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Die vorliegende Erfindung betrifft Kühl- und Heizsysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem, ein Luftfahrzeug, umfassend ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem, die Verwendung eines kombinierten Kühl- und Heizsystems in einem Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Erwärmen einer ersten Vorrichtung und zum Kühlen einer zweiten Vorrichtung durch ein derartiges kombiniertes Kühl- und Heizsystem.
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Küchen für mobile Anwendungen benötigen im Wesentlichen Wasser und elektrische Energie zur Bereitung von Speisen und Getränken. Dabei kann ein Teil der elektrischen Energie auch durch Wärme ersetzt werden, wenn diese beispielsweise als Abwärme einer anderen Anwendung zur Verfügung steht. In der Regel ist es jedoch schwierig, Wärmelasten dem Bedarf einer Bordküche anzupassen, so dass auf diese Abwärmenutzung verzichtet wird und Wärme zur Speisen- oder Getränkezubereitung zeitnah durch elektrische Energie erzeugt wird.
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Weiterhin können an Bord von Luftfahrzeugen Brennstoffzellenanordnungen zur Gewinnung von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft eingesetzt werden. Hierbei ist es erforderlich, das im Abluftstrom enthaltene Wasser mittels eines Kondensators auszukondensieren.
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Zur Kondensation von Wasserdampf kann ein Kühlkreislauf bereitgestellt werden, an welchen zwei Wärmetauscher gekoppelt sind. Hierbei handelt es sich um einen primären Wärmetauscher sowie einen sekundären Wärmetauscher.
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Die Kondensation erfolgt dabei durch indirekte Kühlung mittels Kühlmittel, welches letztendlich durch Außenluft gekühlt wird. Diese indirekte Kühlung ist erforderlich, um eine Vereisung des primären Wärmetauschers durch indirekten Kontakt mit der Außenluft, deren Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen kann, zu vermeiden. Allerdings ist dieser Aufbau komplex und mit einer hohen Gesamtsystemmasse verbunden.
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EP 1 588 940 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung von gasförmigen und/oder flüssigen Medien in Verkehrsmitteln. Die Vorrichtung weist einen thermochemischen Speicher auf, der mit Wasserstoffgas befüllt wird. Weiterhin sind Speichertemperierungseinrichtungen zum Zuleiten oder Ableiten von thermischer Energie zum bzw. von dem Speicher vorgesehen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Wärmeübertrager zum Erwärmen oder Abkühlen von Wasser, welches in einem Tank gespeichert wird.
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EP 1 543 753 A2 beschreibt ein Heizsystem für den Einsatz in Bordküchen von Verkehrsmitteln, welches einen latenten oder thermochemischen Wärmespeicher aufweist, der über eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff versorgt wird und zum Heizen von Speisen ausgeführt ist.
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EP 0 957 026 A2 beschreibt eine Energieversorgungseinheit an Bord eines Luftfahrzeuges, welche ein Brennstoffzellensystem aufweist, das zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Das Brennstoffzellensystem ist mit einem Kühlsystem verbunden, welches die überschüssige Wärme der Brennstoffzelle abführt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kühl- und Heizsystem für ein Flugzeug bereitzustellen, durch welches der Bedarf an elektrischer Energie verringert und Gewicht eingespart werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem angegeben, welches einen Wasserstoffspeicher umfasst, wobei das kombinierte Kühl- und Heizsystem zum Erwärmen einer ersten Vorrichtung durch den Wasserstoffspeicher beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff ausgeführt ist, wobei das kombinierte Kühl- und Heizsystem zum Kühlen einer zweiten Vorrichtung durch den Wasserstoffspeicher beim Entladen des Wasserstoffspeichers ausgeführt ist, und wobei die erste Vorrichtung zum Ausführen eines endothermen Prozesses und die zweite Vorrichtung zum Ausführen eines exothermen Prozesses ausgeführt sind.
