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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem kombinierten Kühlkreis für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Kühlen der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellenfahrzeuge produzieren eine Abwärmemenge im Kühlwasser, die bei ähnlicher Leistungsanforderung ungefähr der eines von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs entspricht. Da das Temperaturniveau der Brennstoffzelle mit ca. 80-85°C deutlich unter dem des Kühlkreises des Verbrenners mit ca. 120°C liegt, besteht ein Problem, bei hohen Außentemperaturen die Abwärme der Brennstoffzelle abzuführen.
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Des Weiteren besteht aktuell die Herausforderung, dass verschiedene Medien zur Kühlung der Brennstoffzelle und zur Klimatisierung des Fahrzeugs eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass Kühler, Schläuche und Pumpen mehrfach im Fahrzeug vorhanden sind, was Nachteile hinsichtlich Bauraum, Kosten und Gewicht mit sich bringt.
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Es wurden bereits Kühlsysteme für Brennstoffzellenfahrzeuge beschrieben, welche über die Kombination eines Kühlers und einer Hochtemperatur-Wärmepumpe die Kühlleistung erhöhen.
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So ist aus der
EP 1 961 592 A1 eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Brennstoffzelle mit einem Kühlkreislauf, der mit einem Wärmepumpen-Kältekreislauf verbunden ist, wobei die beiden Kreisläufe über einen gemeinsamen Kondensator sowie einen Verdampfer verfügen.
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Aus der
DE 198 50 829 C1 geht ein Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug hervor. Ein Brennstoffzellen-Kühlkreislauf des Fahrzeugs ist über einen Wärmetauscher mit einem Wärmepumpenkreislauf verbunden, der einen Kondensator sowie einen Verdampfer aufweist
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Die
DE 10 2016 114 948 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung. Der Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kühlkreislauf, der über einen Wärmetauscher mit einem Kältekreislauf verbunden ist, der über einen Kühler/Kondensator mit einem Wärmepumpenkreislauf verbunden ist.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Kühlung der Brennstoffzelle weiter verbessert wird, insbesondere bei hohen Au ßentem peraturen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein kombinierter Kühl- und Kältekreislauf zur Brennstoffzellenkühlung im Fahrzeug eingesetzt. Die Kühlung der Brennstoffzelle erfolgt über ein Kältemittel, das zumindest teilweise, d. h. in Betriebspunkten mit hoher Temperatur und Abwärme, in der mindestens einen Brennstoffzelle verdampft und an einem Kondensator bzw. Kühler die Wärme an die Außenluft abgibt. Das flüssige Kältemittel gelangt danach wieder zur Brennstoffzelle, an der es Wärme aufnimmt. Zur Erhöhung der Effizienz wird dieser Kühlkreis über einen Chiller mit dem Kältemittelkreis einer Wärmepumpe gekoppelt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle (BZ), die an einen ersten Kältemittelkreislauf angeschlossen ist, der eine Kältemittelpumpe, einen Kondensator und den Kondensator eines einen Kondensator und einen Verdampfer umfassenden Wärmeübertragers (Chiller) umfasst. Der erste Kältemittelkreislauf ist über den Verdampfer des Chillers mit einem zweiten Kältemittelkreislauf gekoppelt, der einen Verdichter, einen Kondensator und ein Expansionsventil umfasst. Erfindungswesentlich ist, dass das Brennstoffzellensystem dafür eingerichtet ist, das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs zumindest teilweise in der mindestens einen Brennstoffzelle zu verdampfen. Abwärme und Temperaturen der BZ unterliegen starken Schwankungen je nach geforderter abgegebener elektrischer Leistung. In Betriebspunkten (Druck und Temperatur in der mindestens einen Brennstoffzelle) mit hoher Temperatur und Abwärme in der mindestens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems verdampft das Kältemittel in der Brennstoffzelle. Durch die Verdampfungsenthalpie wird die Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle und damit die Kühlleistung erhöht. In Betriebspunkten mit niedriger Temperatur und Abwärme reicht die abzuführende Abwärme nicht zur Verdampfung des Kältemittels aus. Dieses wird dann nur in flüssiger Form umgepumpt. Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass es verdampfend betrieben werden kann.
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Betriebspunkte mit hoher Temperatur und Abwärme in der mindestens einen Brennstoffzelle, bei denen das Kältemittel in der Brennstoffzelle zumindest teilweise verdampft, liegen in der Regel vor, wenn die Brennstoffzelle in einem Bereich von 30% bis 100%, insbesondere 50% bis 100% ihrer nominalen Maximalleistung betrieben wird.
