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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer Falschbefüllung eines Kühlmittelkreislaufs oder zur Verringerung einer Konzentration von Fremdstoffen und/oder von Ionen eines in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels. In den Kühlmittelkreislauf ist mindestens eine Brennstoffzelle eingebunden und der Kühlmittelkreislauf ist strömungsmechanisch mit einer Flüssigkeitszuleitung verbunden oder verbindbar, um dem Kühlmittelkreislauf eine Flüssigkeit, insbesondere das Kühlmittel, zuzuführen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einem Kühlmittelkreislauf, in dem mindestens eine Brennstoffzelle eingebunden ist, sowie mit einem Steuergerät. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer solchen Anordnung.
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Brennstoffzellen werden aufgrund ihrer Wärmeproduktion flüssiggekühlt. Das Kühlmittel, welches die Brennstoffzelle durchströmt, muss hierbei eine sehr niedrige Leitfähigkeit aufweisen, um einen Kurzschluss innerhalb der Brennstoffzelle zu vermeiden. Zudem besteht die Gefahr, dass durch ein leitfähiges Kühlmittel auch Karosserieteile leitfähig werden und damit eine Gefahr für Leib und Leben entsteht, sollte man die Karosserie berühren. Das Kühlmittel kann mit sehr niedriger Leitfähigkeit produziert werden, wird aber durch Ioneneintrag aus den mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Bauteilen während des Fahrzeugbetriebs wieder leitfähig.
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Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die eingetragenen Ionen in nur niedriger Konzentration zirkulieren zu lassen. Hierzu werden geeignete Filter oder Ionentauscher installiert, um Fremdstoffkonzentration und/oder einer Ionenkonzentration des Kühlmittels im Betrieb zu senken. Zudem ist es bereits bei der Erstbefüllung notwendig, dass ein Kühlmittel mit einer sehr niedrigen Leitfähigkeit in den Kühlmittelkreislauf gefüllt wird, wobei dabei insbesondere die Gefahr besteht, dass ein falsches Kühlmittel, mithin also ein brennstoffzellenunspezifisches Kühlmittel, in den Kühlmittelkreislauf gefüllt wird.
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In der
DE 10 2014 103 117 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, mit denen bestimmt werden kann, wann ein durch ein Fahrzeugkühlsystem umgewälztes Kühlmittel elektrischen Strom zu leiten beginnt und seine Eigenschaften elektrischer Isolation verliert. In der
DE 103 92 529 T5 ist eine Schaltung zur Überwachung einer Verschmutzung von Kühlmittel für ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei welchem eine Lampe zu leuchten beginnt, wenn das Kühlmittel der Brennstoffzelle einen bestimmten Schwellwert hinsichtlich seiner Leitfähigkeit erreicht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verhinderung einer Falschbefüllung eines Kühlmittelkreislaufs oder zur Verringerung einer Konzentration von Fremdstoffen und/oder von Ionen eines in dem Kühlmittel zirkulierenden Kühlmittels, eine Anordnung der eingangs genannten Art und ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, die die vorstehend genannten Nachteile überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren umfasst dabei insbesondere die folgenden Schritte:
- - Einbringen der Flüssigkeit in die Flüssigkeitszuleitung,
- - Erfassen einer Fremdstoffkonzentration und/oder einer Ionenkonzentration der in die Flüssigkeitszuleitung eingebrachten Flüssigkeit mittels eines in der Flüssigkeitszuleitung angeordneten oder darin integrierten Sensors,
- - Prüfen, ob die Fremdstoffkonzentration und/oder die Ionenkonzentration der Flüssigkeit einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder außerhalb eines vorgegebenen Grenzbereichs liegt, und
- - Schalten eines in die Flüssigkeitszuleitung eingebundenen Ventils derart, dass eine Zufuhr der Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf begrenzt, vorzugsweise vollständig unterbunden, ist, wenn der vorgegebene Grenzwert der Fremdstoffkonzentration und/oder der Ionenkonzentration erreicht oder überschritten wird oder außerhalb des vorgegebenen Grenzbereichs liegt.