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Auf diese Weise können Abwärme und Kälte, welche beim Beladen bzw. Entladen des Wasserstoffspeichers entstehen, gezielt genutzt werden, so dass der Verbrauch an elektrischer Energie reduziert werden kann.
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Beispielsweise kann das erfindungsgemäße kombinierte Kühl- und Heizsystem beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff ein Küchengerät erwärmen, so dass Speisen zubereitet werden können. Bei Entnahme des Wasserstoffs hingegen kann ein Brennstoffzellensystem derart gekühlt werden, dass die Auskondensation von Wasser aus der Kathodenabluft beschleunigt wird, ohne dass hierfür zwei Wärmetauscher erforderlich sind. Insbesondere ist keine Kühlung durch Außenluft erforderlich. Vielmehr wird eine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems allein durch den Wasserstoffspeicher bereitgestellt, der beispielsweise bei normalem Betrieb zusätzlich als Kühler eingesetzt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher als Metall-Hydridspeicher ausgeführt.
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Hierdurch kann eine sichere Wasserstoffspeicherung bei hoher Speicherdichte und großer Kühlleistung gewährleistet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung in einem mobilen System angeordnet.
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Bei einem solchen mobilen System kann es sich beispielsweise um ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder aber auch um ein Luftfahrzeug handeln. Aufgrund der Gewichtseinsparung, welche durch die Erfindung ermöglicht werden kann, eignet sie sich insbesondere für den Einsatz in Passagierflugzeugen. Zusätzliche Kühlsysteme zur Kühlung der Kathode des Brennstoffzellensystems oder der Brennstoffzellenstapel sind nicht mehr erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung in einer Kabine des Luftfahrzeugs angeordnet.
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Die Vorrichtungen befinden sich also in einem bedruckten Bereich des Flugzeugs, können aber auch in einem nicht druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass sich die erste (oder die zweite) Vorrichtung in einem bedruckten Bereich befindet, wo hingegen sich die zweite (oder die erste) Vorrichtung in einem nicht druckbeaufschlagten Bereich befindet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der ersten Vorrichtung um eine Vorrichtung in einem Küchenbereich des mobilen Systems. Beispielsweise kann es sich um eine Vorrichtung zum Erwärmen von Speisen oder zum Erwärmen von Getränken handeln.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Vorrichtung als Ofen zum Erwärmen von Speisen ausgeführt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Vorrichtung als Brühvorrichtung zum Erwärmen von Getränken ausgeführt.
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Die benötigte Heizenergie wird hierbei durch die Beladung des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff bereitgestellt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die zweite Vorrichtung als Brennstoffzellensystem ausgeführt, wobei das kombinierte Kühl- und Heizsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellenprozesses des Brennstoffzellensystems ausgeführt ist.
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Somit kann das Kühl- und Heizsystem in einem ersten Schritt als Heizer für ein Küchengerät verwendet werden (nämlich während des Betankungsvorgangs) und in einem zweiten Schritt als Kühler für den Brennstoffzellenstapel oder anderen Bestandteilen des Brennstoffzellensystems (nämlich bei der Wasserstoffentnahme) verwendet werden. Zusätzliche Heizgeräte oder Kühlgeräte sind somit nicht mehr erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das kombinierte Kühl- und Heizsystem zum Kühlen eines Kondensators ausgeführt. Weiterhin kann es zum Kühlen oder aber auch zum Vorheizen des Brennstoffzellenstapels ausgeführt sein.
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Weiterhin kann der Wasserstoffspeicher im Brennstoffzellensystem integriert sein. Hierdurch kann ein Gesamtmodul bereitgestellt werden, welches als zusammenhängender Block im Luftfahrzeug montierbar ist. Durch die Integration des Wasserstoffspeichers in das Brennstoffzellensystem kann der Wärmekontakt zwischen Brennstoffzellenblock und Wasserstoffspeicher und/oder zwischen einem Kondensator/Kondensatabscheider und dem Wasserstoffspeicher verbessert werden. Wärme- bzw. Kälteverluste können somit minimiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Kühlsystem derart ausgeführt und regelbar, dass die beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entstehende Wärme zum Vorwärmen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur verwendbar ist.
