DE102015015641A1 - A fuel cell system for a vehicle, fuel cell system, and method of operating a fuel cell system - Google Patents

A fuel cell system for a vehicle, fuel cell system, and method of operating a fuel cell system Download PDF

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Matthias Maisch
Ralf Nüßle
Volker Schempp
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einem Sammelbehälter (32) zum Aufnehmen von Produktwasser des Brennstoffzellenstapels (12), und mit einer Batterie (90) zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie für das Fahrzeug. Hierbei ist der Sammelbehälter (32) in Wärme übertragender Weise mit einem Kühlkreislauf (72) der Batterie (90) gekoppelt, in welchem zum Kühlen der Batterie (90) ein Kühlmittel förderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (10) und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems (10).The invention relates to a fuel cell system (10) for a vehicle, comprising a fuel cell stack (12), a reservoir (32) for receiving product water of the fuel cell stack (12), and a battery (90) for providing electrical drive power to the vehicle. Here, the collecting container (32) in heat transferring manner with a cooling circuit (72) of the battery (90) is coupled, in which for cooling the battery (90), a coolant is conveyed. Furthermore, the invention relates to a vehicle with such a fuel cell system (10) and a method for operating such a fuel cell system (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, welches einen Brennstoffzellenstapel und einen Sammelbehälter zum Aufnehmen von Produktwasser des Brennstoffzellenstapels umfasst. Des Weiteren ist eine Batterie vorgesehen, welche dem Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie für das Fahrzeug dient. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system for a vehicle comprising a fuel cell stack and a reservoir for receiving product water of the fuel cell stack. Furthermore, a battery is provided, which serves to provide electrical drive energy for the vehicle. The invention further relates to a vehicle having such a fuel cell system and a method for operating such a fuel cell system.

Die WO 201462746 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Festoxidbrennstoffzellenstapel (SOFC-Brennstoffzellenstapel). Produktwasser des Brennstoffzellenstapels wird einer Speichereinheit zugeführt. Mittels des Produktwassers, welches in der Speichereinheit gespeichert ist, wird die Temperatur einer Batterie kontrolliert. Hierfür wird das Produktwasser der Batterie als Temperiermedium zugeführt. Wärme des Produktwassers kann auf die Batterie übertragen werden, oder die Batterie kann mittels des Produktwassers gekühlt werden.The WO 201462746 A1 describes a fuel cell system with a solid oxide fuel cell stack (SOFC fuel cell stack). Product water of the fuel cell stack is supplied to a storage unit. By means of the product water stored in the storage unit, the temperature of a battery is controlled. For this purpose, the product water of the battery is supplied as a tempering medium. Heat of the product water may be transferred to the battery, or the battery may be cooled by the product water.

Bei einem derartigen Brennstoffzellensystem sind die Möglichkeiten zum Kühlen der Batterie vergleichsweise eingeschränkt.In such a fuel cell system, the possibilities for cooling the battery are comparatively limited.

Batteriebetriebene Fahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, Plug-in-Fahrzeuge oder Fahrzeuge mit einem Reichweitenverlängerer (Range-Extender) werden zunehmend über die Möglichkeit zum Schnellladen oder DC-Laden verfügen. Beim Schnellladen ist ein AC/DC-Wandler nicht im Fahrzeug angeordnet, sondern Komponente einer Ladestation oder Ladesäule. Mittels einer solchen Ladestation lässt sich eine besonders hohe elektrische Leistung zum Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitstellen, so dass die Batterie besonders rasch geladen werden kann. Aufgrund der hohen übertragenden Leistung kommt es hierbei jedoch aufgrund von Wirkungsgradverlusten zu einer relativ hohen Abwärmeleistung beziehungsweise zu einem Ansteigen der Temperatur der Batterie während des Ladens. Um eine durch hohe Temperaturen bedingte Alterung der Batterie zu verhindern, ist es daher erforderlich die Batterie während des Ladens zu kühlen.Battery-powered vehicles or electric vehicles, plug-in vehicles, or range extender vehicles will increasingly have the capability of fast charging or DC charging. When fast charging an AC / DC converter is not located in the vehicle, but a component of a charging station or charging station. By means of such a charging station can be a particularly high electrical power for charging the battery of the vehicle provide, so that the battery can be charged very quickly. Due to the high transferring power, however, this results in a relatively high waste heat output or an increase in the temperature of the battery during charging due to efficiency losses. In order to prevent high-temperature aging of the battery, it is therefore necessary to cool the battery during charging.

Aus dem Stand der Technik ist es hierbei bekannt, die relativ hohe Abwärmeleistung in einen Kühlkreislauf der Batterie zu überführen, in welchem ein Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe umgewälzt oder befördert wird. Über einen in dem Kühlkreislauf angeordneten Kühler kann dann die Abwärme der Batterie in die Umgebung abgeführt werden. Hierbei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, bei dem Abführen der anfallenden Abwärmeleistung über den Kühler einen Kühlerlüfter zu betreiben, um eine gute Wärmeübertragung an die Umgebung zu gewährleisten. Denn beim Laden der Batterie steht das Fahrzeug, sodass der Fahrtwind keinen Beitrag zur Erhöhung der Wärmeübertragung leisten kann. Das Betreiben des Lüfters führt jedoch zu einer nicht unwesentlichen Geräuschentwicklung. Dies ist generell unerwünscht, insbesondere wenn mehrere Fahrzeuge parallel oder gleichzeitig geladen werden.It is known from the prior art to transfer the relatively high waste heat output into a cooling circuit of the battery, in which a coolant is circulated or conveyed by means of a coolant pump. About a cooler arranged in the cooler then the waste heat of the battery can be discharged into the environment. It is known from the prior art to operate in the removal of the resulting waste heat power through the radiator a radiator fan to ensure good heat transfer to the environment. Because when charging the battery is the vehicle, so that the wind can not contribute to increase the heat transfer. The operation of the fan, however, leads to a not insignificant noise. This is generally undesirable, especially when multiple vehicles are being loaded in parallel or simultaneously.

