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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Stack, dem über mindestens einen Verdichter Zuluft zugeführt wird, die in dem Stack mit Wasserstoff reagiert, wobei Reaktionswärme entsteht, die abgeführt wird, und mit mindestens einem Wärmetauscher, in welchem die dem Stack über den Verdichter zugeführte Luft gekühlt wird, wobei der Verdichter in einer Ladelufteinheit mit einer Turbine kombiniert ist, die mit Abluft betrieben wird.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 087 912 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, umfassend: Eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist; einen Kathodenpfad mit einer Kathodengasführung zum Zuführen von Kathodengas zu der Kathode und einer Kathodenabgasführung zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode; einen Anodenpfad mit einer Anodengasführung zum Zuführen von Anodengas zu der Anode und einer Anodenabgasführung zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode, wobei in der Kathodengasführung wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren von Kathodengas vorgesehen ist; und wobei die wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung von dem Kathodengas durch eine Bypassführung selektiv überbrückbar ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 087 601 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Turboverdichter bekannt, der ein Wasserleitsystem aufweist, das als Kühlwasserkreislauf ausgebildet oder in einen Kühlwasserkreislauf eines Brennstoffzellensystems integriert/integrierbar ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 03 867 A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, das mit vorverdichteter Luft versorgt wird, und mit einem Verdichter zur Verdichtung von Ladeluft für die Brennkraftmaschine, wobei zur Verdichtung der Ladeluft und zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems derselbe Verdichter verwendet wird, wobei der Verdichter ein von Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebener Abgasturbolader ist, wobei zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems ein zusätzlicher, elektrisch angetriebener Verdichter verwendet wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 043 227 A1 ist eine Vorrichtung zum Lufttransport in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs mit einem Aggregat bekannt, welches einen Verdichter, einen Expander, eine mit dem Verdichter und dem Expander verbundene Welle, und einen Motor zum Antreiben der Welle umfasst, und mit einem Gehäuse, welches das Aggregat zumindest bereichsweise umgibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einem Stack, dem über mindestens einen Verdichter Zuluft zugeführt wird, die in dem Stack mit Wasserstoff reagiert, wobei Reaktionswärme entsteht, die abgeführt wird, und mit mindestens einem Wärmetauscher, in welchem die dem Stack über den Verdichter zugeführte Luft gekühlt wird, wobei der Verdichter in einer Ladelufteinheit mit einer Turbine kombiniert ist, die mit Abluft betrieben wird, insbesondere im Hinblick auf den benötigten Bauraum, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Stack, dem über mindestens einen Verdichter Zuluft zugeführt wird, die in dem Stack mit Wasserstoff reagiert, wobei Reaktionswärme entsteht, die abgeführt wird, und mit mindestens einem Wärmetauscher, in welchem die dem Stack über den Verdichter zugeführte Luft gekühlt wird, wobei der Verdichter in einer Ladelufteinheit mit einer Turbine kombiniert ist, die mit Abluft betrieben wird, dadurch gelöst, dass der mindestens eine Wärmetauscher in einer Baueinheit mit dem Verdichter kombiniert ist. Baueinheit bedeutet im Hinblick auf den Wärmetauscher, dass der Wärmetauscher und die Ladelufteinheit vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Dadurch kann das Packaging verbessert werden. Außerdem können zusätzliche Verrohrungen und Gehäuse für den mindestens einen Wärmetauscher entfallen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmetauscher in die Ladelufteinheit integriert ist. Integriert bedeutet im Zusammenhang mit dem Wärmetauscher zum Beispiel, dass der Wärmetauscher und die Ladelufteinheit in einer Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, zusammengefasst sind. Die Reaktionswärme aus dem Stack wird zum Beispiel mittels eines Kühlkreises abgeführt und über einen Fahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben. Der mindestens eine Wärmetauscher ist vorteilhaft an den Kühlkreislauf eines mit dem Fahrzeugkühler ausgestatteten Kraftfahrzeugs angeschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmetauscher mit einem flüssigen Medium betrieben wird, das Wärme mit der Zuluft und der Abluft austauscht. Bei dem Kühlmedium handelt es sich zum Beispiel um Wasser, das mit entsprechenden Zusätzen versehen sein kann. Daher kann der Wärmetauscher auch als Gas-Wasser-Wärmetauscher bezeichnet werden. Durch den Wärmeaustausch mit der Zuluft und der Abluft kann die Effizienz der Turbine in der Ladelufteinheit verbessert werden. Der Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft wird durch den mindestens einen Wärmetauscher effektiver. Dadurch steigt die Turbinenleistung an. Zudem kann die Systemleistungsdichte erhöht werden. Der Stack des Brennstoffzellensystems kann vorteilhaft kleiner dimensioniert werden. Zudem kann der Wasserstoffverbrauch