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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Behandeln von Wasser aus mindestens einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug, das mit Brennstoffzellen angetrieben wird, weist eine hierfür vorgesehene Abgasanlage auf, mit der Wasserdampf aus den Brennstoffzellen, der bspw. eine Temperatur von ca. 60°C bis 70°C aufweist, von einer Bugseite hin zu einer Heckseite des Fahrzeugs gefördert und abgeführt wird. Eine derartige Abgasanlage ist bspw. aus Kunststoff gebildet und als eine separate Einzelbaugruppe im Fahrzeug fest eingebaut. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Abgasanlage stetig fallend verläuft bzw. ein Gefälle aufweist. Außerdem können in der Abgasanlage Reservoirs für Wasser eingebaut sein, in denen Wasser der Brennstoffzellen gesammelt und regelmäßig abgelassen wird.
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Hierfür sind jedoch mehrere Einzelbauteile, ein erhöhter Bedarf an Bauraum, erhöhte Kosten sowie ein erhöhtes Gewicht zu erwarten. Die Bauteile der Abgasanlage sind in das Fahrzeug separat und meistens nah zueinander beabstandet in dem Fahrzeug eingebaut. Demnach ist die Abgasanlage komplex ausgestaltet, was u. a. durch die Anforderung bedingt ist, die Abgasanlage bis zum Heck des Fahrzeugs zu führen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 214 633 A1 ist bekannt, einen Abgaspfad für Brennstoffzellen eines Fahrzeugs in einem Unterboden des Fahrzeugs zu integrieren.
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Ein weiteres Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug ist in der Druckschrift
WO 2014/131550 A1 beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, Wasser bzw. Wasserdampf aus einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs unter geringem Aufwand zu behandeln.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anlage und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Anlage und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Die erfindungsgemäße Anlage ist zum Behandeln von Wasser, d. h. von dampfförmigem und/oder flüssigem Wasser, das bei einem Betrieb mindestens einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs gebildet wird bzw. frei wird, ausgebildet und weist einen Hohlraum, einen Kühler und eine unterbodenseitige Anlagen-Außenwand auf und ist weiterhin dazu ausgebildet, einen Unterboden des Fahrzeugs zu begrenzen. Der Kühler ist zwischen dem Hohlraum und der unterbodenseitigen Anlagen-Außenwand angeordnet. Der Hohlraum ist über einen Eingang mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbunden. Der Kühler wird während einer Fahrt des Fahrzeugs durch Luft eines Fahrtwinds beaufschlagt und gekühlt, wobei der Kühler dazu ausgebildet ist, Wasser bzw. Wasserdampf und somit einen dampfförmigen Teil des Wassers, der ausgehend von der mindestens einen Brennstoffzelle in den Hohlraum strömt, zu kondensieren bzw. auszukondensieren.
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In der Regel ist die Anlagen-Außenwand zugleich als Kühler-Außenwand dazu ausgebildet, zumindest den Kühler zu umschließen.
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In Ausgestaltung ist bzw. sind der Hohlraum und/oder der Kühler an einer unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand des Fahrzeugs angeordnet, d. h. auf oder unter dieser unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand angeordnet. In der Regel ist der Hohlraum durch mindestens eine Hohlraum-Außenwand begrenzt und/oder umschlossen, die auch als Teil der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand ausgebildet ist.
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Es ist ebenfalls möglich, dass zwischen dem Kühler und der Anlagen-Außenwand ein Luftkanal mit einem Eingang und einem Ausgang angeordnet ist. In diesem Fall ist die Anlagen-Außenwand zugleich als Luftkanal-Außenwand dazu ausgebildet, den Luftkanal zu umschließen, wobei durch den Luftkanal die Luft des Fahrtwinds strömt und den Kühler kühlt.
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Die Anlage weist mindestens eine Kühler-Außenwand auf, die den Kühler umschließt, wobei der Kühler zwischen der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand und der mindestens einen Kühler-Außenwand angeordnet ist. Zwischen der Anlagen-Außenwand und dem Kühler ist der Luftkanal mit dem Eingang und dem Ausgang angeordnet.
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Weiterhin weist die mindestens eine Hohlraum-Außenwand mindestens eine Öffnung, bspw. mindestens eine Perforation, auf, durch die bspw. gekühltes Wasser aus dem Hohlraum austritt. Dabei ist die Hohlraum-Außenwand zwischen dem Hohlraum und dem Kühler angeordnet und verbindet den Hohlraum mit dem Kühler.
