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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrgastinnenraumes für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Bei vorbekannten Brennstoffzellenfahrzeugen kann die Heizung des Fahrgastinnenraumes über einen Wärmetauscher realisiert sein, der an einen Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist. Die Aufheizung des Fahrgastinnenraumes kann erst erfolgen, wenn der Kühlmittelkreis aufgeheizt wurde. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor ergibt sich beim Betrieb der Brennstoffzelle nur eine verhältnismäßig geringe Abwärme. Daher kommt es zu einem verhältnismäßig geringen Energieeintrag in das Kühlsystem. Somit dauert es verhältnismäßig lange, bis das Kühlsystem aufgeheizt ist und bis der Innenraum temperiert werden kann.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Klimatisieren des Fahrgastinnenraumes bereitzustellen, welches sich vorteilhaft auswirkt auf die Gesamtenergiebilanz, auf den Bauraum, auf die Herstellungskosten und/oder auf die effiziente Aufheizung des Fahrgastinnenraumes. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Klimatisierung, insbesondere zum Heizen und/oder Einstellen des Feuchtegehaltes, eines Fahrgastinnenraumes eines Kraftfahrzeuges. Das Verfahren umfasst den Schritt:
- - zumindest teilweises direktes und/oder indirektes Zuführen von Kathodengas aus einem Kathodensubsystem eines Brennstoffzellensystems in den Fahrgastinnenraum.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrgastinnenraumes, umfassend:
- - ein Brennstoffzellensystem mit einem Kathodensubsystem; und
- - mindestens einen Abzweig;
wobei der Abzweig mit dem Kathodensubsystem und mit dem Fahrgastinnenraum direkt oder indirekt fluidverbunden ist.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt.
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Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von Oxidationsmittel.
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Ein Kathodengas ist beispielsweise das Oxidationsmittel, welches für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle benötigt wird, z.B. Luft oder reiner Sauerstoff.
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Der Begriff „Klimatisierung“ bedeutet im Zusammenhang mit der hier offenbarten Technologie das Regeln bzw. Steuern der Temperatur und/oder des Feuchtegehalts im Fahrgastinnenraum.
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Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann das Kathodengas direkt oder indirekt dem Fahrgastinnenraum zugeführt werden. Gleichsam ist der Abzweig direkt oder indirekt mit dem Fahrgastinnenraum fluidverbunden. „Direkt zuführen bzw. direkt fluidverbunden“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mindestens eine vom Kathodensubsystem abzweigende Leitung direkt mit dem Fahrgastinnenraum verbunden ist. Sofern eine Abzweigleitung vom Kathodensubsystem ausgehend in eine weitere Leitung, z.B. eine Fahrgastinnenraum-Zuluftleitung, mündet, die wiederum mit dem Fahrgastinnenraum fluidverbunden ist, so wird das Kathodengas in diesem Fall indirekt zugeführt bzw. ist diese indirekt fluidverbunden. Zweckmäßig ist vorgesehen, dass die dem Fahrgastinnenraum zuzuführende Innenraumzuluft kein Abgas des Brennstoffzellensystems aufweist, sondern dass die Innenraumzuluft lediglich aus Kathodenzuluft und Frischluft besteht.
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Die hier offenbarte Vorrichtung kann mindestens einen Umgebungsluftförderer umfassen, der Umgebungsluft ansaugt und einem Fahrgastinnenraum zusammen mit Kathodengas als Innenraumzuluft über eine Fahrgastinnenraum-Zuluftleitung bereitstellt. Der Umgebungsluftförderer kann beispielsweise ein elektrisches Gebläse sein.
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Die hier offenbarte Technologie kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer umfassen. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
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Die hier offenbarte Technologie kann ferner mindestens einen Wärmetauscher umfassen. Der mindestens eine Wärmetauscher ist stromauf vom Brennstoffzellenstapel und stromab vom Oxidationsmittelförderer angeordnet. Der Wärmetauscher kann auch als Ladeluftkühler bezeichnet werden. Der Wärmetauscher dient dazu, dass verdichtete Kathodengas auf die für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel richtige Temperatur zu bringen. Zweckmäßig kühlt der Wärmetauscher das durch die Verdichtung erwärmte Kathodengas ab.