Wird hingegen, insbesondere beim Schnellladen, ein entsprechender Temperaturanstieg der Batterie des Fahrzeugs zugelassen, so wirkt sich dies negativ auf die Dauerhaltbarkeit der Batterie aus.On the other hand, if a corresponding increase in the temperature of the battery of the vehicle is permitted, in particular during rapid charging, this has a negative effect on the durability of the battery.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art, ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches ein verbessertes Kühlen der Batterie ermöglicht.Object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system of the type mentioned, a vehicle with a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system, which allows improved cooling of the battery.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features of patent claim 1, a vehicle having the features of patent claim 9 and a method having the features of patent claim 10. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der Sammelbehälter für das Produktwasser in Wärme übertragender Weise mit einem Kühlkreislauf der Batterie gekoppelt. In dem Kühlkreislauf kann zum Kühlen der Batterie ein Kühlmittel gefördert werden. So ist einerseits ein direkter Kontakt des Produktwassers des Brennstoffzellenstapels mit der Batterie vermieden. Zum anderen bietet der Kühlreislauf, welcher das Kühlmittel enthält, die Möglichkeit zum Abführen von Wärme von der Batterie etwa über einen weiteren in dem Kühlkreislauf angeordneten Kühler oder Wärmeübertrager. Somit ist ein verbessertes Kühlen der Batterie ermöglicht.In the fuel cell system according to the invention, the collecting container for the product water is coupled in a heat-transferring manner with a cooling circuit of the battery. In the cooling circuit, a coolant can be conveyed to cool the battery. So on the one hand direct contact of the product water of the fuel cell stack is avoided with the battery. On the other hand, the cooling circuit, which contains the coolant, offers the possibility of dissipating heat from the battery, for example via a further cooler or heat exchanger arranged in the cooling circuit. Thus, an improved cooling of the battery is possible.

Insbesondere wird die Abwärme der Batterie dem Sammelbehälter oder Wassersammelbecken zugeführt, und das darin enthaltene Wasser oder Produktwasser wird erwärmt. Hierbei kann insbesondere ein Teil des Produktwassers zum Verdunsten gebracht werden. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil der anfallenden Abwärme verbessert abgeführt werden.In particular, the waste heat of the battery is supplied to the sump or water sump, and the water or product water contained therein is heated. In this case, in particular a part of the product water can be made to evaporate. In this way, at least a portion of the resulting waste heat can be dissipated improved.

Des Weiteren kann der Betrieb eines Lüfters zum Beaufschlagen eines in dem Kühlkreislauf der Batterie angeordneten Kühlers mit Kühlluft besonders lange hinausgezögert und bevorzugt sogar vermieden werden. Dadurch ergibt sich eine verringerte Geräuschemission durch einen solchen Lüfter oder Kühlerlüfter, insbesondere während des Ladens, bevorzugt während des Schnellladens der Batterie des Fahrzeugs.Furthermore, the operation of a fan for applying a cooler arranged in the cooling circuit of the battery with cooling air can be delayed for a particularly long time and preferably even avoided. This results in a reduced noise emission by such a fan or radiator fan, especially during charging, preferably during fast charging of the battery of the vehicle.

Dadurch, dass ein Teil der Abwärme der Batterie vom angefallenen Produktwasser aufgenommen werden kann, reduziert sich die Abwärmeleistung, welche auf anderem Wege, insbesondere über den Kühler, aus dem Kühlkreislauf abzuführen ist. Entsprechend kann eine Leistung reduziert werden, mit welcher der Lüfter betrieben wird. Bevorzugt kann auf den Betrieb des Lüfters verzichtet werden. Da der Lüfter oder Kühlerlüfter mit reduzierter Leistung betrieben werden kann beziehungsweise gar nicht betrieben zu werden braucht, wenn das Fahrzeug den Ladevorgang, insbesondere Schnellladevorgang durchführt, reduziert sich die störende Geräuschentwicklung. Des Weiteren wird auch elektrische Energie eingespart, wenn der Lüfter nicht oder mit geringerer Leistung betrieben wird. Da die maximalen Lüfterleistungen typischerweise im Bereich von 500 Watt bis 1 Kilowatt liegen, lässt sich im erheblichen Maße Energie einsparen.The fact that a portion of the waste heat of the battery can be absorbed by the product water incurred reduces the waste heat output, which is to be dissipated from the cooling circuit by other means, in particular via the cooler. Accordingly, a power can be reduced, with which the fan is operated. Preferably, the operation of the fan can be dispensed with. Since the fan or radiator fan can be operated with reduced power or does not need to be operated at all, when the vehicle performs the charging process, in particular fast charging, the disturbing noise development is reduced. Furthermore, electrical energy is saved if the fan is not operated or with lower power. Since the maximum fan power typically ranges from 500 watts to 1 kilowatts, significant energy savings can be made.