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Außerdem ist vorgesehen, dass der Kühler mit mindestens einer weiteren Komponente des Fahrzeugs verbunden ist. Somit ist es möglich, das kondensierte Wasser bzw. den kondensierten Wasserdampf wieder zu verwerten, bspw. die mindestens eine Brennstoffzelle zu befeuchten und/oder das Wasser einem Tank einer Scheibenwischanlage zuzuführen. Hierzu weist der Kühler in Ausgestaltung einen Auffangbehälter für das kondensierte Wasser auf.
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Je nach Definition ist der Hohlraum zwischen einem Bauteil des Fahrzeugs, bspw. der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand, die das Fahrzeug, üblicherweise den Unterboden begrenzt, und dem Kühler angeordnet. Falls die Anlage auch den Luftkanal aufweist, ist es möglich, dass die Anlage-Außenwand der Anlage, die den Luftkanal neben dem Kühler umschließt, je nach Definition den Unterboden bzw. einen Unterfahrschutz des Fahrzeugs begrenzt.
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Der Kühler ist zwischen dem Hohlraum und der Anlagen-Außenwand oder dem Luftkanal angeordnet. In beiden Fällen ist es möglich, dass die Kühler-Außenwand des Kühlers, die den Kühler von dem Fahrtwind trennt, Poren aufweist. Falls der Kühler von der zugleich als Anlagen-Außenwand ausgebildeten Kühler-Außenwand begrenzt ist, weist die Anlagen-Außenwand Poren auf. Falls die Kühler-Außenwand als Trennwand zwischen dem Kühler und dem Luftkanal ausgebildet ist, weist diese Poren auf. In beiden Fällen ist es möglich, dass Wasser aus dem Kühler durch die Poren der Kühler-Außenwand mit der Luft des Fahrtwinds in Kontakt gerät und dadurch verdunstet wird. Aufgrund einer derartigen Verdunstung des Wassers wird der Kühler zusätzlich gekühlt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Behandeln von Wasser, das flüssig und/oder dampfförmig ist und bei einem Betrieb mindestens einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs gebildet bzw. frei wird, unter Verwendung einer Anlage vorgesehen, die einen Hohlraum, einen Kühler und eine unterbodenseitige Anlagen-Außenwand aufweist, wobei ein Unterboden des Fahrzeugs durch die Anlage begrenzt wird. Der Kühler ist zwischen dem Hohlraum und der unterbodenseitigen Anlagen-Außenwand angeordnet. Außerdem ist der Hohlraum über einen Eingang mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbunden, wobei der Kühler während einer Fahrt des Fahrzeugs durch Luft eines Fahrtwinds beaufschlagt und gekühlt wird. Dabei wird dampfförmiges Wasser, d. h. Wasserdampf, das bzw. der bei einem Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle des Fahrzeugs entsteht und in den Hohlraum strömt, von dem Kühler kondensiert bzw. auskondensiert und somit gekühlt.
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Hierbei ist es möglich, dass Luft des Fahrtwinds durch einen Luftkanal der Anlage geleitet wird, der unmittelbar neben bzw. unter dem Kühler angeordnet ist.
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Es ist ebenfalls möglich, dass mindestens ein Teil des kondensierten Wassers für mindestens eine weitere Funktion des Fahrzeugs erneut verwendet wird.
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Dabei wird mindestens ein Teil des kondensierten Wassers wieder der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle mit dem mindestens einen Teil des gekühlten Wassers befeuchtet wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass Wasser des Kühlers, das durch Poren einer Kühler-Außenwand des Kühlers mit der Luft des Fahrtwinds in Kontakt gerät, durch den Luftstrom verdunstet wird, wodurch der Kühler zusätzlich gekühlt wird. Es ist hierbei auch möglich, dass dieser Kühler über einen externen Kreislauf eines Thermomanagementsystems mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbunden ist und diese kühlt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Kühler unabhängig von einem derartigen Thermomanagementsystem lediglich als Komponente der Anlage ausgebildet ist.
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Somit ist in dem Unterboden bzw. in dem Aeroboden des Fahrzeugs eine Abgasanlage integriert, die als Komponenten zumindest den Hohlraum und den Kühler aufweist, wobei die als Abgasanlage ausgebildete Anlage zum Behandeln, d. h. zumindest zum Recyceln und/oder Kühlen, von Wasser aus der mindestens einen Brennstoffzelle ausgebildet ist.