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Die hier offenbarte Technologie kann ferner mindestens einen Befeuchter umfassen, der stromab vom Oxidationsmittelförderer und stromauf vom Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Ein solcher Befeuchter kann beispielsweise als Einspritzdüse für Wasser oder als Plattenbefeuchter ausgebildet sein. Ein solcher Befeuchter kann beispielsweise vorgesehen sein, um der Brennstoffzelle befeuchtetes Kathodengas zuzuführen. Der Befeuchter kann insbesondere stromauf und/oder stromab vom Wärmetauscher angeordnet sein.
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Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Abzweig stromab von einem Oxidationsmittelförderer vorgesehen. Bevorzugt ist der Abzweig stromauf vom Brennstoffzellenstapel in der Kathodenzuleitung vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Abzweig in einem Bypass zum Brennstoffzellenstapel angeordnet sein.
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Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Abzweig in und/oder am Oxidationsmittelförderer und/oder unmittelbar benachbart zum Oxidationsmittelförderer angeordnet. „Unmittelbar benachbart“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Abzweig in einem Abstand angeordnet ist, der weniger als 0,2L, bevorzugt weniger als 0,1 L, und besonders bevorzugt weniger als 0,05 L beträgt, wobei L die Gesamtlänge der Kathodenzuluftleitung zwischen Oxidationsmittelförderer und Brennstoffzellenstapel repräsentiert. Der mindestens eine Abzweig kann stromauf vom mindestens einen Wärmetauscher angeordnet sein. In diesen Bereichen ist die Temperatur des verdichteten Kathodengas besonders hoch. Somit kann also besonders effizient der Fahrgastinnenraum erwärmt werden, wenn an diesen Stellen das Kathodengas abgezweigt wird.
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Besonders bevorzugt können mindestens zwei Abzweige vorgesehen sein, wobei ein stromaufwärtiger bzw. erster Abzweig stromauf vom Wärmetauscher vom Kathodensubsystem abzweigt und ein stromabwärtiger bzw. zweiter Abzweig stromab vom Wärmetauscher vom Kathodensubsystem abzweigt, und wobei die beiden Abzweige mit dem Fahrgastinnenraum direkt oder indirekt fluidverbunden sind.
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Besonders bevorzugt kann der stromaufwärtige bzw. erste Abzweig stromauf vom Befeuchter vom Kathodensubsystem abzweigen.
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Ferner bevorzugt kann zusätzlich der stromabwärtige bzw. zweite Abzweig stromab vom Wärmetauscher vom Kathodensubsystem abzweigen.
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Besonders bevorzugt wird zumindest teilweise Kathodengas stromauf vom mindestens einen Wärmetauscher entnommen, wobei der Wärmetauscher eingerichtet sein kann, dass der Brennstoffzelle zuzuführende Kathodengas zu temperieren.
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Die hier offenbarte Vorrichtung kann im Kathodensubsystem eine Oxidationsmittelförderer-Rezirkulation umfassen, die stromab vom Oxidationsmittelförderer abzweigt und stromauf vom Oxidationsmittelförderer mündet.
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Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung mindestens eine Venturi-Düse, wobei durch die Venturi-Düse das Kathodengas der Innenraumzuluft eingebracht wird, insbesondere derart, dass durch das Einbringen des Kathodengases Umgebungsluft von der Venturi-Düse angesaugt wird. Solche Komponenten werden auch als Saugstrahlpumpen bezeichnet
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Bevorzugt ist stromauf vom Oxidationsmittelförderer und/oder stromauf vom Umgebungsluftförderer ein Luftfilter vorgesehen.
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Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Feuchtesensor umfassen. Diese Sensoren können beispielsweise im Fahrgastinnenraum und oder in der Fahrgastinnenraum-Zuführleitung vorgesehen sein. Die Sensoren können eingerichtet sein, ein für die Temperatur und/oder für den Feuchtegehalt der Fahrgastinnenraumluft bzw. der Innenraumzuluft repräsentatives Signal zu erzeugen, welches von einem Steuergerät erfasst werden kann.
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Die hier offenbarte Vorrichtung umfasst ferner mindestens ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, die hier offenbarte Vorrichtung zu steuern. Insbesondere kann das Steuergerät eingerichtet sein, zumindest eines der hier offenbarten Verfahren zu regeln bzw. zu steuern.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie kann ein Teil des Kathodengases oder aber auch das komplette Kathodengas dem Fahrgastinnenraum zugeführt werden.