Ein Schnellladevorgang oder DC-Ladevorgang dauert nämlich typischerweise zwischen 20 Minuten und 45 Minuten, wobei dies von der Kapazität der Batterie des Fahrzeugs, dem Ladezustand und dergleichen abhängig ist. Entsprechend kann während dieses Ladevorgangs ein nicht vernachlässigbarer Teil an elektrischer Energie eingespart werden, wenn sich der Lüfterbetrieb reduzieren beziehungsweise komplett vermeiden lässt.Namely, a rapid charging or DC charging typically takes between 20 minutes and 45 minutes, depending on the capacity of the battery of the vehicle, the state of charge and the like. Accordingly, during this charging process, a non-negligible portion of electrical energy can be saved if fan operation can be reduced or completely avoided.

Bevorzugt bildet das Produktwasser im Betrieb des Brennstoffzellensystems in dem Sammelbehälter eine freie Wasseroberfläche aus. So kann besonders gut ein Verdunsten des Produktwassers durch Zuführen der Abwärme der Batterie zu dem Produktwasser bewirkt werden. Das Verdunsten des Produktwassers geht mit einem besonders guten Abführen der Abwärme der Batterie einher.During operation of the fuel cell system, the product water preferably forms a free water surface in the collecting container. Thus, particularly good evaporation of the product water can be effected by supplying the waste heat of the battery to the product water. The evaporation of the product water is accompanied by a particularly good dissipation of the waste heat of the battery.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Sammelbehälter eine Höhe aufweist, welche geringer ist als eine Breite und/oder eine Länge des Sammelbehälters. Der Sammelbehälter ist also bevorzugt so ausgestaltet, dass eine möglichst große Verdunstungsfläche bereitgestellt ist. Dann kann nämlich das Produktwasser beim Zuführen der Abwärme der Batterie, welche über den Kühlkreislauf in den Sammelbehälter eingebracht wird, gut verdunsten. So kann besonders viel Wärme an die Umgebung abgeführt werden.As further advantageous, it has been shown that the collecting container has a height which is less than a width and / or a length of the collecting container. The collecting container is thus preferably designed so that the largest possible evaporation surface is provided. For then the product water can evaporate well when supplying the waste heat of the battery, which is introduced via the cooling circuit into the collecting container. So much heat can be dissipated to the environment.

Bevorzugt ist der Sammelbehälter des Weiteren so ausgestaltet, dass das Produktwasser, welches während des Betriebs des Brennstoffzellensystems anfällt, sich besonders rasch von der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels abkühlt und die Umgebungstemperatur annimmt. Auch dies kann durch eine entsprechend flache Bauform des Sammelbehälters realisiert werden, welche im Betrieb des Brennstoffzellensystems zum Ausbilden einer besonders großen freien Wasseroberfläche führt.Preferably, the collecting container is further configured such that the product water, which is obtained during operation of the fuel cell system, cools particularly quickly from the operating temperature of the fuel cell stack and assumes the ambient temperature. This too can be realized by a correspondingly flat design of the collecting container, which leads to the formation of a particularly large free water surface during operation of the fuel cell system.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Einlass des Sammelbehälters mit einem Auslass eines Wasserabscheiders gekoppelt ist, welcher in einer Abluftleitung des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Über den Wasserabscheider kann besonders gut das Produktwasser aus der Abluft des Brennstoffzellenstapels dem Sammelbehälter zugeführt werden.As further advantageous, it has been shown, when an inlet of the collecting container is coupled to an outlet of a water separator, which is arranged in an exhaust duct of the fuel cell stack. Via the water separator, the product water from the exhaust air of the fuel cell stack can be supplied to the collecting container particularly well.

Vorzugsweise ist ein Ladestecker zum Schnellladen der Batterie vorgesehen. Insbesondere beim Schnellladen oder DC-Laden, bei welchem sehr rasch eine große elektrische Leistung in die Batterie des Fahrzeugs eingebracht wird, kommt es nämlich zu einer besonders hohen Abwärmeleistung der Batterie, welche an das Produktwasser in dem Sammelbehälter abgegeben werden kann.Preferably, a charging plug for fast charging of the battery is provided. In particular, when fast charging or DC charging, in which very quickly a large electric power is introduced into the battery of the vehicle, namely, it comes to a particularly high waste heat capacity of the battery, which can be delivered to the product water in the reservoir.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Brennstoffzellenstapel als Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. Bei einem solchen Brennstoffzellenstapel fällt das Produktwasser nämlich auf einem im Vergleich zu einer SOFC-Brennstoffzelle niedrigen Temperaturniveau an. Entsprechend kann das Produktwasser sehr rasch beispielsweise auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, sodass es dann für das Aufnehmen der Abwärme der Batterie in besonders hohem Maße geeignet ist.Finally, it has proven to be advantageous if the fuel cell stack is designed as a polymer electrolyte membrane fuel cell stack. Namely, in such a fuel cell stack, the product water falls on a low temperature level as compared with an SOFC fuel cell. Accordingly, the product water can be cooled very quickly, for example, to ambient temperature, so that it is then particularly suitable for absorbing the waste heat of the battery.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere bei einer Konfiguration eines Antriebsstrangs eines entsprechenden Fahrzeugs zum Einsatz kommen, bei welcher die Batterie wahlweise über das Brennstoffzellensystem oder durch Anschließen an eine Ladestation geladen werden kann. Bei einem solchen Plug-In-Fahrzeug ist es insbesondere möglich, einen Elektroantrieb, welcher wenigstens einen Elektromotor umfasst, zunächst mit elektrischer Energie zu versorgen, welche aus der aufladbaren Batterie stammt.The vehicle according to the invention comprises a fuel cell system according to the invention. The fuel cell system can be used in particular in a configuration of a drive train of a corresponding vehicle, in which the battery can be loaded either via the fuel cell system or by connecting to a charging station. In such a plug-in vehicle, it is possible, in particular, to supply an electric drive, which comprises at least one electric motor, first of all with electrical energy which originates from the rechargeable battery.

