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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperiersystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Fahrzeug nach Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Die Leistung von Brennstoffzellenfahrzeugen ist derzeit durch mangelnde Kühlleistung für die Brennstoffzellen begrenzt. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren setzen ungefähr ein Drittel der zugeführten Kraftstoffenergie in Antrieb um. Ein weiteres Drittel der Energie wird über den Kühler abgegeben. Das letzte Drittel wird über das Abgas abgeführt. Elektrofahrzeuge mit Batterie haben so wenig Abwärme, dass es kein Problem darstellt, diese über einen Kühler abzuführen. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird ca. 50 % der zugeführten Energie in Wärme umgesetzt, welche über einen Kühler abgeführt werden muss. Dieser Anteil ist deutlich höher als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Weiterhin muss das Temperaturniveau des Kühlmediums auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden, was eine zusätzliche Kühlerfläche notwendig macht. Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen deshalb sehr große Kühler, was Zusatzgewicht, Mehrkosten und einen schlechteren Luftwiderstand bedeutet oder eine Begrenzung der Leistung, sodass nicht zu viel Wärme abgeführt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Temperiersystem mit zumindest einer Fahrzeugbrennstoffzelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs vorgeschlagen. Das Temperiersystem weist zumindest ein Fluidsystem, zumindest einen Hauptkühler und zumindest einen Wärmeübertrager auf, wobei der Hauptkühler und der Wärmeübertrager über Kühlkanäle des Fluidsystems mit der Fahrzeugbrennstoffzelle fluidleitend verbunden sind. Erfindungsgemäß ist ein Regelelement vorgesehen, dass zumindest in eine Heizstellung und zumindest in eine Kühlstellung bringbar ist, wobei mittels des Regelelementes Abwärme des Wärmeübertragers in eine Fahrzeugkabine und/oder eine Außenumgebung des Fahrzeugs leitbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung entsteht ein Kühlkreislauf zwischen Wärmeübertrager, Hauptkühler und Fahrzeugbrennstoffzelle. Das Fluid, welches innerhalb des Fluidsystems in den Kühlkanälen zur thermischen Verteilung der Wärmeenergie der Fahrzeugbrennstoffzelle dient, kann in flüssigem oder in einem gasförmigen Zustand vorliegen und durch das Fluidsystem geleitet bzw. in diesem umgewälzt werden. Hierbei kann es sich um einen offenen oder einen geschlossenen Kreislauf handeln, bei dem das Fluid durch eine Eintrittsöffnung eingeleitet wird und zumindest durch eine Austrittsöffnung herausgeleitet wird. Weiter kann das Fluid durch bzw. entlang der Fahrzeugbrennstoffzelle geleitet werden, sodass hierdurch eine Temperierung ermöglicht wird. Bei einem geschlossenen Kreislauf des Fluidsystems wird das zuvor eingeleitete Fluid innerhalb des Systems umgewälzt, sodass bspw. die Temperatur der Fahrzeugbrennstoffzelle gehalten oder dadurch gekühlt werden kann, das über den Hauptkühler und den Wärmeübertrager Wärmeenergie abgegeben wird.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Temperiersystem beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Unter Temperieren kann erfindungsgemäß verstanden werden, dass die Fahrzeugbrennstoffzelle durch das erfindungsgemäße Temperiersystem zumindest tlw. gekühlt, erwärmt oder die Temperatur gehalten werden kann. Dementsprechend ist es denkbar, dass bei niedriger Außentemperatur bzw. bei niedriger Brennstoffzellentemperatur, die unterhalb der optimalen Arbeitstemperatur liegt, den Volumenstrom des Kühlfluids entsprechend anzupassen.