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Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann das dem Kathodensubsystem entnommene Kathodengas einer dem Fahrgastinnenraum zuzuführenden Innenraumzuluft beigemischt bzw. zugeführt werden.
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Die Temperatur und/oder der Feuchtegehalt des Fahrgastinnenraumes kann geregelt bzw. gesteuert werden, indem von dem mindestens einen Umgebungsluftförderer geförderte Umgebungsluft mit dem Kathodengas zusammengeführt wird. Dabei kann die Umgebungsluft vor dem Zusammenführen eine andere Temperatur und/oder einen anderen Feuchtegehalt aufweisen als das Kathodengas. Insbesondere im Winter weist die Umgebungstemperatur vergleichsweise niedrige Temperaturen auf, wohingegen das Kathodengas vergleichsweise hohe Temperaturen aufweist.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das Kathodengas stromab von einem Oxidationsmittelförderer entnommen wird.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen wonach das Kathodengas zumindest teilweise stromauf von dem hier offenbarten mindestens einen Wärmetauscher entnommen wird.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das Kathodengas zumindest teilweise stromab von dem hier offenbarten Wärmetauscher entnommen wird.
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Das hier offenbarte Verfahren kann die Schritte umfassen, wonach das Kathodengas zumindest teilweise stromab vom Wärmetauscher entnommen wird, beispielsweise mittels des stromabwärtigen Abzweigs, und wonach das Kathodengas zumindest teilweise stromauf vom Wärmetauscher entnommen wird, beispielsweise mittels des stromaufwärtigen Abzweigs.
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Das hier offenbarte Verfahren kann insbesondere ein Verfahren zur Veränderung der Temperatur und/oder des Feuchtegehaltes sein, dass ferner die Schritte umfasst,
- - wonach stromab und stromauf vom Wärmetauscher das Kathodengas entnommen wird; und
- - gleichzeitig die Temperatur und/oder der Feuchtegehalt der Innenraumzuluft verändert wird, indem
- o der Strom an zumindest teilweise stromab vom Wärmetauscher entnommenen Kathodengas variiert wird; und/oder
- o der Strom an zumindest teilweise stromauf vom Wärmetauscher entnommenen Kathodengas variiert wird; und/oder
- o der Strom an vom Umgebungsluftförderer bereitgestellter Umgebungsluft variiert wird.
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In der Regel weisen die Umgebungsluft, dass stromaufwärtig abgezweigte Kathodengas und das stromabwärtig abgezweigte Kathodengas unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche Feuchte auf. Zur Veränderung des Feuchtegehalts im Fahrgastinnenraum kann vorgesehen sein, dass die Förderrate des Oxidationsmittelförderers verändert wird und/oder der Feuchtegehalt vom Kathodengas durch den Befeuchter verändert wird. Gemäß der hier offenbarten Technologie können nun die Volumenströme bzw. die Massenströme von Umgebungsluft und dem(den) Kathodengas(en) so variiert werden, dass der gewünschte Volumenstrom bzw. Massenstrom an Innenraumzuluft mit der gewünschten Temperatur und/oder gewünschten Feuchte bereitgestellt werden kann. Die thermodynamischen Grundgleichungen zur Berechnung der hierzu erforderlichen Volumenströme bzw. Massenströme an Umgebungsluft und Kathodengas sind einem Fachmann bekannt. Beispielsweise lassen sich die Volumenströme bei einer vorgegebenen Soll-Temperatur und vorgegebenen Soll-Massenstrom der Innenraumzuluft vereinfachend mit der Richmannschen Mischungsregel berechnen. Werden dabei zwei Kathodengasströme unterschiedlicher Temperatur bzw. Feuchte eingesetzt, so lassen sich i.d.R. die Soll-Parameter besser regulieren.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das vom Oxidationsmittelförderer verdichtete und in die Kathodenzuluft geförderte Kathodengas wieder vor den Oxidationsmitteförderer rezirkuliert wird. Mit anderen Worten wird das Kathodengas durch die zuvor beschriebene Oxidationsmittelförderer-Rezirkulation gefördert. Besonders bevorzugt wird das Kathodengas während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrgastinnenraumes rezirkuliert. Vorteilhaft kann durch die Rezirkulation des Kathodengases mehr Wärme erzeugt werden, die dem Fahrgastinnenraum und oder dem Brennstoffzellensystem zum Aufwärmen bereitgestellt werden kann. Zusätzlich verbraucht ein so betriebener Oxidationsmittelförderer während der Aufwärmphase mehr Energie. Während der Aufwärmphase kann somit der elektrische Energieverbrauch des Oxidationsmittelförderers gesteigert werden. Während der Aufwärmphase kann das erwünscht sein, da der Oxidationsmittelförderer somit als elektrische Last für das Brennstoffzellensystem dienen kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit von zu hohen Leerlaufspannung weiter verringert werden kann.
