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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für einen
Motor in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 (siehe DE-A-4 128 113).
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
Wärmemanagement
eines elektrochemischen Motors repräsentiert verschiedene wichtige Betrachtungen
und Entwicklungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor
auf. Erstens wird bei einem Verbrennungsmotor Abwärme etwa
gleichmäßig durch
sowohl einen Abgasstrom als auch durch eine Strömung aus luftgekühltem Motorkühlmittel
gesteuert. Im Vergleich dazu steuert ein elektrochemischer Motor
den größten Teil
seiner Abwärme
durch ein luftgekühltes
Motorkühlmittel.
Zweitens arbeitet ein Verbrennungsmotor typischerweise bei 120°C, während ein
elektrochemischer Motor bei der niedrigeren Temperatur von 80°C arbeitet.
Daher beträgt
die Wärmeübertragung
zwischen dem Kühlmittel
und der Luft in einem Wärmemanagementsystem
eines elektrochemischen Motors etwa die Hälfte derjenigen eines Verbrennungsmotors
aufgrund der kleineren Temperaturdifferenz zwischen der Abwärme und
der Umgebung bei 38°C.
Diese beiden Betrachtungen in Kombination können eine dreifache Zunahme
des Kühlluftdurchsatzes
durch den Kühler sowie
eine Erhöhung
seiner zugeordneten Gebläseleistung
um eine Größenordnung
erfordern. Ein Wärmemanagementsystem,
das derartige Anforderungen erfüllt,
kann zu groß werden,
als dass es in den herkömm lichen
Ort in dem vorderen Bereich des Fahrzeugs eingebaut werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Wärmemanagementsystem für einen
elektrochemischen Motor in einem Fahrzeug gerichtet. Bei diesem
Wärmemanagementsystem
sind ein Kühler
und ein zugeordnetes Gebläse
im Heck des Fahrzeugs unabhängig
des Einbauortes des elektrochemischen Motors eingebaut. Das Heck
des Fahrzeugs kann ein größeres verfügbares Einbauvolumen
aufweisen, um einen Kühler
mit großer
Oberfläche
unterzubringen, der einen hohen Luftdurchfluss mit niedrigeren Gebläseleistungsanforderungen
ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Wärmemanagementsystem
in einem Fahrzeug vorgesehen, mit einem Kühler, der im Wesentlichen parallel
zu einer Ebene orientiert ist, die durch Längs- und Querfahrzeugachsen
definiert ist, wobei der Kühler
in ein Unterbodenfach des Fahrzeugs gepackt ist, um eine große Kühloberfläche zu ermöglichen, wobei
der Kühler
ein zugeordnetes Gebläse
umfasst, wobei das Wärmemanagementsystem
eine Kühlmittelpumpe,
einen Luftkanal, um Luft von der Außenseite des Fahrzeugs an die
Einlassseite des Kühlers zu
liefern, und einen Kühlmittelkreislaufumfasst,
der sich zwischen einem Brennstoffzellenstapel eines elektrochemischen
Motors, der Kühlmittelpumpe
und dem Kühler
erstreckt, wobei der Kühler
in ein heckseitiges Unterbodenfach des Fahrzeugs gepackt ist, der
Kühler
eine Einlassseite als die obere Fläche und eine Auslassseite als
die untere Fläche
aufweist, das zugeordnete Gebläse
Luft von dem Einlasskanal durch den Kühler drängt, der Luftkanal aus einem
im Wesentlichen horizontalen Einlassabschnitt, der sich von Luftkanaleinlässen erstreckt,
einem allgemein vertikalen Kanalabschnitt, der sich von dem Einlassabschnitt
erstreckt, und einem horizontalen Lieferabschnitt besteht, der sich
von dem vertikalen Kanalabschnitt zu einer Sammelkammer erstreckt,
die zwischen einem Fahrzeugboden und der Einlassseite des Kühlers vorgesehen
ist, um eine Luftströmung
an die Einlassseite zu verteilen.