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Je nach Definition ist es auch möglich, dass die Anlage bspw. in einer Verkleidung des Unterbodens und/oder einem sogenannten Unterfahrschutz (UFS) integriert ist. Je nach Ausgestaltung der Anlage und/oder Definition bildet die Kühler-Außenwand des Kühlers zugleich die Anlagen-Außenwand der Anlage und somit eine zusätzliche Außenwand für das Fahrzeug. Es ist möglich, dass der Kühler bspw. an den Kreislauf eines Thermomanagementsystems angeschlossen und in diesen eingebunden ist, der bspw. auch zur Kühlung der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet wird. Wasserdampf, der aus einer Abluft der mindestens einen Brennstoffzelle in den Hohlraum strömt, wird kondensiert und weiter verwendet, wobei es bspw. möglich ist, eine Kühlfläche des Kühlers, die üblicherweise den Hohlraum begrenzt, durch kondensierenden Wasserdampf zu benetzen.
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Ferner ist es denkbar, das Wasser durch Poren auf einer Kühler-Außenwand hindurchtritt und dann mit Luft des Fahrtwinds in Kontakt tritt und durch den Fahrtwind verdunstet wird. Das so verdunstete Wasser erzeugt eine Verdunstungskühlung, wodurch der Kühler wiederum gekühlt wird.
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Dabei ist es möglich, dass die Anlage die zusätzliche Anlagen-Außenwand aufweist, wobei diese zusätzliche Anlagen-Außenwand und der Kühler den Luftkanal umschließen, der von Fahrtwind während der Fahrt des Fahrzeugs durchströmt wird. Dabei entsteht innerhalb des Luftkanals ein geschwindigkeitsabhängiger Unterdruck, durch den Wasser verdunstet und ein Kühleffekt zum Kühlen des Kühlers erzeugt wird. Dabei ist es möglich, den Fahrtwind durch Klappen innerhalb des Luftkanals automatisch oder manuell zu steuern.
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Wasserdampf, der im Rahmen des Verfahrens mit der Anlage in dem Kühler zu flüssigem Wasser kondensiert wird, wird in möglicher Ausgestaltung gesammelt und zum Befeuchten der mindestens einen Brennstoffzelle oder zum Befüllen eines Behälters für Wischwasser genutzt.
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Die vorgestellte Abgasanlage integriert mehrere Funktionen, nämlich eine Führung von Abgas, das Wasserdampf umfasst, aus der mindestens einen Brennstoffzelle sowie eine Kühlung dieses Abgases, wobei auf ansonsten übliche Bauteile verzichtet wird und ein vorhandener Hohlraum zum Transport des Wassers optimal genutzt wird. Weiterhin sind Kosten und Gewicht einzusparen. Durch frühzeitiges Auskondensieren kann die Abgasanlage verkürzt werden und endet vor einer Hinterachse des Fahrzeugs. Außerdem ist durch Verdunsten des Wassers aufgrund einer Wirkung des Fahrtwinds ein zusätzliches Kühlungspotential zu realisieren, das sich bezüglich eines hohen Kühlungsbedarfs der mindestens einen Brennstoffzelle positiv auf deren Betrieb auswirkt. Außerdem wird ein Ausstoß an Wasser bzw. Wasserdampf aus der Anlage deutlich reduziert. Falls Wasser aus der mindestens einen Brennstoffzelle vollständig wiederverwertet bzw. recycelt wird, ist es möglich, dass ein Fahrzeug, das diese Anlage aufweist, auch frei von Emissionen, die Wasser umfassen, zu betreiben ist. Mit der vorgestellten Anlage wird Wasserdampf effektiv gekühlt. Die vorgestellte Anlage benötigt aufgrund ihrer effektiven Betriebsweise nur wenig Bauraum, so dass sie sich ausgehend von einem Bugbereich nur bis zur Mitte des Fahrzeugs erstreckt.
