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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem Innenraum,
der von einem Rohrkörper
begrenzt ist und in dem ein Gasspeicher angeordnet ist, wobei auf
dem Rohrkörper
ein Schichtaufbau mit einer zentralen Protonenaustauschmembran,
mit die Protonenaustauschmembran beidseitig bedeckenden Diffusorschichten
und mit rückwärtig an
die Diffusorschichten angedrückten Flächenelektroden
angeordnet ist und wobei der Gasspeicher die zwischen dem Rohrkörper und
der Protonenaustauschmembran angeordnete Diffusorschicht mit einem
Reaktionsgas versorgt.
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Das
Gebiet der Erfindung sind Brennstoffzellen, deren Schichtaufbau
zylindermantelförmig
oder wickelförmig
ist, wobei jeweils ein Rohrkörper
vorgesehen ist, der als Kern für
den Schichtaufbau dient. Im Inneren des Rohrkörpers liegt ein Innenraum,
der zur Anordnung eines Gasspeichers genutzt werden kann. Typischerweise
handelt es sich bei dem in dem Gasspeicher gespeicherten Reaktionsgas
um Wasserstoff. Konkret kann es sich um einen einfachen Wasserstoffdruckspeicher
handeln. Bevorzugt und zur Speicherung von Wasserstoff üblich sind
aber Metallhydridspeicher.
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Der
im letzten Absatz beschriebene Aufbau ist an sich bekannt. Ungelöst ist dabei
die Regelung der Reaktionsgasversorgung der Brennstoffzelle aus dem
Gasspeicher.
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Als
Druckgasflaschenventile sind Membranventile bekannt, bei denen der
Umgebungsluftdruck auf eine Membran einwirkt. Der Membran ist ein
Betätigungselement
zugeordnet. Mit Hilfe des so durch den Umgebungsdruck beaufschlagten
Betätigungselements
steht der Umgebungsdruck als Referenzgröße in dem Membranventil zur
Verfügung,
um beispielsweise unabhängig
von dem absoluten Umgebungsdruck einen bestimmten relativen Überdruck
in einer Leitung einzustellen. Ein übliches Membranventil könnte aber
allein aufgrund seiner Größe nicht in
dem Innenraum eines Rohrkörpers
einer Brennstoffzelle der eingangs beschriebenen Art untergebracht
werden, um dort die Gasabgabe durch das Auslassventil des Gasspeichers
zu regeln, wenn dieser Innenraum kleinere Abmessungen aufweist als ein
solches Membranventil, wie dies beispielsweise bei Brennstoffzellen
der Fall ist, die von ihren Gesamtabmessungen beispielsweise zylinderförmigen Mono-Batterien
entsprechen.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 101 41 882 A1 ist
eine Brennstoffzellen- und Drucktankkombination bekannt, bei der
das einen Drucktank von kreisförmigem
Querschnitt umgebende Volumen von einer formangepassten Brennstoffzelle
genutzt wird. So wird der Drucktank ganz oder teilweise in die Brennstoffzelle
integriert. Bei mehreren Drucktanks füllt die Brennstoffzelle die
tankspezifischen Zwischenräume
aus.
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Aus
der
DE 198 59 654
A1 ist eine Vorrichtung zum Speichern von Druckgas bekannt,
die einen geschlossenen Speicherbehälter aufweist, der wenigstens
eine Zu- und Ableitung für
das Druckgas und in seinem Innenraum ein Gasführungssystem aufweist. Das
Gasführungssystem
ist mit der Zu- und Ableitung für
das Druckgas verbunden. Weiterhin ist im Innenraum eine Feststofffüllung zum
Speichern des Druckgases vorgesehen, die eine Füllung aus Carbon-Nanostrukturen ist,
wobei die Carbon-Nanostrukturen zu größeren zusammenhängenden Konglomeraten
verbunden sind. Weiterhin ist wenigstens eine Vorrichtung zum Messen
des Füllstandes
des Druckgases im Speicherbehälter
vorgesehen.
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Aus
der
JP 2001313047
A ist eine Brennstoffzelle bekannt, deren Schichtaufbau
aus Brennstoffelektrode, Elektrolytschicht und Luftelektrode auf einem
stromführenden
Rohr angeordnet ist. Der Brennstoff dieser bekannten Brennstoffzelle
ist Methanol, der über
eine Versorgungsleitung direkt in den Innenraum des stromführenden
Rohrs zugeführt wird.