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Die Aufwärmphase kann dabei insbesondere die Phase sein, in der das Brennstoffzellensystem auf die Betriebstemperatur (z.B. 60 °C oder 70 °C) erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt i.d.R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Sollbetriebstemperatur. Während der Aufwärmphase wird das Brennstoffzellensystem derart betrieben (gesteuert bzw. geregelt), dass sich das Brennstoffzellensystem (zumindest die temperatur- bzw. frostkritischen Teile des Systems) schneller und bevorzugt effizienter erwärmen als beim Betrieb nach Abschluss der Aufwärmphase. Während der Aufwärmphase steht also nicht die optimale Bereitstellung von elektrischer Energie im Vordergrund, sondern die schnelle und gleichzeitig schonende Aufwärmung des Brennstoffzellensystems. Der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann vom Fahrzeug bzw. von einer Steuerung während der Aufwärmphase zumindest zeitweise unterbunden werden. Die Aktivierung des Brennstoffzellensystems kann durch ein Signal des Benutzers oder durch irgendein anderes Signal (z.B. von einer Vorkonditionierung Einrichtung) erfolgen.
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Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas zum Auftauen einer Fahrzeugscheibe an eine Fahrzeugscheibe (z.B. der Frontscheibe) herangeführt wird. Bevorzugt wird hierzu das Kathodengas stromauf von dem Wärmetauscher und/oder stromauf von dem Befeuchter entnommen. Das dort entnommene Kathodengas weist einen geringen Feuchtegehalt und vergleichsweise hohe Temperaturen auf. Es eignet sich daher besonders zum Enteisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrische Frontscheibenheizung vorgesehen sein. Eine solche Frontscheibenheizung erleichtert die Enteisung und kann als zusätzliche Leistungssenke während des Kaltstarts fungieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Brennstoffzellendegradation verringert werden kann.
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Zusätzlich zur hier offenbarten Technologie kann weiterhin eine herkömmliche Klimaanlage zur Klimatisierung des Innenraums vorgesehen sein. Dies kann insbesondere zum Kühlen des Fahrgastinnenraums im Sommer sinnvoll sein. Die hier offenbarte Technologie stellt eine effiziente, schnelle und vergleichsweise kostengünstige Lösung dar, um den Fahrgastinnenraum insbesondere im Winter während eines Kaltstarts bzw. Froststarts schnell aufzuwärmen und beispielsweise die Fahrzeugscheiben zu enteisen.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer 211, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum A im Brennstoffzellenstapel 300, mindestens einen Wasserabscheider (232), mindestens ein Anodenspülventil (238), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationsförderer (236, 234) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Das Kathodensubsystem umfasst hier ein Filter 412, das das von dem Oxidationsmittelförderer 410 angesaugte Oxidationsmittel, hier Umgebungsluft U1, filtert. Diese Umgebungsluft U1 ist in diesem Fall das Kathodengas. Der Oxidationsmittelförderer 410 kann das Kathodengas beispielsweise auf einen Atmosphärendruck von ca. 2 bar, 3 bar oder 4 bar verdichten. Dabei kann sich das Kathodengas auf eine Temperatur von ca. 150-200 °C erwärmen. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems gelangt das Kathodengas anschließend in den Wärmetauscher 420, der stromab vom Oxidationsmittelförderer 410 und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 angeordnet ist. Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem zweigt stromab vom Wärmetauscher 420 eine Bypassleitung 460 mit einem Bypassventil 462 ab, die stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 in einer Kathodenabgasleitung mündet. Ein solcher Bypass 460 muss aber nicht vorgesehen sein. Das im Wärmetauscher 420 gekühlte Kathodengas strömt weiter durch die Kathodenzufuhrleitung in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300. Im Brennstoffzellenstapel 300 finden die elektrochemischen Reaktionen statt. Das dabei entstehende Abgas verlässt die Kathode K durch die Kathodenabgasleitung. Die Stapel-Absperrventile 430, 440 sind ausgebildet, die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300 gegenüber den weiteren Komponenten des Kathodensubsystems abzusperren.