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Das Brennstoffzellensystem weist mindestens eine Brennstoffzelle auf. In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, deren elektrische Leistungen sich in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren.
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In einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems wird als Kältemittel ein Fluorkohlenwasserstoff eingesetzt, insbesondere R1234yf oder R1233zb. In einer anderen Ausführungsform wird als Kältemittel ein Kohlenwasserstoff eingesetzt, insbesondere Propan, Propen, n-Butan, iso-Butan, n-Pentan, isoPentan oder Mischungen daraus.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst einen ersten Kältemittelkreislauf und einen zweiten Kältemittelkreislauf, die jeweils einen Kondensator umfassen. In einer Ausführungsform weisen der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf einen gemeinsamen Kondensator auf. Das heißt, es ist nur ein einziger Kondensator im System vorhanden, den die Kältemittelkreisläufe des Systems gemeinsam nutzen. Dadurch wird ein Kondensator eingespart, was zu Einsparungen bei Bauraum, Kosten und Gewicht führt.
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In dieser Variante kann durch die Kältemittelpumpe über den Volumenstrom eine optimale Temperaturdifferenz für die Brennstoffzelle eingestellt werden, dies sind im heutigen Stand der Technik etwa 12 K. Je nach Kühlleistungsbedarf steigt oder sinkt der Volumenstrom. Bei steigender Lastanforderung kann die Wärmeabfuhr mit dem Temperaturniveau der Brennstoffzelle nicht mehr ausreichend sein. In diesem Fall erfolgt über den Verdichter eine Nachkühlung des flüssigen Kältemittels nach dem Kondensator, indem ein Teilmassenstrom des Kältemittels im zweiten Kältemittelkreislauf in dem Chiller verdampft wird, und somit den anderen Teilmassenstrom, welcher im ersten Kältemittelkreislauf vom Kondensator zur Brennstoffzelle fließt, abkühlt. Hierdurch kann der Kondensator auf einem höheren Temperaturniveau betrieben werden als es zur Kühlung der Brennstoffzelle möglich wäre.
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In einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem noch einen dritten Kältemittelkreislauf, der ein Expansionsventil, einen Verdampfer zur Klimatisierung des Fahrzeugs (Innenraum-Verdampfer) und einen Verdichter umfasst und ebenfalls an den gemeinsamen Kondensator angeschlossen ist.
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Dadurch ist kein eigener Kondensator für den dritten Kältemittelkreislauf erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen der zweite Kältemittelkreislauf und der dritte Kältemittelkreislauf einen gemeinsamen Verdichter auf. Der Wärmeübertrager des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Verdampfer des dritten Kältemittelkreislaufs sind mit der Saugseite des Verdichters verbunden. Der Verdichter arbeitet auf einem Zwischendruckniveau. Durch diese Variante lässt sich im Gesamtsystem ein Verdichter einsparen.
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Der dritte Kältemittelkreislauf umfasst einen Verdampfer zur Kühlung des Innenraums. Denkbar sind an Stelle des einen Verdampfers auch mehrere Verdampfer, zum Beispiel für eine Heckverdampferanlage oder eine Batteriekühlung, Dieser Verdampfer sollte auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden als der Verdampfer zur Kühlung der Brennstoffzelle, damit die Kühlung der Brennstoffzelle entsprechend dem höheren Temperaturniveau mit einem höheren Saugdruck und einer größeren Effizienz erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen der Chiller des ersten Kältemittelkreislaufs und der Verdampfer des dritten Kältemittelkreislaufs eine gemeinsame Saugleitung zum Verdichter auf. In dieser Variante erfolgt die Kühlung von Brennstoffzelle und Innenraum auf einem Druckniveau, Diese Variante kommt auf Kosten der Effizienz mit einem einfacheren Verdichter aus und bietet somit einen Kostenvorteil.
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In einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist der Kondensator bzw. sind die Kondensatoren durch einen Luftstrom gekühlt. In einer Ausführungsform ist der Kondensator am Vorderende des Fahrzeugs angeordnet und wird durch den das Fahrzeug anströmenden Luftstrom gekühlt.
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In einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems zirkuliert in allen Kältemittelkreisläufen dasselbe Kältemittel. Sämtliche Kältemittelkreisläufe des Systems sind miteinander verbunden, wodurch sich Schläuche und andere Bauteile einsparen lassen. Die Verwendung eines einzigen Kältemittels anstelle mehrerer verschiedener Kältemittel vereinfacht den Betrieb und die Wartungen des Systems zusätzlich.