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Das
Wärmemanagementsystem
der vorliegenden Erfindung sieht eine ausreichende Luftkühlung des
durch den Brennstoffzellenstapel erhitzten Kühlmittels vor, während es
einen minimalen Einfluss auf die gesamte Fahrzeuganordnung besitzt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs, das einen elektrochemischen
Motor wie auch ein zugeordnetes Wärmemanagementsystem der vorliegenden
Erfindung besitzt;
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2 ist
eine schematische Seitenansicht des Fahrzeugs von 1;
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3 ist
eine Rückansicht
eines Abschnittes des Wärmemanagementsystems;
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4 ist
eine isometrische Ansicht von 3;
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5 ist
eine Seitenansicht von 3;
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6 ist
eine Seitenansicht eines Fahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform
(nicht beansprucht);
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7 ist
eine Draufsicht von 6; und
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8 ist
ein abgewandelter Abschnitt der Seitenansicht von 6.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst ein Fahrzeug 10 einen
elektrochemischen Motor (ECE), der allgemein mit 12 bezeichnet
ist, als eine Antriebsquelle. Durch Betrieb des ECE 12 wird
Elektrizität durch
eine bekannte elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff in Brennstoffzellen 14 eines Brennstoffzellenstapels 16 erzeugt.
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Um
Wasserstoff für
den elektrochemischen Prozess zu erzeugen, kann Brennstoff an Bord
des Fahrzeugs 10 reformiert werden, wobei derartige Brennstoffe
Benzin, Methanol, Diesel, etc. umfassen. Nun wird der Brennstoffreformierungsprozess
wie auch die zugeordnete erforderliche Ausstattung beschrieben,
wie in 1 gezeigt ist. Der Brennstoff wird in einem Brennstofftank 18,
der hier in dem heckseitigen Unterbodenraum 20 des Fahrzeugs 10 vor
der Hinterachse 22 gezeigt ist, auf eine in der Technik
bekannte herkömmliche
Art und Weise gespeichert. Der heckseitige Unterbodenraum 20 ist durch
das Volumen zwischen den Hinterrahmenschienen 24 und unterhalb
des Fahrzeugbodens 26 definiert. Der Fahrzeugboden 26 in 2 umfasst
einen Sitzbodenabschnitt 28, der die Insassensitze trägt, wie
auch einen Ladebodenabschnitt 30, der Gegenstände trägt, die
in dem heckseitigen Laderaum 32 gelagert sind.
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Brennstoff
wird an den ECE 12 und insbesondere an einen Wasserstoffgenerator,
der allgemein mit 34 gezeigt ist, geliefert, der einen
Brenner 36 und einen Reformer 38 umfasst. Der
Brenner 36 erzeugt und liefert Wärme an den Reformer 38,
wobei der Reformer den Brennstoff partialoxidiert und reformiert,
um ein wasserstoffhaltiges Gas zu erzeugen. Um restliches Kohlenmonoxid
in dem reformierten Produkt zu verringern, kann der Wasserstoffgenerator 34 ferner
einen oder mehrere Kohlenmonoxidreduktionsreaktoren 40 umfassen,
von denen einer ein Reaktor für
selektive bzw. bevorzugte Oxidation sein kann, durch den wasserstoffhaltiges
Gas geführt
wird. Wenn für
die Herstellung des Endproduktgases eine Kühlung erforderlich ist, dann
kann ein Kühler 42 als
Teil des Wasserstoffgenerators 34 enthalten sein.
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Als
eine Alternative zur Reformierung von Wasserstoff an Bord, wie oben
beschrieben ist, kann Wasserstoff für den elektrochemischen Prozess
an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Speichertank gespeichert
werden. Der Wasserstoff kann entweder in seinem gasförmigen Zustand,
flüssigen
Zustand oder in einem gesicherten festen Zustand durch ein Wasserstoffrückhaltematerial,
das in dem Speichertank enthalten ist, gespeichert werden. Das Wasserstoffrückhaltematerial
betrifft ein Material, das in der Lage ist, Wasserstoff bei einer
Speichertemperatur reversibel aufzunehmen und zu speichern und diesen
bei einer Freigabetemperatur, die größer als die Speichertemperatur
ist, freizugeben. Beispiele von Wasserstoffrückhaltematerialumfassen Metalle, wie
beispielsweise Natrium-Aluminium,
Lanthan-Nickelin, Titan oder Nickel, die mit dem Wasserstoff reagieren
und diesen als ein Hydrid des Metalls speichern.