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Bei einer möglichen Realisierung der Anlage ist vorgesehen, dass eine Verkleidung des Unterbodens eine Sandwich-Struktur aufweist, die bspw. den geschlossenen Hohlraum und den Kühler, die übereinander angeordnet sind, umfasst. Ein Anschluss der Anlage an ein System, das die mindestens eine Brennstoffzelle umfasst, wird bspw. über eine Schnittstelle im vorderen bugseitigen Bereich des Hohlraums realisiert. In Ausgestaltung ist die mindestens eine Brennstoffzelle des Fahrzeugs in einer vertikalen Richtung bzw. z-Richtung des Fahrzeugs oberhalb des Hohlraums und/oder einem Eingang des Hohlraums angeordnet. Die Schnittstelle ist in vertikaler Richtung zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem Hohlraum angeordnet. Somit ist es möglich, dass Wasserdampf aus der mindestens einen Brennstoffzelle durch Wirkung der Schwerkraft in den Hohlraum gefördert wird. Dabei ist es möglich, die Schnittstelle mit der mindestens einen Brennstoffzelle zu verbinden. Dies ist bspw. durch eine einfache Montage sicherzustellen.
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Zum Bereitstellen einer Kühlfunktion zum Kondensieren des Wasserdampfs befinden sich unterhalb des Hohlraums Kühllamellen des Kühlers, die während der Fahrt des Fahrzeugs mit Luft umströmt werden. Weiterhin ist es möglich, dass der Hohlraum bzw. dessen mindestens eine Hohlraum-Außenwand an einer Unterseite mindestens eine Perforation aufweist, durch die dampfförmiges Wasser abgeschieden wird, wobei dieses dampfförmige Wasser auf den Kühllamellen des Kühlers kondensiert wird und diese benetzt. Dieses kondensierte Wasser wird recycelt und einer weiteren Komponente des Fahrzeugs bereitgestellt.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung Details einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage aus unterschiedlichen Perspektiven.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage aus unterschiedlichen Perspektiven.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage 2 ist in 1c komplett dargestellt. 1d zeigt ein in 1c durch einen gestrichelten Kreis markiertes erstes Detail der Anlage 2. 1e zeigt ein zweites Detail aus 1c entlang einer Schnittlinie II-II. Diese Anlage 2 umfasst einen Hohlraum 4 und einen Kühler 6. Dabei ist in 1a der Hohlraum 4 ohne den Kühler 6 dargestellt. 1b zeigt den Hohlraum 4 in Schnittdarstellung entlang einer Linie I-I aus 1a. Wie 1c zeigt, ist der Kühler 6 zwischen der Fahrzeug-Außenwand 8 und einer Anlagen-Außenwand 18 angeordnet, die zugleich den Unterboden des Fahrzeug begrenzt. 1f zeigt die komplette Anlage 2 aus einer zweiten Perspektive.
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Hierbei ist vorgesehen, dass der Hohlraum 4 auf einer unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand 8 des Fahrzeugs angeordnet und durch eine erste Hohlraum-Außenwand 10 und eine zweite Hohlraum-Außenwand 11, die als Teil der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand 8 ausgebildet ist, begrenzt ist. Die zweite Hohlraum-Außenwand 11 weist Poren 13 auf, die in 1e erkennbar sind.
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Der Hohlraum 4 umfasst als Öffnungen einen Eingang 12 und einen Ausgang 14. Der Eingang 12 des Hohlraums 4 ist hier über eine Schnittstelle 16 mit mindestens einer Brennstoffzelle des Fahrzeugs verbunden, wobei mit der mindestens einen Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Außerdem entsteht hierbei Wasser mit einer Temperatur von ca. 60°C bis ca. 70°C, das zumindest teilweise dampfförmig bzw. als Wasserdampf vorliegt. Dabei ist es möglich, dass die Schnittstelle 16 über ein Anschlusselement 17 mit dem Eingang 12 verbunden ist (1f).
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In 1c ist durch einen Pfeil 20 ein Strom an Wasser dargestellt, das von der mindestens einen Brennstoffzelle, über die Schnittstelle 16 und durch den Eingang 12 in den Hohlraum 4 strömt. Dabei wird das dampfförmige Wasser von dem Kühler 6 kondensiert und abgekühlt. Es ist vorgesehen, dass der Kühler 6 während einer Fahrt des Fahrzeugs durch Umgebungsluft, die an der Anlagen-Außenwand 18 und somit an dem Unterboden des Fahrzeugs vorbeiströmt und hier durch drei Pfeile 22 angedeutet ist, gekühlt wird. Außerdem ist vorgesehen, dass Wasserdampf 24 aus dem Hohlraum 4 durch Poren in der zweiten Hohlraum-Außenwand 11, die als Teil der Fahrzeug-Außenwand 8 ausgebildet sind, transportiert wird, und auf Kühllamellen 26 des Kühlers 6 zu flüssigem Wasser bzw. Produktwasser 27 kondensiert wird, was auch in 1e gezeigt ist.
