange Leitungslängen eines Kühlkreislaufs und/oder einen Ionentauscher, um die Leitfähigkeit des Kühlmediums kontinuierlich herabzusetzen. All dies ist aufwändig und teuer.In general, for this purpose, a liquid cooling medium is conveyed through the fuel cell, which is cooled in another region of a cooling circuit via an ambient cooler. In the preferred embodiment of the cooling device in a vehicle, the ambient cooler is flowed through by wind, possibly with the assistance of a fan. The construction has the disadvantage that a comparatively large area of the radiator is required to provide the cooling power required for full-load operation of the fuel cell in a vehicle, which is often not possible or only to a limited extent for reasons of design specifications in vehicles. A further disadvantage of such a generally known cooling device, which uses a liquid cooling medium, for example a mixture of water and a forest protection agent, is that the cooling medium frequently has a correspondingly high electrical conductivity. Since it comes into contact with electrically charged parts in the fuel cell, it must always be ensured that no or at most a very small electrical line occurs through the cooling medium, so as to have a sufficiently high electrical insulation resistance between the fuel cell and with the mass of the vehicle in To realize contact parts of the cooling device. This requires complex measures, such as long line lengths of a cooling circuit and / or an ion exchanger to continuously reduce the conductivity of the cooling medium. All of this is laborious and expensive.

Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der DE 10 2004 063 304 A1 ist es nun außerdem bekannt, dass eine Wärmekraftmaschine mit einem verdampfbaren Arbeitsmittel in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird. Diese dient in erster Linie zur Rückgewinnung von Wärme. Dabei wird über die Verdampfung des Arbeitsmittels das flüssige Kühlmedium, welches auch hier analog zum oben beschriebenen Stand der Technik durch die Brennstoffzelle strömt, abgekühlt. Die auf das Arbeitsmittel übertragene Restwärme wird dann, gegebenenfalls unter Ausnutzung weiterer Wärmequellen, wie einem Ladeluftkühler oder ähnlichem, genutzt, um in einem Dampfkreislauf Energie aus der Abwärme der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems zurückzugewinnen.From the further general state of the art in the form of DE 10 2004 063 304 A1 It is now also known that a heat engine is used with a vaporizable working fluid in a fuel cell system. This serves primarily for the recovery of heat. In this case, via the evaporation of the working fluid, the liquid cooling medium, which also flows through the fuel cell analogously to the above-described prior art, is cooled. The transferred to the working fluid residual heat is then, possibly taking advantage of other heat sources, such as a charge air cooler or the like, used to recover energy in a steam cycle from the waste heat of the fuel cell or the fuel cell system.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle anzugeben, welche gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbessert ist, und welche insbesondere die dort genannten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide a cooling device for a fuel cell, which is improved over the described prior art, and which avoids the particular disadvantages mentioned there.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung finden sich in den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a cooling device with the features in claim 1. Further advantageous embodiments and further developments of the cooling device according to the invention can be found in the dependent claims.

Die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung sieht es vor, dass ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf mit Verdampfer und Kondensator strömt. Dabei verdampft das Kühlmittel in dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle. Dieser ist also unmittelbar als Verdampfer eines Kühlmittelkreislaufs vorgesehen. Als Kühlmittel kann dabei ein Kühlmittel eingesetzt werden, welches bei der typischerweise auftretenden Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sicher und zuverlässig verdampft, z. B. Methanol. Durch die Verdampfungskühlung in dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle wird eine sehr effiziente Kühlung der Brennstoffzelle erzielt, da durch die Verdampfungskühlung sehr viel Wärme aus dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle sehr effizient aufgenommen und abgeführt werden kann. Die einsetzbaren Kühlmittel haben dabei typischerweise – zumindest im gasförmigen Zustand – eine sehr viel geringere Leitfähigkeit, als dies Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel, zumindest nach einer gewissen Betriebsdauer eines Kühlkreislaufs, haben. Die Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel neigen nämlich dazu, über die Betriebsdauer Ionen aus den Leitungen des Kühlkreislaufs herauszulösen. Außerdem ist es so, dass vor allem der Bereich in Strömungsrichtung des Kühlmediums aus Wasser und Frostschutzmittel nach der Brennstoffzelle bis zur ersten auf Masse liegenden Komponente kritisch ist. Das Kühlmittel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist genau in diesem Bereich überwiegend dampfförmig, sodass alleine schon hierdurch, unabhängig von der spezifischen Leitfähigkeit des Kühlmittels selbst, ein deutlicher Vorteil zu erzielen ist. Daher sind keine weiteren Maßnahmen zur Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Isolationswiderstandes in der Kühlvorrichtung notwendig. Darüber hinaus hat das Kühlmittel typischerweise unterhalb des Siedepunktes eine sehr viel geringere Wärmekapazität als dies Wasser hätte. Es ist daher auch für den Kaltstartfall der Brennstoffzelle ideal geeignet, da es ein sehr schnelles Aufheizen der Brennstoffzelle im Kaltstartfall, mit einem anschließenden sehr guten Kühlen der Brennstoffzelle im regulären Betriebsfall ermöglicht.The cooling device according to the invention provides that a coolant flows in a coolant circuit with evaporator and condenser. In this case, the coolant evaporates in the cooling heat exchanger of the fuel cell. This is therefore provided directly as an evaporator of a coolant circuit. As a coolant can be used a coolant which evaporates safely and reliably at the typically occurring operating temperature of the fuel cell, z. For example methanol. By the evaporative cooling in the cooling heat exchanger of the fuel cell, a very efficient cooling of the fuel cell is achieved, since a lot of heat from the cooling heat exchanger of the fuel cell can be very efficiently absorbed and removed by the evaporative cooling. The usable coolant typically have - at least in the gaseous state - a much lower conductivity than mixtures of water and antifreeze, at least after a certain period of operation of a cooling circuit, have. Namely, the mixtures of water and antifreeze tend to leach ions out of the lines of the refrigeration cycle over the service life. In addition, it is the case that above all the region in the direction of flow of the cooling medium from water and antifreeze after the fuel cell to the first component lying on ground is critical. The coolant of the cooling device according to the invention is in this area predominantly vaporous, so that alone alone, regardless of the specific conductivity of the coolant itself, a significant advantage can be achieved. Therefore, no further measures to maintain a sufficiently high insulation resistance in the cooling device are necessary. In addition, the coolant typically has below the boiling point has a much lower heat capacity than water. It is therefore also ideal for the cold start case of the fuel cell, since it allows a very fast heating of the fuel cell in the cold start case, with a subsequent very good cooling of the fuel cell in normal operation.

Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt darin, dass prinzipbedingt über ein derartiges bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in dem Kühlwärmetauscher verdampfendes Kühlmittel ein Schutz vor lokalen Überhitzungen vorhanden ist. Wird die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels punktuell überschritten, dann wird durch nachfließendes Kühlmittel genau diese Stelle mit der lokalen Überhitzung verstärkt gekühlt. Dadurch ist es möglich, eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle zu realisieren. Außerdem wäre es grundsätzlich denkbar, im Kaltstartfall auf eine Förderung des Kühlmittels gänzlich zu verzichten, sodass durch das Verdampfen des Kühlmittels bei Überschreitung der Verdampfungstemperatur und ein punktuelles Nachströmen eine Kühlung ohne Förderung des Kühlmediums erfolgt. Dies stellt einerseits eine ausreichende Kühlung der Brennstoffzelle im Kaltstartfall sicher und erlaubt andererseits eine sehr schnelle Erwärmung derselben.Another decisive advantage is that, as a matter of principle, protection against local overheating is present via such a coolant evaporating in the cooling heat exchanger at the operating temperature of the fuel cell. If the evaporation temperature of the coolant is exceeded at certain points, then precisely this point with the local overheating is increasingly intensified by the coolant flowing in. This makes it possible to realize a very uniform temperature distribution in the fuel cell. In addition, it would be conceivable in principle to dispense entirely with a delivery of the coolant in the cold start, so that cooling takes place by the evaporation of the coolant in excess of the evaporation temperature and a punctual afterflow cooling without promotion of the cooling medium. On the one hand, this ensures sufficient cooling of the fuel cell in the cold start case and, on the other hand, permits very rapid heating of the same.