Des Weiteren ist das Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellenfahrzeug einsetzbar, bei welchem der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems als Range-Extender (Reichweitenverlängerer) eingesetzt wird. Hierbei dient also das Brennstoffzellensystem dazu, im elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs die mit der Batterie oder Traktionsbatterie erreichbare Reichweite zu vergrößern.Furthermore, the fuel cell system can be used in a fuel cell vehicle in which the fuel cell stack of the fuel cell system is used as a range extender. In this case, therefore, the fuel cell system serves to increase the achievable with the battery or traction battery range in the electric driving mode of the vehicle.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug wird in einem Sammelbehälter Produktwasser eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems aufgenommen. Abwärme einer zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie für das Fahrzeug ausgebildeten Batterie wird an das Produktwasser abgegeben. Hierbei wird das Kühlmittel durch einen Kühlkreislauf der Batterie hindurch gefördert, wobei das Produktwasser in dem Sammelbehälter mit der Wärme des Kühlmittels beaufschlagt wird. Dieses Abführen der Wärme der Batterie an das Produktwasser kann insbesondere während des Ladens der Batterie, bevorzugt während eines Schnellladens der Batterie, vorgenommen werden.In the method according to the invention for operating a fuel cell system for a vehicle is in a collecting container Added product water of a fuel cell stack of the fuel cell system. Waste heat from a battery designed to provide electrical power to the vehicle is dissipated to the product water. Here, the coolant is conveyed through a cooling circuit of the battery, wherein the product water is applied in the collecting container with the heat of the coolant. This dissipation of the heat of the battery to the product water can be made especially during charging of the battery, preferably during a fast charging of the battery.

Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the fuel cell system according to the invention also apply to the vehicle according to the invention and to the method according to the invention and vice versa.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained. Thus, embodiments and combinations of features are also to be regarded as disclosed which do not have all the features of an originally formulated independent claim.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt schematisiert ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems und mit einem Kühlkreislauf für eine Batterie des Fahrzeugs, wobei über den Kühlkreislauf Abwärme der Batterie auf Produktwasser des Brennstoffzellenstapels übertragen werden kann, welches in einem Sammelbehälter gesammelt wird.This shows schematically a fuel cell system with a cooling circuit for cooling a fuel cell stack of the fuel cell system and a cooling circuit for a battery of the vehicle, via the cooling circuit waste heat of the battery can be transferred to product water of the fuel cell stack, which is collected in a sump.

Von einem Brennstoffzellensystem 10 eines Fahrzeugs ist in 1 schematisch ein Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 12, welcher eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen umfasst, ist innerhalb eines (nicht gezeigten) Stapelgehäuses angeordnet. Das Stapelgehäuse weist Medienanschlüsse in Form einer Brennstoffzuführleitung 16, einer Brennstoffableitung 18, einer Zuluftleitung 20 und einer Abluftleitung 22 auf. Die Abluftleitung 22 ist Teil eines Abgasstrangs des Brennstoffzellensystems 10. Des Weiteren sind an das Stapelgehäuse eine Kühlmittelzuführleitung 24 und eine Auslassleitung 26 für das Kühlmittel angeschlossen.From a fuel cell system 10 a vehicle is in 1 schematically a fuel cell stack 12 shown. The fuel cell stack 12 comprising a plurality of individual fuel cells is disposed within a stack housing (not shown). The stack housing has media connections in the form of a fuel supply line 16 , a fuel discharge 18 , an air supply line 20 and an exhaust duct 22 on. The exhaust duct 22 is part of an exhaust system of the fuel cell system 10 , Furthermore, a coolant supply line is connected to the stack housing 24 and an outlet conduit 26 connected for the coolant.

Der Antriebsstrang beziehungsweise das Fahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem 10 aufweist, ist bevorzugt derart konfiguriert, dass das Brennstoffzellensystem 10 in einer Plug-In-Betriebsweise oder einer Range-Extender-Betriebsweise verwendet wird. Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel 12 erst dann in Betrieb genommen, wenn er eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat. Ein Gefrierstart des Brennstoffzellenstapels 12 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems 10 kann somit vermieden werden. Vielmehr wird bei einem Gefrierstart zunächst das Brennstoffzellensystem 10 mittels eines elektrischen Heizelements 46 vorgewärmt, bevor das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wird.The powertrain or the vehicle, which is the fuel cell system 10 is preferably configured such that the fuel cell system 10 is used in a plug-in mode or a range extender mode. The fuel cell stack is preferred 12 only put into operation when it has reached a predetermined temperature. A freeze start of the fuel cell stack 12 or the fuel cell system 10 can thus be avoided. Rather, at a freeze start first, the fuel cell system 10 by means of an electric heating element 46 preheated before the fuel cell system 10 is started.

