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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Brennstoffzellen sowie ein Verfahren zum Kühlen von Brennstoffzellen.
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Stand der Technik
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Zum Kühlen von Brennstoffzellen insbesondere in Fahrzeugen wird üblicherweise ein Kühlsystem eingesetzt, bei dem Wärme von den Brennstoffzellen durch ein flüssiges Kühlmittel aufgenommen und zu einer Wärmeabgabevorrichtung in Form eines Kühlers/Radiators gefördert wird. Hierzu ist eine Pumpe vorgesehen, welche oft direkt stromaufwärts der Brennstoffzellen angeordnet sein kann. Es ist üblich, ein solches Kühlsystem mit einer Bypassleitung zu versehen, durch die zumindest ein Teil des Kühlmittels an der Wärmeabgabevorrichtung vorbeigefördert wird. Ein Mischungsverhältnis zwischen dem Kühlmittelstrom über die Bypassleitung und über die Wärmeabgabevorrichtung kann dabei über ein 3-2-Wege-Regelventil eingestellt werden. Es sind ferner Kühlsysteme für Brennstoffzellen bekannt, die zwei oder mehr Kühlkreisläufe aufweisen. Diese können Haupt- oder Nebenkreisläufe umfassen. Jeder Kühlkreislauf könnte eine eigene Pumpe aufweisen, wobei die Kreisläufe durch einen gemeinsamen Kühlmittelvorrat miteinander gekoppelt sein können. Durch die Kopplung von Kühlkreisläufen können sich die Pumpen je nach Betriebspunkten gegenseitig beeinflussen, sodass die Kühlleistung dadurch mitunter eingeschränkt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Kühlsystem für Brennstoffzellen vorzuschlagen, das einen ersten Kühlkreislauf und einen zweiten Kühlkreislauf aufweist, die jeweils über eine eigene Pumpe betrieben werden und in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei Instabilitäten bzw. die gegenseitige Beeinflussung von Pumpen verringert werden soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem für Brennstoffzellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
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Es wird ein Kühlsystem für Brennstoffzellen vorgeschlagen, aufweisend einen ersten Kühlkreislauf für einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Kühlkreislauf für einen zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei der erste Kühlkreislauf eine erste Kühlmittelpumpe mit einem ersten Pumpeneingang und einem ersten Pumpenausgang aufweist, wobei der zweite Kühlkreislauf eine zweite Kühlmittelpumpe mit einem zweiten Pumpeneingang und einem zweiten Pumpenausgang aufweist und wobei der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf über eine Kühlmittelhauptleitung zumindest indirekt in Fluidverbindung miteinander stehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine erste Mischkammer an dem ersten Pumpeneingang angeordnet ist und eine zweite Mischkammer an dem zweiten Pumpeneingang angeordnet ist, wobei die Kühlmittelhauptleitung jeweils mit der ersten Mischkammer und der zweiten Mischkammer in Fluidverbindung steht und die jeweils zugeordnete Pumpe ausschließlich über die zugehörige Mischkammer mit Kühlmittel versorgt wird, und wobei die erste Mischkammer und die zweite Mischkammer mit einem Ausgleichsbehälter für Kühlmittel in Fluidverbindung zum Ausgleich eines Drucks in der jeweiligen Mischkammer stehen.
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Der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf stellen jeweils einen geschlossenen Pfad für ein Kühlmittel bereit. Jeder Kühlkreislauf weist eine eigene Kühlmittelpumpe auf, die dazu vorgesehen ist, das Kühlmittel durch den jeweiligen Kühlkreislauf zu befördern. Es ist verständlich, dass jeder Kühlkreislauf übliche Komponenten aufweisen kann, die zum Betrieb des Kühlsystems erforderlich oder sinnvoll sein können. Dies umfasst etwa Schutzeinrichtungen wie Rückschlagventile, Überdruckventile oder ähnliches sowie geeignete Filter.