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Durch das vorstehend beschriebene Verfahren ist gewährleistet, dass bereits vor dem Zuführen einer Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf eine Prüfung dahingehend stattfindet, ob die Flüssigkeit die gewünschte elektrische Leitfähigkeit und/oder den gewünschten Reinheitsgrad aufweist, wobei verhindert wird, dass eine unerwünschte Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf gelangt. Die Flüssigkeitszuleitung kann dabei Bestandteil eines Befüllstützens einer Kühlmittelbefüllungsanlage sein, welche die Leitfähigkeit des zu befüllenden Kühlmittels prüft und welche bei Detektion einer leitfähigen Flüssigkeit den Zustrom der falschen Flüssigkeit und damit die Kontamination des Kühlmittelkreislaufs unterbindet.
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Fremdstoffe können beispielsweise Partikel sein, wobei die Fremdstoff- oder Partikelkonzentration optisch bestimmt werden kann, beispielsweise mit einem Partikelzähler oder einem Trübungsmessgerät.
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Die Ionenkonzentration kann beispielsweise über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden. Sinkt die Leitfähigkeit unter einen vorgegebenen Grenzwert, so wird das Ventil in eine öffnende Stellung verstellt, und die Flüssigkeit wird dem Kühlmittelkreislauf zugeführt. Die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit kann beispielsweise mittels des Sensors anhand der Messung des spezifischen Widerstands der Flüssigkeit bestimmt werden. Dieser wird zwischen zwei Elektroden gemessen, wobei eine Spannung an den beiden, in einem vorgegebenen Abstand innerhalb einer Elektrolyt-Lösung platzierten, Elektroden angelegt und aus dem dann resultierenden Strom auf die Leitfähigkeit (in Siemens pro Meter) der Flüssigkeit geschlossen wird.
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Anhand der Leitfähigkeit kann auch bestimmt werden, um welchen Typ einer Flüssigkeit es sich handelt, so dass anhand der Leitfähigkeit unterschieden werden kann, ob es sich um ein für die Brennstoffzelle geeignetes Kühlmittel handelt oder nicht.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Flüssigkeit an eine Vorrichtung zur Verringerung der Fremdstoffkonzentration und/oder zur Verringerung der Ionenkonzentration umgeleitet und dort aufbereitet wird, bevor sie erneut der Flüssigkeitszuleitung zugeführt wird. Damit erfährt also die dem Kühlmittelkreislauf nicht zugeführte Flüssigkeit zunächst eine Aufbereitung, wenn der vorgegebene Grenzwert der Fremdstoffkonzentration und/oder der Ionenkonzentration erreicht oder überschritten wird oder außerhalb des vorgegebenen Grenzbereichs liegt.
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In diesem Zusammenhang hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fremdstoffkonzentration und/oder die Ionenkonzentration in der Flüssigkeitszuleitung erneut daraufhin überprüft wird, ob der Grenzwert erreicht oder überschritten ist oder außerhalb des Grenzbereichs liegt, und wenn das Ventil im Falle eines Unterschreitens des Grenzwerts oder im Falle des Liegens innerhalb des Grenzbereichs derart geschaltet wird, dass die Flüssigkeit über die Flüssigkeitszuleitung in den Kühlmittelkreislauf strömt.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Abweichungsgrad vom vorgegebenen Grenzwert oder vom vorgegebenen Grenzbereich bestimmt wird, und wenn beim Überschreiten eines vorgegebenen Abweichungsgrads eine Zufuhr der Flüssigkeit auch zur Vorrichtung zur Verringerung der Fremdstoffkonzentration und/oder der Ionenkonzentration unterbunden wird. Dies gewährleistet, dass keine Flüssigkeit in die Vorrichtung zur Verringerung der Konzentration gelangt, für deren Aufbereitung die Vorrichtung nicht ausgelegt ist. Daher wird also auch eine Verschmutzung der Vorrichtung zuverlässig verhindert, denn eine Aufbereitung einer Flüssigkeit wird nicht durchgeführt, deren mittels des Sensors bestimmten Eigenschaften zu weit von den vorgegebenen Grenzwerten abweicht.