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Aus
der
US 2001/0049034
A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein
rohrförmiger Schichtaufbau
aus Protonenaustauschmembran und Elektroden mit Abstand koaxial
außen
von einem weiteren Rohr umgeben ist und in dem koaxial innen noch
ein weiteres Rohr angeordnet ist. Dabei kann der von der rohrförmigen Brennstoffzelle
und/oder dem noch weiteren Rohr im Inneren desselben umschlossene
Innenraum zum Zwischenspeichern von als Brennstoff dienendem Wasserstoff
verwendet werden.
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Aus
der
US 6 080 501 A ist
eine Brennstoffzelle mit einer Brennstoffquelle bekannt, die in
einer die rohrförmige
Membran-Elektroden-Anordnung umgebenden Matrix liegt. Die rohrförmige Brennstoffzelle
hat einen porösen
Kern zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel.
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Aus
der
US 6 060 188 A ist
eine rohrförmige Brennstoffzelle
bekannt, bei der das Oxidationsmittel ebenfalls über einen porösen Kern
zugeführt
wird. Der Brennstoff wird hier über
einen Ringraum zwischen der Brennstoffzelle und einem diese umgebenden
Rohr zugeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs
beschriebenen Art mit einer einfachen aber effektiven Regelung für den Reaktionsgasaustritt
aus dem Gasspeicher bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einer Brennstoffzelle der eingangs beschriebenen Art dadurch
gelöst,
dass der zylindrische Innenraum bis auf mindestens eine Gasdurchtrittspassage
zu der Diffusorschicht zwischen dem Rohrkörper und der Protonenaustauschmembran
gasdicht abgeschlossen ist, wobei er an einem Ende des Rohrkörpers durch
eine elastisch verformbare Membran begrenzt ist, und dass der Membran
ein Betätigungselement zugeordnet
ist, das auf ein Ventilelement eines Auslassventils des Gasspeichers
einwirkt, das Reaktionsgas in den Innenraum auslässt.
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Bei
der neuen Brennstoffzelle ist der Innenraum des Rohrkörpers Teil
des Leitungssystems für die
Gasversorgung der benachbarten Diffusorschicht. Dabei wird er an
dem einen Ende von der verformbaren Membran verschlossen. D. h.,
die Membran verformt sich in Abhängigkeit
von einer Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Rohrkörpers und
der Umgebung. Wenn die Brennstoffzelle das Brenngas verbraucht,
welches in dem Innenraum vorliegt, sinkt der Druck in dem Innenraum
relativ zu dem Umgebungsdruck ab. Entsprechend verformt sich die
Membran und verschiebt das ihr zugeordnete Betätigungselement. Das Betätigungselement
wirkt wiederum auf das Ventilelement des Ausgangsventils des Gasspeichers
ein, so dass das Auslassventil geöffnet wird und Reaktionsgas
aus dem Gasspeicher in den Innenraum nachströmt. Sobald auf diese Weise
der Druck im Innenraum des Rohrkörpers
wieder ansteigt, bewegt sich die Membran zurück und nimmt dabei das Betätigungselement
mit oder gibt dieses zumindest frei, so dass sich in der Folge das
Auslassventil des Gasspeichers wieder schließt. Damit ist eine einfache
mechanische Regelung für
die Versorgung der dem Rohrkörper
benachbarten Diffusorschicht mit Reaktionsgas gegeben. Die im Betrieb
der Brennstoffzelle erreichten Druckunterschiede in dem Innenraum
sind bei der realisierbaren, vergleichsweise großen Größe der Membran völlig ausreichend,
um das Auslassventil eines üblichen
Gasspeichers zuverlässig
zu betätigen.
Dabei ist auch ein vergleichsweise großes abgedichtetes Volumen des
Innenraums in dem Rohrkörper
neben dem Gasspeicher nicht von Nachteil. Vielmehr stellt es bei
der üblichen
Differenz zwischen einer notwendigen Öffnungskraft auf das Ventilelement
des Auslassventils und der dann aufrecht zu erhaltenden Offenhaltekraft
sicher, dass es zu keinem Ventilflattern oder anderen unerwünschten
unkontrollierten Zuständen
der Gesamtanordnung kommt. Vielmehr wird es immer so sein, dass
entweder das Auslassventil des Gasspeichers auf einem gewissen Öffnungsgrad
gehalten wird oder das Auslassventil definiert für begrenzte Zeiträume öffnet, um
den Innenraum wieder mit Reaktionsgas aufzufüllen.
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Auch
bei der neuen Brennstoffzelle kann der Gasspeicher in dem Innenraum
des Gasspeichers ein Metallhydridspeicher für Wasserstoff sein.