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Die erste Kühlmittelpumpe und die zweite Kühlmittelpumpe können auf identische Weise realisiert sein oder sich voneinander unterscheiden. Dies kann abhängig von der Art des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs sein. Sind beide Kreisläufe gleichwertige oder gleichartige Hauptkreisläufe, können die erste Kühlmittelpumpe und die zweite Kühlmittelpumpe identisch sein. Ist eine der beiden Kühlkreisläufe lediglich ein Nebenkreislauf, könnte die betreffende Kühlmittelpumpe eine geringere Leistung aufweisen. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der möglichen Kühlkreisläufe nicht zwangsläufig auf zwei beschränkt sein muss. Vielmehr könnten mehrere erste Kühlkreisläufe, mehrere zweite Kühlkreisläufe, ein dritter, vierter, fünfter bzw. n-ter Kühlkreislauf vorgesehen sein. Die erfindungswesentlichen Merkmale sind auch auf mehr als zwei Kühlkreisläufe anwendbar.
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Der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf werden durch die Kühlmittelhauptleitung mit dem Kühlmittel versorgt. Die Kühlmittelhauptleitung kann mit einem Reservoir in Verbindung stehen, von dem aus das Kühlmittel in die einzelnen Kühlkreisläufe fließt und wieder zurückgeführt wird. Hierbei wird in jedem Kühlkreislauf bevorzugt ein Wärmeübertrager durchströmt, über den Wärme des betreffenden Brennstoffzellenstapels an das Kühlmittel übertragen wird. Dieser Wärmeübertrager kann direkt in den betreffenden Brennstoffzellenstapel integriert oder thermisch damit gekoppelt sein. Durch die Kopplung beider Kühlkreisläufe mit der Kühlmittelhauptleitung besteht zwischen beiden Kühlkreisläufen eine Fluidverbindung. Der Betrieb der ersten Kühlmittelpumpe und der zweiten Kühlmittelpumpe können sich folglich gegenseitig beeinflussen.
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Zum Reduzieren oder Eliminieren von Druckschwankungen durch andere Kühlmittelpumpen ist vorgesehen, dass jede Kühlmittelpumpe über eine vorgeschaltete Mischkammer mit Kühlmittel aus der Kühlmittelhauptleitung versorgt wird. Eine Mischkammer ist dabei als eine Art Behälter zu verstehen, der dazu ausgebildet ist, ein bestimmtes Volumen des Kühlmittels aufzunehmen. Das Volumen könnte beispielsweise einem vorbestimmten Vielfachen eines Schluckvolumens der betreffenden Kühlmittelpumpe entsprechen. Über eine Verbindung mit einem Ausgleichsbehälter kann in der Mischkammer dem Entstehen rascher, schlagartiger Druckänderungen entgegengewirkt werden, die den Betrieb der Kühlmittelpumpe beeinflussen würde.
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Der Ausgleichsbehälter könnte ein variables Flüssigkeitsvolumen aufnehmen und durch eine Art Membran oder einen federnd gelagerten Kolben eine bestimmte Vorspannung hervorrufen. Das veränderliche Flüssigkeitsvolumen kann durch ein sich änderndes Luftvolumen innerhalb des Ausgleichsbehälters ausgeglichen werden. Dieses kann über eine Öffnung, ein Ventil, eine Blende oder dergleichen mit der Umgebung in Fluidverbindung stehen. Das indirekte Verbinden der Kühlmittelhauptleitung mit den Kühlmittelpumpen führt zum Dämpfen der Druckentwicklung der Kühlmittelhauptleitung, welche insbesondere von den momentanen Betriebspunkten der einzelnen Kühlmittelpumpen abhängt. Druckschwankungen werden abgefangen, ohne dass diese das Verhalten der Kühlmittelpumpen beeinflussen. Insbesondere Kühlmittelpumpen, die eine Anfälligkeit bezüglich Instabilität im Grenzbetrieb aufweisen, gewinnen durch diese Integration der Mischkammern an Stabilität ihres Arbeitspunktes.