Das elektrische Heizelement 46 beziehungsweise der elektrische Heizer ist in einem Kühlmittelkreis 48 angeordnet, in welchem eine Kühlmittelpumpe 50 das Kühlmittel hin zum Brennstoffzellenstapel 12 fördert. Dem elektrischen Heizelement 46 ist in dem Kühlmittelkreis 48 ein Wärmeübertrager 52 nachgeschaltet, mittels welchem sich auch ein Innenraum oder Fahrgastraum des Fahrzeugs beheizen lässt.The electric heating element 46 or the electric heater is in a coolant circuit 48 arranged, in which a coolant pump 50 the coolant towards the fuel cell stack 12 promotes. The electric heating element 46 is in the coolant circuit 48 a heat exchanger 52 downstream, by means of which also an interior or passenger compartment of the vehicle can be heated.

Vorliegend wird bevorzugt zunächst mittels des elektrischen Heizelements 46 der Brennstoffzellenstapel 12 vorgewärmt und erst dann das Brennstoffzellensystem 10 gestartet. In dem Kühlmittelkreis 48 ist stromaufwärts eines weiteren Wärmeübertragers in Form eines Kühlers 56 ein Ventil 54 angeordnet. Das Ventil 54 ist bevorzugt als Thermostatventil ausgebildet, welches bei einer vorbestimmten Temperatur öffnet und so das Zuführen von Kühlmittel zu dem Kühler 56 ermöglicht. Über den Kühler 56 wird nämlich im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 Abwärme des Brennstoffzellenstapels 12 in die Umgebung abgeführt. Bei diesem Kühler 56 handelt es sich bevorzugt um den sogenannten Hauptkühler, welcher im Bereich einer Fahrzeugfront des Fahrzeugs angeordnet ist.In the present case, preference is first given by means of the electric heating element 46 the fuel cell stack 12 preheated and only then the fuel cell system 10 started. In the coolant circuit 48 is upstream of another heat exchanger in the form of a cooler 56 a valve 54 arranged. The valve 54 is preferably formed as a thermostatic valve which opens at a predetermined temperature and thus the supply of coolant to the radiator 56 allows. About the radiator 56 namely, during operation of the fuel cell system 10 Waste heat of the fuel cell stack 12 discharged into the environment. In this cooler 56 it is preferably the so-called main radiator, which is arranged in the region of a vehicle front of the vehicle.

Gemäß 1 wird einer Kathode 58 des Brennstoffzellenstapels 12 die Zuluft über die Zuluftleitung 20 mittels eines Verdichters 60 zugeführt, welcher von einem Motor 62 angetrieben wird. Anschließend durchströmt die Zuluft einen Ladeluftkühler 64. In der Zuluftleitung 20 ist des Weiteren stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 12 ein Absperrventil 66 angeordnet.According to 1 becomes a cathode 58 of the fuel cell stack 12 the supply air via the supply air line 20 by means of a compressor 60 which is supplied by a motor 62 is driven. Subsequently, the supply air flows through a charge air cooler 64 , In the supply air line 20 is further upstream of the fuel cell stack 12 a shut-off valve 66 arranged.

Der Wasserstoff wird aus einem Tank 74 über ein Dosierventil 76 einer Strahlpumpe 78 zugeführt. Der Wasserstoff aus dem Tank 74 bildet dabei einen Treibstrahl aus, der über die entsprechende Saugwirkung Wasserstoff von einem Ausgang einer Anode 80 des Brennstoffzellenstapels 12 her ansaugt. In der Brennstoffableitung 18, welche vom Auslass der Anode 80 kommend in die Abluftleitung 22 einmündet, ist ein Spülventil 82 angeordnet.The hydrogen gets out of a tank 74 via a metering valve 76 a jet pump 78 fed. The hydrogen from the tank 74 forms a propulsion jet, which has the corresponding Suction hydrogen from an output of an anode 80 of the fuel cell stack 12 sucked in here. In the fuel drainage 18 coming from the outlet of the anode 80 coming into the exhaust air line 22 opens, is a purge valve 82 arranged.

Von einem Ausgang der Kathode 58 führt die Abluftleitung 22 zum Ladeluftkühler 64. Hier wird mittels der von der verdichteten Ladeluft abgegebenen Wärme in der Abluft vorhandenes Flüssigwasser verdampft, so dass vergleichsweise wenig Flüssigwasser in die Umgebung austreten kann. Anschließend durchströmt die Abluft ein weiteres Absperrventil 68, welches in der Abluftleitung 22 angeordnet ist. Danach strömt die Abluft durch einen Wasserabscheider 70, mittels welchem Flüssigwasser oder Produktwasser aus dem Abgas abgeschieden wird. Vom Wasserabscheider 70 gelangt das Produktwasser in einen Sammelbehälter 32. Hierfür ist ein Einlass 34 des Sammelbehälters 32 mit einem Auslass 36 des Wasserabscheiders 70 über eine Leitung gekoppelt. Über ein Kühlmittel, welches durch einen Kühlkreislauf 72 einer Batterie 90 des Fahrzeugs strömt, kann Abwärme der Batterie 90 in das Produktwasser eingebracht werden, welches sich in dem Sammelbehälter 32 befindet.From an exit of the cathode 58 leads the exhaust air line 22 to the intercooler 64 , Here, by means of the heat released by the compressed charge air in the exhaust air existing liquid water is evaporated, so that comparatively little liquid water can escape into the environment. Then the exhaust air flows through another shut-off valve 68 , which is in the exhaust pipe 22 is arranged. Thereafter, the exhaust air flows through a water separator 70 , By means of which liquid water or product water is separated from the exhaust gas. From the water separator 70 the product water enters a collection container 32 , There is an inlet for this 34 of the collection container 32 with an outlet 36 of the water separator 70 coupled via a line. About a coolant, which through a cooling circuit 72 a battery 90 If the vehicle is flowing, it can waste the battery 90 be introduced into the product water, which is in the sump 32 located.

