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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem
Temperaturregler zur Regulierung einer Temperatur einer Brennstoffzelle und
insbesondere betrifft sie ein Brennstoffzellensystem mit einem Temperaturregler,
der in der Lage ist, die Temperatur einer Brennstoffzelle zu regeln
oder zu steuern, wobei die Hitze- oder Wärmeabstrahlung der Brennstoffzelle
verwendet wird.
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Bei
einem Temperaturregler für
eine Brennstoffzelle des genannten Typs, wie er im Stand der Technik
vorgeschlagen ist, ist ein Kühlsystem
für die Brennstoffzelle
mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, welche Hitze- oder Wärmeabstrahlung
der Brennstoffzelle verwendet, sowie mit einem Brenner zum Erwärmen oder
Erhitzen eines Wärmetauschermediums
im Kühlsystem
(siehe beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung
Nr. HEI 6-260196).
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Dieser
Regulator oder Regler hat einen Zirkulationskreislauf oder geschlossenen
Kreislauf, durch welchen das Wärmetauschermedium über die Brennstoffzelle,
die Heizvorrichtung und den Brenner zirkuliert. Wenn die Brennstoffzelle
im normalen Betrieb ist, kann die von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zur
Heizung herangezogen werden. Beim Anlassen oder Starten der Brennstoffzelle
kann dieser Regler die Brennstoffzelle durch Erhitzen des Wärmetauschermediums über den
Brenner erwärmen.
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Dieser
Regler hat jedoch ein Problem dahingehend, dass die Heizvorrichtung
nicht in der Lage sein kann, einen ausreichenden Erwärmungseffekt zu
bewirken, selbst wenn die Brennstoffzelle angelassen worden ist
und in Betrieb ist. Das Wärmetauschermedium,
welches von dem Brenner erwärmt wird,
wird zunächst
der Brennstoffzelle zugeführt. Wenn
so mit die Brennstoffzelle betriebsbereit ist, jedoch nicht im normalen
Betrieb ist, ist die der Heizvorrichtung zugeführte Wärmemenge unzureichend. Weiterhin
hat dieser Regler ein Problem insofern, als die Heizvorrichtung
nicht in der Lage ist, ausreichend zu wirken, wenn die für die Heizvorrichtung
notwendige Hitze- oder Wärmemenge
grösser
als die von der Brennstoffzelle erzeugte Hitze- oder Wärmemenge
ist. Der Brenner kann dann dazu verwendet werden, das Wärmetauschermedium
zum Zwecke der Erzeugung der notwendigen Wärme- oder Hitzemenge zu erhitzen.
Wenn jedoch die Brennstoffzelle im normalen Betrieb ist, kann das
Wärmetauschermedium
aufgrund der Notwendigkeit, die Brennstoffzelle herunterzukühlen, nicht
erhitzt werden.
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Die
DE 43 27 261 C1 beschreibt
ein Brennstoffzellensystem mit einem Temperaturregler nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Weder eine Heizvorrichtung noch ein Strömungsrichtungsschaltmechanismus
zum Schalten der Strömungsrichtung
zwischen einer normalen Richtung und einer umgekehrten Richtung
ist beschrieben.
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Von
daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
zu schaffen, das in der Lage ist, die Brennstoffzelle während des Startvorgangs
rasch zu erhitzen, in der Lage ist, die Temperatur der Brennstoffzelle
während
des Betriebs innerhalb eines geeigneten Betriebstemperaturbereiches
festzulegen oder zu begrenzen und in der Lage ist, einen Wärme- oder
Hitzemangel zu beseitigen oder auszugleichen, indem die von der
Brennstoffzelle erzeugte Wärme
effektiv ausgenutzt wird.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe weist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 weiterhin dessen kennzeichnende Merkmale auf.
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Gemäss einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Brennstoffzellensystem
mit einem Tempera turregler zum Regeln der Temperatur einer Brennstoffzelle
geschaffen, mit: einem geschlossenen Kreislauf, durch welchen ein Wärmetauschermedium,
welches Wärmetausch
mit der Brennstoffzelle durchführt
zirkuliert; einer Mediumumwälzvorrichtung
zum Umwälzen
des Wärmetauschermediums
durch den geschlossenen Kreislauf entweder in normaler Richtung
oder umgekehrter Richtung; einer Kühlvorrichtung in dem geschlossenen
Kreislauf; einer Kühlbypassvorrichtung
zum Umschalten des geschlossenen Kreislaufes derart, dass das Wärmetauschermedium
die Kühlvorrichtung
umgeht; einer Wärmeverwendungsvorrichtung in
dem geschlossenen Kreislauf zur Durchführung von Arbeit unter Verwendung
von Wärme
aus dem Wärmetauschermedium;
einer Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
zum Schalten des geschlossenen Kreislaufes derart, dass das Wärmetauschermedium die
Wärmeverwendungsvorrichtung
umgeht; und einer Heizvorrichtung, welche benachbart der Brennstoffzelle
in dem geschlossenen Kreislauf angeordnet ist, und in der Lage ist,
das Wärmetauschermedium
aufzuheizen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung kann der Kühl-Bypass
oder die Kühlbypassvorrichtung
die Kühlvorrichtung
entweder in den Kreislauf schalten oder die Kühlvorrichtung umgehen und der
Wärmeverwendungsbypass
oder die Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
kann entweder die Wärmeverwendungsvorrichtung
in den Kreislauf schalten oder die Wärmeverwendungsvorrichtung umgehen.