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Die jeweilige Mischkammer könnte mindestens einen ersten bzw. zweiten Pumpenanschluss, einen ersten bzw. zweiten Hauptleitungsanschluss und einen ersten bzw. zweiten Rückflussanschluss aufweisen, wobei der erste bzw. zweite Pumpenanschluss mit dem ersten bzw. zweiten Pumpeneingang zum Abgeben von Kühlmittel verbunden sein kann, der erste bzw. zweite Hauptleitungsanschluss mit der Kühlmittelhauptleitung zum Aufnehmen von Kühlmittel verbunden sein kann, und wobei der erste bzw. zweite Rückflussanschluss zum Aufnehmen von erwärmtem Kühlmittel aus dem ersten bzw. zweiten Brennstoffzellenstapel mit einer ersten bzw. zweiten Rückflussleitung verbunden sein kann. Der jeweilige Pumpenanschluss ist mit der zugeordneten Kühlmittelpumpe verbunden. Der jeweilige Hauptleitungsanschluss ist mit der Hauptleitung verbunden. Es kann vorteilhaft sein, den jeweiligen Pumpenanschluss und den jeweiligen Hauptleitungsanschluss derart anzuordnen, dass diese nicht in einer direkter Linie einander gegenüberstehen. Sie könnten etwa an zwei unterschiedlichen Wandungen angeordnet sein. Weiterhin könnten diese eine unterschiedliche Strömungsrichtung besitzen. Der jeweilige Rückflussanschluss könnte erwärmtes Kühlmittel aufnehmen, indem beispielsweise ein Bypass das Kühlmittel direkt von dem betreffenden Brennstoffzellenstapel der betreffenden Mischkammer zuleitet. Dies könnte besonders vorteilhaft sein, wenn der betreffende Brennstoffzellenstapel hochgefahren wird, sodass damit schnell eine Betriebstemperatur erreicht werden kann.
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Die erste Mischkammer und die zweite Mischkammer könnten über eine von der Kühlmittelhauptleitung separate Ausgleichsleitung mit dem Ausgleichsbehälter in Fluidverbindung stehen. Die Ausgleichsleitung könnte einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweisen, als die Kühlmittelhauptleitung. Durch die Ausgleichsleitung müssen keine großen Volumenströme erreicht werden, sondern lediglich ein geringer, zur Entlastung dienendes Volumen zwischen der betreffenden Mischkammer und dem Ausgleichsbehälter fließen, sodass ein geringerer Strömungsquerschnitt ausreicht. Es ist weiterhin denkbar, dass die Ausgleichsleitung über eine begrenzte Öffnung bzw. einen bestimmten Blendenquerschnitt an die jeweilige Mischkammer angebunden ist. Eine dünne Schlauchleitung könnte ausreichen.
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Der erste Kühlkreislauf könnte eine von Kühlmittel durchströmbare erste Wärmeabgabevorrichtung zum Abführen von Wärme erwärmten Kühlmittels in die Umgebung aufweisen, der zweite Kühlkreislauf könnte eine von Kühlmittel durchströmbare zweite Wärmeabgabevorrichtung zum Abführen von Wärme erwärmten Kühlmittels in die Umgebung aufweisen, und die Wärmeabgabevorrichtungen könnte mit der Kühlmittelhauptleitung in Fluidverbindung stehen, um gekühltes Kühlmittel an diese bereitzustellen. Beide Wärmeabgabevorrichtungen könnten sich folglich eine Rückleitung in Form der Kühlmittelhauptleitung teilen, welche als einzelne Leitung zu den Brennstoffzellenstapeln führt.