In dem Kühlkreislauf 72 kann das Kühlmittel mittels einer weiteren Kühlmittelpumpe 84 zu der Batterie 90 und zu einer Hochvoltkomponente 88 wie beispielsweise einem On-Board-Loader (OBL, Ladegerät) geführt werden. Stromabwärts der Batterie 90 und der Hochvoltkomponente 88 ist in dem Kühlkreislauf 72 ein weiteres Ventil 86 angeordnet. Von dem Ventil 86 aus strömt das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf 72 wahlweise zu einem Chiller 94, welchem ein weiteres Ventil 96 vorgeschaltet ist, oder zu einem Wärmeübertrager 28, über welchen Wärme des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf 72 auf das Produktwasser in dem Sammelbehälter 32 übertragen werden kann.In the cooling circuit 72 can the coolant by means of another coolant pump 84 to the battery 90 and to a high voltage component 88 such as an on-board loader (OBL, charger) are performed. Downstream of the battery 90 and the high voltage component 88 is in the cooling circuit 72 another valve 86 arranged. From the valve 86 From the coolant flows in the cooling circuit 72 optionally to a chiller 94 which another valve 96 upstream, or to a heat exchanger 28 over which heat of the coolant from the cooling circuit 72 on the product water in the sump 32 can be transferred.

Über den Chiller 94 kann Wärme auf einen (nicht gezeigten) Kältemittelkreis des Fahrzeugs übertragen werden. Je nach Stellung des Ventils 96 kann das durch den Kühlkreislauf 72 strömende Kühlmittel auch einem weiteren Kühler 98 zugeführt werden.About the chiller 94 Heat may be transferred to a (not shown) refrigerant circuit of the vehicle. Depending on the position of the valve 96 This can be done through the cooling circuit 72 flowing coolant also another cooler 98 be supplied.

Der weitere Kühler 98, welcher bevorzugt ebenso wie der Kühler 56 im Bereich einer Fahrzeugfront des Fahrzeugs angeordnet ist, wird mittels eines Lüfters 30 mit Kühlluft beaufschlagt. So kann während des Ladens der Batterie 90 anfallende Abwärme über das Kühlmittel abgeführt werden.The other cooler 98 which prefers as well as the radiator 56 is arranged in the region of a vehicle front of the vehicle is by means of a fan 30 subjected to cooling air. So while charging the battery 90 accumulating waste heat to be dissipated via the coolant.

Vorliegend wird jedoch insbesondere das im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 anfallende Produktwasser zum Abführen von Abwärme genutzt, welche beim Laden der Batterie 90 anfällt. Hierfür wird das von der Batterie 90 kommende Kühlmittel dem Wärmeübertrager 28 zugeführt. Das Kühlmittel, welches die beim Schnellladen der Batterie 90 anfallende Abwärme abführt, überträgt diese Wärme über den Wärmeübertrager 28 auf das Produktwasser, welches im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 anfällt und welches vorliegend in dem Sammelbehälter 32 gespeichert oder gesammelt wird. Das anfallende Produktwasser wird also in dem Sammelbehälter 32 aufgefangen. Beim Laden, insbesondere Schnellladen oder DC-Laden der Batterie 90 oder Hochvoltbatterie entsteht aufgrund der hohen Ladeleistung auch eine nicht unerhebliche Abwärmeleistung der Batterie 90. Um die Dauerhaltbarkeit der Batterie 90 nicht zu reduzieren, muss die anfallende hohe Abwärmeleistung abgeführt werden.In the present case, however, in particular, the operation of the fuel cell stack 12 accumulating product water used to dissipate waste heat, which when charging the battery 90 accrues. This is done by the battery 90 coming coolant the heat exchanger 28 fed. The coolant, which when fast-charging the battery 90 dissipates waste heat transfers this heat through the heat exchanger 28 on the product water, which in the operation of the fuel cell stack 12 incurred and which present in the sump 32 saved or collected. The resulting product water is thus in the sump 32 collected. When charging, especially fast charging or DC charging the battery 90 or high-voltage battery is due to the high charging power and a significant waste heat performance of the battery 90 , To the durability of the battery 90 not to reduce, the resulting high waste heat output must be dissipated.