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Sowohl
in dem Reformierungsfall als auch dem Wasserstoffspeicherfall wird
wasserstoffhaltiges Gas unter Druck an den Brennstoffzellenstapel 16 durch
eine Anode, nicht gezeigt, geliefert, um Wasserstoffprotonen zu
erzeugen.
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Um
Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 16 für den elektrochemischen
Prozess zu liefern, umfasst der ECE 12 einen Luftgenerator 44,
wie beispielsweise einen Luftkompressor 46, und optional einen
Kathodenbefeuchter 48, um eine befeuchtete Oxidationsmittellieferung
an eine Kathode, nicht gezeigt, der Brennstoffzellen 14 zu
liefern. Die Kathode ist durch einen Elektrolyt von der Anode getrennt.
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Elektrizität und Wärme werden
in dem Brennstoffzellenstapel 16 durch die Verarbeitung
des Wasserstoffs und Sauerstoffs auf eine in der Technik bekannte
Art und Weise erzeugt. Die erzeugte Elektrizität kann Fahrzeugzubehöreinrichtungen
wie auch einen elektrischen Antriebsmotor 50 antreiben,
der funktionell mit einem Paar Vorderfahrzeugrädern 52 verbunden
ist, wie beispielsweise durch eine Vorderachse 54. Ein
Spannungswandler 56 kann zwischen dem Brennstoffzellenstapel 16 und
dem Antriebsmotor 50 arbeiten, um die Spannung der erzeugten Elektrizität einzustellen.
Ein Motorcontroller 58 kann dazu verwendet werden, eine
Brennstofflieferung zur Steuerung des elektrochemischen Prozesses
zu überwachen
und zu planen. Derartige Zubehörkomponenten
können
in den Tunnel des Bodenwannenfahrgestells oder in den Motorraum
eingebaut werden.
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Um
die von dem ECE 12 erzeugte Wärme zu managen, der bei etwa
80°C arbeitet,
ist ein Wärmemanagementsystem 60 vorgesehen.
Das Wärmemanagementsystem 60 umfasst
einen Kühlmittelströmungskreislauf 62,
der sich durch den Brennstoffzellenstapel 16 erstreckt,
eine Kühlmittelpumpe 64 und einen
Kühler 66.
Eine Kühlereinlassleitung 70 des Kühlmittelströmungskreislaufs 62 liefert
ein durch den ECE erwärmtes
Kühlmittel
an den Kühler 66,
und eine Kühlerauslassleitung 72 führt über den
Kühler gekühltes Kühlmittel
zurück
an den Brennstoffzellenstapel 16. Die Kühlerleitungen 70, 72 können zur Haltbarkeit
wie auch für
einen be quemen Einbau in Heck- und Seitenrahmenschienen 24, 74 des
Fahrzeugs eingebaut sein. Die Kühlmittelpumpe 64 ist
in dem Wärmemanagementsystem 60 unten
angebracht, um eine Dampfansammlung typischerweise in der Nähe des Brennstoffzellenstapels 16 zu
vermeiden.
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Der
Kühlmittelströmungskreislauf 62 kann
einen Kühlmittelreservetank 75 umfassen,
der üblicherweise
die Funktionen des Expansionsraums für heißes Kühlmittel, der Speicherung von
Reservekühlmittel,
der Trennung von Dampf von dem Kühlmittel
wie auch der Entlüftung
vorsieht, um sicherzustellen, dass die Kühlmittelleitungen bei allen
Betriebsbedingungen vollständig
mit Flüssigkeit
gefüllt sind.
Daher ist der Kühlmitteltank 75 allgemein
bei oder nahe des höchsten
Punktes in dem Wärmemanagementsystem 60 befestigt.