Infolgedessen ist es möglich,
die Temperatur der Brennstoffzelle zu regeln oder zu steuern und
die Wärmeabstrahlung
der Brennstoffzelle zu verwenden. Da weiterhin das Wärmetauschermedium
erwärmt
werden kann, ist es möglich,
die Brennstoffzelle zu erwärmen
oder eine Wärmemenge
zuzuführen,
die von der Wärmeverwendungsvorrichtung
benötigt
wird.
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Das
Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung kann eine Zustandserken nungsvorrichtung beinhalten, um einen
Zustand der Brennstoffzelle zu erkennen, wobei eine Steuervorrichtung
die Mediumumwälzvorrichtung,
die Kühlbypassvorrichtung,
die Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
und die Heizvorrichtung auf der Grundlage des von der Zustandserkennungsvorrichtung
erkannten Zustandes steuert. Hierdurch kann die Brennstoffzelle
in einem gewünschten
Zustand gehalten werden.
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Wenn
bei dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung die Zustandserkennungsvorrichtung und die Steuervorrichtung
vorgesehen sind, kann die Steuervorrichtung die Kühlbypassvorrichtung
und die Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
derart steuern, dass der Kreislauf die Kühlvorrichtung und die Wärmeverwendungsvorrichtung
quasi ausklammert, wenn die Zustandserkennungsvorrichtung den Startzustand
der Brennstoffzelle erkennt und die Steuervorrichtung kann die Erwärmungsvorrichtung
derart steuern, dass das Wärmetauschermedium
erwärmt wird,
um die Mediumumwälzvorrichtung
so zu steuern, dass das Wärmetauschermedium
durch den Kreislauf aufgrund der entsprechenden Anforderung seitens
der Heizvorrichtung und der Brennstoffzelle zirkuliert. Hierdurch
kann die Brennstoffzelle rasch erwärmt werden.
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Wenn
weiterhin bei dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler
gemäss
der vorliegenden Erfindung die Zustandserkennungsvorrichtung und
die Steuervorrichtung vorgesehen sind, kann die Steuervorrichtung
die Kühlbypassvorrichtung
und die Wärmeverwendungsvorrichtung
derart steuern, dass die Kühlvorrichtung
und/oder die Wärmeverwendungsvorrichtung
in den Kreislauf geschaltet werden, wenn die Zustandserkennungsvorrichtung
einen Betriebszustand der Brennstoffzelle erkennt und die Steuervorrichtung
kann die Mediumumwälzvorrichtung
so steuern, dass das Wärmetauschermedium
durch den Kreislauf entsprechend der jeweiligen Anforderung der
Brennstoffzelle, der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung und/oder der Wärmeverwendungsvorrichtung zirkuliert.
Bei dieser Konstruktion kann die Brennstoffzelle gekühlt werden und
es ist möglich,
Wärme zuzuführen, wenn
die Wärmemenge,
die für
die Wärmeverwendungsvorrichtung
notwendig ist, unzureichend ist.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung kann die Zustandserkennungsvorrichtung mit einer Temperaturerkennungsvorrichtung
ausgestattet sein, um eine Temperatur der Brennstoffzelle zu erkennen
und die Steuervorrichtung kann die Mediumumwälzvorrichtung, die Kühlbypassvorrichtung, die
Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
und die Heizvorrichtung so steuern, dass die von der Temperaturerkennungsvorrichtung
erkannte Temperatur innerhab eines bestimmten Temperaturbereiches
beschränkt
wird. Mit dieser Konstruktion kann die Brennstoffzelle innerhalb
eines bestimmten Temperaturbereiches betrieben werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Brennstoffzelle innerhalb eines bestimmten
Temperaturbereiches betrieben wird, kann eine Erkennungsvorrichtung
für den
Wärmeverwendungszustand
zur Erkennung eines Zustandes oder Betriebszustandes der Wärmeverwendungsvorrichtung
vorgesehen sein und die Steuervorrichtung kann die Kühlbypassvorrichtung,
die Wärmeverwendungsbypassvorrichtung
und die Heizvorrichtung auf der Grundlage des Betriebszustandes
der Wärmeverwendungsvorrichtung
steuern, wie er von der Erkennungsvorrichtung für den Wärmeverwendungszustand erkannt
wird. Bei dieser Konstruktion kann die Wärmeverwendungsvorrichtung innerhalb
eines gewünschten
oder bestimmten Betriebszustandes gehalten werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Erkennungsvorrichtung für den Wärmeverwendungszustand vorgesehen
ist, kann die Steuervorrichtung die Wärmeverwendungsbypassvor richtung
so steuern, dass die Wärmeverwendungsvorrichtung
in den Kreislauf geschaltet wird, wenn die Erkennungsvorrichtung
für den
Wärmeverwendungszustand
einen Zustand erkennt, in welchem die Wärmeverwendungsvorrichtung Wärme verbraucht
oder verwendet. Mit dieser Konstruktion kann die Wärmeverwendungsvorrichtung
die Wärme effektiv
ausnutzen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Wärmeverwendungsvorrichtung
in den Kreislauf geschaltet ist, kann die Wärmeverwendungsvorrichtung mit
einer Informationserkennungsvorrichtung versehen sein, um Informationen
hinsichtlich irgendeines Überschusses
oder Mangels an benötigter
Wärmemenge
zu erkennen und die Steuervorrichtung kann die Heizvorrichtung und
die Kühlbypassvorrichtung
auf der Grundlage der Informationen steuern, welche von der Informationserkennungsvorrichtung
erkannt worden ist. Hierdurch kann die Wärmeverwendungsvorrichtung jeweils
passend betrieben werden oder funktionieren.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Wärmeverwendungsvorrichtung mit
der Informationerkennungsvorrichtung versehen ist, kann die Steuervorrichtung
die Heizvorrichtung so steuern, dass das Wärmetauschermedium erwärmt wird,
wenn die Informationserkennungsvorrichtung Informationen hinsichtlich
eines Mangels der benötigten
Wärmemenge
erkennt. Hierdurch ist es möglich,
die benötigte
Wärmemenge
zusätzlich
zuzuführen.