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Für die Aufbereitung der Flüssigkeit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ionenkonzentration in der Flüssigkeit durch einen in der Vorrichtung angeordneten Ionentauscher verringert wird.
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Alternativ oder ergänzend kann die Ionenkonzentration in der Flüssigkeit auch durch eine in der Vorrichtung angeordnete, ein elektrisches Feld an der Flüssigkeit anlegende, Ionenfalle verringert werden.
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Um den Verschmutzungsgrad zusätzlich zu reduzieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fremdstoffkonzentration in der Flüssigkeit durch einen in der Vorrichtung angeordneten Filter, insbesondere einen Partikelfilter, verringert wird.
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Die für das Verfahren beschriebenen Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Anordnung, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass mit dem Kühlmittelkreislauf eine Flüssigkeitszuleitung strömungsmechanisch verbunden oder verbindbar ist, dass in der Flüssigkeitszuleitung ein Sensor zur Erfassung einer Fremdstoffkonzentration und/oder einer Ionenkonzentration einer in die Flüssigkeitszuleitung eingebrachten Flüssigkeit angeordnet oder in die Flüssigkeitszuleitung integriert ist, dass in die Flüssigkeitszuleitung ein Ventil eingebunden ist, und dass das Steuergerät ausgebildet ist, das Ventil derart zu schalten, dass eine Zufuhr der Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf begrenzt, vorzugsweise vollständig unterbunden, ist, wenn eine vom Sensor erfasste Fremdstoffkonzentration und/oder Ionenkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder außerhalb eines vorgegebenen Grenzbereichs liegt.
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Der Sensor kann dabei als ein Partikeldetektor oder als ein Partikelzähler gebildet sein. Der Sensor kann aber alternativ oder zusätzlich als ein Leitfähigkeitssensor oder ein Leitfähigkeitsmessgerät gebildet sein.
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Jedenfalls wird durch den Einsatz des Sensors und des Schaltventils zuverlässig verhindert, dass ein falsches oder ein verunreinigtes Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf gefüllt wird.
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Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, ein verunreinigtes Kühlmittel aufzubereiten, bevor es dem Kühlmittelkreislauf zugeführt wird. Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Vorrichtung zur Verringerung der Fremdstoffkonzentration und/oder zur Verringerung der Ionenkonzentration vorhanden ist, und wenn das Steuergerät ausgebildet ist, das Ventil derart zu schalten, dass die Flüssigkeit der Vorrichtung zur Aufbereitung zugeleitet ist, wenn der vorgegebene Grenzwert der Fremdstoffkonzentration und/oder der Ionenkonzentration erreicht oder überschritten wird oder außerhalb des vorgegebenen Grenzbereichs liegt.
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Die für die Anordnung und für das Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch bei deren Einsatz in einem Brennstoffzellenfahrzeug, bei welchem zuverlässig verhindert ist, dass verschmutztes oder leitfähiges Kühlmittel in dessen Kühlmittelkreislauf zirkuliert. Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug verhindert, dass seinem Kühlmittelkreislauf ein falsches Kühlmittel zugeführt wird.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine fahrzeugintegrierte Anordnung, und
- 2 schematisch eine fahrzeugexterne Realisierung der Anordnung aus 1.
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In den Figuren ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 20 gezeigt, das einen Kühlmittelkreislauf 16 umfasst, in welchem mindestens eine Brennstoffzelle 19 eingebunden ist. In dem Kühlmittelkreislauf 16 liegen zudem ein Kühler 24 sowie eine Kühlmittelpumpe 21 zur Zirkulation des sich im Kühlmittelkreislauf 16 befindlichen Kühlmittels vor. Der Kühlmittelkreislauf 16 ist Teil einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zusätzlich ein Steuergerät 17 aufweist.