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Auch
für Sauerstoff
kann grundsätzlich
ein Gasspeicher vorhanden sein. Es ist aber bevorzugt, dass die
andere Diffusorschicht bei der neuen Brennstoffzelle mit Sauerstoff
aus der Umgebungsluft beatmet wird.
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Bei
der neuen Brennstoffzelle ist die Membran entweder in sich elastisch
oder elastisch abgestützt.
Dies bedeutet, dass ihre jeweilige Auslenkung einem bestimmten Differenzdruck
zwischen dem Innenraum des Rohrkörpers
und der Umgebung entspricht. Durch Variation des Abstands des Gasspeichers
zu der Membran kann so letztlich der Relativdruck in dem Innenraum
des Rohrkörpers
eingestellt werden, bei dem das Auslassventil des Gasspeichers geöffnet wird,
um Reaktionsgas nachzufüllen. Vorzugsweise
ist hierzu ein Widerlager für
den Gasspeicher in dem Innenraum vorgesehen, dessen Abstand zu der
Membran einstellbar ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn dieser Abstand von außerhalb des Innenraums einstellbar
ist. Beispielsweise kann hierzu an dem der Membran gegenüberliegenden
Ende des Rohrkörpers
ein Drehelement von außerhalb
des Innenraums zugänglich sein.
Dieses Drehelement kann nicht nur dazu genutzt werden, eine bestimmte
Reaktionsgasversorgung der Brennstoffzelle einzustellen, sondern
auch, um die Brennstoffzelle grundsätzlich zu aktivieren oder zu
deaktivieren, indem der Gasspeicher auf die Membran vorgeschoben
wird oder seine Abstützung zurückgenommen
wird, so dass er der sich verformenden Membran ausweichen kann.
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Es
versteht sich, dass für
dieses Drehelement eine abgedichtete Durchführung von außerhalb des
Innenraums in den Innenraum vorgesehen sein muss, damit kein unerwünschter
Verlust an Reaktionsgas auftritt.
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Um
Druckunterschiede zwischen dem Innenraum des Rohrkörpers und
der Umgebung besonders sensibel zu erfassen, ist es bevorzugt, wenn
die Membran den wesentlichen Querschnitt des Innenraums an dem einen
Ende abdeckt.
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Der
in dem Innenraum des Rohrkörpers durch
Verbrauch von Reaktionsgas durch die Brennstoffzelle erzielbare
relative Unterdruck hängt
erheblich davon ab, ob sich neben dem Reaktionsgas noch andere Gase
in dem Innenraum befinden. Je weniger andere Gase vorhanden sind,
desto größer kann
der Unterdruck in dem Innenraum beim Verbrauch des Reaktionsgases
werden. Dies bedeutet eine Vereinfachung bei der Betätigung des
Auslassventils des Gasspeichers durch das der Membran zugeordnete Betätigungselement.
Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn der Innenraum des Rohrkörpers bis auf
das Reaktionsgas evakuiert ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und
beschrieben, dabei zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
der neuen Brennstoffzelle und
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2 Details
einer zweiten Ausführungsform
der neuen Brennstoffzelle.
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Die
in 1 dargestellte Brennstoffzelle 1 weist
einen Rohrkörper 2 auf,
auf dem ein umlaufend geschlossener Schichtaufbau 3 angeordnet
ist. Abgedeckt wird der Schichtaufbau 3 durch einen mit hier
nicht näher
dargestellten Durchbrechungen versehenen Zylindermantel 4,
der den Schichtaufbau 3 an den Rohrkörper 2 andrückt und
dabei zusammendrückt.
Diese Andruckkraft ist für
die Funktion der Brennstoffzelle 1 von Bedeutung, deren
wesentliche Bestandteile in dem Schichtaufbau 3 zu finden
sind. In der Mitte des Schichtaufbaus 3 liegt eine Protonenaustauschmembran 5.
Hierzu sind eine innere Diffusorschicht 6 und eine äußere Diffusorschicht 7 koaxial
angeordnet. Die Diffusorschichten 6 und 7 stützen sich
an einer inneren Flächenelektrode 8 und
einer äußeren Flächenelektrode 9 ab,
die wiederum koaxial angeordnet sind. Die Anpresskraft der Flächenelektroden 8 und 9 an
die Diffusorschichten 6 und 7 bestimmt den elektrischen
Innenwiderstand der Brennstoffzelle über die Protonenaustauschmembran 5.