Durch das Verdampfen des Kühlmittels im Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle sind sehr hohe Wärmestromdichten realisierbar. Dies führt letztlich dazu, dass entsprechend geringere Massenströme des Kühlmittels erforderlich sind, als bei einem herkömmlichen Wasser-Frostschutz-Gemisch notwendig wären. Hierdurch lässt sich die Leistung der Fördereinrichtungen für das Kühlmittel gegenüber herkömmlichen Aufbauten reduzieren, sodass durch die Reduktion der parasitären Leistung des Brennstoffzellensystems der Systemwirkungsgrad verbessert werden kann.By evaporating the coolant in the cooling heat exchanger of the fuel cell very high heat flux densities can be realized. This ultimately means that correspondingly lower mass flows of the coolant are required than would be necessary in a conventional water-antifreeze mixture. As a result, the performance of the conveyors for the coolant can be reduced over conventional structures, so that by reducing the parasitic performance of the fuel cell system, the system efficiency can be improved.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sieht es nun ferner vor, dass in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kühlwärmetauscher eine Expansionsmaschine zur Entspannung des dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist. Diese Expansionsmaschine, welche vorzugsweise als Strömungsturbine ausgebildet sein kann, kann genutzt werden, um mechanische Energie aus dem dampfförmigen Kühlmittel zurückzugewinnen.Another very favorable embodiment of the cooling device according to the invention now provides, furthermore, that in the flow direction of the coolant after the cooling heat exchanger, an expansion machine is provided for the expansion of the vaporous coolant. This expansion machine, which may be preferably designed as a flow turbine can be used to recover mechanical energy from the vapor refrigerant.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung nach der Expansionsmaschine ein Wärmetauscher zum Erwärmen des expandierten dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist. Über einen solchen Wärmetauscher kann eine Zwischenerhitzung des Kühlmittels erfolgen. Insbesondere wenn diese über das Kühlmittel selbst in einem anderen Bereich der Kreislaufführung des Kühlmittel erfolgt, kann so ein sehr effizienter Aufbau erreicht werden, da das Kühlmittel dann an anderer Stelle gleichzeitig weiter abgekühlt wird.According to a further very advantageous embodiment of this idea, it may further be provided that in the flow direction after the expansion machine, a heat exchanger for heating the expanded vapor refrigerant is provided. Via such a heat exchanger, an intermediate heating of the coolant can take place. In particular, if this is done via the coolant itself in another area of the circulation of the coolant, so a very efficient structure can be achieved because the coolant is then further cooled elsewhere at the same time.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung dieser Idee sieht es dann außerdem vor, dass in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher ein Verdichter für das dampfförmige Kühlmittel angeordnet ist. Ein solcher Verdichter für das dampfförmige Kühlmittel sorgt für eine erneute Verdichtung des Kühlmittels und eine entsprechende Steigerung der Temperatur des Kühlmittels. Vor allem in Kombination mit dem angesprochenen Wärmetauscher führt dies zu einer entsprechend hohen Temperatur des Kühlmittels in diesem Bereich der Kühlvorrichtung. Folgt daraufhin der Kondensator, in welchem das Kühlmittel, beispielsweise analog zum Kühler des herkömmlichen bekannten Kühlkreislaufs, abgekühlt wird, dann liegt in dem Kühlmittel beim Eintritt in den Kondensator eine sehr hohe Temperatur vor, sodass zwischen dem in den Kondensator eintretenden Kühlmittel und dem den Kondensator abkühlenden Medium, typischerweise Umgebungsluft, eine hohe Temperaturdifferenz erzielt werden kann. Da diese Temperaturdifferenz maßgebend für die Abkühlung des Kühlmittels in dem Kondensator ist, ist durch die Erhöhung der Temperatur über den Verdichter, vorzugsweise in Kombination mit dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung vor dem Verdichter, eine sehr effiziente Kühlung realisiert. Diese kann, bei entsprechend kleiner Kühlfläche, was hinsichtlich des Designs insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, ein entscheidender Vorteil ist, eine sehr gute Abkühlung des Kühlmittels und damit letztlich eine sehr hohe Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in dieser Ausführungsvariante ermöglichen.Another very favorable embodiment of this idea then provides, moreover, that a compressor for the vaporous coolant is arranged downstream of the heat exchanger in the direction of flow. Such a compressor for the vaporous coolant provides for a re-compression of the coolant and a corresponding increase in the temperature of the coolant. Especially in combination with the mentioned heat exchanger, this leads to a correspondingly high temperature of the coolant in this region of the cooling device. Thereupon follows the condenser, in which the coolant, for example, analogous to the cooler of the conventional known cooling circuit, is cooled, then in the coolant when entering the condenser, a very high temperature, so that between the entering into the condenser and the condenser cooling medium, typically ambient air, a high temperature difference can be achieved. Since this temperature difference is decisive for the cooling of the coolant in the condenser, a very efficient cooling is realized by increasing the temperature across the compressor, preferably in combination with the heat exchanger in the flow direction in front of the compressor. This can, with a correspondingly small cooling surface, which is a decisive advantage in terms of design, especially when used in vehicles, allow a very good cooling of the coolant and thus ultimately a very high cooling capacity of the cooling device according to the invention in this embodiment.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es dabei vor, dass der Verdichter, welcher vorzugsweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, und die Expansionsmaschine, welche vorzugsweise als Strömungsturbine ausgebildet ist, in mechanischer Wirkverbindung stehen, insbesondere als freilaufender Turbolader ausgebildet sind. Die zum Verdichten benötigte Leistung wird dabei durch die Expansion zur Verfügung gestellt, sodass dieser Schritt innerhalb der Kühlvorrichtung ohne externe Leistung auskommt und entsprechend einfach in seinem Aufbau realisiert werden kann.Another very advantageous embodiment of the idea, it provides that the compressor, which is preferably designed as a flow compressor, and the expansion machine, which is preferably designed as a flow turbine, are in mechanical operative connection, in particular designed as a free-running turbocharger. The power required for compacting is provided by the expansion, so that this step can be done without external power within the cooling device and can be realized correspondingly simple in its construction.

Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung lässt sich erzielen, wenn in Strömungsrichtung zwischen dem Kühlwärmetauscher und der Expansionsmaschine ein Druckhalteventil vorhanden ist. Durch ein einfaches Einstellen des Systemdrucks bzw. Siededrucks kann so die Temperatur der Brennstoffzelle auf die gewünschte Betriebstemperatur eingestellt werden. Die Kühlung ist damit entsprechend einfach und hinsichtlich der Steuerung bzw. Regelung sehr effizient zu realisieren.Another advantage of the cooling device according to the invention can be achieved if in the flow direction between the cooling heat exchanger and the expansion machine, a pressure-holding valve is present. By simply adjusting the system pressure or boiling pressure, the temperature of the fuel cell can be set to the desired operating temperature. The cooling is therefore correspondingly simple and very efficient to implement in terms of control or regulation.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergeben sich ferner aus den abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the cooling device according to the invention will become apparent from the dependent claims and will be apparent from an exemplary embodiment, which is described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlkreislauf gemäß dem Stand der Technik; 1 a fuel cell vehicle indicated in principle with a cooling circuit according to the prior art;

2 eine Kühlvorrichtung in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 2 a cooling device in a possible embodiment according to the invention;

3 eine Darstellung des Kreisprozesses bei der Kühlvorrichtung gemäß 2 in einem T-s-Diagramm; und 3 a representation of the cycle in the cooling device according to 2 in a Ts diagram; and