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Der erste Kühlkreislauf könnte einen ersten Bypass aufweisen, der mit der ersten Wärmeabgabevorrichtung und dem ersten Rückflussanschluss verbunden ist, und der zweite Kühlkreislauf könnte einen zweiten Bypass aufweisen, der mit der zweiten Wärmeabgabevorrichtung und dem zweiten Rückflussanschluss verbunden ist. Durch den ersten Bypass und den zweiten Bypass kann eine Temperaturregelung durchgeführt werden. Der Bypass umfasst üblicherweise aus einer Bypassleitung und ein Bypassventil, das dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil einer Strömung umzuleiten. Erwärmtes Kühlmittel, das aus dem betreffenden Brennstoffzellenstapel herausfließt, kann durch den ersten bzw. zweiten Bypass so etwa direkt in die betreffende Mischkammer geleitet werden, von wo sie durch die betreffende Kühlmittelpumpe wieder dem betreffenden Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Wie eingangs erwähnt, kann über ein 2-3-Wege-Ventil eine Einstellung eines Bypass-Verhältnisses erreicht werden, sodass insbesondere beim Hochfahren ein stärkerer Temperaturanstieg realisierbar ist. Durch die Verwendung von Mischkammern kann trotz des Einsatzes eines Bypass eine gegenseitige Beeinflussung der Kühlmittelpumpen verhindert oder verringert werden.
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Ein dritter Kühlkreislauf könnte als Nebenkreislauf vorgesehen sein, der mit der ersten Mischkammer und/oder der zweiten Mischkammer gekoppelt ist. Der dritte Kühlkreislauf könnte beispielsweise Leistungselektronik kühlen und hierzu eine dritte Kühlmittelpumpe aufweisen, die das Kühlmittel in dem dritten Kühlkreislauf fördert. Die Kühlleistung des dritten Kühlkreislaufs könnte die Kühlleistung des ersten Kühlkreislauf bzw. des zweiten Kühlkreislaufs deutlich unterschreiten. Eine direkte Anbindung an die jeweiligen Mischkammern verringert den Installationsaufwand und könnte insbesondere bei geringer Kühlleistung des dritten Kühlkreislauf ausreichen.
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Der dritte Kühlkreislauf könnte mit einem Nebenausgang und einem Nebeneingang der betreffenden Mischkammer verbunden ist, sodass der dritte Kühlkreislauf ausschließlich von Kühlmittel aus der betreffenden Mischkammer durchströmt wird und dieses wieder in die betreffende Mischkammer zurückfließt. Die Anbindung des dritten Kühlkreislaufs erfolgt demnach ausschließlich an mindestens eine der Mischkammern, sodass eine Kühlleistung in dem dritten Kühlkreislauf nur bei aktivem ersten oder zweiten Kühlkreislauf bereitstellbar ist.
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Der dritte Kühlkreislauf könnte mit dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf verbunden sein. Der dritte Kühlkreislauf kann daher sowohl bei aktivem ersten als auch zweiten Kühlkreislauf eine Kühlleistung bereitstellen. Der Wärmeeintrag in den ersten oder zweiten Kühlkreislauf kann weiterhin reduziert werden, wenn beide gleichzeitig betrieben werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystem, aufweisend die Schritte des Abführens von Wärme aus einem ersten Brennstoffzellenstapel mittels eines ersten Kühlkreislaufs, in dem mittels einer ersten Kühlmittelpumpe Kühlmittel aus einer Kühlmittelhauptleitung ausschließlich über eine erste Mischkammer zugeführt wird, des Abführens von Wärme aus einem zweiten Brennstoffzellenstapel mittels eines zweiten Kühlkreislaufs, der mit dem ersten Kühlkreislauf verbunden ist und in dem mittels einer zweiten Kühlmittelpumpe Kühlmittel aus der Kühlmittelhauptleitung ausschließlich über eine zweite Mischkammer zugeführt wird, und des Ausgleichens eines Drucks in der jeweiligen Mischkammer über eine Fluidverbindung mit einem Ausgleichsbehälter für Kühlmittel.
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Das Verfahren kann ferner das Rückführen eines Teils des erwärmten Kühlmittels aus dem ersten Brennstoffzellenstapel oder dem zweiten Brennstoffzellenstapel mittels eines zugehörigen Bypassventils in einen Rückflussanschluss der jeweiligen Mischkammer aufweisen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 ein Kühlsystem für Brennstoffzellen;
- 2 ein Verfahren zum Kühlen von Brennstoffzellen.