im Betrieb des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium in dem Wärmetauscher im Gegenstrom an der Zuluft und an der Abluft vorbeigeführt wird. Dadurch wird der Wärmeaustausch weiter verbessert. Das flüssige Medium wird in dem Wärmetauscher mindestens einmal umgelenkt. Nach der Verdichtung erreicht die Zulufttemperatur zum Beispiel über zweihundert Grad Celsius. Diese heiße Zuluft durchströmt einen Bereich des integrierten Wärmetauschers. Dabei gibt sie Wärme an das in Gegenstromrichtung strömende Kühlmittel ab. Das aufgeheizte Kühlmittel wird in dem Wärmetauscher umgelenkt und zum Beispiel nach unten geführt, wo es Wärme im Gegenstrom an die einströmende Abluft abgibt. Durch die hohe Integration und durch kurze Wege für das Kühlmittel sind die Wärmeverluste minimal, das Abgas beziehungsweise die Abluft wird optimal aufgeheizt, und die Turbineneffizienz steigt an.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium in dem Wärmetauscher im Gegenstrom an der Zuluft, an der einströmenden Abluft und an der ausströmenden Abluft vorbeigeführt wird. Das flüssige Medium wird zu diesem Zweck in dem Wärmetauscher vorteilhaft zweimal umgelenkt. Nachdem das Kühlmittel Wärme an die Abluft beziehungsweise das Abgas vor Eintritt der Turbine abgegeben hat, wird es vorteilhaft nochmal umgelenkt und zum Abgas nach Austritt der Turbine geführt. Durch die Expansion in der Turbine kühlt sich das Abgas ab, so dass das Kühlmittel durch diesen Wärmeaustausch weiter abgekühlt wird. Dadurch wird der Kühlkreis zusätzlich entlastet. Ferner wird das Abgas aufgewärmt, wobei eventuell vorhandene Tropfen verdampft werden, so dass durch den Auspuff des Kraftfahrzeugs ein trockenes Abgas ausströmt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ladelufteinheit mit dem integrierten Wärmetauscher als Abgasturbolader ausgeführt ist. In dem Abgasturbolader sind zum Beispiel zwei Wärmetauscher integriert. Einer der Wärmetauscher ist vorteilhaft dem Verdichter zugeordnet. Ein zweiter Wärmetauscher ist vorteilhaft der Turbine zugeordnet. Die beiden Wärmetauscher sind vorteilhaft an einen vorhandenen Kühlkreislauf angeschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ladelufteinheit mit dem integrierten Wärmetauscher einen elektrisch angetriebenen Verdichter umfasst, der in der Ladelufteinheit mit der Turbine gekoppelt ist. Dem elektrisch angetriebenen Verdichter ist vorteilhaft ein erster Wärmetauscher zugeordnet. Ein zweiter Wärmetauscher ist vorteilhaft der Turbine zugeordnet.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Stack, dem über mindestens einen Verdichter Zuluft zugeführt wird, die in dem Stack mit Wasserstoff reagiert, wobei Reaktionswärme entsteht, die abgeführt wird, und mit mindestens einem Wärmetauscher, in welchem die dem Stack über den Verdichter zugeführte Luft gekühlt wird, wobei der Verdichter in einer Ladelufteinheit mit einer Turbine kombiniert ist, die mit Abluft betrieben wird, insbesondere bei einem vorab beschriebenen Brennstoffzellensystem, alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass mindestens zwei Wärmetauscher, die mit einem flüssigen Medium betrieben werden, das Wärme mit der Zuluft und der Abluft austauscht, mit der Ladelufteinheit kombiniert sind. Der eine Wärmetauscher ist vorteilhaft dem Verdichter zugeordnet, während der andere Wärmetauscher vorteilhaft der Turbine zugeordnet ist. Die beiden Wärmetauscher sind vorzugsweise als Gas-Wasser-Wärmetauscher ausgeführt und an einem bestehenden Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlmittelventil in die Ladelufteinheit integriert ist. Das Kühlmittelventil ist vorteilhaft als Mehrwegeventil ausgeführt und in der Ladelufteinheit zwischen die beiden Wärmetauscher geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittelventil als 3-Wegeventil ausgeführt. Das Kühlmittelventil kann aber auch als 2-Wegeventil ausgeführt sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittelventil als 4-Wegeventil ausgeführt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Wärmetauscheranordnung mit mindestens einem Wärmetauscher, einen Verdichter, eine Baueinheit und/oder eine Ladelufteinheit für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die genannten Komponenten sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems aus 1 mit einem Abgasturbolader;
- 3 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems aus 1 mit einem elektrischen Luftverdichter;
- 4 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems aus 1 mit einer zusätzlichen Umlenkung; und die
- 5 bis 11 ähnliche Brennstoffzellensysteme wie in 1, wobei in eine Ladelufteinheit zusätzlich zu zwei beziehungsweise drei Wärmetauschern ein Kühlmittelventil integriert ist gemäß weiteren Ausführungsformen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1, 5 bis 11 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Wasserstofftank 2 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die auch als Stack bezeichnet wird. Aus dem Wasserstofftank 2 wird einer nur durch ein Pluszeichen angedeuteten Anode in dem Stack 3 über ein Wasserstoffsystem 4 Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 2 zugeführt. Einer nur durch ein Minussymbol angedeuteten Kathode in der Brennstoffzelle 3 wird über ein Luftsystem 5 Luft zugeführt. Zwischen der Anode und der Kathode ist ein nicht näher bezeichneter Elektrolyt angeordnet.