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Weiterhin
kann bei dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Wärmeverwendungsvorrichtung
mit der Informationserkennungsvorrichtung versehen ist, die Steuervorrichtung
die Heizvorrichtung so steuern, dass das Wärmetauschermedium nicht erwärmt wird,
wenn die Informationserkennungsvorrichtung eine Information hinsichtlich
eines Überschusses
der benötigten
Wärmemenge
erkennt. Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Zufuhr einer zu
hohen Wärmemenge
zu verhindern. Bei dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss dieses
Aspektes der vorliegenden Erfindung kann die Steuervorrichtung die
Kühlbypassvorrichtung
so steuern, dass die Kühlvorrichtung
in den Kreislauf geschaltet wird, wenn die Informationserkennungsvorrichtung
Informationen bezüglich
eines Überschusses
der benötigten
Wärmemenge
erkennt, obgleich die Wärmevorrichtung
so gesteuert wird, dass sie das Wärmetauschermedium nicht erwärmt. Mit
dieser Konstruktion ist es möglich,
dass die Wärmeverwendungsvorrichtung
Wärme geeignet
verwenden kann.
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Weiterhin
kann bei dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss dieses
Aspektes der vorliegenden Erfindung die Steuervorrichtung die Kühlbypassvorrichtung
so steuern, dass der Kreislauf die Kühlvorrichtung vor dem Erwärmen des Wärmetauschermediums
mittels der Heizvorrichtung ausschaltet oder in einen Bypass legt,
wenn die Informationserkennungsvorrichtung Informationen bezüglich eines
Mangels der benötigten
Wärmemenge erkennt,
wobei die Kühlbypassvorrichtung
so gesteuert wird, dass die Kühlvorrichtung
in den Kreislauf geschaltet wird. Mit dieser Konstruktion ist es
möglich, die
Wärme effizient
auszunutzen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem mit dem Temperaturregler gemäss der vorliegenden
Erfindung kann die Wärmeverwendungsvorrichtung
eine Heizvorrichtung sein, welche einen Erwärmungs- oder Heizvorgang durch
Wärmetausch
mit dem Wärmetauschermedium
durchführt.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 schematisch
den Aufbau ein Brennstoffzellensystem mit einem Temperaturregler
gemäss
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung des
Programmablaufes zum Startzeitpunkt, wobei dieser Programmablauf
von einer elektronischen Steuereinheit durchgeführt wird, wenn die Brennstoffzelle
gestartet oder angelassen wird;
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3 schematisch
den Aufbau eines Aufheizkreises, in welchem ein Wärmetauschermedium fliesst;
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4 eine 3 entsprechende
Darstellung, wie das Wärmetauschermedium
fliesst, wenn ein Kühlkreis
gebildet wird,
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5 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung des
Programmablaufes während
der Aufheizzeit, wobei der Programmablauf von der elektronischen Steuereinheit
der Ausführungsform
durchgeführt wird,
wenn eine Heizvorrichtung betrieben wird;
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6 schematisch
den Aufbau, wie das Wärmetauschermedium
fliesst, wenn die Heizvorrichtung betrieben wird; und
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7 eine 6 entsprechende
Darstellung, wie das Wärmetauschermedium
fliesst, wenn die Heizvorrichtung weniger Hitze benötigt oder
anfordert.
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Eine
Möglichkeit,
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu realisieren, wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt
schematisch ein Brennstoffzellensystem 20 mit einer Brennstoffzelle 10 (nachfolgend
mit "BS-Zelle" bezeichnet) gemäss einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Temperaturregler für das Brennstoffzellensy stem 20 dieser
Ausführungsform
ist dafür
ausgelegt, die Temperatur der BS-Zelle 10 zu regeln oder
zu steuern. Gemäss 1 weist
das Brennstoffzellensystem 20 eine Kreislaufleitung 22 auf,
die den Kreis für
ein Wärmetauschermedium,
beispielsweise Wasser zusammen mit einem Wärmetauscherabschnitt 23 für einen
Wärmeaustausch
mit der BS-Zelle 10, einer Umwälzpumpe 24 zum Umwälzen des
Wärmetauschermediums
durch die Kreislaufleitung 22, einem Strömungsrichtungsschaltmechanismus 26 zum
Umschaltung der Strömungsrichtung
des Wärmetauschermediums
in der Kreislaufleitung 22, einem Radiator 40 zum
Abkühlen
des Wärmetauschermediums
mittels Aussenluft, einem Heizer 50 zum Erwärmen oder
Erhitzen des Wärmetauschermediums,
einer Heizvorrichtung 60 zum Erwärmen des Fahrgastraumes unter
Verwendung von Wärme
des Wärmetauschermediums
und einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 70 zur Steuerung
des gesamten Reglers 20 bildet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die BS-Zelle 10 als Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ausgelegt,
bestehend aus einer Mehrzahl von laminierten einzelnen Zellen, welche
einen protonenleitfähigen
Film aus hochmolekularem Material als Elektrolyt verwenden. Die
BS-Zelle 10 arbeitet bei einer Temeratur von ungefähr 70 bis
110°C.