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In einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst die mindestens eine Brennstoffzelle einen mit deionisiertem Wasser gefüllten Sekundärkreislauf mit einem Wärmeübertrager (Chiller). Der Chiller ist mit dem ersten Kältemittelkreislauf gekoppelt und das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs verdampft zumindest teilweise in dem Chiller. In dieser Variante erfolgt keine direkte Kühlung der Brennstoffzelle mit dem Kältemittel, sondern die Brennstoffzelle wird über einen Sekundärkreis gekühlt. Der Kühlkreislauf mit dem Kältemittel entnimmt die Wärme aus einem zweiten Chiller im ersten Kältemittelkreislauf, z. B. einem PlattenWärmeübertrager. Der zweite Chiller ist ebenfalls Bestandteil eines Kühlkreislaufes der Brennstoffzelle (dem Sekundärkreislauf). Vorteilhaft an dieser Variante ist der sehr kleine Kühlkreis mit deionisiertem Wasser, welcher leicht ionenfrei gehalten werden kann.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist der Wärmeübertrager (Chiller) ein Plattenwärmeübertrager.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Kühlung eines mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens einen ersten Kältemittelkreislauf aufweisenden Brennstoffzellensystems, bei dem ein in dem ersten Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel durch die mindestens eine Brennstoffzelle gefördert wird und darin zumindest teilweise, d. h. in Betriebspunkten mit hoher Temperatur und Abwärme in der Brennstoffzelle, verdampft.
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Die Kühlung des zirkulierenden Kältemittels erfolgt in einer Ausführungsform durch direkte Kühlung. In einer Ausführungsform erfolgt die Kühlung des Kältemittels am gemeinsamen Kondensator, gegebenenfalls ergänzt durch Kühlung mittels Verdampfung eines Teilstroms des Kältemittels in einem Chiller, wodurch der zur Brennstoffzelle geführte Kältemittel-Teilstrom weiter gekühlt wird. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teilstrom des Kältemittels in einem Verdampfer (bspw. Heckverdampfer, Verdampfer zur Kühlung des Innenraums) verdampft.
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In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Kühlung der mindestens einen Brennstoffzelle durch indirekte Kühlung über einen Sekundärkreis mit Kältemittel, der durch die Brennstoffzelle geleitet wird. Ein Primärkreis erzeugt die Kühlleistung, wobei die Wärmeübertragung zwischen Sekundärkreis und Primärkreis mittels Plattenwärmeübertrager erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren bieten den Vorteil einer verbesserten Kühlleistung des Fahrzeuges ohne bzw. mit geringer Erhöhung der Bauteilanzahl im Vorderwagen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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 beigefügten Zeichnungen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem zusätzlichen Sekundärkühlkreis.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Das System umfasst eine Brennstoffzelle 11, die auch einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel umfassen kann. Die Brennstoffzelle 11 ist an einen Kältemittelkreislauf 23 angeschlossen, in dem ein Kältemittel für die Brennstoffzelle 11 zirkuliert. Im Kältemittelkreislauf 23 befinden sich eine Kältemittelpumpe 13 und ein mit einem Luftstrom 16 angeströmter Kühler/Kondensator 15 zur Einstellung der Temperatur des Kältemittelstroms. Der Kältemittelkreislauf ist über einen einen Verdampfer und einen Kondensator umfassenden Wärmetauscher (Chiller) 12 mit einem Wärmepumpen-Kreislauf 24 gekoppelt, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Das Kältemittel verdampft im Chiller 12 und nimmt Wärme auf. Es wird im Verdichter 14 komprimiert und einem Kondensator 19 zugeführt, in dem es unter Wärmeabgabe verflüssigt wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Expansionsventil 17 entspannt. Beide Kühler 15 und 19 sind im Frontend des Fahrzeugs angeordnet und werden zur Wärmeabfuhr von dem Luftstrom 16 angeströmt.