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Eine erhöhte Temperier-/Kühlleistung wird erfindungsgemäß dadurch gebildet, dass vorzugsweise das Fluid im Fluidsystem von der Brennstoffzelle in den Wärmeübertrager geleitet wird und in diesem das Fluid bereits abkühlen kann. Von da aus wird das Fluid des Fluidsystems über Kühlkanäle in den Hauptkühler geführt, sodass das Fluid weiter, insbesondere, gekühlt werden kann. Das Regelelement ermöglicht nunmehr, dass Abwärme des Wärmeübertragers zur Temperierung der Fahrzeugkabine genutzt werden kann, sodass bei Bedarf warme Luft vom Wärmeübertrager über das Regelelement in die Fahrzeugkabine geleitet werden kann. Weiterhin ist es möglich, dass alternativ oder zusätzlich die Abwärme des Wärmeübertragers mittels des Regelelements an die Außenumgebung abgeführt wird. Somit kann für den Fall, dass kein Heizbedarf der Fahrzeugkabine besteht, die Abwärme des Wärmeübertragers aus dem Fahrzeug herausgeleitet werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid des Fluidsystems um Wasser, insbesondere aufweisend Additive zur Verbesserung der Kühlleistung, zur Verhinderung von Korrosion und/oder zur Verhinderung von Frostbildung.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Regelelement als Stellklappe ausgebildet sein. Unter einer Stellklappe kann auch ein Drosselventil oder eine Absperrklappe verstanden werden. Vorzugsweise ist die Stellklappe als eine Schwenkeinrichtung ausgebildet.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass das Regelelement zumindest einen Servomotor, einen hydraulischen Antrieb, einen pneumatischen Antrieb oder ein Dehnstoffarbeitselement zur Veränderung der Stellung des Regelelements aufweist, wodurch ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals einstellbar ist. Des Weiteren kann das Regelelement als Stellmotor oder als Unterdruckdose ausgebildet sein. Insbesondere ist es denkbar, dass das Regelelement über einen Bowdenzug in seiner Stellung veränderbar ist. Servomotoren arbeiten dabei äußerst positionsgenau, da die Motoren die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben.
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Hierbei verfügen die Servomotoren über einen Sensor, der die ermittelte Drehposition der Motorwelle kontinuierlich an eine Regelelektronik übermittelt, der die Bewegung des Motors entsprechend eines oder mehrerer einstellbarer Sollwerte regelt. Dehnstoffarbeitselemente erlauben eine temperaturabhängige Stellbewegung, bei der ein Dehnstoff eine signifikante Volumenänderung in Abhängigkeit der Temperatur erfährt. Kühlt der Stoff wieder ab, wird die zuvor erwähnte Stellbewegung rückgängig gemacht, sodass das Dehnstoffarbeitselement in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Je nach eingesetztem Dehnstoff kann somit auf einen zusätzlichen Sensor zur Temperaturerfassung verzichtet werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Regelelement mit einer Elektronikeinheit signalverbunden sein, wodurch die Stellung des Regelelements steuer- und/oder regelbar ist. Hierbei kann die Elektronikeinheit das Regelelement in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern, die zur optimalen Temperierung der Brennstoffzelle und/oder der Fahrzeugkabine Einfluss haben, steuern und/oder regeln. Zu den Parametern können z. B. Werte wie die Brennstoffzellentemperatur, Außentemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugkabinentemperatur gezählt werden. Dementsprechend ist es denkbar, dass die Elektronikeinheit die ermittelten Parameter auswertet und ein Signal an das Regelelement leitet, wodurch die Position entsprechend verändert werden kann. Hierbei ist es ebenfalls denkbar, dass die Elektronikeinheit die ermittelten Parameter an einen Bordcomputer des Fahrzeugs übermittelt, sodass dieser die ermittelten Parameter zugänglich für den Benutzer macht und dieser dann Einfluss auf die Steuerung und/oder Regelung nehmen kann.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die Elektronikeinheit zumindest einen Temperatursensor aufweist, wobei der Temperatursensor zur Überwachung der Fluidstromtemperatur des Fluidsystems, insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle, dient. In Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Temperatursensors kann die Elektronikeinheit das Regelelement steuern und/oder regeln. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Temperatursensor ein Signal an die Elektronikeinheit sendet, sobald ein vorgegebener Maximalwert der Fluidstromtemperatur erreicht ist. So ist es bspw. denkbar, dass bei einer Fluidstromtemperatur von ungefähr 90°C vor der Brennstoffzelle das Regelelement angesteuert wird, sodass Abwärme an die Umgebung oder die Fahrgastkabine abgeleitet wird. Darüber hinaus ist es denkbar, dass bei Unterschreiten der vorgegebenen Maximaltemperatur das Regelelement die Abfuhr von Abwärme des Wärmeübertragers zumindest so lange unterbindet, bis ein Bediener oder die Elektronikeinheit in die Steuerung und/oder Regelung eingreift.