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Die
Umwälzpumpe 24 ist
als eine Ein-Richtungspumpe ausgelegt, welche das Wärmetauschermedium
nicht in entgegengesetzte Richtung zwangsfördern kann, dass heisst, sie
arbeitet derart, dass das Wärmetauschermedium
in 1 von links nach rechts zwangsgefördert oder
umgepumpt wird. Der Strömungsrichtungs-Schaltmechanismus 26 besteht im
wesentlichen aus zwei elektromagnetischen Ventilen 32 und 34,
die so in der Kreislaufleitung 22 angeordnet sind, dass
sie zwischen sich die Umwälzpumpe
einschliessen, so wie aus einer ersten Bypassleitung 28 zum
Umgehen oder Kurzschliessen des elektromagnetischen Ventiles 32 und
der Umwälzpumpe 24,
einem elektromagnetischen Ventil 36 in der ersten Bypass zeitung 28,
einer zweiten Bypassleitung 30 zum Umgehen oder Kurzschliessen der
Umwälzpumpe 24 und
des elektromagnetischen Ventils 34 und einem elektromagnetischen
Ventil 38 in der zweiten Bypassleitung 30. Wenn
die elektromagnetischen Ventile 32 und 34 geöffnet und
die elektromagnetischen Ventile 36 und 38 geschlossen sind,
fliesst das Wärmetauschermedium
durch die Kreislaufleitung 22 in der Abfolge: Umwälzpumpe 24 – BS-Zelle 10 – Heizer 50,
anstatt dass es durch die erste Bypassleitung 28 und die
zweite Bypassleitung 30 fliesst. Wenn die elektromagnetischen
Ventile 32 und 34 geschlossen und die elektromagnetischen Ventile 36 und 38 geöffnet sind,
fliesst das Wärmetauschermedium
von dem Heizer 50 und der BS-Zelle 10 durch die
zweite Bypassleitung 30 in die Umwälzpumpe 24 und dann
von der Umwälzpumpe 24 durch
die erste Bypassleitung 28 in Richtung des Radiators 40.
Der Radiator 40 ist als Wärmetauscher ausgelegt, um das
Wärmetauschermedium
unter Zuhilfenahme von Umgebungsluft abzukühlen. Ein Dreiwegeventil 40 in
der Kreislaufleitung 22 kann so geschaltet werden, dass
das Wärmetauschermedium
durch den Radiator 40 oder durch eine Radiator-Bypassleitung 44 fliesst.
Weiterhin ist ein als Radiatorventil ausgelegtes elektromagnetisches
Ventil 46 in der Kreislaufleitung 22 angeordnet.
Das elektromagnetische Ventil 46 kann die Kreislaufleitung 22 sperren,
so dass das Wärmetauschermedium
weder durch den Radiator 40 noch durch die Radiator-Bypassleitung 44 fliesst.
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Der
Heizer 50, der benachbart der BS-Zelle angeordnet ist,
ist als elektrischer Heizer ausgelegt, der das Wärmetauschermedium erwärmt oder
erhitzt, wenn er von einer Batterie (nicht gezeigt) mit elektrischer
Energie versorgt wird. Die elektronische Steuereinheit 70 führt eine
Ein/Aus-Steuerung des Heizers 50 durch. In der Kreislaufleitung 22 ist
der Heizer 50 zwischen der BS-Zelle 10 und einem
Dreiwegeventil 52 angeordnet, was es möglich macht, den Radiator 40 und
die Heizvorrichtung unter Zuhilfenahme einer Heizzeit-Bypassleitung 56 zu
umgehen oder kurzzuschliessen.
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Die
Heizvorrichtung 60, welche eine Vorrichtung zum Heizen
des Fahrgastraumes unter Verwendung von Wärme des Wärmetauschermediums ist, ist
mit einem Wärmetauscher 62 ausgestattet
zum Wärmeaustausch
mit dem Wärmetauschermedium, sowie
mit einer elektronischen Steuereinheit 64 zur Steuerung
der Heizvorrichtung 60. Weiterhin ist die Heizvorrichtung 60 mit
mehreren Sensoren und weiteren Bauteilen ausgestattet, welche zur
Erwärmung des
Fahrgastraumes notwendig sind, beispielsweise einem Warmluftauslass,
einem Temperatursensor, einer Temperatureinstellvorichtung etc.
Da diese Sensoren und Einzelteile jedoch für den Gegenstand der vorliegenden
Erfindung nicht wesentlich sind, sind sie weder in der Zeichnung
dargestellt noch werden sie näher
beschrieben. Eine Wärmezufuhrleitung 66 zur
Zufuhr des Wärmetauschermediums
zum Wärmetauscher 62 der
Heizvorrichtung 60 zweigt von der Kreislaufleitung 22 ab.
