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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Speicherung und Handhabung von
Gasen und insbesondere die Speicherung und Steuerung von überschüssigem Wasserstoffgas,
das durch Abdampf- und Stoffübertragungsverluste
von stationären
Speicher- und Füllsystemen
erzeugt wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Wasserstoffspeichertechnologie ist eine notwendige Voraussetzung
für die
Herausbildung vieler Vorteile auf dem Gebiet alternativer Brennstoffquellen.
Wasserstoff ist die sauberste und reichlichste dieser Energiequellen.
Insbesondere stellen mobile Anwendungen, wie wasserstoffbetriebene
Fahrzeuge, eine Forderung an die Infrastruktur, um eine sichere,
effiziente und kostengünstige
Lieferung von Wasserstoff an den Endverbraucher vorzusehen.
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Es
ist eine Anzahl von gegenwärtigen
Speichertechnologien verfügbar.
Beispielsweise ist aus der
DE
101 07 187 A1 ein Wasserstofftanksystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bekannt. Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH
2) betrifft die Speicherung von Wasserstoffgas
unter hohen Drücken
von beispielsweise zwischen 35 und 70 MPa. Flüssiger Wasserstoff (LH
2) betrifft die Speicherung von verflüssigtem
Wasserstoffgas. Diese Technologien betreffen verschiedene technische
Herausforderungen, besonders geringe Speicherdichten in dem Fall
beider Verfahren und ein Abdampfen von Wasserstoff in dem Fall von
LH
2.
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Ein
alternativer Speichermechanismus wird durch die Physisorption von
Wasserstoffmolekülen auf
Materialien mit hoher Oberfläche
vorgesehen, wie Aktivkohle, Zeolithen, metall-organischen Gerüsten (MOFs)
oder Polymeren mit Eigenmikroporosität (PIMs). Eine derartige Wasserstoffadsorptionsvorrichtung
wird beispielsweise in der
DE
103 31 201 A1 beschrieben. Da die Wechselwirkung des Wasserstoffs
und des Substratmaterials ziemlich schwach ist, ist es notwendig,
Betriebsdrücke
zwischen 10 und 50 bar und Betriebstemperaturen von etwa 25 K bis 150
K aufzubringen.
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Während des
Betriebs der Fülleinrichtung, insbesondere
des Nachfüllens
von LH2 in eine Primärtankvorrichtung kann ein Teil
des Wasserstoffs an die Umgebung verloren gehen. Dies erfolgt hauptsächlich dadurch,
da die zugeordneten Rohre und Einrichtungen hinunter auf 20 K gekühlt werden
müssen,
jedoch auch aus grundlegenden thermodynamischen Gründen. Diese
Verluste aus einem Abdampfen, Betanken und anderen Stoffübertragungsaktivitäten müssen aus
kommerziellen, sicherheitsrelevanten wie auch umweltrelevanten Gründen minimiert
werden.
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Ein
Kunde könnte
aufgefordert werden, den verlorenen Wasserstoff beim Nachfüllen zu
bezahlen. Alternativ dazu kann der Betreiber der Tankstelle aufgefordert
werden, diese Verluste zu absorbieren. Daher ist es von einem kommerziellen
Standpunkt her sehr attraktiv, diese Verluste so weit wie möglich zu
minimieren.
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Aus
Sicherheitsgründen
sollte Wasserstoff nicht in die Umgebung einer Pumpe freigesetzt
werden. Unter bestimmten Bedingungen kann dies ein Feuer oder eine
Explosionsgefahr erzeugen. Wasserstoff könnte exotherm mit Sauerstoff
reagieren, um Wasser zu bilden und große Energiemengen freizusetzen,
wie beispielsweise in einem Feuer oder in einer Explosion. Von einem
Sicherheitsstandpunkt her reduziert eine Begrenzung der Mengen an
Wasserstoffgas, die freigesetzt werden, die Sauerstoffreaktionsgefahren
erheblich.
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Eine
Wasserstofffreisetzung kann auch Umwelteffekte haben. Wasserstoffgas,
das beim Nachfüllen
oder als Abdampfung verloren geht, könnte die obere Atmosphäre erreichen.
Hier könnte
es über eine
komplexe chemische Reaktion mit Ozon reagieren, um Wasser zu bilden,
wodurch das kritische atmosphärische
Ozon zersetzt wird. Diese Folge würde ebenfalls durch Verhindern
einer Freisetzung von Wasserstoff beschränkt.