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren ein Thermalsystem 6, das auch als Kühlkreislauf bezeichnet wird. In dem Thermalsystem beziehungsweise Kühlkreislauf 6 sind ein Fahrzeugkühler 7 sowie ein elektrisch angetriebener Verdichter 8 angeordnet. Über den Verdichter 8 wird einem Wärmetauscher 9 zur Kühlung des Stacks 3 Kühlmittel, zum Beispiel Wasser mit geeigneten Zusätzen, zugeführt.
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Das Luftsystem 5 umfasst eine Ladelufteinheit 10 mit einem Verdichter 11 und einer Turbine 12. Durch einen Pfeil 13 ist Zuluft angedeutet, die dem Luftsystem 5 zugeführt wird. Durch einen weiteren Pfeil 14 ist Abluft angedeutet, die aus dem Luftsystem 5 abgeführt wird.
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Die Zuluft 13 wird über einen Luftfilter 15 einer zusätzlichen Ladelufteinheit 16 zugeführt. Die zusätzliche Ladelufteinheit 16 ist optional. Zwischen der Ladelufteinheit 10 und dem Stack 3 ist ein Befeuchter 17 angeordnet.
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Die durch den Verdichter 11 in der Ladelufteinheit 10 verdichtete Luft erreicht im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 Temperaturen von circa zweihundert Grad Celsius. Um die nachgeschalteten Komponenten zu schützen, insbesondere den Befeuchter 17 und den Stack 3, wird die Luft durch einen Ladeluftkühler auf circa einhundertzwanzig Grad Celsius abgekühlt.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Wärmetauscher 18, 19 in die Ladelufteinheit 10 integriert. Die Ladelufteinheit 10 in 1 ist als Abgasturbolader 20 ausgeführt. Durch die in die Ladelufteinheit 10 integrierten Wärmetauscher 18, 19 können vorteilhaft zusätzliche Verrohrungen und separate Gehäuse für den Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft entfallen.
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In der Ladelufteinheit 10 sind die beiden Wärmetauscher 18, 19 in einer Baueinheit 60 mit dem Verdichter 11 und der Turbine 12 kombiniert. Der Wärmetauscher 18 ist dem Verdichter 11 zugeordnet. Der Wärmetauscher 19 ist der Turbine 12 zugeordnet. Über durch Pfeile angedeutete Kühlmittelleitungen sind die Wärmetauscher 18, 19 an den Kühlkreislauf 6 angeschlossen.
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In 2 ist der Abgasturbolader 20 aus 1 alleine dargestellt. Durch einen Pfeil 21 ist Zuluft angedeutet, die dem Verdichter 11 in dem Abgasturbolader 20 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 22 ist komprimierte Luft angedeutet. Durch einen Pfeil 23 ist Abluft angedeutet, die der Turbine 12 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 24 ist die von der Turbine 12 abströmende Abluft angedeutet.
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Durch einen Pfeil 26 ist in 2 ein flüssiges Kühlmittel angedeutet, das dem Wärmetauscher 18 zugeführt wird. Das Kühlmittel 26 wird an einer Umlenkung 28 zwischen den Wärmetauschern 18, 19 umgelenkt. Durch einen Pfeil 27 ist das abströmende Kühlmittel angedeutet.
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Die heiße Zuluft durchströmt den oberen Bereich des integrierten Wärmetauschers 18, wie durch die Pfeile 21 und 22 angedeutet ist. Dabei gibt die heiße Zuluft Wärme an das in Gegenstromrichtung strömende Kühlmittel 26 ab. Das aufgeheizte Kühlmittel wird an der Umlenkung 28 umgelenkt und nach unten geführt, wo es der einströmenden Abluft 23 Wärme im Gegenstrom abgibt.
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Durch die hohe Integration und die kurzen Wege für das Kühlmittel 26, 27 sind die Wärmeverluste minimal. Das Abgas beziehungsweise die Abluft 23, 24 wird optimal aufgeheizt. Dadurch steigt die Effizienz der Turbine 12 im Betrieb des Brennstoffzellensystems. Der Verdichter 11 ist in dem Abgasturbolader 20 durch eine Welle 25 mit der Turbine 12 mechanisch gekoppelt.