4 ein Diagramm des Wärmedurchgangskoeffizienten in Abhängigkeit des inneren Wärmedurchgangskoeffizienten. 4 a diagram of the heat transfer coefficient as a function of the internal heat transfer coefficient.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über ein Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt sein soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, beispielsweise ein Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie. Innerhalb der Brennstoffzelle 3 ist dabei rein beispielhaft ein Kathodenbereich 4, ein Anodenbereich 5 sowie ein Kühlwärmetauscher 6 dargestellt. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Leistung gelangt über elektrische Leitungen zu einer Elektronik 7, beispielsweise einer Leistungselektronik, und von dort zu entsprechenden Verbrauchern und/oder Energiespeichern, in einem Fahrzeug ist dies typischerweise zumindest der Antriebsmotor sowie eine Traktionsbatterie. All dies ist zusammen durch eine Box mit dem Bezugszeichen 9 beispielhaft dargestellt.In the presentation of the 1 is very heavily schematized a vehicle 1 indicated, which via a fuel cell system 2 should be supplied with electrical drive power. The core of the fuel cell system 2 forms a fuel cell 3 For example, a stack of single cells in PEM technology. Inside the fuel cell 3 is purely exemplary of a cathode area 4 , an anode area 5 and a cooling heat exchanger 6 shown. The fuel cell 3 generated electrical power passes through electrical lines to electronics 7 , For example, a power electronics, and from there to corresponding consumers and / or energy storage, in a vehicle this is typically at least the drive motor and a traction battery. All this is together by a box with the reference number 9 exemplified.

Die Brennstoffzelle 3 bzw. ihr Kathodenraum 4 wird über eine Luftfördereinrichtung 10 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Nicht umgesetzte Abluft, insbesondere also der Stickstoffanteil in der geförderten Luft, gelangt über eine Abluftturbine 11 wieder aus der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kathodenbereich 4. In der Abluftturbine 11 wird ein Teil der Druckenergie und der thermischen Energie in der Abluft zurückgewonnen. Die Abluftturbine 11 ist zusammen mit der Luftfördereinrichtung 10 sowie einer elektrischen Maschine 12 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dieser Aufbau ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet.The fuel cell 3 or her cathode compartment 4 is via an air conveyor 10 supplied with air as an oxygen supplier. Unreacted exhaust air, in particular thus the nitrogen content in the conveyed air, passes through an exhaust air turbine 11 again from the fuel cell 3 or the cathode area 4 , In the exhaust air turbine 11 a part of the pressure energy and the thermal energy in the exhaust air is recovered. The exhaust air turbine 11 is together with the air conveyor 10 as well as an electric machine 12 arranged on a common shaft. This structure is well known in the art and is also referred to as an electric turbocharger or engine-assisted turbocharger.

Dem Anodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff in dem hier dargestellten Beispiel aus einem Druckgasspeicher 13 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 14 zugeführt. Nicht verbrauchter Restwasserstoff gelangt aus dem System. Er könnte genauso gut im Kreislauf zurückgeführt oder zur Verdünnung in die Abluft eingeleitet werden. Als dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und dem Fachmann ohnehin geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.The anode area 5 the fuel cell 3 In the example shown here, hydrogen becomes from a compressed gas storage 13 via a pressure regulating and dosing unit 14 fed. Unused residual hydrogen escapes from the system. It could just as well be recirculated or introduced into the exhaust air for dilution. As this is of minor importance to the present invention and the skilled artisan anyway, so it need not be discussed further here.

Das Fahrzeug 1 mit dem Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem einen Kühlkreislauf 15 auf, in welchem ein flüssiges Kühlmedium über eine Kühlmedienfördereinrichtung 16 umgepumpt wird, wie es zur Kühlung von Brennstoffzellen 3 allgemein bekannt und üblich ist. Der Kühlkreislauf 15 umfasst neben der Kühlmedienfördereinrichtung 16 außerdem einen Kühler 17, über welchen das Kühlmedium durch Fahrtwind abgekühlt wird. Zur Beeinflussung der Temperatur und, um im Kaltstartfall das Kühlmedium nicht durch den Kühler 17 leiten zu müssen, ist ein schaltbarer Bypass 18 vorgesehen. All dies ist dem Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.The vehicle 1 with the fuel cell system 2 also has a cooling circuit 15 in which a liquid cooling medium via a cooling medium conveying device 16 is pumped, as it is for cooling of fuel cells 3 generally known and customary. The cooling circuit 15 includes in addition to the cooling media conveyor 16 also a cooler 17 , via which the cooling medium is cooled by wind. For influencing the temperature and, in case of cold start, the cooling medium not through the radiator 17 To conduct is a switchable bypass 18 intended. All this is familiar to the expert, so it need not be discussed further here.

Anstelle des Kühlkreislaufs 15 in der Darstellung der 1 tritt nun bei dem Fahrzeug 1 eine in 2 näher dargestellte mit 20 bezeichnete Kühlvorrichtung, welche eine sehr effizientere Abkühlung der Brennstoffzelle 3 ermöglicht, als es über das flüssige Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 15 beim Aufbau gemäß dem Stand der Technik möglich ist.Instead of the cooling circuit 15 in the presentation of the 1 now step on the vehicle 1 one in 2 detailed with 20 designated cooling device, which is a very efficient cooling of the fuel cell 3 allows, as it does about the liquid cooling medium in the cooling circuit 15 in the structure according to the prior art is possible.