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1 zeigt ein Kühlsystem 2, das mit einem ersten Brennstoffzellenstapel 4 und einem zweiten Brennstoffzellenstapel 6 gekoppelt ist. Das Kühlsystem weist einen ersten Kühlkreislauf 8 auf, der mit dem ersten Brennstoffzellenstapel 4 gekoppelt ist. Ein zweiter Kühlkreislauf 10 ist mit dem zweiten Brennstoffzellenstapel 6 gekoppelt. Hierzu weist der erste Brennstoffzellenstapel 4 einen ersten Wärmeübertrager 12 und der zweite Brennstoffzellenstapel 6 einen zweiten Wärmeübertrager 14 auf, die jeweils von dem Kühlmittel durchströmbar sind.
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Zum Fördern des Kühlmittels sind eine erste Kühlmittelpumpe 16 mit einem ersten Pumpeneingang 15 und einem ersten Pumpenausgang 17 sowie eine zweite Kühlmittelpumpe 18 mit einem zweiten Pumpeneingang 19 und einem zweiten Pumpenausgang 21 vorgesehen, die exemplarisch jeweils von einem Elektromotor 20 betrieben werden, der mit dem betreffenden Brennstoffzellenstapel 4, 6 gekoppelt ist. Stromabwärts der Kühlmittelpumpe 16 bzw. 18 ist jeweils ein Partikelfilter 22 angeordnet, der etwaige Fremdstoffe aus den Kühlmittel herausfiltert.
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Stromaufwärts der ersten Kühlmittelpumpe 16 ist eine erste Mischkammer 24 vorgesehen, die einen ersten Pumpenanschluss 26 besitzt, der mit der ersten Kühlmittelpumpe 16 verbunden ist. Über einen ersten Hauptleitungsanschluss 28 ist eine Kühlmittelhauptleitung 30 mit der ersten Mischkammer 24 verbunden.
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Ein erster Rückflussanschluss 32 ist mit einem ersten Bypassventil 34 verbunden, das einem ersten Bypass 36 zugeordnet ist. Dieser umfasst eine erste Bypassleitung 38, die mit dem ersten Bypassventil 34 und dem ersten Rückflussanschluss 32 verbunden ist. Das erste Bypassventil 34 ist mit einer Rückflussleitung 40 verbunden, die zum Aufnehmen erwärmten Kühlmittels mit dem ersten Wärmeübertrager 12 gekoppelt ist.
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Die Rückflussleitung 40 führt zu einer ersten Wärmeabgabevorrichtung 42, die beispielsweise als Radiator ausgeführt und bedarfsweise von einem ersten Lüfter 44 von Luft durchströmt wird. Stromabwärts der ersten Wärmeabgabevorrichtung 42 gerät das dann wieder gekühlte Kühlmittel in ein Reservoir 46 bzw. von dort wieder in die Kühlmittelhauptleitung 30.
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Analog hierzu ist der zweite Kühlkreislauf 10 ausgebildet. Hier ist eine zweite Mischkammer 48 vorgesehen, die einen zweiten Hauptleitungsanschluss 50, einen zweiten Pumpenanschluss 52 und einen zweiten Rückflussanschluss 54 aufweist. Über einen zweiten Bypass 55 mit einem zweiten Bypassventil 56 und einer zweiten Bypassleitung 58 kann über eine zweite Rückflussleitung 60 erwärmtes Kühlmittel wieder direkt in die zweite Mischkammer 48 geleitet werden. Die zweite Rückflussleitung 60 führt einer zweiten Wärmeabgabevorrichtung 62, die bedarfsweise von einem zweiten Lüfter 64 von Luft durchströmt wird, Kühlmittel zu. Stromabwärts der zweiten Wärmeabgabevorrichtung 62 fließt das dann wieder gekühlte Kühlmittel zu dem Reservoir 46 bzw. in die Kühlmittelhauptleitung 30.