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Wie
am besten in den 3 und 4 gezeigt
ist, ist der Kühler 66 ein
Wärmetauscher,
der so ausgebildet ist, um Wärme
zu dissipieren, die das Kühlmittel
von dem Brennstoffzellenstapel 16 aufgenommen hat. Der
Kühler 66 ist
durch eine Einlassseite 76 und eine Auslassseite 78 mit
einem Kühlerkern aus
Kühlmittelrohr
dazwischen definiert, nicht gezeigt. Eines oder mehrere zugeordnete
Gebläse 67 ziehen
Kühlluft
durch den Kühler 66.
Daher ist ein signifikanter Faktor der Kühlkapazität die Oberfläche der
Kühlerseiten,
wobei größere Seiten
eine größere Fläche für eine Luftströmung aufweisen.
Ein zweiter Faktor ist die Kraftkapazität des Gebläses.
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Der
Kühler 66 ist
in dem heckseitigen Bereich des Fahrzeugs 10 eingebaut
und so orientiert, dass die Kühlerseiten 76, 78 allgemein
in der Ebene, die durch die Längs-
und Querachsen 80 bzw. 82 in 1 definiert
ist, des Fahrzeugs liegen, um die Größe der Kühloberfläche zu maximieren.
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Bei
der in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsform
ist der Kühler 66 allgemein
horizontal in dem heckseitigen Unterbodenraum 20 zwischen
den heckseitigen Rahmenschienen 24 und unterhalb des Ladebodens 30 befestigt.
Ein wesentlicher Abschnitt des Kühlers 66 befindet
sich in Längsrichtung
rückwärts der
Hinterachse 22. Die Einlassseite 76 des Kühlers 66 in
dieser Position ist die obere Seite, und die Auslassseite 78 ist
die untere Seite.
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Diese
Position des Kühlers 66 in
dem heckseitigen Unterbodenraum 20 sieht eine maximale Oberfläche für ein Einwirken
von Kühlluftströmung vor.
Um eine Kühlluftströmung von
außerhalb
des Fahrzeugs 10 an die obere Einlassseite 76 des
Kühlers 66 zu
lenken, sind einer oder mehrere Luftkanäle 84 vorgesehen,
wie am besten in den 3 bis 5 gezeigt
ist. Die Luftkanaleinlässe 86 öffnen sich
durch Heckkarosserietafeln 88 an die Luftkanäle 84 an
der Innenseite der Karosserietafeln. Die Kanäle 84 sind von dem
Innenraum 90 des Fahrzeugs abgedichtet, um den klimatisierten
Fahrgastraum von der äußeren Kühlluft zu
trennen. Die Kanäle 84 folgen
der Form des Fahrzeugs. Wie in 3 gezeigt ist,
besitzt der Kanal einen allgemein horizontalen Einlassabschnitt 92,
der in einen allgemeinen vertikalen Kanalabschnitt 93 übergeht.
Der vertikale Kanalabschnitt geht in einen horizontalen Lieferabschnitt 94 über.
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Eine
Sammelkammer 96, die zwischen dem Ladeboden 30 und
der oberen Einlassseite 76 des Kühlers vorgesehen ist, steht
in Strömungsverbindung
mit dem Kanal 84 und insbesondere dem horizontalen Lieferabschnitt 94,
um Einlassluft an die Einlassseite des Kühlers 66 zu verteilen.
Die Luft strömt
durch die Kanäle 84 an
die Sammelkammer 96, wo sie über die obere Einlassseite 76 des
Kühlers 66 verteilt
wird. Bei kleinvolumigen Sammelkammern 96 können Drehflügel 98 oder
wabenartige Strukturen dazu verwendet werden, die Strömung von
allgemein horizontal zu ab wärts
in den Kühler 66 gerichtet zu
lenken und zu drehen. Die Luft strömt durch den Kühler 66 von
der oberen Einlassseite 76 zu der unteren Auslassseite 78 und
tritt durch den Boden des Fahrzeugs aus, der allgemein als Luftauslass
bezeichnet wird. Wie hier gezeigt ist, sind vier Gebläse 67 unterhalb
der unteren Seite 78 des Kühlers angeordnet, um Luft durch
den Kühler 66 zu
ziehen. Alternativ dazu können
die Gebläse
oberhalb der oberen Seite 76 des Kühlers angeordnet sein, um eine
Luftströmung
von den Luftkanälen
durch den Kühler 66 zu
drücken.