Anstelle eines Wasser-Frostschutz-Gemischs als Kühlmedium, so wie im Kühlkreislauf 15 der 1, wird bei der Kühlvorrichtung 20 ein Kühlmittel eingesetzt, welches typischerweise als organisches oder anorganisches Arbeitsmittel konzipiert ist, und welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 und dem in der Kühlvorrichtung 20 herrschenden Druck verdampft. In der Darstellung der 2 ist ein Ausgleichsbehälter 21 zu erkennen, welcher gleichzeitig den Vorratsbehälter für das flüssige Kühlmittel bildet. Über eine Förderpumpe 22 wird das flüssige Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter 21 als Vorratstank in den Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 gefördert. In dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 kommt es zu einem Verdampfen des zuvor flüssigen Kühlmittels, welches seine Siedetemperatur im Bereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 hat. Das dann verdampfte Kühlmittel gelangt zurück in den Ausgleichsbehälter 21, welcher zusätzlich die Aufgabe eines Flüssigkeitsabscheiders übernimmt. Von dort strömt das verdampfte Kühlmittel über ein Druckregelventil 23 zum Einstellen des Siededrucks zu einer Expansionsmaschine 24, in diesem Fall einer Turbine. Nach der Turbine 24 ist das immer noch dampfförmige Kühlmittel entspannt. Es strömt dann durch einen Wärmetauscher 25, welcher einerseits von dem Kühlmittel nach der Turbine 24 und andererseits von dem Kühlmittel nach einem Kondensator bzw. Kühler 26 durchströmt wird. Hierdurch wird das auskondensierte wieder flüssige Kühlmittel nach dem Kondensator 26 noch weiter heruntergekühlt, während in dem Wärmetauscher 25 gleichzeitig das nach der Expansion in der Turbine 24 abgekühlte Kühlmittel, welches hier immer noch dampfförmig ist, weiter erwärmt wird. In Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher folgt für das dampfförmige Kühlmittel ein Verdichter 27, vorzugsweise in Form eines Strömungsverdichters. Der Verdichter 27 verdichtet das gasförmige, in dem Wärmetauscher 25 erwärmte Kühlmittel, und erhitzt es damit noch weiter. Das dampfförmige Kühlmittel hat damit eine vergleichsweise hohe Temperatur, wenn es in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 27 in den Kondensator 26 strömt. Der typischerweise von der Umgebungsluft analog zum Kühler in 1 gekühlte Kondensator 26 ist nun außerordentlich effizient in der Abkühlung und kann auf kleiner Fläche eine hohe Kühlleistung übertragen. Dies liegt daran, dass die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels beim Eintritt in den Kondensator 26 entsprechend hoch ist. Da die treibende Kraft zur Übertragung der Kühlleistung die Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kondensator 26 eintretenden Kühlmittel einerseits und der Umgebungsluft andererseits ist, lässt sich durch den beschriebenen Aufbau eine sehr hohe Temperaturdifferenz und damit eine sehr effiziente Abkühlung des Kühlmittels im Kondensator 26 erreichen. Wie bereits erwähnt strömt das in dem Kondensator 26 verflüssigte Kühlmittel dann durch den Wärmetauscher 25, wo es noch weiter abgekühlt wird. Über eine Speisepumpe 28 wird das flüssige Kühlmittel dann über ein Rückschlagventil 29 zurück in den Ausgleichsbehälter 21 gefördert und kann über die Förderpumpe 22 wieder zur Kühlung des Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 genutzt werden.Instead of a water-antifreeze mixture as a cooling medium, as in the cooling circuit 15 of the 1 , gets at the cooler 20 used a coolant which is typically designed as an organic or inorganic working fluid, and which at the operating temperature of the fuel cell 3 and in the cooler 20 prevailing pressure evaporates. In the presentation of the 2 is a surge tank 21 to recognize which simultaneously forms the reservoir for the liquid coolant. About a pump 22 the liquid coolant gets out of the surge tank 21 as a storage tank in the cooling heat exchanger 6 in the fuel cell 3 promoted. In the cooling heat exchanger 6 the fuel cell 3 There is an evaporation of the previously liquid coolant, which is its boiling temperature in the range of the operating temperature of the fuel cell 3 Has. The then evaporated coolant returns to the expansion tank 21 , which additionally takes over the task of a liquid separator. From there, the vaporized coolant flows over Pressure control valve 23 for adjusting the boiling pressure to an expansion machine 24 , in this case a turbine. After the turbine 24 is the still vapor refrigerant relaxed. It then flows through a heat exchanger 25 , which on the one hand from the coolant to the turbine 24 and on the other hand from the coolant to a condenser or cooler 26 is flowed through. As a result, the condensed again liquid coolant to the condenser 26 even further cooled down while in the heat exchanger 25 at the same time after the expansion in the turbine 24 cooled coolant, which is still vaporous here, is further heated. In the flow direction after the heat exchanger follows for the vapor refrigerant, a compressor 27 , preferably in the form of a flow compressor. The compressor 27 compresses the gaseous, in the heat exchanger 25 heated coolant, and heated it even further. The vaporous coolant thus has a comparatively high temperature when it is in the flow direction downstream of the compressor 27 in the condenser 26 flows. The typical of the ambient air analogous to the radiator in 1 cooled condenser 26 is now extremely efficient in cooling and can transmit a high cooling capacity in a small area. This is because the temperature of the gaseous coolant entering the condenser 26 is correspondingly high. As the driving force to transfer the cooling power the temperature difference between the in the condenser 26 entering coolant on the one hand and the ambient air on the other hand, can be described by the construction of a very high temperature difference and thus a very efficient cooling of the coolant in the condenser 26 to reach. As already mentioned, this flows in the condenser 26 liquefied coolant then through the heat exchanger 25 where it is cooled even further. About a feed pump 28 The liquid coolant is then passed through a check valve 29 back to the expansion tank 21 promoted and can via the feed pump 22 again for cooling the cooling heat exchanger 6 in the fuel cell 3 be used.