In der Wärmezufuhrleitung 66 ist
ein elektromagnetisches Ventil 68 angeordnet.
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Die
elektronische Steuereinheit 70 ist als ein-Chip-Mikroprozessor
ausgelegt, der hauptsächlich
aus einer CPU 72 besteht. Die elektronische Steuereinheit 70 beinhaltet
weiterhin ein ROM 74, in welchem Ablaufprogramme gesteuert
sind, ein RAM 76 zur vorübergehenden Speicherung von
Daten, Verbindungsanschlüsse
(nicht gezeigt) für
eine Kommunikation mit der elektronischen Steuereinheit 64 seitens
der Heizvorrichtung, sowie I/O-Anschlüsse (nicht gezeigt). Eine Temperatur
Tfc der BS-Zelle 10 von einem Temperatursensor 79,
der an der BS-Zelle 10 angebracht ist, ein Startsignal
von einem Anlassschalter 78, der eingeschaltet wird, wenn
die BS-Zelle 10 gestartet wird etc. werden über die
Eingangsanschlüsse
der elektronischen Steuereinheit 70 eingegeben. Treibersignale
an Stellglieder 33, 35, 37, 39, 47 und 69 für die jeweiligen
elektromagnetischen Ventile 32, 34, 36, 38, 46 und 68,
Treibersignale für Stellglieder 43 und 54 der
Dreiwegeventile 42 und 52, ein Treibersignal für den Heizer 50 etc.
werden über die
Ausgangsanschlüsse
von der elektronischen Steuereinheit 70 ausgegeben.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise des so aufgebauten Brennstoffzellensystems 20 gemäss der vorliegenden
Erfindung beschrieben; insbesondere wird der Betrieb beschrieben,
wenn die BS-Zelle 10 gestartet wird und wenn der Heizvorgang
in einem normalen Lauf- oder Betriebszustand verwendet wird. 2 ist
ein Flussdiagramm, in welchem ein Beispiel eines Ablaufprogrammes
zum Startzeitpunkt gezeigt ist, welches von der elektronischen Steuereinheit 70 durchgeführt wird,
wenn die BS-Zelle 10 gestartet wird. Dieser Ablauf wird
dann durchgeführt, wenn
der Schalter 58 eingeschaltet wird und ein entsprechendes
Signal ausgibt. Wenn der Startzeitpunkt-Prozessablauf durchgeführt wird,
führt die CPU 72 der
elektronischen Steuereinheit 70 zunächst eine Bearbeitung dahingehend
durch, dass eine Kreislaufleitung oder ein geschlossener Kreislauf
(der Aufheizkreislauf) zum Heizen der BS-Zelle 10 gebildet
wird (Schritt S100). Genauer gesagt, der Aufheizschaltkreis wird
wie folgt ausgebildet: die elektronische Steuereinheit 70 gibt
ein Treibersignal an das Stellglied 54 des Dreiwegeventiles 52,
so dass das Wärmetauschermedium
an dem Radiator 40 und der Heizvorrichtung 60 vorbeigeführt wird oder
an diesen vorbeifliesst und durch die Heizzeit-Bypassleitung 56 fliesst.
Weiterhin gibt die elektronische Steuereinheit 70 Treibersignale
an die Stellglieder 33 und 35 der elektromagnetischen
Ventile 32 und 34, um diese Ventile zu schliessen
und gibt Treibersignale an die Stellglieder 37 und 39 der elektromagnetischen
Ventile 36 und 38, um diese Ventile zu öffnen. Hierdurch
wird der Aufheizkreislauf gebildet. 3 zeigt
den Zustand, in welchem dieser Aufheizkreislauf gebildet ist. Gemäss 3 fliesst, wenn
der Aufheizkreislauf gebildet ist, das Wärmetauschermedium durch die
Umwälzpumpe 24 zwangsgefördert durch
die erste Bypasslei tung 28 und die Heizzeit-Bypassleitung 56,
erreicht den Heizer 50 und die BS-Zelle 10, fliesst
durch die zweite Bypassleitung 30 und kehrt zur Umwälzpumpe 24 zurück.
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Sobald
der Aufheizkreislauf auf diese Weise gebildet worden ist, wird die
Umwälzpumpe 24 in
Betrieb gesetzt (Schritt S102) und dann erfolgt ein Ablauf zum Einschalten
des Heizers 50 (Schritt S104). Aufgrund dieses Ablaufs
erwärmt
oder erhitzt das Wärmetauschermedium,
welches im Heizer 50 erwärmt worden ist, die BS-Zelle 10 in
deren Wärmetauscherabschnitt 23.
Sodann erfolgt in den Schritten S106 und S108 ein Prozessablauf
dahingehend, dass gewartet wird, bis eine Temperatur Tfc der BS-Zelle 10,
welche vom Temperatursensor 79 erfasst wird, gleich oder
grösser
als ein Schwellenwert Tset wird. Der Schwellenwert Tset wird auf
eine Temperatur gesetzt, bei der die BS-Zelle arbeiten kann. Solange
die BS-Zelle 10 arbeiten kann, muss der Schwellenwert Tset
nicht auf eine Temperatur für
normalen Betriebszustand gesetzt werden.