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Eine
andere Betrachtung beim Aufbau einer stationären Betankungsanwendung ist
die Stabilität des
Durchflusses. Einige der stationären
Anwendungen, wie ein stationärer
Verbrennungsmotor (ICE) oder eine stationäre Brennstoffzelle, erfordern
eine stabile Strömung
von Wasserstoffgas für
einen effektiven Betrieb. Überschüssiges Wasserstoffgas,
das durch Stoffübertragung
und Punkterhitzung erzeugt wird, könnte die geordnete Strömung von
Wassergas an diese Anwendungen unterbrechen.
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Es
sind einige Versuche durchgeführt
worden, um diesen Effekten entgegenzuwirken. Eine Wiederverflüssigung
würde helfen,
einige dieser Faktoren zu lindern, wäre jedoch sehr teuer und würde zusätzliche
Ausstattung erfordern. Eine Kompression wäre ebenfalls teuer und würde eine
zusätzliche
Ausrüstung
erfordern. Eine katalytische Verbrennung des verlorenen Wasserstoffs
ist ebenfalls vorgeschlagen worden, jedoch ist dies ver schwenderisch, da
das resultierende Wasser selbst nicht zur Energieerzeugung verwendet
werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine stabile Wasserstoffströmung unter
Verwendung von überschüssigem Wasserstoff
zu einem Funktionsmodul bei wechselnden Betriebserledigungen desselben
sicher zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird mit einem Wasserstofftanksystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
3 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Wasserstofftanksystem, das derart
ausgebildet ist, um überschüssiges Wasserstoffgas
zu sammeln, zu speichern und zu übertragen,
das im normalen Verlauf des Betriebs einer wasserstoffbetankten
stationären Anwendung
erzeugt worden ist. Innerhalb des Umfangs dieser Erfindung ist dem
herkömmlichen
Aufbau einer stationären
wasserstoffbetankten Anwendung, wie einer Wasserstofffülltankstelle,
eine Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung hinzugefügt worden.
Das Wasserstofftanksystem dient als ein Wasserstoffsammelsystem,
ein Zwischenwasserstoffspeichersystem und ein Wasserstoffübertragungssystem,
um mit der Menge an überschüssigem Wasserstoffgas
fertig zu werden, das während
der normalen Aktivitäten
einer Wasserstofflieferung erzeugt wird, wie einer Wasserstofffülltankstelle
zum Füllen
von LH2-Fahrzeugen, in der Abdampfbetriebsart
des Primär-LH2-Speichertanks, etc. Ferner kann die Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung
als ein Reservetank dienen, der in mobilen wie auch stationären Anwendungen
verwendet werden kann.
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Andere
stationäre
Anwendungen einer Betankung von Wasserstoff weisen strengere Anforderungen
hinsichtlich des Managements von überschüssigem freigesetztem Wasserstoffgas
auf. Stärker
betroffene stationäre
Anwendungen, wie diejenigen, die stationäre Verbrennungsmotoren oder
stationäre
Brennstoffzellen aufweisen, erfordern eine relativ stabile Strömung von
Wasserstoffgas. Das Zwischenspeichersystem gemäß der vorliegenden Erfindung
glättet
den Durchfluss von austretendem Wasserstoff und geht daher dieses
Problem an.
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Das
Wasserstofftanksystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist derart ausgebildet, um Stoffübertragungsverluste von Wasserstoff
von dem System in die Umgebung zu minimieren wie auch eine Wärmeübertragung
von der Umgebung in das System zu minimieren.
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Das
Wasserstofftanksystem besteht aus einer Primärtankvorrichtung und der oben
erläuterten Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung
wie auch einer Verrohrung, Detektoren, Ventilen und Reglern, die
erforderlich sind, um das Sammeln, Speichern und die Übertragung
des überschüssigen Wasserstoffgases
zu managen.
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Die
Primärtankvorrichtung
besteht aus zumindest einem Flüssigwasserstoff-(LH2)-Speichertank, der in der Technik herkömmlich ist,
wie auch den erforderlichen Röhren,
Schläuchen,
Ventilen und Reglern, die notwendig sind, um die Primärtankvorrichtung
mit der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung
zu verbinden. Der LH2 kann direkt von der
Primärtankvorrichtung
an einen externen Tank abgegeben werden, wie beispielweise den Brennstofftank
einer mobilen wasserstoffbetankten Vorrichtung. Im Betrieb des Wasserstofftanksystems wird
unvermeidbar überschüssiges Wasserstoffgas erzeugt;
jedoch wird dieses überschüssige Wasserstoffgas
von der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung gesammelt.