Vorliegend wird beim Ladevorgang der Batterie 90 die Kühlmittelpumpe 84 betrieben und das Kühlmittel im Kühlkreislauf 72 der Batterie 90 umgewälzt. Das durch die Batterie 90 strömende Kühlmittel wird hierbei erwärmt und dann durch den Wärmeübertrager 28 geleitet, welcher bevorzugt in dem Sammelbehälter 32 angeordnet ist. Beispielsweise kann das erwärmte Kühlmittel durch eine Vielzahl von Rohren strömen, welche in dem Sammelbehälter 32 angeordnet sind und somit den Wärmeübertrager 28 bereitstellen. Durch die stoffliche Trennung ist jedoch ein Kontakt des Produktwassers in dem Sammelbehälter 32 mit dem Kühlmittel vermieden, welches mittels der Kühlmittelpumpe 84 durch den Kühlkreislauf 72 gefördert wird.In the present case is when charging the battery 90 the coolant pump 84 operated and the coolant in the cooling circuit 72 the battery 90 circulated. That by the battery 90 flowing coolant is heated in this case and then through the heat exchanger 28 passed, which preferably in the sump 32 is arranged. For example, the heated coolant may flow through a plurality of tubes that are in the sump 32 are arranged and thus the heat exchanger 28 provide. By material separation, however, is a contact of the product water in the sump 32 avoided with the coolant, which by means of the coolant pump 84 through the cooling circuit 72 is encouraged.

Die Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf 72 der Batterie 90 wird also auf das Produktwasser übertragen, welches sich in dem Sammelbehälter 32 oder Wassersammelbehälter befindet. Durch die Erhöhung der Temperatur des Produktwassers in dem Sammelbehälter 32 wird die Verdunstung gefördert. Dadurch lässt sich eine relativ hohe Wärmeübertragungsleistung realisieren. Dies hat zur Folge, dass der Lüfter 30 nicht betrieben zu werden braucht oder mit verringerter Leistung betrieben werden kann.The heat energy from the cooling circuit 72 the battery 90 So it is transferred to the product water, which is in the sump 32 or water collection tank is located. By raising the temperature of the product water in the sump 32 the evaporation is promoted. As a result, a relatively high heat transfer performance can be realized. As a result, the fan 30 does not need to be operated or can be operated at reduced power.

Nach dem Abkühlen des Kühlmittels im Sammelbehälter 32 wird das Kühlmittel entweder dem Kühler 98 und/oder dem Chiller 94 zugeführt, um eine weitere Absenkung der Temperatur des Kühlmittels zu erreichen.After cooling the coolant in the reservoir 32 the coolant is either the radiator 98 and / or the chiller 94 supplied to achieve a further reduction in the temperature of the coolant.

Das Brennstoffzellensystem 10, welches insbesondere bei einem Brennstoffzellen-Plug-in-Fahrzeug oder einem Brennstoffzellen-Range-Extender-Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, kann prinzipiell auch anders ausgestaltet sein als vorliegend beispielhaft gezeigt. Entscheidend ist bei dem Brennstoffzellensystem 10, dass das anfallende Produktwasser in dem Sammelbehälter 32 aufgefangen wird.The fuel cell system 10 , which can be used in particular in a fuel cell plug-in vehicle or a fuel cell range extender vehicle can, in principle, also be configured differently than shown here by way of example. The decisive factor is the fuel cell system 10 in that the accumulated product water in the collecting container 32 is caught.

Beispielsweise ist es jedoch denkbar, dass die Reihenfolge der Medienführung durch die einzelnen Wärmeübertrager geändert ist. Entsprechend kann das von der Batterie 90 kommende Kühlmittel auch zunächst dem Chiller 94 und/oder dem Kühler 98 zugeführt werden. Anschließend kann das Kühlmittel dem Wärmeübertrager 28 zugeführt werden, um Wärme auf das Produktwasser im Sammelbehälter 32 zu übertragen. Eine derartige Medienführung kann insbesondere zu Beginn des Ladevorgangs vorgesehen sein. Anschließend kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels, welches durch den Kühlkreislauf 72 strömt, das Kühlmittel über den Sammelbehälter 32 geführt werden. For example, it is conceivable that the order of the media guide is changed by the individual heat exchanger. Accordingly, that of the battery 90 Coming coolant also first the chiller 94 and / or the radiator 98 be supplied. Subsequently, the coolant can the heat exchanger 28 be supplied to heat the product water in the sump 32 transferred to. Such a media guide can be provided in particular at the beginning of the charging process. Subsequently, in particular as a function of the temperature of the coolant, which through the cooling circuit 72 flows, the coolant through the reservoir 32 be guided.