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Unmittelbar benachbart zum Oxidationsmittelförderer 410 ist hier eine Abzweigstelle 422 vorgesehen, an der der stromaufwärtige Abzweig 22 vom Kathodensubsystem, insbesondere von der Kathodenzuleitung, abzweigt. Der Abzweig 22 ist fluidverbunden mit einer Mischstelle bzw. Mischkammer 528 der Fahrgastinnenraum-Zuluftleitung 520.
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Stromab vom Wärmetauscher 420 ist eine zweite bzw. stromabwärtige Abzweigstelle 424 vorgesehen, an der der stromabwärtige Abzweig 24 vom Kathodensubsystem, insbesondere von der Kathodenzuleitung, abzweigt. Der stromabwärtige Abzweig 24 mündet hier im stromaufwärtigen Abzweig 22. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso ist vorstellbar, dass die beiden Abzweige 22, 24 jeweils in der Mischstelle bzw. Mischkammer 528 münden oder mehrere Mischstellen bzw. Mischkammern vorgesehen sind. In der hier dargestellten Ausführung umfasst der Abzweig 22 ein stromaufwärtiges Abzweigventil 522 und der Abzweig 24 umfasst ein stromabwärtiges Abzweigventil 524. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso könnte ein einziges Dreiwegeventil oder andere Ventilschaltungen vorgesehen sein. Ferner sei noch erwähnt, dass gemäß der hier offenbarten Technologie auch lediglich ein einziger bezüglich des Wärmetauschers stromaufwärtiger oder stromabwärtiger Abzweig vorgesehen sein kann.
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Durch den mindestens einen Abzweig 22, 24 gelangt zumindest ein Teil U3 des Kathodengases in die Fahrgastinnenraum-Zuluftleitung 520. Durch eine entsprechende Ansteuerung vom Umgebungsluftförderer 510 sowie der Abzweigventile 542,524 lässt sich die Temperatur und/oder der Feuchtegehalt der Fahrzeuginnenraumzuluft variieren, bevor diese in den Fahrgastinnenraum 530 einströmt. Nicht gezeigt in der 1 ist die Venturi-Düse, die in der Mischstelle 528 vorgesehen sein kann.
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Das Kathodenabgas, welches den Brennstoffzellenstapel verlässt, kann in einem Expander 411 entspannt werden. Der Expander 411 kann an den Oxidationsmittelförderer 410 über eine Kopplung 409 gekoppelt sein. Vorteilhaft kann in der Kopplung ein Getriebe 408 vorgesehen sein. Vorteilhaft lässt sich somit die Expansionsenergie für den Antrieb des Oxidationsmittelförderers 410 nutzen. Ein solcher Expander und eine solche Kopplung samt Getriebe müssen aber nicht vorgesehen sein.
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Ferner ist hier eine Oxidationsmittelförderer-Rezirkulation 414 gezeigt, die stromab vom Oxidationsmittelförderer 410 abzweigt und stromauf vom Oxidationsmittelförderer 410 mündet. Der rezirkulierte Kathodengasstrom kann durch ein Ventil reguliert werden. Aber auch die Rezirkulation muss nicht vorgesehen sein.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Nutzung der durch den Verdichter (=Oxidationsmittelförderer) entstehenden heißen Luft zur direkten Unterstützung der Temperierung des Fahrgastinnenraumes. Beim Brennstoffzellenfahrzeug wird mittels des Verdichters 410 frische Umgebungsluft durch eine Luftfilter 412 angesaugt und verdichtet. Diese angesaugte und komprimierte Luft kann über einen nachgelagerten Ladeluftkühler 420 heruntergekühlt werden und gelangt dann in den Brennstoffzellenstapel 300.