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Die
Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung kann aus einer einzelnen
Kryoadsorptionseinheit oder einer Gruppe derselben bestehen, die
in Reihe, parallel oder in einer allgemeineren topologischen Struktur
konfiguriert sind. Die Kryoadsorptionseinheiten sind durch Rohre
oder Röh ren
verbunden und über
Ventile gesteuert. Bestimmte Elemente der Verrohrung unterstützen die
Modulation der Temperatur in den Kryoadsorptionseinheiten.
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Das
Wasserstofftanksystem sieht zusätzlich ein
Mittel zur Übertragung
von Wasserstoffgas von der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung an
externe Funktionsmodule vor. Diese Funktionsmodule können stationäre wasserstoffbetankte
Anwendungen sein, wie beispielsweise stationäre Verbrennungsmotoren, stationäre Brennstoffzellen,
andere Vorrichtungen, wie Verflüssiger,
Kompressoren oder andere Kryoadsorptionseinheiten oder sogar mobile
Brennstofftanks. Jedes dieser Funktionsmodule ist über Rohre
und Röhren
mit dem Primärspeichertank,
der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung oder beiden verbunden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform näher erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaubild eines Wasserstofftanksystems, das aus einer Primärtankvorrichtung
und einer Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung besteht,
die derart ausgebildet sind, um Wasserstoffgas an Funktionsmodule
zu liefern.
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2A ist
eine schematische Darstellung einer Konfiguration von Ventilen und
Rohren für
eine einzelne Kryoadsorptionseinheit, um überschüssiges Wasserstoffgas zu verarbeiten,
das beim normalen Abdampfen und bei Betankungsvorgängen erzeugt wird.
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2B ist
eine schematische Darstellung desselben Systems wie in 2A gezeigt
ist, wobei die Ventile nun zum Ablassen der Kryoadsorptionseinheit
eingestellt sind.
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3A und 3B sind
topologische Schaubilder, die zwei verschiedene Topologien einer Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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4 ist
ein Schaubild, das ein Beispiel einer Regulierung von Wasserstoffgasströmung von
einer Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung zu
Funktionsmodulen, die eine stabile Strömung von Wasserstoffgas erfordern,
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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5 ist
ein Blockschaubild, das eine Familie von Funktionsmodulen zeigt,
die einer Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeordnet sind.
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5A und 5B schematische
Darstellungen sind, die weitere Einzelheiten bestimmter der Funktionsmodule
von 5 zeigen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Nun
Bezug nehmend auf die Zeichnung zeigen die 1 bis 5B Aspekte
eines Wasserstofftanksystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, das
derart ausgebildet ist, um überschüssiges Wasserstoffgas,
das im normalen Betriebsverlauf erzeugt worden ist, zu sammeln,
zu speichern und zu übertragen.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw.
ihren Gebrauch zu beschränken.
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Bezug
nehmend auf 1 besteht das Wasserstofftanksystem 100 aus
einer Primärtankvorrichtung 102 und
einer Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung 104,
von denen jede mit verschiedenen Funktionsmodulen 106 verbindbar
ist.
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Bezug
nehmend auf 2A ist ein Wasserstofftanksystem 100 gezeigt,
das derart ausgebildet ist, um Abdampf- oder Betankungs-(Füll-)Wasserstoffverluste
zu managen, und besitzt eine Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung 104 in
der Form einer einzelnen Kryoadsorptionseinheit 112, die
durch Wasserstoffgas von der Primärtankvorrichtung 102 auf
etwa 20 K gekühlt
ist. Ein Einlassrohr 114 verläuft selektiv zwischen der Primärtankvorrichtung 102 und
der Kryoadsorptionseinheit 112, einem Kühlmantel 118 der Kryoadsorptionseinheit
und den Funktionsmodulen 106. Diesbezüglich verzweigt sich das Einlassrohr 114 in
drei Teile, ein erstes Versorgungsrohr 114a für den Kühlmantel 118 der
Kryoadsorptionseinheit 112, ein zweites Versorgungsrohr 114b für die Kryoadsorptionseinheit 112 und
ein drittes Versorgungsrohr 114c, das direkt zu den Funktionsmodulen 106 verläuft. Jedes
dieser Versorgungsrohre wird individuell mittels Versorgungsventilen
reguliert, nämlich
einem ersten Versorgungsventil 126a für den Kühlmantel 118, einem
zweiten Versorgungs ventil 126b für die Kryoadsorptionseinheit 112 und
einem dritten Versorgungsventil 126c für die Funktionsmodule 106.