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Auf diese Weise kann die beim Beladen des Wasserstoffspeichers, während sich das Flugzeug am Boden befindet, freiwerdende Wärmeenergie durch Zwischenspeicherung oder durch direkte Abgabe an das Brennstoffzellensystem (beispielsweise über direkten Wärmekontakt zum Wasserstoffspeicher) dafür eingesetzt werden, dass das Brennstoffzellensystem seine Betriebstemperatur erreicht. Hierdurch kann zusätzliche Heizenergie, welche andernfalls durch ein weiteres Heizsystem aufgewendet werden müsste, eingespart werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen elektrischer Energie und Wasser ausgeführt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine elektronische Regeleinheit zum automatischen Steuern oder Regeln des Kühl- und Heizsystems vorgesehen.
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Weiterhin umfasst, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das kombinierte Kühl- und Heizsystem eine Einheit zum Messen einer Temperatur des Brennstoffzellensystems und zur Weitergabe der gemessenen Temperatur an die elektronische Regeleinheit.
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Es werden also Temperaturdaten des Brennstoffzellensystems erfasst und an die elektronische Regeleinheit übertragen, so dass das Kühl- und Heizsystem entsprechend eingestellt werden können.
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Beispielsweise ist die elektronische Regeleinheit zum Regeln der Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher in Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffzellensystems oder der Temperatur eines Ofens oder Wassererhitzers ausgeführt.
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Ist zum Beispiel die Temperatur des Brennstoffzellensystems zu gering, so kann die Wasserstoffentnahmerate entsprechend gedrosselt werden, so dass die Kühlung verringert wird und die Temperatur der Brennstoffzellen wieder ansteigt. Vom Brennstoffzellensystem zusätzlich benötigter Wasserstoff kann einem Wasserstoffzwischenspeicher entnommen werden.
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Weiterhin kann, falls Wärmeenergie für die erste Vorrichtung benötigt wird, der Wasserstoffspeicher mit Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Speichertank betankt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Luftfahrzeug angegeben, welches ein oben beschriebenes Kühl- und Heizsystem aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines solchen Kühl- und Heizsystems in einem Luftfahrzeug angegeben.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Erwärmen einer ersten Vorrichtung und zum Kühlen einer zweiten Vorrichtung durch ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem angegeben, bei welchem die erste Vorrichtung durch einen Wasserstoffspeicher beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff erwärmt wird und die zweite Vorrichtung durch den Wasserstoffspeicher beim Entladen des Wasserstoffspeichers gekühlt wird, wobei die erste Vorrichtung zum Ausführen eines endothermen Prozesses ausgeführt ist und die zweite Vorrichtung zum Ausführen eines exothermen Prozesses ausgeführt ist.
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Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines kombinierten Kühl- und Heizsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines kombinierten Kühl- und Heizsystems, welches beispielsweise in einem Luftfahrzeug eingebaut ist. Das kombinierte Kühl- und Heizsystem umfasst hierbei im Wesentlichen einen Hydrid-Speicher 20, einen ersten integrierten Wärmetauscher 21, einen zweiten integrierten Wärmetauscher 23, einen Kühlmittelkompressor 22 und einen damit zusammenhängenden Kühlmittelkreislauf.
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Wasserstoffspeicher, insbesondere Metall-Hydridspeicher, besitzen die Eigenschaft, dass sie beim Beladen mit Wasserstoff thermische Energie abgeben und bei der Entnahme von Wasserstoff thermische Energie aufnehmen. Die dabei relevanten Temperaturbereiche sind direkt abhängig von der Art des Hydrids und können an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
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Bei dem kombinierten Kühl- und Heizsystem der 1 wird diese Eigenschaft dazu verwendet, einen Ofen zur Speisenzubereitung zu heizen bzw. einen Brennstoffzellenstapel 1 und einen Wasser-Kondensator 5 zu kühlen. Dabei sind der Ofen 26, der Brennstoffzellenstapel 1 und der Wasser-Kondensator 5 beispielhaft für in Anzahl und Anwendung beliebige andere zu beheizende oder zu kühlende Apparate, die ebenfalls Elemente dieser Anordnung sein können.