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Erfindungsgemäß kann das Regelelement in eine Zwischenstellung bringbar sein, wobei die Zwischenstellung zwischen der Heizstellung und der Kühlstellung liegt, wodurch ein Teil der Abwärme in die Fahrzeugkabine und ein Teil der Abwärme in die Außenumgebung des Fahrzeugs leitbar ist. Darüber hinaus ist es denkbar, dass ein Bypass an dem Fluidsystems, insbesondere an den Kühlkanälen angeordnet ist, sodass mithilfe des Regelelements das einströmende oder ausströmende Fluid durch den Bypass geleitet werden kann. Über die Zwischenstellung kann bspw. der Anteil der abgegebenen Abwärme an die Fahrzeugkabine oder die Außenumgebung gesteuert und/oder geregelt werden. So können die Anteile, welche in die Fahrzeugkabine oder die Außenumgebung abgegeben werden, bspw. stufenlos gesteuert und/oder geregelt werden. Somit ist eine schrittweise Öffnung und/oder Teilung des Fluidstroms realisierbar.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Fördermittel für den Fluidstrom in dem Fluidsystem angeordnet ist. Unter einem Fördermittel kann im Rahmen der Erfindung ein Ventilator oder eine Pumpe verstanden werden, die zur Förderung des Fluids und/oder der Abwärme eingesetzt werden kann. Ein Ventilator kommt hierbei insbesondere bei gasförmigen Fluiden zum Einsatz und dient dazu, bspw. Luft von außen anzusaugen und insbesondere in oder durch bzw. auf den Wärmeübertrager zu befördern. Dabei ist es denkbar, dass der Ventilator Luft ansaugt oder Luft wegbläst. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle vergrößert wird und insbesondere in einen kritischen Bereich ansteigt. Außerdem kann über Zuschalten des Ventilators die Kühlleistung erhöht werden, sodass die Brennstoffzellentemperatur nicht oberhalb eines optimalen Arbeitspunktes liegt, der durch den Fahrtwind allein nicht ausreichend sichergestellt werden kann. Der Ventilator ist auch dann nützlich, wenn das Fahrzeug sich im Stillstand oder in langsamer Fahrt befindet und ein Volumenstrom in Form des Fahrtwindes nicht ausreichend zur Verfügung gestellt werden kann. Eine Pumpe kann darüber hinaus, insbesondere bei flüssigem Fluid, eingesetzt werden, die zur Förderung der eingesetzten Flüssigkeit innerhalb des Fluidsystems zum Einsatz kommt. Bei der Flüssigkeit kann es sich um das im Fahrzeug vorhandene Kühlwasser oder eine separate Flüssigkeit zur Kühlung der Brennstoffzelle handeln, wobei die Flüssigkeit zur Kühlung der Batterie vorzugsweise einen Zusatz enthalten kann, der ein Gefrieren bzw. frühzeitiges Verdunsten der Flüssigkeit zumindest weitestgehend verhindert. Beim offenen Kreislauf saugt die Pumpe das Fluid aus einem Kühlwassertank oder Vorratsbehälter und fördert dieses in bzw. durch das Fluidsystem, insbesondere durch die Kühlkanäle. Bei geschlossenem Kreislauf wälzt die Pumpe das Fluid innerhalb des Fluidsystems lediglich um, ohne dass neues Fluid zugeführt werden muss. Dies ist zum einen energetisch günstiger und es wird weniger Fluid zur Temperierung verbraucht bzw. benötigt.