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Als optionales Bauteil ist vorliegend ein Stellglied 25 in den Kühlmittelkreislauf 16 integriert, welches in seinem geschlossenen Zustand das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf 16 einem Abfluss 15 zuleitet, der in eine Flüssigkeitsrückleitung 12 mündet. Im regulären Betrieb ist das Stellglied 25 jedoch in geöffneten Zustand, sodass das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 16 aufgrund des Betriebs der Kühlmittelpumpe 21 zwischen dem Kühler 24 und der Brennstoffzelle 19 zirkuliert.
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Mit einem Zufluss 14 zum Kühlmittelkreislauf 16 ist eine Flüssigkeitszuleitung 11 strömungsmechanisch verbunden. In der Flüssigkeitszuleitung 11 ist ein Sensor 22 angeordnet, der ausgestaltet ist, eine Fremdstoffkonzentration und/oder eine Ionenkonzentration einer in die Flüssigkeitszuleitung 11 eingebrachten Flüssigkeit zu erfassen. Stromab des Sensors 22 ist ein Ventil 23 in die Flüssigkeitszuleitung 11 eingebunden. Ein Steuergerät 17 ist mittels Kommunikationsleitungen 18 sowohl mit dem Sensor 22 als auch mit dem Ventil 23 verbunden. Beim Steuergerät 17 kann es sich vorzugsweise um das Steuergerät 17 der Brennstoffzelle 19 oder des Brennstoffzellensystems handeln. Das Steuergerät 17 ist ausgebildet, das Ventil 23 derart zu schalten, dass eine Zufuhr der Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf 16 unterbunden ist, wenn eine vom Sensor 22 erfasste Fremdstoffkonzentration und/oder Ionenkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder außerhalb eines vorgegebenen Grenzbereichs, d.h. oberhalb einer Obergrenze und unterhalb eine Untergrenze, liegt.
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Liegt die Konzentration also zu weit ab von vorgegebenen Werten, so bleibt das Ventil 23 gegenüber dem Zufluss 14 zum Kühlmittelkreislauf 16 verschlossen. Vorzugsweise kann aber durch eine geeignete Ventilstellung des Ventils 23 die Flüssigkeit umgeleitet werden an eine Vorrichtung 10 zur Verringerung der Fremdstoffkonzentration und/oder zur Verringerung der Ionenkonzentration. Mit anderen Worten ist das Steuergerät 17 also ausgebildet, das Ventil 23 derart zu schalten, dass die Flüssigkeit der Vorrichtung 10 zur Aufbereitung zugeleitet ist, wenn der vorgegebene Grenzwert der Fremdstoffkonzentration und/oder der Ionenkonzentration erreicht oder überschritten wird oder außerhalb des vorgegebenen Grenzbereichs liegt.
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Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise einen Ionentauscher umfassen oder auch eine Ionenfalle, um in der Flüssigkeit die Ionenkonzentration zu senken. Alternativ oder ergänzend kann auch die Fremdstoffkonzentration reduziert werden durch Einsatz eines in der Vorrichtung 10 angeordneten Filters, insbesondere eines Partikelfilters.
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Nach der Aufbereitung in der Vorrichtung 10 wird die aufbereitete Flüssigkeit der Flüssigkeitszuleitung 11 stromauf des Sensors 22 erneut zugeführt. Der Sensor 22 kann dann die Überprüfung der Flüssigkeit ebenfalls erneut durchführen, um zu bewerten, ob die Flüssigkeit in den Kühlmittelkreislauf 16 gelangen darf oder nicht. Gegebenenfalls wird die Flüssigkeit mehrmals durch die Vorrichtung 10 geleitet, bevor sie die vorgegebenen Werte hinsichtlich ihrer Fremdstoffkonzentration und/oder hinsichtlich ihrer Ionenkonzentration besitzt und damit durch eine geeignete Schaltung des Ventils 23 dem Kühlmittelkreislauf 16 zugeführt werden kann.