Deshalb ist es wichtig, den Schichtaufbau 3 zwischen dem
Rohrkörper 2 und
dem Zylindermantel 4 radial zusammenzudrücken. Im
axialen Randbereich ist der Schichtaufbau 3 einschließlich des
Rohrkörpers 2 und
des Zylindermantels 4 mit Abdichtungen 10 versehen.
Die Abdichtungen 10 verhindern, dass sich die Reaktionsgase
der Brennstoffzelle 1 neben der Protonenaustauschmembran 5 miteinander
vermischen, was bei Einsatz von Wasserstoff und Sauerstoff zu der
gefährlichen
Knallgasbildung führen
würde.
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Zur
Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit Reaktionsgasen, also
typischerweise mit Wasserstoff und Sauerstoff, um in der Brennstoffzelle 1 Strom
zu erzeugen, der über
die Flächenelektroden 8 und 9 abgeleitet
wird, ist in einem Innenraum 11 des Rohrkörpers ein
Gasspeicher 12 für
Wasserstoff vorgesehen, um Wasserstoff in die Diffusorschicht 6 einzuleiten.
Demgegenüber
ist die Brennstoffzelle 1 zu ihrer Sauerstoffversorgung
luftatmend, d. h. es wird Umgebungsluft verwendet, um die Diffusorschicht 7 mit Sauerstoff
zu versorgen. Hierzu sind die Flächenelektrode 9 und
der angrenzende Zylindermantel 4 mit hier nicht näher dargestellten
Durchbrechungen versehen. Der Wasserstoff aus dem Gasspeicher 12,
bei dem es sich vorzugsweise um einen Metallhydridspeicher handelt,
damit die Speicherkapazität
auch bei begrenztem Fülldruck
groß ist,
tritt aus einem Aulassventil 13 aus dem Gasspeicher 12 aus
und zwar in den Innenraum 11 des Rohrkörpers 2, der gegenüber der
Umgebung 21 abgedichtet ist. D. h., aus dem Innenraum 11 führen nur
Gasdurchtrittspassagen 14, die in ringförmig umlaufende Ringkanäle 15 an
der Rückseite
der ebenfalls mit Durchbrechungen versehenen Flächenelektrode 8 münden, die
die Diffusorschicht 6 abstützt. Um die aus dem Auslassventil 13 austretende
Reaktionsgasmenge zu regeln, ist bei der Brennstoffzelle 1 an
einem Ende des Rohrkörpers 2 eine in
sich elastisch verformbare Membran 16 vorgesehen, die den
gesamten Querschnitt des Innenraums 11 abdeckt. Die Membran 16 wird unter
Zwischenordnung von Dichtungen 17 über einen Haltering 18 an
den Rohrkörper 2 angedrückt. Hierzu
sind in 1 nur angedeutet Schrauben 19 vorgesehen.
An dem gegenüberliegenden
Ende ist der Rohrkörper 2 durch
eine Abdeckplatte 20 verschlossen, wobei auch hier eine
Dichtung 17 zwischengeordnet ist und die Abdeckplatte 20 durch Schrauben 19 an
dem Rohrkörper 2 gehalten
wird. So ist der Innenraum des Rohrkörpers 11, wie bereits erwähnt, bis
auf die Gasdurchtrittspassagen 14 gegenüber der Umgebung 21 abgedichtet.
Dies führt dazu,
dass, wenn der Innenraum 11 im Wesentlichen mit Reaktionsgas
gefüllt
ist, das von der Brennstoffzelle 1 beim Erzeugen von Strom
verbraucht wird, der Druck in dem Innenraum 11 gegenüber der
Umgebung 21 deutlich abnimmt und sich in der Folge die Membran 16 elastisch
verformt. Dabei beaufschlagt die Membran 16 ein ihr zugeordnetes
Betätigungselement 22,
das auf ein hier nicht näher
dargestelltes Ventilelement des Auslassventils 13 des Gasspeichers 12 einwirkt,
bis das Auslassventil 13 geöffnet ist und Reaktionsgas
aus dem Gasspeicher 12 in dem Innenraum 11 nachströmt. Wenn
sich in dem Innenraum 1 wieder ein größerer Druck aufbaut, geht die
Verformung der Membran 16 zurück, bis das Betätigungselement 22 soweit
zurückgenommen
ist, dass das Auslassventil 13 wieder schließt. Bei
dieser Funktion ist es nicht von Nachteil, wenn das Reaktionsgas
aus dem Gasspeicher 12 den gesamten Innenraum 11 des
Rohrkörpers 2 ausfüllen kann.