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In 3 ist dargestellt, dass die Ladelufteinheit (10 in 1) auch einen elektrischen Luftverdichter 30 umfassen kann. In die Ladelufteinheit mit dem elektrischen Luftverdichter 30 sind, wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, Wärmetauscher 18 und 19 integriert. Der elektrische Luftverdichter 30 ist durch einen Elektromotor 35 angetrieben.
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In 4 ist eine Alternative des in 2 dargestellten Abgasturboladers 2 mit einer zusätzlichen Umlenkung 29 dargestellt. Nachdem das Kühlmittel 26 vor Eintritt in die Turbine 12 Wärme an das Abgas 23 abgegeben hat, wird es an der Umlenkung 29 nochmal umgelenkt und zum Abgas 24 nach Austritt aus der Turbine 12 geführt. Durch die Expansion in der Turbine kühlt sich das Abgas 23, 24 ab, so dass das Kühlmittel 27 durch diesen Wärmeaustausch weiter abgekühlt wird. Das entlastet den Kühlkreis (6 in 1) zusätzlich. Ferner wird das Abgas 23, 24 aufgewärmt, eventuelle Tropfen werden verdampft, so dass durch den Auspuff ein trockenes Abgas ausströmt.
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In den 5 bis 11 sind weitere Ausführungsbeispiele des Brennstoffzellensystems 1 schematisch dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1, 5 bis 11 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen der 1, 5 bis 11 eingegangen.
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In den 5 bis 11 ist dargestellt, dass in die Ladelufteinheit 10 vorteilhaft noch ein Kühlmittelventil 41; 42; 45; 48; 51; 52; 56 integriert ist. Das Kühlmittelventil 41; 42; 45; 48; 51; 52; 56 dient vorteilhaft dazu, die beiden Wärmetauscher 18, 19 mit einander zu verbinden und an das Thermalsystem 6 anzubinden. Daraus ergeben sich Kostenvorteile bezüglich Packaging und Montage. Darüber hinaus wird die Kühlmittelverrohrung vereinfacht.
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5 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit integriertem Gas-Wasser-Wärmetauscher 18, 19. Die Ladelufteinheit 10 ist als Abgasturbolader ausgeführt. Das Kühlmittelventil 41 ist als 3-Wegeventil ausgeführt.
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In 6 ist das Kühlmittelventil 42 im Unterschied zu 5 als 2-Wegeventil ausgeführt.
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In 7 ist eine Systemtopologie eines Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, bei dem der Gas-Wasser-Wärmetauscher 18 mit dem als 3-Wegeventil ausgeführten Kühlmittelventil 45 in einer Baueinheit 44 zusammengefasst ist, die durch ein Rechteck angedeutet ist.
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In 8 ist durch ein Rechteck 47 angedeutet, dass die beiden Wärmetauscher 18, 19 und das als 3-Wegeventil ausgeführte Kühlmittelventil 48 in einer Baueinheit zusammengefasst sind. Der Abgasturbolader 10 bleibt als separate Komponente bestehen.
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In 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zusätzlich zu den Wärmetauschern 18, 19 noch ein dritter Wärmetauscher 50 in die Ladelufteinheit 10 integriert ist. Die drei Wärmetauscher 18, 19 und 50 sind in der Ladelufteinheit 10 mit einem als 3-Wegeventil ausgeführten Kühlmittelventil 51 kombiniert.
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10 zeigt ein ähnliches Brennstoffzellensystem 1 wie in 9 mit einem Kühlmittelventil 52, aber ohne Abgasturbolader, wie durch ein inneres Rechteck 53 und ein äußeres Rechteck 54 in 10 angedeutet ist. Der Abgasturbolader 20 bleibt in 10 als separate Einheit bestehen.
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11 zeigt ein ähnliches Brennstoffzellensystem 1 wie in 9, aber mit einem 4-Wegeventil als Kühlmittelventil 56. Daraus ergeben sich weitere Regelungsmöglichkeiten für ein in 11 durch ein Rechteck 58 angedeutetes Abgasturbolader-Modul. So kann in dem Modul 58 zum Beispiel ein vollständiger kühlmittelseitiger Bypass für Kaltstart, Aufheizphase und Teillast dargestellt werden. Alternativ kann ein Bypass des ersten Wärmetauschers 18 und/oder des zweiten Wärmetauschers 19 realisiert werden, um das Abgas zwecks Vermeidung von Auspufftropfen in Teillast aufzuwärmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011087912 A1 [0002]
- DE 102011087601 A1 [0002]
- DE 10303867 A1 [0002]
- DE 102007043227 A1 [0002]