Ferner kann eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe 100 mit dem Sammelbehälter 32 und dem Wärmeübertrager 28 thermisch gekoppelt sein. Die ist in 2 gezeigt. Dabei ist die thermische Kopplung so erfolgt, dass der Kondensator der Kältemaschine bzw. der Wärmepumpe 100 mit dem Sammelbehälter 32 und der Verdampfer der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe 100 mit dem Wärmeübertrager 28 thermisch gekoppelt. Dadurch lässt sich dem in dem Sammelbehälter 32 gesammelten Produktwasser die Abwärme auch dann zuführen, wenn das Produktwasser bereits eine relativ hohe Temperatur aufweist. Dadurch kann das Produktwasser bis hin zum Sieden gebracht werden, wodurch sich eine besonders große Abwärmeleistung abführen lässt.Furthermore, a chiller or a heat pump 100 with the collection container 32 and the heat exchanger 28 be thermally coupled. That is in 2 shown. The thermal coupling is carried out so that the condenser of the refrigerator or the heat pump 100 with the collection container 32 and the evaporator of the refrigerator or heat pump 100 with the heat exchanger 28 thermally coupled. This can be in the container 32 The collected product water, the waste heat even then supply, if the product water already has a relatively high temperature. As a result, the product water can be brought to boiling, which can dissipate a particularly large waste heat output.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
1212
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1616
Brennstoffzuführleitungfuel supply
1818
Brennstoffableitungfuel derivative
2020
Zuluftleitungair supply
2222
Abluftleitungexhaust duct
2424
Kühlmittelzuführleitungcoolant supply line
2626
Auslassleitungoutlet pipe
2828
WärmeübertragerHeat exchanger
3030
LüfterFan
3232
SammelbehälterClippings
3434
Einlassinlet
3636
Auslassoutlet
4646
Heizelementheating element
4848
KühlmittelkreisCoolant circuit
5050
KühlmittelpumpeCoolant pump
5252
WärmeübertragerHeat exchanger
5454
VentilValve
5656
Kühlercooler
5858
Kathodecathode
6060
Verdichtercompressor
6262
Motorengine
6464
LadeluftkühlerIntercooler
6666
Absperrventilshut-off valve
6868
Absperrventilshut-off valve
7070
Wasserabscheiderwater
7272
KühlkreislaufCooling circuit
7474
Tanktank
7676
Dosierventilmetering valve
7878
Strahlpumpejet pump
8080
Anodeanode
8282
Spülventilflush valve
8484
KühlmittelpumpeCoolant pump
8686
VentilValve
8888
HochvoltkomponenteHigh-voltage component
9090
Batteriebattery
9494
ChillerChiller
9696
VentilValve
9898
Kühlercooler
100100
Kältemaschine oder WärmepumpeChiller or heat pump

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 201462746 A1 [0002] WO 201462746 A1 [0002]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einem Sammelbehälter (32) zum Aufnehmen von Produktwasser des Brennstoffzellenstapels (12), und mit einer Batterie (90) zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie für das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (32) in Wärme übertragender Weise mit einem Kühlkreislauf (72) der Batterie (90) gekoppelt ist, in welchem zum Kühlen der Batterie (90) ein Kühlmittel förderbar ist.Fuel cell system for a vehicle, with a fuel cell stack ( 12 ), a collecting container ( 32 ) for receiving product water of the fuel cell stack ( 12 ), and with a battery ( 90 ) for providing electrical drive energy for the vehicle, characterized in that the collecting container ( 32 ) in heat transferring manner with a cooling circuit ( 72 ) of the battery ( 90 ), in which for cooling the battery ( 90 ) A coolant is conveyed. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktwasser im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) in dem Sammelbehälter (32) eine freie Wasseroberfläche ausbildet.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the product water during operation of the fuel cell system ( 10 ) in the collecting container ( 32 ) forms a free water surface. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (32) eine Höhe aufweist, welche geringer ist als eine Breite und/oder eine Länge des Sammelbehälters (32).Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the collecting container ( 32 ) has a height which is less than a width and / or a length of the collecting container ( 32 ). Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (34) des Sammelbehälters (32) mit einem Auslass (36) eines Wasserabscheiders (70) gekoppelt ist, welcher in einer Abluftleitung (22) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that an inlet ( 34 ) of the collecting container ( 32 ) with an outlet ( 36 ) of a water separator ( 70 ), which in an exhaust duct ( 22 ) of the fuel cell stack ( 12 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ladestecker zum Schnellladen der Batterie (90).Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized by a charging plug for fast charging of the battery ( 90 ). Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreislauf (72) der Batterie (90) ein Kühler (98) angeordnet ist, welcher mittels eines Lüfters (30) mit Kühlluft beaufschlagbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the cooling circuit ( 72 ) of the battery ( 90 ) a cooler ( 98 ), which by means of a fan ( 30 ) can be acted upon with cooling air. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreislauf (72) der Batterie (90) ein Wärmeübertrager (94) angeordnet ist, über welchen Wärme des Kühlmittels auf einen Kältemittelkreis des Fahrzeugs übertragbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the cooling circuit ( 72 ) of the battery ( 90 ) a heat exchanger ( 94 ) is arranged, via which heat of the coolant is transferable to a refrigerant circuit of the vehicle. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) als Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fuel cell stack ( 12 ) is formed as a polymer electrolyte membrane fuel cell stack. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Vehicle with a fuel cell system ( 10 ) according to one of claims 1 to 8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für ein Fahrzeug, bei welchem in einem Sammelbehälter (32) Produktwasser eines Brennstoffzellenstapels (12) des Brennstoffzellensystems (10) aufgenommen wird, und bei welchem Abwärme einer zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie für das Fahrzeug ausgebildeten Batterie (90) an das Produktwasser abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel durch einen Kühlkreislauf (72) der Batterie (90) gefördert wird, wobei, insbesondere während eines Ladens der Batterie (90), das Produktwasser in dem Sammelbehälter (32) mit der Wärme des Kühlmittels beaufschlagt wird.Method for operating a fuel cell system ( 10 ) for a vehicle in which in a collecting container ( 32 ) Product water of a fuel cell stack ( 12 ) of the fuel cell system ( 10 ) and in which waste heat of a battery designed to provide electric drive energy for the vehicle ( 90 ) is delivered to the product water, characterized in that a coolant through a cooling circuit ( 72 ) of the battery ( 90 ), in particular during charging of the battery ( 90 ), the product water in the collecting container ( 32 ) is acted upon by the heat of the coolant.
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