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Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebssystem, einem Brennstoffzellensystem und einem Kühlsystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Elektrische Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem, einem Antriebssystem und einem Kühlsystem sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere das Kühlsystem ist bei der Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung mit einem Brennstoffzellensystem ein im praktischen Einsatz des Fahrzeuges entscheidender Punkt. So ist es typischerweise so, dass aufgrund der vergleichsweise geringen Betriebstemperatur eines Brennstoffzellensystems, im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, die Abwärme des Brennstoffzellensystems schlechter in die Umgebung abzuführen ist, als sie dies bei einem vergleichbar aufgebauten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wäre. Dies bedeutet in der Praxis, dass bei derselben eingesetzten Kühlerfläche, welche ohne eine Veränderung des Designs des Fahrzeugs genutzt werden kann, die Kühlleistung bei einem Brennstoffzellensystem im Vergleich niedriger ist. Insbesondere in Situationen, in denen die Fahrtgeschwindigkeit bei hoher Leistungsanforderung durch die Brennstoffzelle vergleichsweise klein ist, beispielsweise bei zügigen Bergauffahrten, stellt die Kühlleistung einen limitierenden Faktor für den Betrieb des Fahrzeugs dar. Wenn gleichzeitig eine Klimaanlage in dem Fahrzeug betrieben wird, kann die verfügbare Leistung des Brennstoffzellensystems und damit die verfügbare Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die zur Verfügung stehende Kühlleistung signifikant limitiert werden. Dies ist höchst unerwünscht, sodass nach möglichst effizienten Möglichkeiten zur Kühlung des Brennstoffzellensystems gesucht wird.
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Ein weiteres Problem hinsichtlich der Kühlleistung kann auch darin gesehen werden, dass im Zuge der Kosteneinsparung bei der Brennstoffzelle die zur Verfügung stehende aktive Fläche der Brennstoffzelle reduziert werden soll. Die zur Bereitstellung der aktiven Fläche notwendigen Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten verursachen nämlich die primären Kosten einer Brennstoffzelle, beispielsweise aufgrund des in der Fläche benötigten Katalysators. Wird die Fläche der Brennstoffzelle kleiner und daher mit einer höheren Leistung je Fläche betrieben, dann sinkt im Gegenzug die Spannung bei steigender Stromdichte ab, was letztlich zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und zu einer höheren Abwärme führt. Aufgrund der ohnehin schon limitierten Möglichkeiten, Abwärme in einem Fahrzeug mit herkömmlichem Fahrzeugdesign abzuführen, stellt dies einen weiteren Nachteil übliches Kühlsysteme dar.
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Aus dem Stand der Technik bei der Kühlung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystemen ist es nun bekannt, die Kühlsysteme so auszubilden, dass diese einerseits einen Hochtemperaturkühlkreislauf für die Brennstoffzelle und andererseits einen Niedertemperaturkühlkreislauf zur Kühlung elektrischer und elektronischer Komponenten aufweisen. Ferner ist typischerweise ein Wärmetauscher als Kühlmittelkondensator für die Klimaanlage des Fahrzeugs ausgeführt. Die
DE 10 2009 039 364 A1 schlägt ein Fahrzeug vor, bei welchem ein zweistufiger seriell von dem Kühlmittel durchströmter Hochtemperaturwärmetauscher zusammen mit einem Niedertemperaturwärmetauscher des kombinierten Hochtemperatur/Niedertemperaturkühlkreislaufs vom Fahrtwind seriell nacheinander durchströmt werden. Der Kühlmittelkondensator für die Klimaanlage ist unabhängig hiervon beispielsweise als Radlaufkühler ausgeführt. Der Aufbau verspricht eine ausreichende Kühlung für einen möglichst uneingeschränkten Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der
