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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abfuhr von Wärme bei einer Brennstoffzelle, die einen elektrischen Motor eines Fahrrades antreibt und mit Wasserstoff betrieben wird sowie einen dafür geeigneten Wärmetauscher.
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Bei der Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle wird Energie freigesetzt, welche zum Antrieb eines elektrischen Motors genutzt werden kann. Zusätzlich entsteht Wärme, die abgeführt werden muss um ein Überhitzen der Brennstoffzelle zu vermeiden. Besonders bei der Verwendung von Brennstoffzellen, die auf engem Raum verbaut werden oder bei denen das Gewicht der Brennstoffzelle und der notwendigen Versorgungseinheiten eine Rolle spielt, stellt die Positionierung und das Design des Wärmetauschers eine Herausforderung dar.
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So ist es bekannt, dass Brennstoffzellen auch genutzt werden können um den Antrieb von elektrischen Fahrrädern zu betreiben. Gerade bei diesen Anwendungen stellt die Positionierung des Wärmetauschers eine Herausforderung dar. Für eine Luftkühlung muss Raum und eine Steuerung für Ventilatoren vorgesehen werden. Alternativ kann eine Kühlung über eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser erfolgen. Hierfür muss jedoch ein zusätzlicher Tank für die Flüssigkeit mitgeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei dem die Kühlung der Brennstoffzelle möglichst platzsparend und effektiv realisiert wird.
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Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Brennstoffzelle durch einen Wärmetauscher gekühlt wird, der einen Teil eines Fahrradrahmens darstellt. Der Wärmetauscher wird in einen Teil des Rahmens eingebracht oder direkt aus einem Teil des Fahrradrahmens gefertigt. Der Wärmetauscher ist mit der Brennstoffzelle über einen Ein- und einen Auslass verbunden. Eine Pumpe, die an der Brennstoffzelle angebracht ist und die über die Brennstoffzelle selbst mit Energie versorgt wird, transportiert einen Wärmeträger im Kreislauf zwischen der Brennstoffzelle und dem Wärmetauscher. Dabei wird kalter Wärmeträger aus dem Wärmetauscher in die Brennstoffzelle geführt. Dieser wird dort erwärmt und kühlt dabei die Brennstoffzelle bzw. führt die die dort entstandene Reaktionswärme ab. Der warme Wärmeträger wird aus der Brennstoffzelle in den Wärmetauscher gepumpt. Der Wärmetauscher wird durch die Umgebungsluft gekühlt. Der Mantel des Fahrradrahmenrohres stellt in diesem Fall die Wärmeaustauschfläche zwischen Wärmeträger und Umgebung dar. Die Leitungen zwischen der Brennstoffzelle und dem Wärmetauscher können dabei aus Kunststoff oder Metall gefertigt werden.
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Als Wärmeträger kann deionisiertes bzw. destilliertes Wasser verwendet werden. Da aufgrund des bevorzugt metallischen oder metallhaltigen Fahrradrahmenrohres jedoch über das Wasser Metallionen in die Brennstoffzelle gelangen und dort Schäden, beispielsweise einen Kurzschluss, verursachen können, sollte Wasser vermieden werden. Bevorzugt ist es wenn, der Wärmetauscher eine inerte, dielektrische Flüssigkeit, insbesondere ein Fluorinert ist.
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Zur Kühlung der Brennstoffzelle, werden vorteilhafterweise zwischen 0,25 bis 2 Liter Wärmeträger verwendet. Die Flussrate mit der der Wärmeträger durch die Brennstoffzelle und den Wärmeträger gepumpt wird beträgt 50 bis 600 mL/min. Die Pumpe kann durch die Brennstoffzelle angetrieben werden bzw. über einen darüber geladenen Akku, und benötigt keine separate Stromversorgung, da die Pumpe nur während des Betriebes der Brennstoffzelle benötigt wird.
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Der Wärmeträger und die äußere Fläche des Wärmetauschers erreichen maximal eine Temperatur von 20 bis 60°C. Je nach Umgebungstemperatur, in der sich das Fahrrad befindet, ändert sich selbstverständlich die Leistung des Wärmetauschers und die Temperatur des Wärmeträgers. Vorteilhafterweise wird der Wärmeträger bei atmosphärischen Druck oder bei bis zu 2 bar Überdruck durch den Wärmetauscher geführt.