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Wenn
die Temperatur Tfc der BS-Zelle 10 gleich oder höher als
der Schwellenwert Tset wird, wird der Heizer 50 abgeschaltet
(Schritt S110) und die Umwälzpumpe 24 wird
angehalten (Schritt S112); sodann wird im Schritt S114 ein Ablauf
durchgeführt, um
eine Kreislaufleitung oder einen geschlossenen Kreis (Kühlkreislauf)
zum Kühlen
der BS-Zelle 10 zu bilden und der momentane Ablauf wird
beendet. Genauer gesagt, der Kühlkreislauf
wird wie folgt gebildet: die elektronische Steuereinheit 70 gibt
ein Treibersignal an das Stellglied 54 des Dreiwegeventiles 52,
so dass das Wärmetauschermedium
zum Radiator 40 fliesst. Weiterhin gibt die elektronische
Steuereinheit 70 Treibersignale an die Stellglieder 33 und 35 der
elektromagnetischen Ventile 32 und 34, um diese
Ventile zu öffnen
und Treibersignale an die Stellglieder 37 und 39 der
elektromagnetischen Ventile 36 und 38, um diese
Ventile zu schliessen. Hierdurch wird der Kühlkreislauf gebildet. 4 zeigt
den Zustand, in welchem der Kühlkreislauf
ausgebildet ist. Gemäss 4 fliesst,
wenn der Kühlkreislauf
gebildet ist, das Wärmetauschermedium
durch die Umwälzpumpe 24 zwangsgefördert durch
die BS-Zelle 10, erreicht den Heizer 50, fliesst
durch den Radiator 40 oder die Radiator-Bypassleitung 44 und
kehrt zur Umwälzpumpe 24 zurück. Durch
Schalten des Dreiwegeventiles 42 wird festgelegt, ob das
Wärmetauschermedium
durch den Radiator 40 oder durch die Radiator-Bypassleitung 44 fliesst.
Diese Wahl erfolgt durch einen Programmablauf (nicht gezeigt), der
von der elektronischen Steuereinheit 70 auf der Grundlage
der Temperatur Tfc der BS-Zelle 10 durchgeführt wird,
die durch den Temperatursensor 79 erkannt wird, wodurch
festgelegt wird, ob das Wärmetauschermedium
gekühlt
werden muss oder nicht. Wenn in dem Prozessablauf zum Startzeitpunkt
gemäss 2 der
im Schritt S108 gesetzte Schwellenwert Tset niedriger als eine Temperatur
für einen
normalen Betriebszustand der BS-Zelle 10 gesetzt wird,
ist die BS-Zelle 10 nicht ausreichend erwärmt oder
erhitzt worden. Somit wird das Dreiwegeventil 42 im Kühlkreislauf
so geschaltet, dass die Radiator-Bypassleitung 44 gewählt wird.
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Nachfolgend
wird der Betriebsablauf beschrieben, der durchgeführt wird,
wenn die Heizvorrichtung 60 betrieben wird. 5 ist
ein Flussdiagramm, welches ein Beispiel eines Heizzeit-Prozessablaufes
zeigt, der durch die elektronische Steuereinheit 70 der
erfindungsgemässen
Ausführungsform durchgeführt wird,
wenn die Heizvorrichtung 60 betrieben wird. Dieser Ablauf
wird wiederholt in bestimmten Zeitintervallen (z.B. eine Sekunde)
durchgeführt,
nachdem ein Signal zum Starten der Heizvorrichtung 60 von
der elektronischen Steuereinheit 64 der Heizvorrichtung über einen
Verbindungsanschluss eingegeben worden ist und das elektromagnetische
Ventil 68 in der Wärmezufuhrleitung 66 geöffnet worden
ist.
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Wenn
der Aufheizzeit-Prozessablauf durchgeführt wird, führt die CPU 72 der
elektronischen Steuereinheit 70 zunächst einen Ablauf durch, bei dem
eine Wärmeanforderung
oder eine benötigte Wärme gelesen
wird, welche von der elektronischen Steuereinheit 64 der
Heizvorrichtung ausgegeben wird (Schritt S200). Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform
gibt die elektronische Steuereinheit 64 der Heizvorrichtung
die Wärmeanforderung
an die elektronische Steuereinheit 70 in Form eines Signals aus,
welches drei Werte annimmt, welche "passend" oder "richtig", "zu
niedrig" und "zu hoch" darstellen und welche
beispielsweise auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer
Temperatur im Fahrgastraum, welche von einem dort befindlichen Temperatursensor
erkannt wird und einer Zieltemperatur oder Ist-Temperatur basiert.
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Wenn
die Wärmeanforderung
gelesen wird, wird die Anforderung beurteilt (Schritt S202). Wenn das
Ergebnis der Beurteilung "richtig" lautet, wird bestimmt,
dass die exakte Menge an Wärme,
welche für die
Heizvorrichtung 60 notwendig ist, geliefert wird und der
momentane Ablauf wird ohne Durchführung weiterer Schritte beendet.