US 6,370,903 B1 bekannt, wobei hier die Hochtemperatur- und Niedertemperaturwärmetauscher analog angeordnet sind. Die Kühlkreisläufe sind eigenständig parallel ausgeführt und der Kühlmittelkondensator wird über den Niedertemperaturkühlkreislauf gekühlt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit Brennstoffzellensystem und mit verbesserter Kühlleistung unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlflächen an dem Fahrzeug zu anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug der Kühlmittelkondensator in Strömungsrichtung des Fahrtwinds zumindest bezüglich eines Teils der Kühlfläche des Hochtemperaturwärmetauschers vor dem Hochtemperaturwärmetauscher und zumindest bezüglich eines Teils der Kühlfläche des Niedertemperaturwärmetauschers vor dem Niedertemperaturwärmetauscher angeordnet ist. Es ergibt sich in dem erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeug also ein Aufbau, bei welchem die drei Wärmetauscher in drei verschiedenen Ebenen in Strömungsrichtung des Fahrtwindes hintereinander angeordnet sind. Dies führt dazu, dass innerhalb der typischerweise im Frontbereich des Fahrzeugs zur Verfügung stehenden vom Fahrtwind durchströmbaren und für die Kühler nutzbaren Fläche alle Kühler für alle in dem Fahrzeug anfallenden Kühlaufgaben entsprechend ihrer Temperatur in Richtung des Fahrtwindes aufsteigend hintereinander angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Kühlung mit der maximalen Kühlleistung für den Hochtemperaturwärmetauscher zur Kühlung des Brennstoffzellensystems. Eine durch die Kühlleistung bedingte Limitierung der verfügbaren Antriebsleistung und damit letztlich der Fahrtgeschwindigkeit kann so vermieden oder zumindest hinausgezögert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der Niedertemperaturkühlkreislauf in Form eines ersten Niedertemperaturkühlkreislaufs mit einem ersten Niedertemperaturwärmetauscher und einem zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf mit einem zweiten Niedertemperaturwärmetauscher ausgebildet ist. Eine solche neuartige Aufteilung des Niedertemperaturkühlkreislaufs in zwei Teilkreisläufe, welche insbesondere getrennt voneinander ausgeführt sein können, ermöglicht durch die Verwendung zweier Niedertemperaturwärmetauscher unterschiedliche Temperaturniveaus der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe. Hierdurch wird es insbesondere möglich, die Leistungselektronik und den elektrischen Fahrmotor oder die elektrischen Fahrmotoren des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs über den ersten Niedertemperaturkühlkreislauf zu kühlen, und die Batterie sowie weitere elektrische und elektronische Komponenten, beispielsweise den Niedervolt-DC/DC-Wandler, über den zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf zu kühlen. Dies ermöglicht eine Differenzierung der Temperaturen der beiden Niedertemperaturkühlkreisläufe. Dementsprechend ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee dabei ferner vorgesehen, dass der zweite Niedertemperaturkühlkreislauf ein geringeres Temperaturniveau aufweist, als der erste Niedertemperaturkühlkreislauf.
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Entsprechend dieser Aufteilung des Niedertemperaturkühlkreislaufs in zwei getrennte Kreisläufe mit getrennten Niedertemperaturwärmetauschern kann es nun insbesondere vorgesehen sein, dass der zweite Niedertemperaturwärmetauscher so angeordnet ist, dass er vom Fahrtwind parallel zum Kühlmittelkondensator und zum ersten Niedertemperaturwärmetauscher sowie seriell in Strömungsrichtung vor dem Hochtemperaturwärmetauscher durchströmt ist. Diese Aufteilung verbessert die im Bereich des Hochtemperaturwärmetauschers verfügbare Kühlleistung nochmals, da der Fahrtwind, welcher den zweiten Niedertemperaturwärmetauscher, welcher vorzugsweise auf einem niedrigeren Temperaturniveau als der erste Niedertemperaturwärmetauscher liegt, direkt durchströmt, um dann, ohne durch den ersten Niedertemperaturwärmetauscher zu strömen, zum Hochtemperaturwärmetauscher gelangt.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkondensator und der erste Niedertemperaturwärmetauscher in etwa dieselbe Kühlfläche aufweisen, und dass die Kühlfläche des Hochtemperaturwärmetauschers größer als diese Kühlfläche ist. Der Kühlmittelkondensator und der erste Niedertemperaturwärmetauscher können also vorzugsweise mit in etwa derselben Kühlfläche ausgebildet sein. Sie können beispielsweise in zwei Ebenen direkt hintereinander von dem Fahrtwind durchströmt werden. In der in Strömungsrichtung des Fahrtwinds darauffolgenden Ebene ist dann der Hochtemperaturwärmetauscher angeordnet, welcher in seiner Fläche größer ist, sodass zusätzlich zu dem Fahrtwind, welcher bereits den Kühlmittelkondensator und den ersten Niedertemperaturwärmetauscher durchströmt hat, weiterer Fahrtwind direkt und/oder in Strömungsrichtung nach dem zweiten Niedertemperaturwärmetauscher zu dem Hochtemperaturwärmetauscher gelangt. Dies ermöglicht einerseits einen sehr kompakten Aufbau und erlaubt andererseits die oben bereits beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Kühlleistung, insbesondere hinsichtlich der Kühlleistung im Bereich des Hochtemperaturwärmetauschers.