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Die erste Mischkammer 24 und die zweite Mischkammer 48 weisen jeweils einen Nebeneingang 66 und einen Nebenausgang 68 auf. Beide Nebeneingänge 66 und Nebenausgänge 68 sind jeweils mit einem dritten Kühlkreislauf 70 gekoppelt. Dieser weist eine dritte Kühlmittelpumpe 72 auf, die Kühlmittel aus den Nebenausgängen 68 bezieht und hiermit Komponenten 74 kühlt. Diese könnten etwa Leistungselektronikbauteile sein. Der dritte Kühlkreislauf 70 ist folglich mit dem ersten Kühlkreislauf 8 und dem zweiten Kühlkreislauf 10 gekoppelt.
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Zum Vermeiden gegenseitiger Beeinflussungen der Kühlmittelpumpen 16, 18 und 72 sind die beiden Mischkammern 24 und 48 jeweils mit einem Ausgleichsbehälter 76 gekoppelt, der dazu ausgebildet ist, ein variables Kühlmittelvolumen aufzunehmen. Hierzu sind Ausgleichsleitungen 78 vorgesehen, die jeweils mit einem Ausgleichsanschluss 80 verbunden ist. Zum Belüfteten eines Teilvolumens des Ausgleichsbehälters 76, das nicht mit dem Kühlmittel in Fluidverbindung steht, ist dieser mit der Umgebung verbunden. Der Ausgleichsbehälter 76 kann ferner auch mit den Brennstoffzellenstapel 4 und 6 verbunden sein, um von dort beispielsweise Spülgase oder dergleichen abzuleiten. Der Ausgleichsbehälter 76 dient weiterhin neben der Separation von Aggregatszuständen insbesondere einem bläschenfreien Füllstandsausgleich.
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Der erste Kühlkreislauf 8 und der zweite Kühlkreislauf 10 können weiterhin Wasserstoffkühler 82 oder Luftkühler 84 aufweisen.
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Die Wärmeabgabevorrichtungen 42 und 62 können zum Abführen von Kühlmittel zum Druckausgleich beispielhaft ebenso mit dem Ausgleichsbehälter 76 verbunden sein. Ionenaustauscher 86 zwischen den Rückflussleitungen 40 bzw. 60 und der Kühlmittelhauptleitung 30 dienen ferner zum Herausfiltern von Ionen aus dem Kühlmittel, um dessen Leitfähigkeit zu verhindern. Die Ionenaustauscher können austauschbar ausgebildet sein.
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2 zeigt eine schematische, blockbasierte Darstellung des Verfahrens. Die hier dargestellten Verfahrensschritte müssen nicht zwangsläufig nacheinander ausgeführt werden, sondern können unabhängig voneinander und nebeneinander ausgeführt werden. Das Verfahren umfasst insbesondere das Abführen 88 von Wärme aus einem ersten Brennstoffzellenstapel 4 mittels eines ersten Kühlkreislaufs 8, in dem mittels einer ersten Kühlmittelpumpe 16 Kühlmittel aus einer Kühlmittelhauptleitung 30 ausschließlich über eine erste Mischkammer 24 zugeführt wird, das Abführen 90 von Wärme aus einem zweiten Brennstoffzellenstapel 6 mittels eines zweiten Kühlkreislaufs 10, der mit dem ersten Kühlkreislauf 8 verbunden ist und in dem mittels einer zweiten Kühlmittelpumpe 18 Kühlmittel aus der Kühlmittelhauptleitung 30 ausschließlich über eine zweite Mischkammer 48 zugeführt wird, und das Ausgleichen 92 eines Drucks in der jeweiligen Mischkammer 24, 48 über eine Fluidverbindung mit einem Ausgleichsbehälter 76 für Kühlmittel. Weiterhin kann das Verfahren das Rückführen 94 eines Teils des erwärmten Kühlmittels aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 4 oder dem zweiten Brennstoffzellenstapel 6 mittels eines zugehörigen Bypassventils 34, 56 in einen Rückflussanschluss 32, 54 der jeweiligen Mischkammer 24, 48 aufweisen.