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Durch das Verdichten der Luft U1 hat diese am Ausgang des Verdichters 420 i.d.R. eine Temperatur von ca. 150 - 200 °C. Durch einen Abzweig 422 am Verdichterausgang und ein Ventil 522 kann am Ausgang des Verdichters 410 ein Teil des heißen Luftmassenstroms abgezweigt werden, der dann durch den Abzweig 22 strömt.
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Mittels eines Gebläses 510 wird frische Umgebungsluft U2 angesaugt. In einem Mischbereich 528 wird die heiße, vom Verdichter 410 abgezweigte, Luft U3 eingeleitet und mit der kühlen, angesaugt Umgebungsluft U2 so vermischt, dass sie für die Innenraumheizung verwendet werden kann. Die Regelung der Innenraumtemperierung erfolgt dabei einerseits über Steuerung des Gebläses 510 (Ansaugen kühler Umgebungsluft U2) und andererseits über Regulierung des Bypassstromes bzw. Abzweigstromes U3 vom Verdichter mittels eines Ventils 522, 524.
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Die Einleitung des verdichteten Abzweigstromes U3 kann bevorzugt über eine Venturidüse erfolgen. Hier würde der vom Verdichter 410 eingeleitete Massenstrom U3 einen Teil des Frischgasstromes U2 ansaugen und somit das Gebläse 510 noch unterstützen. Vorteilhaft kann somit ein kleineres Gebläse bzw. ein kleinerer Gebläsemotor eingesetzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein (weiterer) Bypass bzw. Abzweig 24 und ein (weiteres) Ventil 524 zwischen Ladeluftkühler (=Wärmetauscher) 420 und Brennstoffzellenstapel 300, also stromauf vom Ladeluftkühler, abzweigen. Dieser Abzweig 24 kann einen Abzweigstrom U3 mit einer Temperatur von ca. 70°C -120°C bereitstellen, denn die Temperatur des Oxidationsmittels nach dem Ladeluftkühler kann je nach Auslegung ca. 70 -120°C betragen.
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Für eine besonders bevorzugte Temperaturregulierung können beide Abzweige 22, 24 vorgesehen sein, wobei die Abzweige 22, 24 Abzweigströme unterschiedlicher Temperatur bereitstellen. Insbesondere kann die Temperatur der Fahrzeuginnenraumzuluft verändert werden, indem die Massenströme durch das erste und/oder zweite Ventil 522, 524 reguliert werden.
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Die hier offenbarte Technologie kann sich vorteilhaft auf die benötigte Aufheizzeit für die Innenraumtemperierung auswirken. Insbesondere kann auch bei sehr niedrigen Temperaturen eine schnelle Aufheizung des Innenraumes und eine Defrostungsfunktion ermöglicht werden. Des Weiteren wird kein elektrischer Zusatzheizer für die Darstellung der Innenraumheizung benötigt. Die hier offenbarte Technologie kann sich vorteilhaft auswirken auf die Gesamtenergiebilanz, auf den Bauraum, auf die Herstellungskosten, auf die und die effiziente Aufheizung des Fahrgastinnenraumes aus. Es kommt hierbei zu einer Aufheizung, da die hier keine isentrope Verdichtung (vertikale Linien im h-s Diagramm) von einem idealen Gas vorliegt, sondern reales Kathodengas verdichtet wird (in s-Richtung schräg steigende oder schräg fallende Linien im h-s Diagramm).
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Oxidationsmittelförderer, der/ein Abzweig, der/ein Umgebungsluftförderer, die/eine Zuführleitung, der/ein Wärmetauscher, der/ein Filter, das/ein Ventil, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Oxidationsmittelförderer, der mindestens eine Abzweig, der mindestens eine Umgebungsluftförderer, die mindestens eine Zuführleitung, der mindestens eine Wärmetauscher, der mindestens eine Filter, das mindestens eine Ventil,etc.).
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Die Flussrichtung ist hier generell von der ansaugenden Öffnung (Quelle) zum Fahrgastinnenraum bzw. zum Auslass des Kathodenabgases hin. Die Flussrichtung wird in der 1 durch Pfeile gezeigt.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