Als Kühlmittel für die Verdampfungskühlung kann dabei ein Kühlmittel eingesetzt werden, welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 verdampft, sodass in dem Kühlwärmetauscher 6 eine Kühlung durch Strömungssieden des Kühlmittels stattfindet. Als Kühlmittel wäre beispielsweise Methanol denkbar.As a coolant for the evaporative cooling, a coolant can be used, which at the operating temperature of the fuel cell 3 evaporates, so in the cooling heat exchanger 6 cooling by flow boiling of the coolant takes place. As a coolant, for example, methanol would be conceivable.

Durch das Druckregelventil 23 kann die Temperatur in dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3, und damit letztlich also die Temperatur der Brennstoffzelle 3 selbst, durch eine einfache Druckregelung eingestellt werden. Das Druckregelventil 23 kann dabei vorzugsweise als einfaches und zuverlässig arbeitendes selbstregelndes Überdruckventil ausgebildet sein. Über den Volumenstrom, welcher durch die Förderpumpe 22 gefördert wird, lässt sich dann die Temperaturdifferenz zwischen dem in die Brennstoffzelle 3 bzw. den Kühlwärmetauscher 6 einströmenden und aus diesem abströmenden Kühlmittel einstellen.Through the pressure control valve 23 can the temperature in the cooling heat exchanger 6 the fuel cell 3 , and thus ultimately the temperature of the fuel cell 3 itself, can be adjusted by a simple pressure control. The pressure control valve 23 can preferably be designed as a simple and reliable self-regulating pressure relief valve. About the volume flow, which through the feed pump 22 is promoted, then can be the temperature difference between the in the fuel cell 3 or the cooling heat exchanger 6 adjust incoming and out of this coolant.

Der Ausgleichsbehälter 21 dient nicht nur als Ausgleichs- und Vorratsbehälter für das flüssige Kühlmedium, sondern auch um die Volumenänderung beim Sieden auszugleichen, und flüssiges Kühlmittel abzuscheiden, sodass lediglich dampfförmiges Kühlmittel zur Turbine 24 gelangt. Hierdurch ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Turbine 24, ohne die Gefahr einer Schädigung derselben, möglich.The expansion tank 21 Not only serves as a reservoir for the liquid cooling medium, but also to compensate for the volume change during boiling, and to separate liquid coolant, so that only vaporous coolant to the turbine 24 arrives. This is a safe and reliable operation of the turbine 24 without the risk of damaging them.

Der beim Verdampfen und Kondensieren des Kühlmittels in der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 20 stattfindende Kreisprozess lässt sich dabei anhand des Temperatur-Entropie (T-s) Diagramms in der Darstellung der 3 näher erläutern. Nach dem Austritt des Kühlmittels aus dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und der Separation der flüssigen Phase in dem Ausgleichsbehälter 21 entspannt sich der auf dem Temperaturniveau T₁ befindliche Kühlmitteldampf, sodass es zu einem Übergang von dem Punkt I zu dem Punkt II im Diagramm kommt. Diese Punkte sind zur Verdeutlichung auch in 2 eingetragen. In dem Wärmetauscher 25 wird dann mit dem Rücklauf des Kondensators 26 als Wärmequelle eine Zwischenüberhitzung des gasförmigen bzw. dampfförmigen Kühlmittels vorgenommen. Der Zustand ändert sich entsprechend von II nach III im Diagramm der 3. Anschließend erfolgt eine Kompression bzw. ein Verdichten in dem Verdichter 27, welcher von der Turbine 24 angetrieben wird. Durch dieses Verdichten erfolgt eine Temperaturerhöhung auf die Temperatur T₄ vom Punkt III zum Punkt IV im Diagramm. Bei der Kondensation des dampfförmigen Kühlmittels im Kondensator 26 gelangt man dann vom Zustand IV zu dem mit V bezeichneten Zustand. Anschließend erfolgt noch eine Unterkühlung des jetzt verflüssigten Kühlmittels in dem Wärmetauscher 25, sodass sich der Zustand von dem Punkt V zum Punkt VI ändert. Anschließend erfolgt die Rückführung des kondensierten flüssigen Kühlmittels über die Speisepumpe 28 in den Verdampfungskreislauf des Kühlwärmetauschers 6 der Brennstoffzelle 3 und somit ein Zustandsänderung vom Punkt VI zum Punkt VII. Bei der Verdampfungskühlung des Kühlwärmetauschers 6 über Strömungssieden ändert sich der Zustand dann wieder vom Punkt VII zum Punkt I und der Kreislaufprozess beginnt von neuem.The evaporation and condensation of the coolant in the cooling device described above 20 The cyclic process that takes place can be determined from the temperature-entropy (Ts) diagram in the representation of the 3 explain in more detail. After the exit of the coolant from the cooling heat exchanger 6 the fuel cell 3 and the separation of the liquid phase in the surge tank 21 relaxes the coolant at the temperature level T ₁ located coolant vapor, so there is a transition from the point I to the point II in the diagram. These points are also for clarity in 2 entered. In the heat exchanger 25 is then connected to the return of the capacitor 26 as a heat source reheating the gaseous or vapor refrigerant made. The condition changes accordingly from II to III in the diagram of 3 , Subsequently, a compression or compression takes place in the compressor 27 , which from the turbine 24 is driven. By this compression takes place a temperature increase to the temperature T ₄ from point III to point IV in the diagram. In the condensation of the vaporous refrigerant in the condenser 26 one then passes from state IV to the state indicated by V. Subsequently, there is still a subcooling of the now liquefied coolant in the heat exchanger 25 so that the state changes from the point V to the point VI. Subsequently, the return of the condensed liquid coolant via the feed pump 28 in the evaporation circuit of the cooling heat exchanger 6 the fuel cell 3 and thus a change of state from point VI to point VII. In the evaporative cooling of the cooling heat exchanger 6 via flow boiling, the state then changes again from point VII to point I and the cycle process begins again.