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Dementsprechend kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass der zweite Niedertemperaturwärmetauscher in einer Ebene mit dem ersten Niedertemperaturwärmetauscher oder dem Kühlmittelkondensator angeordnet ist. Hierdurch lässt sich ein entsprechend kompakter Aufbau erzielen. Außerdem kann durch das direkte anströmen des zweiten Niedertemperaturwärmetauschers eine besonders niedrige Temperatur in dem zweiten Niedertemperaturwärmekühlkreislauf erreicht werden.
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Um den Strömungsdruckverlust und die Kühlleistung des Fahrtwinds ideal ausnutzen zu können, kann es gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs auch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Niedertemperaturwärmetauscher eine geringere Rippendichte als der Hochtemperaturwärmetauscher aufweist. Insbesondere kann die Rippendichte im Bereich des Niedertemperaturwärmetauschers, und hier insbesondere im Bereich des ersten Niedertemperaturwärmetauschers, kleiner als 70 Rippen pro Dezimeter sein, während der Hochtemperaturwärmetauscher eine Rippendichte von mehr als 70 Rippen pro Dezimeter aufweist. Zusätzlich kann gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Idee die Blocktiefe, also die Ausdehnung in Strömungsrichtung des Fahrtwindes, bei dem wenigstens einen Niedertemperaturwärmetauscher weniger als 25 mm und bei dem Hochtemperaturwärmetauscher mehr als 20 mm betragen. Eine solche Dimensionierung trägt ebenfalls dazu bei, die Kühlleistung im Bereich des Hochtemperaturwärmetauschers zu maximieren.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeuges kann es nun ferner vorgesehen sein, dass weitere Zusatz-Hochtemperaturwärmetauscher vorgesehen sind, welche hinsichtlich der Durchströmung mit Kühlmittel und Fahrtwind parallel zum Hochtemperaturwärmetauscher angeordnet sind. Sind an dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug zusätzliche Flächen für Kühler verfügbar, dann werden diese in den Hochtemperaturkühlkreislauf mit einbezogen, um so die Kühlleistung in diesem besonders relevanten Bereich noch weiter zu erhöhen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee können die Zusatz-Hochtemperaturwärmetauscher dabei als Radlauf- und/oder Bugschürzenkühler ausgebildet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 die Verschaltung des Kondensators und der Wärmetauscher mit schematischem Verlauf der Kühllufttemperatur;
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3 verschiedene mögliche Anordnungen des Kondensators und der Wärmetauscher; und
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4 verschiedene Ausführungsformen zur Einbindung von Zusatzwärmetauschern.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßiges und sehr stark schematisiert angedeutetes elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 zu erkennen. Es bewegt sich in Fahrtrichtung F fort. Zum Antrieb dient ein elektrischer Antriebsmotor 2, welcher rein beispielhaft zwei der Räder über eine gemeinsame Achse 3 antreibt. Außerdem gehört zum elektrischen Antriebssystem eine mit 4 bezeichnete Leistungselektronik, welche einerseits mit einer Brennstoffzelle 5 eines Brennstoffzellensystems und außerdem mit einer Traktionsbatterie 6 in Verbindung steht. Die Brennstoffzelle 5 ist Teil eines an sich bekannten Brennstoffzellensystems. Sie wird anodenseitig mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 und kathodenseitig mit Luft über eine Luftfördereinrichtung 8 versorgt und stellt in an sich bekannter Art und Weise elektrische Antriebsleistung zur Verfügung. Über den detaillierten Aufbau des Brennstoffzellensystems muss hier nichts weiter ausgeführt werden, da ein solches, insbesondere auch für den Einsatz in einem Fahrzeug, für den Fachmann allgemein bekannt ist.