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Zusätzlich zu einer Pumpe bei einem flüssigkeitsbasierten Fluidsystem ist es erfindungsgemäß denkbar, dass zumindest ein Ventil in dem Fluidsystem angeordnet ist, das ähnlich dem Regelelement den Volumenstrom kontrollieren kann. Hierbei ist es denkbar, dass das Fördermittel bzw. das Ventil mit der Elektronikeinheit verbunden ist, sodass diese in Abhängigkeit der zuvor erwähnten Parameter kontrolliert werden können. Ein Ventil dient innerhalb des Fluidsystems zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses, wobei sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, Durchgangsventile besonders eignen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der Wärmeübertrager ein Heizungswärmetauscher einer Klimaanlage des Fahrzeugs ist. Dementsprechend sind keine zusätzlichen Bauteile zur Erhöhung der Kühlleistung notwendig. Der vorhandene Heizungswärmetauscher der Klimaanlage kann somit dazu benutzt werden, die Kühlleistung zu erhöhen. Der Heizungswärmetauscher eines Fahrzeugs ist normalerweise nur während des Heizens der Fahrgastkabine in Betrieb. Während dieser Zeit führt der Wärmetauscher Wärme aus dem Motorkühlmedium ab und führt diese dem Innenraum zu. Wenn keine Heizung im Fahrgastraum benötigt wird, ist der Wärmetauscher in der Regel nicht aktiv. Erfindungsgemäß wird der Heizungswärmetauscher nunmehr immer aktiv. Wenn keine Wärme für den Innenraum benötigt wird, soll die Wärme, welche dem Kühlfluid durch die angesaugte Luft entzogen wird, durch das erfindungsgemäße Regelelement direkt an die Umgebung abgegeben werden. Dadurch kann dem Kühlfluid zu jeder Zeit Wärme über den Heizungswärmetauscher entzogen werden. Dementsprechend erhöht sich die Kühlleistung des Temperiersystems und eine größere Leistung der Brennstoffzelle oder eine Bauraumreduzierung des Hauptkühlers kann erzielt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Hauptkühler durch eine Bypassleitung insbesondere nach einem Fahrzeugkaltstart bypassiert werden kann, um den Aufheizvorgang der Brennstoffzelle zu beschleunigen. Sobald die Brennstoffzelle ihre Zieltemperatur erreicht hat, kann dabei ein (Thermostat-) Ventil die Bypassströmung so einregeln, dass die Zieltemperatur der Brennstoffzelle gehalten wird. Zu diesem Zweck kann das (Thermostat-) Ventil von einer Elektronikeinheit, der auch zumindest Temperaturdaten vorliegen, angesteuert werden oder bspw. durch ein Bimetall direkt den Durchfluss im Bypass selber regulieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit zumindest einer Brennstoffzelle und zumindest einem erfindungsgemäßen Temperiersystem vorgeschlagen. Dementsprechend ergeben sich für das erfindungsgemäße Fahrzeug sämtliche Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Temperiersystem beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperiersystems,
- 2 einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Temperiersystem mit einem erfindungsgemäßen Regelelement und
- 3 einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Temperiersystem mit einem erfindungsgemäßen Regelelement in einer weiteren Stellung.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperiersystems 10 gezeigt. In dem Temperiersystem 10 ist eine Fahrzeugbrennstoffzelle 100 angeordnet, wobei die Fahrzeugbrennstoffzelle 100 über Kühlkanäle 11.1 eines Fluidsystems 11 mit einem Hauptkühler 12 und einem Wärmeübertrager 13 fluidleitend verbunden ist. Dabei ist der Fahrzeugbrennstoffzelle 100 im Fluidsystem 11 dem Hauptkühler 12 vorgeordnet und der Wärmeübertrager 13 der Fahrzeugbrennstoffzelle 100 nachgeordnet. Der Hauptkühler kann durch eine Bypassleitung 11.2 nach einem Fahrzeugkaltstart bypassiert werden, um den Aufheizvorgang der Brennstoffzelle 100 zu beschleunigen. Sobald die Brennstoffzelle 100 ihre Zieltemperatur erreicht hat, regelt ein Thermostatventil 18 (kurz Thermostat 18) die Bypassströmung so ein, dass die Zieltemperatur der Brennstoffzelle 100 gehalten wird. Somit strömt ein Kühlfluid vom Hauptkühler 12 in bzw. durch die Fahrzeugbrennstoffzelle 100 in Richtung Wärmeübertrager 13. Bei dem Wärmeübertrager 13 handelt es sich vorzugsweise um einen Heizungswärmetauscher einer