In der Darstellung der 3 ist dabei sehr deutlich zu erkennen, dass durch die Verdichtung bzw. Zwischenkompression eine Temperaturerhöhung um ΔT von T₁ nach T₄ erreicht wird. Die Temperatur beim Eintritt in den Kondensator 26 ist also die Temperatur T₄ und damit entsprechend höher als die Temperatur T₁ bei einer reinen Verdampfungskühlung ohne den zwischengeschalteten Verdichter, oder analog hierzu bei einer Flüssigkeitskühlung. Hierdurch wird eine verbesserte Abkühlung in dem Kondensator 26 erreicht, sodass dieser bei gleicher Kühlleistung entsprechend kleiner ausgestaltet oder bei gleicher Größe eine sehr viel höhere Kühlleistung bereitstellen kann.In the presentation of the 3 It can be seen very clearly that the compression or intermediate compression increases the temperature by ΔT from T ₁ to T ₄ . The temperature when entering the condenser 26 So is the temperature T ₄ and thus correspondingly higher than the temperature T ₁ at a pure Evaporative cooling without the intermediate compressor, or analogous to a liquid cooling. This will provide improved cooling in the condenser 26 achieved so that it can be configured correspondingly smaller with the same cooling capacity or at the same size can provide a much higher cooling capacity.

Ein weiterer Vorteil, welcher auch ohne die Zwischenkompression erzielt werden könnte, welcher also auch bei einer reinen Verdampfungskühlung möglich ist, liegt darin, dass der Wärmedurchgangskoeffizient κ bei einer Verdampfungskühlung, sich insbesondere beim Strömungssieden entsprechend erhöht. In der Darstellung der Figur ist in einem Diagramm der Wärmedurchgangskoeffizient k in [W/m²·K] in Abhängigkeit des sogenannten inneren Wärmeübergangskoeffizienten α_i in [W/m²·K] dargestellt. Der vordere Bereich zeigt die Flüssigkeitskühlung beispielsweise mit Kühlwasser, wobei der mit A bezeichnete Punkt ruhendes Kühlwasser bezeichnet, während der mit B bezeichnete Punkt eine turbulente Kühlwasserströmung beschreibt. Die Wasserkühlung befindet sich also bei ihrem möglichen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen diesen beiden inneren Wärmeübergangskoeffizienten α_i, bei A und B, sodass ein Wärmedurchgangskoeffizient κ erzielt werden kann, welcher der entsprechend durchgezogenen Linie im Bereich zwischen den Punkten A und B entspricht. Er liegt demnach in etwa zwischen 150 und 900 W/m²·K.Another advantage, which could also be achieved without the intermediate compression, which is therefore also possible with pure evaporative cooling, is that the heat transfer coefficient κ increases correspondingly in evaporative cooling, in particular during flow boiling. In the illustration of the figure, the heat transfer coefficient k in [W / m ² .K] as a function of the so-called internal heat transfer coefficient α _i in [W / m ² .K] is shown in a diagram. The front area shows the liquid cooling, for example, with cooling water, wherein the point designated A denotes quiescent cooling water, while the point designated B describes a turbulent flow of cooling water. The water cooling is thus at its possible heat transfer coefficient between these two internal heat transfer coefficients α _i , at A and B, so that a heat transfer coefficient κ can be achieved, which corresponds to the corresponding solid line in the region between the points A and B. It is therefore approximately between 150 and 900 W / m ² · K.