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Das elektrisch angetriebene Fahrzeug 1 weist außerdem eine Klimaanlage 9 zur Klimatisierung des Innenraums auf. Auch diese ist an sich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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In dem hier dargestellten elektrisch angetriebenen Fahrzeug
1 werden die Abwärme der Brennstoffzelle
5 sowie die Abwärme der Leistungselektronik
4, des Fahrmotors
2 sowie der Batterie
6 über drei getrennte Kühlkreisläufe
10,
11,
12 abgeführt. Der Kühlkreislauf zur Abfuhr der Abwärme aus der Brennstoffzelle
5 wird als Hochtemperaturkühlkreislauf
10 bezeichnet. Der Kühlkreislauf zur Abfuhr der Wärme beispielsweise des elektrischen Fahrmotors
2 und der Leistungselektronik
4 wird als erster Niedertemperaturkühlkreislauf
11 bezeichnet. Ein zweiter Niedertemperaturkühlkreislauf
12 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Batterie
6 verbunden und führt deren Abwärme ab. Außerdem ist ein weiterer Kühlkreislauf
13 vorhanden, welcher zur Abkühlung des Klimamittels der Klimaanlage
9 in einem Klimamittelkondensator
14 ausgebildet ist. Der Klimamittelkondensator
14 ist dabei Teil eines Kühlsystems, welches im Frontbereich des Fahrzeugs
1 angeordnet ist, und welches von dem durch die mit K bezeichneten Pfeile angedeuteten Fahrtwind als Kühlluft durchströmt ist. Neben dem Klimamittelkondensator
14 weist dieses Kühlsystem außerdem einen Hochtemperaturwärmetauscher
15, einen ersten Niedertemperaturwärmetauscher
16 sowie einen zweiten Niedertemperaturwärmetauscher
17, welche jeweils dem ersten bzw. zweiten Niedertemperaturkühlkreislauf
11,
12 zugeordnet sind, auf. Das Kühlsystem kann außerdem in an sich bekannter Art und Weise ein angedeutetes Gebläse
18 umfassen, welches in Durchströmungsrichtung der durch den Fahrtwind gebildeten Kühlluft K nach dem Kondensator
14 und den Wärmetauschern
15,
16,
17 angeordnet ist. In der Darstellung der
1 sind die Kühlkreisläufe
10,
11,
12 und
13 dabei vollkommen eigenständig und getrennt voneinander dargestellt. Genauso gut wäre es denkbar, diese ganz oder teilweise ineinander zu integrieren, wie es beispielsweise durch die Kombination des Hochtemperaturkühlkreislaufs mit dem Niedertemperaturkühlkreislauf aus der eingangs genannten
DE 10 2009 039 364 A1 grundlegend bekannt ist.
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Der Kondensator 14 und die Wärmetauscher 15, 16, 17 sind dabei in Strömungsrichtung der Kühlluft K in verschiedenen Ebenen angeordnet. In der Darstellung der 2 ist rein beispielhaft und schematisch die Durchströmung des Kondensators 14 des zweiten Niedertemperaturwärmetauschers 17, des ersten Niedertemperaturwärmetauschers 16 und des Hochtemperaturwärmetauschers 15 durch die Kühlluft K dargestellt. Unterhalb dieser schematischen Darstellung findet sich ein Diagramm, welches die Temperatur T der Kühlluft K bei der seriellen Durchströmung zeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass der Hochtemperaturwärmetauscher 15 die meiste Wärme in die Kühlluft einträgt, also die größte Kühlleistung benötigt.