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Wenn
das Ergebnis der Beurteilung "zu
niedrig" ist, wird
zunächst
ein Ablauf durchgeführt
(Schritt S204), in welchem ein Radiatorflag FR überprüft wird. Das Radiatorflag FR
nimmt einen Wert an, der anzeigt, ob das Wärmetauschermedium in Richtung des
Radiators fliesst oder nicht. Dieses Flag wird in vorherigen Prozessabläufen des
momentanen Programms gesetzt. Wenn das Radiatorflag FR einen Wert
von 1 annimmt, wird bestimmt, dass das Wärmetauschermedium in Richtung
des Radiators 4 fliesst. Das elektromagnetische Ventil 46,
welches als ein Radiatorventil ausgelegt ist, wird sodann geschlossen
(S206), so dass das gesamte Wärmetauschermedium über die
Wärmezufuhrleitung 66 dem Wärmetauscher 62 zugeführt wird.
Sodann wird das Radiatorflag FR im Schritt S208 auf 0 gesetzt und
der momentane Ablauf been det. Indem das gesamte Wärmetauschermedium
dem Wärmetauscher 62 der Heizvorrichtung 60 auf
diese Weise zugeführt
wird, wird die Wärmemenge,
welche ansonsten in Richtung des Radiators 40 fliesst,
der Heizvorrichtung 60 zugeführt. 6 zeigt,
wie das Wärmetauschermedium
fliesst, wenn das als Radiatorventil wirkende elektromagnetische
Ventil 46 geöffnet
ist und 7 zeigt, wie das Wärmetauschermedium
fliesst, wenn das elektromagnetische Ventil 46 geschlossen
ist. Wie oben beschrieben, schaltet die elektronische Steuereinheit 70 das
Dreiwegeventil 62 gemäss 6 auf der
Grundlage einer Temperatur Tfc der BS-Zelle 10, welche
durch den Temperatursensor 79 erkannt wird.
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Wenn
andererseits das Radiatorflag FR einen Wert von 0 annimmt, wird
bestimmt, dass das gesamte Wärmetauschermedium
dem Wärmetauscher 62 zugeführt wird
oder dass die Wärmemenge
nicht ausreichend ist. Der Heizer 50 wird dann eingeschaltet
(Schritt S210), ein Heizerflag FH wird auf 1 gesetzt (Schritt S210)
und der momentane Ablauf wird beendet. Somit wird eine Wärmemenge,
welche für die
Heizvorrichtung 60 notwendig ist, durch Einschalten des
Heizers 50 und Erwärmen
des Wärmetauschermediums
zugeführt.
Das Heizerflag FH, welches ein Flag ist, das einen Wert annimmt,
der anzeigt, ob der Heizer 50 ein- oder ausgeschaltet ist, wird
durch den momentanen Ablauf gesetzt.
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Wenn
das Ergebnis der Beurteilung im Schritt S202 "zu hoch" ist, wird zunächst ein Ablauf zum Überprüfen des
Heizerflags FH durchgeführt (Schritt
S214). Wenn das Heizerflag FH einen Wert von 1 annimmt, wird bestimmt,
dass das Wärmetauschermedium
wie in 7 gezeigt fliesst und vom Heizer 50 erwärmt wird.
Sodann wird der Heizer 50 abgeschaltet (S216), das Heizerflag
FH wird auf 0 gesetzt (Schritt S218) und der momentane Ablauf wird
beendet. Da hierdurch der Heizer abgeschaltet wird, nimmt die der
Heizvorrichtung 60 zugeführte Wärmemenge ab. Wenn andererseits
das Heizerflag FH einen Wert von 0 annimmt, wird bestimmt, dass die
Wärmemenge
zu hoch ist, obgleich der Heizer 50 abgeschaltet worden
ist. Sodann wird im Schritt S220 das als Radiatorventil ausgelegte
elektromagnetische Ventil 46 geöffnet, das Radiatorflag FR
wird auf 1 gesetzt (Schritt S222) und der momentane Ablauf wird
beendet. Hierdurch fliesst das Wärmetauschermedium
wie in 6 gezeigt und die der Heizvorrichtung 60 zugeführte Wärmemenge
wird verringert.
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Wenn
bei dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der bisher beschriebenen
Ausführungsform die
BS-Zelle 10 gestartet wird, überbrückt oder umgeht die Heizzeit-Bypassleitung 56 den
Radiator 40, der Strömungsrichtungs-Schaltmechanismus 26 bewirkt,
dass das Wärmetauschermedium
durch den Heizer 50 und dann durch die BS-Zelle 10 fliesst
und der Heizer 50 wird eingeschaltet, um das Wärmetauschermedium
zu erwärmen.
Hierdurch kann die BS-Zelle 10 wirksam erhitzt oder erwärmt werden. Weiterhin
kann bei dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der beschriebenen
Ausführungsform,
nachdem die BS-Zelle 10 gestartet
worden ist, die Vorrichtung, welche zum Erwärmen der BS-Zelle 10 dient, als
Vorrichtung zum Kühlen
der BS-Zelle 10 umgewandelt werden.