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Die
Kanäle 84 sind
so ausgebildet, um das Volumen der erforderlichen Luftströmung handhaben zu
können,
während
sie in den heckseitigen Karosserieaufbau integriert sind, um so
das Eindringen in den Passagier- oder
Laderaum zu minimieren. Bevorzugt sind ein Luftkanal 84 und
ein zugeordneter Einlass 86 auf beiden Seiten des Fahrzeugs
vorgesehen. Als ein Ausgangspunkt sollte die gesamte Querschnittskanalfläche etwa
eine Hälfte
der Kühleroberfläche betragen.
Daher ist, wenn zwei Kanäle
verwendet werden, jeder als ein Viertel der Kühleroberfläche bemessen.
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Der
Luftdruck an den Luftkanaleinlässen 86 ist
neutral oder leicht positiv im Vergleich zu einem Niederdruckbereich
hinter dem Fahrzeug für
Luft, die den Kühler 66 verlässt. Um
diesen positiven Druckunterschied weiter zu betonen, können aerodynamische
Vorrichtungen enthalten sein. Beispielsweise kann ein Luftdamm 100 unterhalb
des Fahrzeugs an dem vorderen unteren Rand des Kühlers enthalten sein, um den
niedrigen Druck zu steigern, wie in 2 gezeigt
ist. Um den Druck an dem Luftkanaleinlass 86 zu erhöhen, kann
eine Lufthutze 102 an der Außenseite der seitlichen Karosserietafel
enthalten sein, wie in 3 gezeigt ist.
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Auch
kann ein Zubehör-Kühlmittelkreislauf für niedrigere
Temperatur als Teil des Wärmemanagementsystems
vorgesehen sein, um Zubehörvorrich tungen,
wie beispielsweise elektronische Steuerungen, Motoren wie auch Kondensatoren
auf einer niedrigeren Betriebstemperatur (beispielsweise 55°C) als den
Brennstoffzellenstapel (beispielsweise 80°C) zu halten. Der Zubehörkreislauf
kann einen kleineren Zubehörkühler 104 umfassen,
der benachbart des Kühlers 66 für den ECE
eingebaut ist. Wie in 3 gezeigt ist, ist der Zubehörkühler 104 in
Reihe vor dem Kühler 66 und
den Gebläsen 87 positioniert. Die
durch den Luftkanal 84 strömende Luft wird so geliefert,
dass sie zuerst durch den Zubehörkühler 104 und
dann durch den Kühler 66 strömt. Ferner kann
ein Kondensator, der eine große
Strömungsseite
erfordert, wie beispielsweise ein Klimaanlagenkondensator für den Fahrgastraum,
in dem Luftströmungspfad
benachbart des Zubehörkühlers 104 angeordnet
sein.
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Bei
der in den 6 und 7 gezeigten zweiten
Ausführungsform
(nicht beansprucht) umfasst ein Wärmemanagementsystem 110 einen
Kühlmittelströmungskreislauf 112,
der sich durch einen Brennstoffzellenstapel 114, eine Kühlmittelpumpe 116 und
einen Kühler 118 erstreckt,
wie zuvor beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungsform ist der Kühler 118 in
der Dachtafel 120 des Fahrzeugs zwischen einer äußeren Dachtafel 122 und
einer inneren Dachtafel 124 eingebaut. Der Kühler 118 umfasst eine
Einlassseite 126 und eine Auslassseite 128 mit einem
Kühlerkern
aus Kühlmittelrohren
dazwischen, nicht gezeigt. Damit Luft durch den Kühler 118 von der
Einlassseite 126 zu der Auslassseite 128 strömen kann,
kann der Kühler
relativ zu der allgemein horizontalen Dachtafel 120 schräggestellt
sein. Wie in 6 gezeigt ist, ist, da der vordere
Rand 130 des Kühlers 118 von
der Dachinnentafel 124 nach oben schräggestellt ist, die Einlassseite 126 die
untere Fläche
des Kühlers,
und die Auslassseite 128 ist die obere Fläche. Alternativ
dazu (obwohl es nicht gezeigt ist) ist, wenn der hintere Rand 132 des
Kühlers 118 von
der Dachinnentafel 124 nach oben schräggestellt ist, die Einlassseite 126 die
obere Fläche.