Es ist aber auch möglich,
das Reaktionsgas nur auf einen Teil des Innenraums angrenzend an
die Membran 16 zu beschränken. Die Funktion der Brennstoffzelle 1 ändert sich
hierdurch nicht, außer
dass das Puffervolumen des Innenraums 11 für das Reaktionsgas
kleiner wird. In 1 sind Lagerelemente 23 für den Gasspeicher 12 so
ausgebildet, dass sie für
das Reaktionsgas aus dem Gasspeicher 12 kein Hindernis darstellen.
Sie dienen nur zur Fixierung des Gasspeichers 12 in einer
definierten Relativstellung zu der Membran 16 bzw. dem
Betätigungselement 22,
damit das Auslassventil 13 bei definierten Relativdrücken zwischen
dem Innenraum 11 und der Umgebung 21 geöffnet bzw.
geschlossen wird.
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Um
diese Öffnungs-
bzw. Schließpunkte
variabel zu gestalten, kann der in 2 in Form
seiner von 1 abweichenden Details skizzierte
Aufbau gewählt
werden. Hier wird der Gasspeicher 12 von einer Feder 24 auf
die Abdeckplatte 20 hin beaufschlagt, wobei sich die Feder
spiralförmig
um das Auslassventil 13 erstreckt und sich an Widerlagern 25 abstützt. An
der Abdeckplatte 20 wiederum ist ein Widerlager 26 für den Gasspeicher 12 abgestützt, dass
durch einen Drehhebel 27 in Richtung eines Doppelpfeils 28 verschiebbar
ist. Der Drehhebel 27 verdreht eine Stellschraube 29,
die in einem Gewinde 30 in der Abdeckplatte 20 geführt ist
und dabei auf hier nicht dargestellte Weise gegenüber der
Abdeckplatte 20 abgedichtet ist. Durch Heranfahren des
Widerlagers 26 an die Abdeckplatte 20 kann der
Gasspeicher 12 mit Hilfe der Feder 24 soweit aus
dem Einwirkbereich des hier nicht dargestellten Betätigungselements 22 herausgebracht
werden, dass das Auslassventil 13 auch bei maximalem Druckunterschied
zwischen der Umgebung 21 und dem Innenraum 11 nicht öffnet. Auf
diese Weise kann die Brennstoffzelle 1 deaktiviert werden.
Umgekehrt kann die Brennstoffzelle 1 aktiviert werden,
indem das Widerlager 26 mit dem Drehhebel 27 soweit
gegenüber
de Abdeckplatte 20 vorgeschoben wird, dass das Aulassventil 13 in
den Einwirkbereich des Betätigungselements 22 gemäß 1 kommt.
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Es
versteht sich, dass die Druckdifferenzen zwischen dem Innenraum 11 und
der Umgebung 21, bei denen das Auslassventil 13 des
Gasspeichers 12 geöffnet
bzw. geschlossen wird, sehr unterschiedlich gewählt werden können. So
kann sowohl das öffnen als
auch das Schließen
des Auslassventils 13 bei einem Überdruck in dem Innenraum 11 gegenüber der Umgebung 21 erfolgen.
Es kann auch ein öffnen
und ein Schließen
des Auslassventils 13 jeweils bei einem Unterdruck in dem
Innenraum 11 gegenüber
der Umgebung 21 erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass das
Auslassventil 13 bei einem Unterdruck in dem Innenraum 11 gegenüber der
Umgebung 21 geöffnet und
bei einem entsprechenden Überdruck
geschlossen wird. Dies alles kann durch die relative Lage des Auslassventils 13 zu
der Membran 16 bzw. dem Betätigungselement 22 eingestellt
werden.
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Rohrkörper
- 3
- Schichtaufbau
- 4
- Zylindermantel
- 5
- Protonenaustauschmembran
- 6
- Diffusorschicht
- 7
- Diffusorschicht
- 8
- Flächenelektrode
- 9
- Flächenelektrode
- 10
- Abdichtung
- 11
- Innenraum
- 12
- Gasspeicher
- 13
- Auslassventil
- 14
- Gasdurchtrittspassage
- 15
- Ringkanal
- 16
- Membran
- 17
- Dichtung
- 18
- Haltering
- 19
- Schraube
- 20
- Abdeckplatte
- 21
- Umgebung
- 22
- Betätigungselement
- 23
- Lagerelement
- 24
- Feder
- 25
- Widerlager
- 26
- Widerlager
- 27
- Drehhebel
- 28
- Doppelpfeil
- 29
- Stellschraube
- 30
- Gewinde