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Weiterhin
kann bei dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der erfindungsgemässen Ausführungsform
der Fahrgastraum unter Verwendung von Wärme erwärmt werden, welche von der
BS-Zelle 10 erzeugt
wird. Wenn darüber
hinaus mehr Wärme
notwendig ist, um den Fahrgastraum zu erwärmen, kann ein Mangel an Wärme dadurch
ausgeglichen werden, dass das gesamte Wärmetauschermedium in den Wärmetauscher 62 der
Heizvorrichtung 60 fliesst oder dass das Wärmetauschermedium
mittels des Heizers 50 erwärmt wird. Selbst wenn somit
die von der BS-Zelle 10 erzeugte Wärme unzureichend ist, beispielsweise
dann, wenn die BS-Zelle 10 noch nicht ausreichend erwärmt worden
ist, oder wenn die Aussenlufttemperatur sehr niedrig ist, und die
von der BS-Zelle 10 in deren normalen Betriebszustand erzeugte
Wärmemenge
nach wie vor nicht aus reichend ist, kann der Fahrgastraum nicht
ausreichend erwärmt
werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der beschriebenen Ausführungsform
wird als Wärmetauschermedium
Wasser verwendet. Es kann jedoch jegliches Fluid verwendet werden,
solange es als Wärmetauschermedium
funktionieren kann. Beispiele anderer geeigneter Fluide sind beispielsweise nicht
frierende Lösungen
auf der Grundlage von Alkohol und/oder Öl.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der Ausführungsform wird eine in einer
Richtung arbeitende Umwälzpumpe 24 verwendet.
Es kann jedoch auch eine bidirektionale Pumpe verwendet werden,
deren Pumprichtung umgekehrt werden kann. In diesem Falle ist der
Strömungsrichtungs-Schaltmechanismus 26 nicht
notwendig.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 der beschriebenen Ausführungsform
ist der Heizer 50 als elektrischer Heizer ausgelegt. Der
Heizer 50 kann jedoch auch so ausgelegt werden, dass er
das Wärmetauschermedium
unter Verwendung von Wärme
erhitzt, das durch eine Verbrennung eines Brennstoffes für die BS-Zelle 10 oder
anderer Brennstoffe erhalten worden ist.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 der beschriebenen Ausführungsform
ist der Radiator 40 als Wärmetauscher zum Wärmeaustausch
mit der Aussen- oder Umgebungsluft ausgelegt. Es kann jedoch jede
Art von Radiator verwendet werden, solange dieser das Wärmetauschermedium
kühlen
kann.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der beschriebenen Ausführungsform
wird die Heizvorrichtung 60 zum Heizen des Fahrgastraums
als Wärmeverwendungsvorrichtung
verwendet, welche unter Verwendung der Wärme von der BS-Zelle 10 Arbeit
verrichtet. Es kann jedoch auch jede andere Wär meverwendungsvorrichtung verwendet
werden, solange sie Arbeit unter Verwendung der von der BS-Zelle 10 erzeugten
Wärme verrichtet. "Arbeit" bedeutet hier nicht
Arbeit im mechanischen Sinne, sondern Arbeit, wie sie im Zusammenhang
mit der Thermodynamik definiert ist.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 20 der beschriebenen Ausführungsform
wird als BS-Zelle 10 eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
verwendet. Andere BS-Zellen, beispielsweise Brennstoffzellen des
Phosphorsäuretyps
können
ebenfalls verwendet werden. Bei dem Brennstoffzellensystem 20 gemäss der beschriebenen
Ausführungsform
ist die BS-Zelle 10 in einem Kraftfahrzeug eingebaut. Es
versteht sich, dass der Temperaturregler des Brennstoffzellensystems 20 auch
dafür ausgelegt
werden kann, dass er eine BS-Zelle irgendeinen anderen Typs regelt.
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Beschrieben
wurde insoweit zusammenfassend ein Brennstoffzellensystem mit einem
Temperaturregler für
eine Brennstoffzelle. Beim Betriebsstart der Brennstoffzelle werden
Ventile so betätigt,
dass ein Wärmetauschermedium
von einer Umwälzpumpe durch
eine Heizzeit-Bypassleitung zu einem Heizer und der Brennstoffzelle
fliesst, wobei das Wärmetauschermedium
durch den Heizer erwärmt
wird. Infolgedessen kann die Brennstoffzelle effizient und rasch erwärmt werden.
Wenn eine Heizvorrichtung während
des Betriebs der Brennstoffzelle betrieben wird, werden die Ventile
so betätigt,
dass das Wärmetauschermedium
von der Umwälzpumpe
zu der Brennstoffzelle dem Heizer und dem Wärmetauscher in dieser Reihenfolge
fliesst. Wenn die von der Heizvorrichtung benötigte Wärmemenge nicht durch die von der
Brennstoffzelle erzeugte Wärme
erhalten werden kann, heizt der Heizer das Wärmetauschermedium, um den Wärmemangel
auszugleichen. Im Ergebnis kann die Heizvorrichtung adäquat funktionierend
gemacht werden. Mit anderen Worten, die Brennstoffzelle wird zu
Betriebsbeginn rasch erwärmt.
Wenn die Brennstoffzelle im Betrieb ist, wird ihre Temperatur innerhalb
eines geeigneten Betriebstemperaturbereiches gehalten, so dass die
von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme effektiv ausgenutzt werden kann.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung wurde unter Bezugnahme auf
eine bevorzugte Ausführungsform
hiervon beschrieben; es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf die konkret dargestellte Ausführungform oder die dortige
Konstruktion beschränkt
ist. Die vorliegende Erfindung umfasst selbstverständlich verschiedene
Modifikationen und äquivalente
Anordnungen. Weiterhin wurden die verschiedenen Elemente und Bauteile
der beschriebenen Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Ausführungsformen
beschrieben, welche selbstverständlich
als exemplarisch zu betrachten sind; andere Kombinationen und Ausführungsformen liegen
ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie er durch die
nachfolgenden Ansprüche
und deren Äquivalente
definiert ist.