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Um
eine Kühlluftströmung von
der Außenseite
des Fahrzeugs an die Einlassseite 126 zu lenken, öffnen sich
Lufteinlässe 134 in
der Dachaußentafel 122 vor
dem Kühler 118 in
einen Einlassluftkanal 136, der zwischen den Dachinnen-
und -außentafeln 124, 126 angeordnet
ist. Der Innenluftkanal 136 führt frische Luft von den Lufteinlässen 134 an
die Kühlereinlassseite 126.
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Ein
oder mehrere Gebläse 138 sind
direkt an der Auslassseite 128 befestigt, um Luft durch
den Kühler 118 zu
ziehen, wie in den 6 und 7 gezeigt
ist. Alternativ dazu können
die Gebläse 138 oberstromig
angeordnet sein, um Luft durch die Einlassseite 126 zu
drücken
oder zu treiben.
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Ein
Auslassluftkanal 140 kann über Kühler erwärmte Luft aus dem Fahrzeug
herausführen.
Die Querschnittsfläche
des Auslasskanals 140 kann größer als die des Einlasskanals 136 sein,
um das größere Strömungsvolumen
der erhitzten Luft aufnehmen zu können. Der Auslasskanal 140 kann
entfernt oder gekürzt
werden, wie in 8 gezeigt, so dass sich der
Auslasskanal so erstreckt, um einen ausreichenden Überhang über den
Kühler 118 und
das zugeordnete Gebläse 138 vorzusehen
und damit diese vor Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Eis oder Steinen, zu schützen.
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Der
Kühlmittelströmungskreislauf 112 umfasst
auch Kühlerkühlmittelleitungen 142,
die in Karosseriesäulen 144 des
Fahrzeugs eingebaut sind, um über
Brennstoffzellenstapel erwärmtes
Kühlmittel zu
dem Kühler 118 hinauf
und über
Kühler
gekühltes Kühlmittel
zurück
zu dem Brennstoffzellenstapel 114 zu führen.
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Daher
ist die vorliegende Erfindung ein Wärmemanagementsystem, das die
einmaligen thermischen Herausforderungen eines elektrochemischen Motors
im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor berücksichtigt. Abhängig von
der jeweiligen Fahrzeugarchitektur kann das Einbauen des Kühlers in dem
Heck des Fahrzeugs die Oberfläche
in etwa verdoppeln, die zur Kühlung
verfügbar
ist, im Vergleich zu einer herkömmlichen
Anordnung im vorderen Bereich des Fahrzeugs. Kühler mit größerer Oberfläche erlauben
hohe Luftströmungen
bei geringeren Gebläseleistungsanforderungen.
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Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen worden.
Es ist weder beabsichtigt, dass diese erschöpfend ist, noch ist es beabsichtigt,
die Erfindung auf die präzise
offenbarte Form zu beschränken.
Für Fachleute
sei angemerkt, dass die offenbarte Ausführungsform angesichts der obigen
Lehren abgewandelt werden kann. Die Ausführungsform wurde gewählt, um
eine Darstellung der Grundsätze der
Erfindung und ihrer praktischen Anwendung vorzusehen und damit Fachleute
in den Stand zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen
und mit verschiedenen Abwandlungen zu verwenden, wie es für die beabsichtigte
jeweilige Verwendung geeignet ist. Daher ist die vorhergehende Beschreibung
als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen, und der
wahre Schutzumfang der Erfindung ist der, der in den folgenden Ansprüchen beschrieben
ist.