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Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher mit der Brennstoffzelle in Verbindung steht, die wiederum mit einem elektrischen Motor in Verbindung steht, und dadurch dass der Wärmetauscher ein Teil des Fahrradrahmens ist. Bevorzugt wird das Volumen des Wärmetauschers durch zwei Scheiben abgetrennt, welche in den Fahrradrahmen eingebracht sind. So muss kein zusätzlicher Speichertank für den Wärmeträger am Fahrrad montiert werden. Die Scheiben können in den bestehenden Rahmen eingebracht werden und trennen so einen bestimmten Bereich vom Rest des Fahrradrahmens ab. Die Scheiben können über eine Schweißnaht oder durch andere bekannte Dichtverfahren abgedichtet werden, so dass kein Wärmeträger in den restlichen Fahrradrahmen gelangen kann. Die Größe des abgetrennten Volumens ist abhängig von der benötigten Wärmeaustauschfläche oder der benötigten Menge an Wärmeträgerfluid. Vorteilhafterweise weist der Wärmetauscher einen Einlass und einen Auslass sowie eine Öffnung zum Befüllen mit Wärmeträgerfluid auf. Der Einlass und/oder der Auslass stehen über eine Pumpe mit der Brennstoffzelle in Verbindung. Es kann auch der Ein- und/oder Auslass zum Befüllen des Wärmetauschers mit dem Wärmeträger genutzt werden, so dass die Öffnung zum Befüllen entfallen kann, oder an anderer Stelle angebracht werden kann. Es bietet sich zur Entlüftung des Wärmetauschers jedoch an, die Öffnung zum Befüllen an höchstmöglicher Stelle am Wärmetauscher anzubringen. Der Ein- und Auslass können an den gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers angebracht sein. Falls die beiden Öffnungen nebeneinander angeordnet sind, kann eine der Öffnungen innerhalb des Wärmetauschers mit einer Steigleitung verbunden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Wärmetauschers ist in den Wärmetauscher ein Gasspeicher integriert. Besonders bevorzugt ist der Gasspeicher mit einem Wasserstoffspeichermaterial ausgefüllt. Feststoffspeichermaterialien, insbesondere Metallhydridspeicher, welche bevorzugt Magnesium-, Titan-, Natriumborhydrid-, Lithiumaluminiumhydrid- oder Amminboranverbindungen enthalten, oder andere Adsorbentien, wie Zeolithe oder Molekularsiebe, benötigen Wärme zur Freisetzung des adsorbierten Wasserstoffs. Vorteilhafterweise wird die Wärme aus dem Wärmetauscher zur Freisetzung von Wasserstoff aus einem Feststoffspeichermaterial genutzt, welches in einem Gasspeicher integriert ist, welcher in den Wärmetauscher integriert ist. Der Gasspeicher ist bevorzugt als Zylinder zentrisch im Wärmetauscher integriert. Vorteilhafterweise verfügt der Gasspeicher über einen kombinierten Gasein- und Auslass zur Beladung oder zur Ausspeicherung von Wasserstoff. Besonders bevorzugt ist ein Filter in diesen Gasein- und Auslass integriert um einen Austritt von Feststoffspeichermaterial zu verhindern oder bei der Einspeicherung des Wasserstoffs eine Verunreinigung zu vermeiden. Der Gasspeicher ist bevorzugt aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gefertigt, so dass die Wärme aus dem Wärmetauscher gut übertragen werden kann. Der Gasspeicher ist vorteilhafterweise mit einem Füllvolumen von 50–95%, insbesondere von 65–75% mit dem Feststoffspeichermaterial befüllt. Im restlichen, freien Volumen kann Wasserstoff in freier, gasförmiger Form eingelagert werden. Der Druck im Gasspeicher beträgt bevorzugt zwischen 5 und 700 bar und besonders bevorzugt zwischen 10 und 40 bar. Um die Brennstoffzelle in Betrieb zu setzen kann der Wasserstoff aus dem freien Volumen verwendet werden, anschließend entsteht durch den Betrieb der Brennstoffzelle genügend Wärme um Wasserstoff aus dem Feststoffspeichermaterial zu desorbieren. Die Brennstoffzelle kann so auch in kaltem Zustand gestartet werden. Alternativ kann ein zusätzlicher Gasspeicher als Zwischenspeicher oder Zusatzspeicher vorgesehen sein.
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Die Vorteile dieses Verfahren und des Wärmetauschers liegen vor allem darin, dass keine zusätzlichen Speicher oder Wärmeaustauschflächen am Fahrrad benötigt werden. Dies wirkt sich auf das Gewicht auf und ist auch optisch ansprechender.
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Ein schematisches Ausführungsbeispiel ist in Figur 1 dargestellt. Der Wärmetauscher 1 ist Bestandteil eines Fahrradrahmenrohres. Das Volumen 3 des Wärmetauschers 1 wird durch die Scheiben 2 begrenzt. Diese sind bevorzugt eingeschweißt und so gegenüber dem restlichen Fahrradrahmenrohr abgedichtet. Der Wärmetauscher enthält einen Einlass 4 und einen Auslass 5, welche jeweils über eine Schlauchverbindung mit der Brennstoffzelle oder der Pumpe in Verbindung stehen. Öffnung 6 dient zum Befüllen des Wärmetauschers mit dem Wärmeträger und zum Entlüften.
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Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem zusätzlich zu den oben bereits beschriebenen Komponeten ein Gasspeicher 7 in den Wärmetauscher integriert ist. Der Gasspeicher 7 verfügt ebenfalls über einen Gasein- und Auslass, welcher jedoch nicht dargestellt ist.