Klimaanlage eines Fahrzeugs. Der Heizungswärmetauscher und somit der Wärmeübertrager 13 dient normalerweise zur Innenraumbeheizung und wird erfindungsgemäß zusätzlich zur Kühlung des Kühlfluids innerhalb des Fluidsystems 11 genutzt. Dafür strömt das Kühlfluid von der Fahrzeugbrennstoffzelle 100 über Kühlkanäle 11.1 zum Wärmeübertrager 13. An dem Wärmeübertrager 13 ist vorzugsweise ein Fördermittel 16 angeordnet, das zur Abführung der Abwärme des Wärmeübertragers 13 ausgebildet ist und vorzugsweise als Ventilator ausgebildet ist. Somit wird über einen Luftstrom, welcher durch das Fördermittel 16 erzeugt wird, auf den Wärmeübertrager 13 geleitet. Die Abwärme des Wärmeübertragers 13 kann nunmehr mittels des erfindungsgemäßen Regelelementes 14 in eine Fahrzeugkabine und/oder eine Außenumgebung eines Fahrzeugs geleitet werden. Das Regelelement 14 ist dabei vorzugsweise als Stellklappe ausgebildet und kann in zumindest eine Heizstellung, eine Kühlstellung und eine Zwischenstellung bewegt werden. Dafür kann das Regelelement zumindest einen Servomotor, einen hydraulischen Antrieb, einen pneumatischen Antrieb, ein Dehnstoffarbeitselement, einen Stellmotor oder eine Unterdruckdose aufweisen, sodass eine Veränderung der Stellung des Regelelements erzielbar ist. Besteht nunmehr der Bedarf des Heizens der Fahrzeugkabine FK, so kann Wärme vom Wärmeübertrager 13 dem Innenraum zugeführt werden, indem das Regelelement 14 in eine entsprechende Stellung geschaltet wird. Wird keine Heizung bzw. Abwärme des Wärmeübertragers 13 im Innenraum benötigt, kann die Abwärme an eine Außenumgebung AU des Fahrzeugs abgegeben werden.
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Die Integration des Wärmeübertragers 13 in das Fluidsystem 11 und somit des Temperiersystems 10 für eine Fahrzeugbrennstoffzelle, kann dem Kühlfluid jederzeit Wärme über den Wärmeübertrager 13 entzogen werden. Dementsprechend steigt die Kühlleistung des Temperiersystems 10 gegenüber den herkömmlichen Temperiersystemen. Darüber hinaus ist es möglich, die Größe des Hauptkühlers zu reduzieren oder leistungsstärkere Fahrzeugbrennstoffzellen 100 einzusetzen.
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Die Fahrzeugbrennstoffzelle 100 und das Regelelement 14 sind in 1 mit einer Elektronikeinheit 15 signaltechnisch verbunden. Die Elektronikeinheit 15 kann dabei die Stellung des Regelelements 14 steuern und/oder regeln. Vorzugsweise wird die Stellung des Regelelements 14 mittels der Elektronikeinheit 15 und einem mit der Elektronikeinheit 15 verbundenen Temperatursensor 15.1 gesteuert und/oder geregelt. Der Temperatursensor 15.1 dient zur Überwachung der Fluidstromtemperatur, insbesondere vor der Fahrzeugbrennstoffzelle 100.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Temperiersystem 10, wobei insbesondere die Stellung des Regelelements 14 verdeutlicht werden soll. Der Wärmeübertrager 13 ist dabei über Kühlkanäle 11.1 verbunden, sodass Abwärme des Wärmeübertragers 13 über die Kühlkanäle 11.1 geleitet werden kann. Dafür ist beim Wärmeübertrager 13 ein Fördermittel 16 angeordnet, welches die Abwärme des Wärmeübertragers 13 in Richtung Regelelement 14 leitet. In 2 ist das Regelelement 14 in eine Stellung positioniert, die die Abwärme des Wärmeübertragers 13 in Richtung Fahrzeugkabine FK leitet. Das Regelelement 14 ist dabei innerhalb der Kühlkanäle 11.1 derart angeordnet, dass das Strömen der Abwärme in Richtung Außenumgebung AU im Wesentlichen unterbunden ist. Dementsprechend ist das Regelelement 14 derart dimensioniert und positioniert, dass der Kühlkanal 11.1 in Richtung Außenumgebung AU des Fahrzeugs blockiert ist.
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Die 3 zeigt, ähnlich wie die 2, einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Temperiersystem 10, wobei das Regelelement 14 sich in einer Stellung befindet, in der die Abwärme des Wärmeübertragers 13 in die Außenumgebung AU des Fahrzeugs geleitet wird. Dafür ist das Regelelement 14 derart positioniert, dass die Kühlkanäle 11.1 in Richtung Fahrzeugkabine FK blockiert sind und somit keine Abwärme in Richtung Fahrzeugkabine FK geleitet werden kann.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