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Ausgehend davon, dass der Wasserstoff-Speichertank 30 bereits befüllt ist, wird der Hydridspeicher 20 über den Kompressor 31 beladen. Dabei steigt die Temperatur im Hydridspeicher 20 an. Die zur Verfügung stehende Wärmemenge ist so auf den über dem Hydridspeicher 20 liegenden Ofen 26 abgestimmt, dass sie zur Speisenzubereitung ausreicht. Dies kann beispielsweise über eine geeignete Dimensionierung des Hydridspeichers 20 erreicht werden.
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Weiterhin kann ein Wärmespeicher oder Wärmepuffer vorgesehen sein, der eine verzögerte Abgabe der hierbei entstehenden Wärme ermöglicht. Nach Beendigung des Beladevorgangs wird der nun gefüllte Hydridspeicher 20 über den Brennstoffzellenstapel 1 wieder entladen. Dadurch senkt sich seine Temperatur ab. Diese Temperatursenke dient nun der Kühlung der angeschlossenen Brennstoffzelle 1, wobei ein Kühlmedium über den Verdichter 22 durch die Wärmetauscher 21 und 23 gepumpt wird.
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Über das Regelventil 25 kann ein zweiter Kreis mit Kühlmedium versorgt werden, der den Kondensator 5 speist. Hierbei wird die Kathodenabluft der Brennstoffzelle 1, die aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenluft-Befeuchter 2 zum Kondensator 5 gelangt, abgekühlt, wobei das in der Kathodenabluft enthaltene Wasser auskondensiert, über einen Kondensatabscheider 8 vom Luftstrom getrennt und über den Kondensatableiter 7 einem Wasser-Puffertank 6 zugeführt wird. Von dort aus kann das Wasser über die Pumpe 9 in das Wassernetz 10, 11, 45 eingespeist werden und nach Gebrauch dem Abwasser zugeführt werden. Die Abwasserzuführung ist mit Bezugszeichen 46 bezeichnet.
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Die beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 generierte elektrische Energie kann weiteren Kabinenanwendungen zugeführt werden, wie z. B. Wassererhitzern, Kaffeemaschinen oder Kühlgeräten für Trolleys, die Lebensmittel enthalten.
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Der für die Versorgung der Brennstoffzelle 1 benötigte Sauerstoff wird aus der Luft gewonnen. Hierbei wird bei einem Luftfahrzeug vorzugsweise der Luft-Massenstrom aus der Kabine an die Außenluft verwendet. Hierdurch ergibt sich ein Druckgefälle. Im dargestellten Beispiel wird Kabinenluft über den Luftfilter 4 und das Durchfluss-Regelventil 3 dem Kathodenluft-Befeuchter 2 zugeführt und danach in den Brennstoffzellenstapel 1 geleitet. Beim Kathodenausgang der Brennstoffzelle 1 wird die Kathodenabluft, wie oben beschrieben, ein weiteres Mal durch den Kathodenluft-Befeuchter 2 geleitet, dann durch den Wasser-Kondensator 5 und den Kondensatabscheider 8 schließlich an die Außenluft abgegeben. Dies ist durch Bezugszeichen 12 dargestellt.
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Bei einer entsprechenden parallelen Anordnung und Kopplung von zwei oder mehreren Systemen bietet sich die Möglichkeit des phasenverschobenen Betriebs dieser Systeme und somit einer kontinuierlichen Nutzung aller angebotenen Funktionen. Hierbei kann jeweils ein erster Hydridspeicher beladen werden, während ein zweiter Hydridspeicher entladen wird, so dass die jeweils benötigten Wärmeleistungen und Wärmesenken entstehen. Durch eine entsprechende Wahl der Speichergrößen ist es zudem möglich, die Brennstoffzellenstapel ebenfalls im kontinuierlichen Betrieb zu halten.