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Es ist zudem vorgesehen, dass die Anlagen-Außenwand 18 zugleich als Kühler-Außenwand des Kühlers 6 ausgebildet ist und Poren 19 aufweist. Durch diese Poren 19 tritt kondensiertes, flüssiges Produktwasser 27 aus und wird durch den Fahrtwind verdunstet, wodurch der Kühler 6 aufgrund einer Verdunstungskühlung des Wassers gekühlt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform der Anlage ist es denkbar, dass der Hohlraum unter der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand angeordnet und nach oben durch die unterbodenseitige Fahrzeug-Außenwand, die zumindest abschnittsweise eine erste Hohlraum-Außenwand bildet, sowie auch unten durch eine zweite Hohlraum-Außenwand, die Poren aufweist, begrenzt ist, wobei diese zweite Hohlraum-Außenwand zwischen dem Hohlraum und dem Kühler angeordnet ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform der Anlage sowie bei der ersten Ausführungsform der Anlage 2 aus 1 ist vorgesehen, dass der Hohlraum 4 und der Kühler 6 an der unterbodenseitigen Fahrzeug-Außenwand 8 und somit im Unterboden angeordnet sind.
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2a zeigt einen Kühler 34 der zweiten Ausführungsform der Anlage 30 von oben, wobei hier zu erkennen ist, dass ein Kühlkanal 36 über zwei Anschlüsse 44, 46 mit einem Kreislauf eines Thermomanagementsystems verbunden ist. 2b zeigt ein Detail der Anlage 30 entlang einer Schnittlinie III-III aus 2a. 2c zeigt die Anlage 30 entlang einer Schnittlinie IV-IV aus 2a.
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Die zweite Ausführungsform der Anlage 30 für ein Fahrzeug ist in 2b schematisch dargestellt. Diese Anlage 30 umfasst ebenfalls einen Hohlraum 32, den Kühler 34 mit Kühlkanälen 36 und Kühlrippen 38 und einen Luftkanal 40, wobei hier der Kühler 34 zwischen dem Hohlraum 32 und dem Luftkanal 40 angeordnet ist, wobei die Anlage 30 hier durch eine unterbodenseitige Anlagen-Außenwand 42 begrenzt ist, die zugleich eine Unterfahrschutzplatte eines Unterbodens des Fahrzeugs bildet. Der Hohlraum 32 ist durch eine erste Hohlraum-Außenwand 31 und eine zweite Hohlraum-Außenwand 33 begrenzt, die zugleich als erste Kühler-Außenwand des Kühlers 34 ausgebildet ist und Poren 35 aufweist. Der Kühler 34 weist weiterhin Kühllamellen 37 und eine zweite Kühler-Außenwand 39 auf, die den Kühler 34 von dem Luftkanal 40 trennt. Dabei weist diese zweite Kühler-Außenwand 39 ebenfalls Poren 41 auf.
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Bei einem Betrieb der Anlage 30 ist vorgesehen, dass Abluft und Wasserdampf 45 aus mindestens einer Brennstoffzelle des Fahrzeugs durch den Hohlraum 32 geleitet werden, was in 2b durch einen Pfeil 48 angedeutet ist. Weiterhin ergibt sich während einer Fahrt des Fahrzeugs, dass Umgebungsluft 43 durch den Luftkanal 40 strömt. Dadurch ergibt sich, dass der Kühler 34 durch die Umgebungsluft 43 gekühlt wird. Außerdem ist vorgesehen, dass Wasserdampf 45 aus der mindestens einen Brennstoffzelle durch Poren 35 in der zweiten Hohlraum-Außenwand 33 in den Kühler 34 transportiert wird. Wasserdampf 45 aus der mindestens einen Brennstoffzelle kondensiert hierbei auf den Kühlrippen 38 und Kühllamellen 37 des Kühlers 34 zu flüssigem Produktwasser 47 und wird recycelt. Weiterhin tritt flüssiges Wasser bzw. Produktwasser 47 durch die Poren 41 der zweiten Kühler-Außenwand 39 des Kühlers 34 in den Luftkanal 40 und wird durch die strömende Umgebungsluft 43 verdunstet, wodurch eine Verdunstungskühlung entsteht, mit der der Kühler 34 zusätzlich gekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012214633 A1 [0004]
- DE 102014003369 A1 [0005]
- WO 2014/131550 A1 [0006]