Mit C ist der innere Wärmeübergangskoeffizient α₁ für Behältersieden bei freier Konvektion dargestellt, mit dem Punkt D strömt das Strömungssieden in einem senkrecht verlaufenden Rohr. Wiederum zeigt die Kurve den Wärmedurchgangskoeffizienten κ an. Die Werte liegen für die Verdampfungskühlung in jedem Fall oberhalb von 960 W/m²·K und damit in jedem Fall höher als bei einer Kühlung mit Kühlwasser. Alleine hierdurch wird schon der Wärmeübergang verbessert, sodass bereits eine geringere Wandtemperatur der Wandung in dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 ausreicht, um einen guten Wärmeübergang von der Brennstoffzelle 3 auf das Kühlmittel zu erzielen. Hierdurch lassen sich niedrigere und gleichmäßigere Bauteiltemperaturen bzw. eine höhere Kühlleistung realisieren, sodass zusätzlich zu den durch die Verdichtung in der Kühlvorrichtung 20 gemäß 2 zu erzielenden Vorteilen auch durch den alleinigen Einsatz der Verdampfungskühlung im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung bereits ein entsprechender Vorteil hinsichtlich der Bauteiltemperatur bzw. der zu erzielenden Kühlleistung möglich ist.C represents the internal heat transfer coefficient α ₁ for free-convection vessel boiling, and the point D flows boiling in a vertical pipe. Again, the curve indicates the heat transfer coefficient κ. In any case, the values for evaporative cooling are above 960 W / m ² · K, and in any case higher than for cooling with cooling water. Alone, this already improves the heat transfer, so that even a lower wall temperature of the wall in the cooling heat exchanger 6 the fuel cell 3 sufficient for a good heat transfer from the fuel cell 3 to achieve the coolant. As a result, lower and more uniform component temperatures or a higher cooling capacity can be realized, so that in addition to the compaction in the cooling device 20 according to 2 To achieve advantages even by the sole use of evaporative cooling in comparison to the liquid cooling already a corresponding advantage in terms of component temperature or the cooling power to be achieved is possible.

Alles in allem erlaubt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 20 damit, insbesondere in der bevorzugten Ausführungsvariante, welche in der Darstellung der 2 näher erläutert ist, eine sehr effiziente Kühlung mit hoher Kühlleistung bei entsprechend geringem Aufwand hinsichtlich des Bauraums und hinsichtlich des eingesetzten Kühlmittels. Zusätzlich ist durch die geeignete Wahl eines Kühlmittels ein sehr hoher elektrischer Isolationswiderstand durch das Kühlmittel ohne zusätzliche Maßnahmen zu realisieren. Zusammen mit dem Vorteil einer geringen Menge an Kühlmittel und damit einer sehr guten Kaltstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems 2 prädestiniert dies die Kühlvorrichtung 20 für den Einsatz in dem Fahrzeug 1. Ungeachtet dessen kann diese selbstverständlich auch in stationären Systemen Verwendung finden.All in all, the cooling device according to the invention allows 20 thus, in particular in the preferred embodiment, which in the representation of 2 is explained in more detail, a very efficient cooling with high cooling capacity at a correspondingly low cost in terms of space and in terms of the coolant used. In addition, a very high electrical insulation resistance can be realized by the coolant without additional measures by the appropriate choice of a coolant. Together with the advantage of a small amount of coolant and thus a very good cold start capability of the fuel cell system 2 this predestines the cooling device 20 for use in the vehicle 1 , Regardless, this can of course also be used in stationary systems.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004063304 A1 [0004]

Claims

Cooling device ( 20 ) for a fuel cell ( 3 ) with a in the fuel cell ( 3 ) integrated cooling heat exchanger ( 6 ) and with a coolant evaporating and condensing in a coolant circuit, characterized in that the coolant in the cooling heat exchanger ( 6 ) of the fuel cell ( 3 ) evaporates.

Cooling device ( 20 ) according to claim 1, characterized in that in the flow direction of the coolant after the cooling heat exchanger ( 6 ) an expansion machine ( 24 ) is provided for relaxing the vaporous coolant.

Cooling device ( 20 ) according to claim 2, characterized in that in the flow direction of the coolant after the expansion machine ( 24 ) a heat exchanger ( 25 ) is provided for heating the expanded vapor refrigerant.

Cooling device ( 20 ) according to claim 3, characterized in that in the flow direction of the coolant after the heat exchanger ( 25 ) a compressor ( 27 ) is arranged for the vapor refrigerant.

Cooling device ( 20 ) according to claim 4, characterized in that the compressor ( 27 ) and the expansion machine ( 24 ) are in mechanical operative connection with one another.

Cooling device ( 20 ) according to claim 5, characterized in that the compressor ( 27 ) and the expansion machine ( 24 ) are designed together as a free-running turbocharger.

Cooling device ( 20 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that in the flow direction of the coolant after the compressor ( 27 ) a capacitor ( 26 ) is arranged for the vapor refrigerant.

Cooling device ( 20 ) according to claim 7, characterized in that the heat exchanger ( 25 ) of the expanded vaporous refrigerant on the one hand and in the condenser ( 26 ) liquefied coolant on the other hand flows through.

Cooling device ( 20 ) according to one of claims 2 to 8, characterized in that the evaporated coolant after the cooling heat exchanger ( 6 ) via an expansion tank ( 21 ) to the expansion machine ( 24 ) flows.

Cooling device ( 20 ) according to claim 9, characterized in that a feed pump ( 22 ) in the flow direction of the liquid coolant between the surge tank ( 21 ) and the cooling heat exchanger ( 6 ) is provided.

Cooling device ( 20 ) according to claim 9 or 10, characterized in that a feed pump ( 28 ) in the flow direction of the condensed liquid coolant between the condenser ( 26 ) and the expansion tank ( 21 ) is arranged.

Cooling device ( 20 ) according to one of claims 9 to 11, characterized in that the vaporous coolant via the surge tank ( 21 ) from the cooling heat exchanger ( 6 ) to the expansion machine ( 24 ) flows.

Cooling device ( 20 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that in the flow direction of the evaporated coolant after the cooling heat exchanger ( 6 ) a pressure-maintaining valve ( 23 ) is arranged.