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In 1 ist die Möglichkeit gezeigt, dass auch ein bereits im Kühlmittelkreislauf 16 vorhandenes Kühlmittel hinsichtlich einer Fremdstoffkonzentration und/oder einer Ionenkonzentration geprüft und gegebenenfalls aufbereitet werden kann. Hierzu wird das Stellglied 25 geschlossen, so dass über einen Abfluss 15 das Kühlmittel in die Flüssigkeitszuleitung 11 gelangt, wo es zur am Sensor 22 zur Überprüfung gestellt wird. Weist das Kühlmittel den geeigneten Reinheitsgrad auf, so bleibt das Ventil 23 geöffnet und das Kühlmittel kann dem Kühlmittelkreislauf 16 wieder zugeführt werden. Ist allerdings die Fremdstoffkonzentration und/oder die Ionenkonzentration außerhalb vorgegebener Grenzwerte, so schließt das Ventil 23 und leitet das Kühlmittel in die Vorrichtung 10 zur Aufbereitung. Erst wenn das aufbereitete Kühlmittel einen entsprechenden Reinheitsgrad besitzt, wird das Ventil 23 wieder derart geschaltet, dass das Kühlmittel über den Zufluss 14 zurück in den Kühlmittelkreislauf 16 geleitet ist. Anschließend kann auch das Stellglied 25 wieder geöffnet werden, wodurch das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 16 wieder zirkulieren kann. Um zu gewährleisten, dass das Kühlmittel nur im Kühlmittelkreislauf 16 zirkuliert, kann das Ventil 23 wieder geschlossen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit ein Ventil im Abfluss 15 anzuordnen, welches dann eine geschlossene Konfiguration einnimmt, um eine Zirkulation des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 16 zu begünstigen.
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In 2 ist eine Variante der Anordnung gezeigt, wobei eine Kupplung 13 vorhanden ist, um den Zufluss 14 und den Abfluss 15 des Kühlmittelkreislaufs 16 im Brennstoffzellenfahrzeug 20 strömungsmechanisch zu verbinden. Ein Teil der Anordnung, nämlich der Kühlmittelkreislauf 16, ist im Brennstoffzellenfahrzeug 20 selbst integriert, wobei der andere Teil der Anordnung mittels der Kupplung 30 mit dem Kühlmittelkreislauf 16, insbesondere lösbar, verbindbar ist.
Über die Flüssigkeitszuleitung 11 kann eine Flüssigkeit dem Kühlmittelkreislauf 16 zugeführt werden, wobei die Flüssigkeitszuleitung 11 beispielsweise einen Bestandteil eines Befüllstutzens bildet. Analog zur Darstellung in 1 wird auch hier mittels des Sensors 22 der Reinheitsgrad der zugeführten Flüssigkeit überprüft, wobei das Ventil 23 geschlossen wird, wenn der Reinheitsgrad vorgegebene Werte nicht erreicht. Außerdem kann eine Aufbereitung der Flüssigkeit in der Vorrichtung 10 erfolgen, bevor die Flüssigkeit dem Kühlmittelkreislauf 16 zugeführt wird. Über eine Flüssigkeitsrückleitung 12 kann aus dem Kühlmittelkreislauf 16 ein Kühlmittel abgelassen werden, so dass auch ein vollständiger Austausch der Kühlflüssigkeit, d.h. des Kühlmittels, erfolgen kann.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren, die Anordnung und das Brennstoffzellenfahrzeug zeichnen sich dadurch aus, dass keine verschmutzte oder sogar gänzlich falsche Flüssigkeit oder Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf 16 gelangt und eliminieren damit eine wesentliche Fehlerquelle.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Flüssigkeitszuleitung
- 12
- Flüssigkeitsrückleitung
- 13
- Kupplung
- 14
- Zufluss Kühlmittelkreislauf
- 15
- Abfluss Kühlmittelkreislauf
- 16
- Kühlmittelkreislauf
- 17
- Steuergerät
- 18
- Kommunikationsleitung
- 19
- Brennstoffzelle
- 20
- Brennstoffzellenfahrzeug
- 21
- Kühlmittelpumpe
- 22
- Sensor
- 23
- Ventil
- 24
- Kühler
- 25
- Stellglied (Ventil)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014103117 A1 [0004]
- DE 10392529 T5 [0004]