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Um nun mit minimalem Platzaufwand eine ideale Kühlung zu gewährleisten, ist es so, dass in einer ersten Ebene der Kühlmittelkondensator 14 sowie gegebenenfalls, wie es in der Darstellung der 3a) zu erkennen ist, der zweite Niedertemperaturwärmetauscher 17 von der Kühlluft K durchströmt werden. In der zweiten Ebene wird dann der zweite Niedertemperaturwärmetauscher 16, welcher eine höhere Temperatur als der erste Niedertemperaturwärmetauscher 17 hat, entsprechend durchströmt, wobei aufgrund des höheren Temperatureintrags in dem zweiten Niedertemperaturwärmetauscher 17 im Vergleich zum Kühlmittelkondensator 14 die Fläche des ersten Niedertemperaturwärmetauschers 16 entsprechend kleiner ausgebildet ist, insbesondere in etwa so, dass die Kühlfläche des zweiten Niedertemperaturwärmetauschers 16 der des Kühlmittelkondensators 14 entspricht. Die Kühlluft kann dann teilweise die Kühlfläche des ersten Niedertemperaturwärmetauschers 16 durchströmen und die ursprünglich durch den zweiten Niedertemperaturwärmetauscher 17 strömende Kühlluft strömt direkt weiter zur dritten Ebene, in welcher der Hochtemperaturwärmetauscher 15 angeordnet ist.
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In der Darstellung der 3b) ist dieser Aufbau vergleichbar nochmals dargestellt, wobei der zweite Niedertemperaturwärmetauscher 17 in die zweite Ebene verlagert ist, was hinsichtlich der Durchströmung mit der Kühlluft K jedoch zu demselben Effekt führt. Die beiden in 3a) und b) ausgeführten Varianten sind in der Darstellung der 3c) und d) nochmals in einer alternativen Ausführungsform aufgegriffen. Hier ist die Kühlfläche des Hochtemperaturwärmetauschers 15 etwas größer als die Gesamtfläche der anderen Wärmetauscher in der jeweiligen Ebene ausgebildet. Hierdurch kann ein Teil der Kühlluft direkt zu dem Hochtemperaturwärmetauscher 15 strömen und verbessert in diesem Bereich die Abkühlung, was letztlich die verfügbare Kühlleistung des gesamten Kühlsystems steigert. Hierfür wird der Hochtemperaturwärmetauscher 15 vom Kühlmedium idealerweise von oben nach unten, in der Darstellung der 3c) und 3d), durchströmt.
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Sind zusätzliche vom Fahrtwind als Kühlluft K mit möglichst großem Staudruck angeströmte Flächen im Bereich der Karosserie des Fahrzeugs 1 verfügbar, dann können hier weitere Zusatz-Wärmetauscher platziert werden. Da, wie bereits mehrfach erwähnt, insbesondere die Abkühlung des Hochtemperaturwärmetauschers 15 bzw. des im ihn abgekühlten Kühlmediums von entscheidender Bedeutung ist, sollen diese Zusatz-Wärmetauscher insbesondere als Zusatz-Hochtemperaturwärmetauscher ausgebildet sein. Sie werden von der Kühlluft parallel zu dem in 3 beschriebenen Aufbau angeströmt und können insbesondere auch von dem Kühlmittel parallel durchströmt werden.
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In der Darstellung der 4 sind drei unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt. Dabei ist jeweils ein Ausschnitt aus dem Hochtemperaturkühlkreislauf 10 zu erkennen. Dieser verzweigt sich in der Ausführungsvariante der 4a) in der Art, dass ein Teil des Kühlmediums durch den Hochtemperaturwärmetauscher 15 strömt. Ein anderer Teil des Kühlmediums strömt durch einen als Zusatz-Hochtemperaturwärmetauscher 19 ausgebildeten Radlaufkühler. In der Darstellung der 4b) ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt, bei welcher anstelle des einen Radlaufkühlers 19 zwei derartige Radlaufkühler 19 vorgesehen sind. Diese beiden Radlaufkühler 19 sind dabei wiederum seriell und gemeinsam parallel zu dem Hochtemperaturwärmetauscher 15 vom Kühlmedium durchströmt. Der in 4b) gezeigte Aufbau wird in 4c) um einen weiteren parallelen Strömungszweig erweitert, welcher einen weiteren Zusatz-Hochtemperaturwärmetauscher, in diesem Fall in Form eines angedeuteten Bugschürzenkühlers 20 aufweist. Durch diese Konstellation wird die Kühlung des Hochtemperaturkühlkreislaufs 10 weiter verbessert, wodurch die Kühlleistung des gesamten Kühlsystems, und insbesondere des für die Abfuhr der Abwärme der Brennstoffzelle 5 zuständigen Teils des Kühlsystems sich nochmals steigern lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009039364 A1 [0004, 0024]
- US 6370903 B1 [0005]