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. In dieser Ausführungsform kann durch die Verwendung eines einzigen Kältemittels als Kühlmedium für die Brennstoffzelle 11 der in der in 1 dargestellten Variante erforderliche zweite Kühler 19 im Frontend entfallen. Ein gemeinsamer Kühler 15 wird zur Kühlung der Brennstoffzelle und zur Wärmeabfuhr der Wärmepumpe eingesetzt. Bei ausreichender Kühlleistung der reinen Umwälzkühlung des flüssigen Kältemittels kann ein Betrieb analog einer heutigen Wasserkühlung erfolgen. Durch die Pumpe 13 kann über den Volumenstrom im Kreislauf 23 eine optimale Temperaturdifferenz für die Brennstoffzelle 11 eingestellt werden, dies sind im heutigen Stand der Technik ca. 12 K. Je nach Kühlleistungsbedarf steigt oder sinkt der Volumenstrom im Kreislauf 23. Bei steigender Lastanforderung kann die Wärmeabfuhr mit dem Temperaturniveau der Brennstoffzelle 11 nicht mehr ausreichend sein. In diesem Fall kann über den Verdichter 14 eine Nachkühlung des flüssigen Kältemittels nach dem Kühler 15 erfolgen, indem ein Teilmassenstrom des Kältemittels in den Wärmepumpen-Kreislauf 24 geleitet und in dem Chiller 12 verdampft wird, und somit den anderen Teilmassenstrom, welcher vom Kühler 15 zur Brennstoffzelle 11 fließt, abkühlt. Hierdurch kann der Kühler 15 auf einem höheren Temperaturniveau betrieben werden als es zur Kühlung der Brennstoffzelle 11 möglich wäre.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Diese Variante entspricht der in 2 dargestellten Variante, ergänzt um einen Kreislauf 25 mit einem Expansionsventil 18 und einem Verdampfer 20 zur Kühlung des Innenraums. Denkbar sind an Stelle des einen Verdampfers 20 auch mehrere Verdampfer, zum Beispiel für eine Heckverdampferanlage oder eine Batteriekühlung. Der Verdampfer 20 wird vorteilhaft auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben als der Verdampfer im Chiller 12 zur Kühlung der Brennstoffzelle 11, damit die Kühlung der Brennstoffzelle 11 entsprechend dem höheren Temperaturniveau mit einem höheren Saugdruck und einer größeren Effizienz erfolgt. In der dargestellten Variante ist dies über einen Verdichter 14 mit einem Zwischendruckniveau realisiert.
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Möglich ist eine Variante mit zwei Verdichtern 14 und 21, die in 4 dargestellt ist. Die zwei separaten Verdichter sind auf der Druckseite verbunden und arbeiten mit einem gemeinsamen Hochdruck. Denkbar ist auch die Kühlung von Brennstoffzelle 11 und Innenraum auf einem Druckniveau, hierbei würden Verdampfer 20 und Chiller 12 eine gemeinsame Saugleitung zum Verdichter 14 haben. Diese Variante ist in den Figuren nicht dargestellt, würde auf Kosten der Effizienz jedoch mit einem einfacheren Verdichter auskommen und somit einen Kostenvorteil aufweisen.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 10. Die in 1 bis 4 dargestellten Varianten setzen eine direkte Kühlung der Brennstoffzelle 11 mit dem Kältemittel ein. In der in 5 dargestellten Ausführungsform wird die Brennstoffzelle 11 über einen zusätzlichen Sekundärkreis 26 gekühlt. Der Kühlkreislauf 23 mit dem Kältemittel entnimmt die Wärme aus einem Plattenwärmeübertrager 22 (Chiller), wobei das Kältemittel zumindest teilweise verdampft. Der Chiller 22 ist ebenfalls Bestandteil eines Sekundärkreislaufs 26 mit deionisiertem Wasser als Kühlmittel für die Brennstoffzelle 11. Vorteilhaft an dieser Variante ist der sehr kleine Kühlkreis 26 mit deionisiertem Wasser, welcher ohne großen Aufwand frei von ionischen Verunreinigungen gehalten werden kann, so dass die Leitfähigkeit des Kühlmittels niedrig und der Isolationswiderstand des Systems hoch bleiben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzelle
- 12
- Chiller
- 13
- Kältemittelpumpe
- 14
- Verdichter
- 15
- Kondensator
- 16
- Luftstrom Frontend
- 17
- Expansionsventil
- 18
- Expansionsventil
- 19
- Kondensator
- 20
- Verdampfer
- 21
- Verdichter
- 22
- Chiller
- 23
- Kältemittelkreislauf Brennstoffzelle
- 24
- Kältemittelkreislauf Wärmepumpe
- 25
- Kältemittelkreislauf Innenraum
- 26
- Sekundärkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1961592 A1 [0005]
- DE 19850829 C1 [0006]
- DE 102016114948 A1 [0007]