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Weiterhin sind ein Auslassventil 44 für den Hydridspeicher, ein Auslassventil 43 für die Ablassleitung 42 des Brennstoffzellen-Stapels 1, ein Sicherheitsventil 36 für die Ablassleitung 40 des Wasserstoff-Speichertanks 30, ein Absperrventil 41 für den Wasserstoff-Speichertank 30, ein Absperrventil 32 zur Regelung der Wasserstoffbeladung, ein Absperrventil 33 für den Spülgas-Einlass 39 am Wasserstoff-Betankungspaneel 50, ein Absperrventil 34 für den Spülgas-Auslass 38 am Wasserstoff-Betankungspaneel 50, ein Absperrventil 35 für den Wasserstoff-Einlass 37 des Wasserstoff-Speichertanks 30 vorgesehen. Natürlich können noch weitere Ventile vorgesehen sein, um eine sichere und effektive Regelung des Systems zu gewährleisten.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erwärmen einer ersten Vorrichtung und zum Kühlen einer zweiten Vorrichtung durch ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem. Es ist zu beachten, dass die erste Vorrichtung unterschiedlich zur zweiten Vorrichtung sein kann.
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Die erste Vorrichtung kann aber auch mit der zweiten Vorrichtung (beispielsweise in Form eines Brennstoffzellenstapels) übereinstimmen.
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In einem ersten Schritt wird der Wasserstoffspeicher 20 mit Wasserstoff beladen, wodurch die erste Vorrichtung erwärmt wird. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Vorrichtung um einen Ofen, oder um einen Wärmepuffer, oder aber auch um einen Brennstoffzellenstapel, welcher vor Inbetriebnahme vorgewärmt werden soll.
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In einem zweiten Schritt, beispielsweise nach Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels, erfolgt eine Kühlung der zweiten Vorrichtung durch den Wasserstoffspeicher beim Entladen des Wasserstoffspeichers. Bei der zweiten Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Komponente eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, eine einzelne Brennstoffzelle, einen Kondensator oder Wasserabscheider, oder aber auch um die der Brennstoffzelle zugeführte Luft.
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Die erste Vorrichtung ist hierbei zum Ausführen eines endothermen Prozesses und die zweite Vorrichtung ist hierbei zum Ausführen eines exothermen Prozesses ausgeführt.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellen Stack
- 2
- Kathodenluft Befeuchter
- 3
- Durchfluss Regelventil
- 4
- Luftfilter
- 5
- Wasser-Kondensator
- 6
- Wasser-Puffertank
- 7
- Kondensatableiter
- 8
- Kondensatabscheider
- 9
- Pumpe
- 10
- Wasserhahn
- 11
- Waschbecken
- 20
- Hydridspeicher
- 21
- integrierter Wärmetauscher 1
- 22
- Kühlmittel Kompressor
- 23
- integrierter Wärmetauscher 2
- 25
- Kühlkreis Regelventil
- 26
- Ofen
- 27
- Warme Abluft
- 30
- Wasserstoff-Speichertank
- 31
- Kompressor
- 32
- Absperrventil-Wasserstoff Beladung
- 33
- Absperrventil-Spülgas Einlass
- 34
- Absperrventil-Spülgas Auslass
- 35
- Absperrventil Wasserstoff Betankung
- 36
- Sicherheitsventil
- 37
- Wasserstoff Einlass
- 38
- Spülgas Auslass
- 39
- Spülgas Einlass
- 40
- Abblasleitung
- 41
- Absperrventil-Wasserstoff
- 42
- Abblasleitung-Brennstoffzellen Stack
- 44
- Auslassventil-Hydridspeicher
- 45
- weitere Wassernutzer
- 46
- Waschbecken Auslauf
- 50
- Wasserstoff-Betankungspaneel