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Das
erste Versorgungsventil 126a zu dem Kühlmantel 118 und das
zweite Versorgungsventil 126b zu der Kryoadsorptionseinheit 112 sind
beide offen, und das dritte Versorgungsventil 126c zu den Funktionsmodulen 106 ist
geschlossen. Der Kühlmantel 118 wird
mittels eines Auslassrohres 128 entlüftet, das mit den Funktionsmodulen 106 verbunden ist.
Die Kryoadsorptionseinheit 112 ist mit den Funktionsmodulen 106 über ein
Auslassrohr 130 verbunden, das durch ein Steuerventil 132 für Funktionsmodule
geregelt ist, das geschlossen ist. Ferner wird bei dieser Konfiguration
des Wasserstofftanksystems 100' Wasserstoffgas, das von der Speichertankvorrichtung 102 freigesetzt
wird, an die Kryoadsorptionseinheit 112 und an den Kühlmantel 118 geführt. Eine direkte
Strömung
zu den Funktionsmodulen 106 wird verhindert.
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Bezug
nehmend auf 2B ist die Wasserstofftankvorrichtung 100' nun derart
ausgestaltet, um die Kryoadsorptionseinheit 112 zu entleeren.
Der einzige Unterschied zwischen dieser und der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung 104 von 2A,
die derart ausgebildet ist, um eine Abdampf- und andere Überschusswasserstoffgaserzeugung
zu managen, sind die Einstellungen der Ventile. In diesem Fall sind
das erste und zweite Versorgungsventil 126a, 126b für den Kühlmantel 118 bzw.
die Kryoadsorptionseinheit 112 nun beide geschlossen, während das
dritte Versorgungsventil 126c (zwischen dem Einlassrohr 114 und
den Funktionsmodulen 106) und das Steuerventil 132 für Funktionsmodule nun
beide offen sind. In dieser Konfiguration der Wasserstofftankvorrichtung 100' wird Wasserstoffgas,
das von der Primärtankvorrichtung 102 und
der Kryoadsorptionseinheit 112 freigesetzt wird, an die Funktionsmodule 106 freigesetzt.
Eine Strömung
von Wasserstoffgas von der Primärtankvorrichtung 102 zu
dem Kühlmantel 118 oder
der Kryoadsorptionseinheit 112 wird verhindert.
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Wasserstoffgas
wird von den Kryoadsorptionseinheiten durch Aufbringen von Wärme beispielsweise über einen
elektrischen Heizer eines Wärmetauschers
mit der externen Umgebung, durch Reduzierung des Betriebsdrucks
oder eine Kombination von beiden freigesetzt. Die verwendeten Materialien, die
bauliche Konstruktion wie auch die Betriebstechniken der Kryoadsorptionseinheiten
der Kryoadsorptions-Wasserstoffspeichervorrichtung sind in der U.S. Patentanmeldung
Seriennr. 11/348,107 beispielhaft dargestellt, die am 6. Februar
2006 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme
eingeschlossen ist.
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Um
die Wasserstoffsammelkapazität
des Wasserstofftanksystems gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erhöhen,
können
zusätzliche
Kryoadsorptionseinheiten hinzugefügt werden. Unter Bezugnahme
auf 3A sind eine Vielzahl von Kryoadsorptionseinheiten
(CAU) 112a, 112b, 112c in Reihe zueinander
mittels Röhren
oder Rohren einzeln in der Richtung der Strömung des Wasserstoffgases angeordnet.
In 3B ist eine Gruppe von Kryoadsorptionseinheiten
(CAU) 112a' und 112e' in Reihe mit
einer parallelen Anordnung von Kryoadsorptionseinheiten 112b', 112c, 112d' über Rohre
oder Röhren verbunden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
kompliziertere Topologien zur Anordnung der Kryoadsorptionseinheiten
verwendet werden. Die Kryoadsorptionseinheiten können individuell isoliert sein,
als eine Gruppe isoliert sein oder sich eine Isolierung mit der
Primärtankvorrichtung 102 teilen.
Die Isolierung kann eine mehrschichtige Superisolierung, eine Pulvervakuumisolierung
sein und ein aktives Kühlschild
mit flüssigem
Stickstoff aufweisen.
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Bestimmte
Typen der Funktionsmodule 106 erfordern eine sorgsam geregelte
Strömung
von Wasserstoffgas. Unter Bezugnahme auf 4 ist eine
Kryoadsorptionseinheit 112 über eine Auslassröhre 130 mit
einem Funktionsmodul 106 verbunden. Die Strömung von
Wasserstoff wird durch ein Rückkopplungssystem 134,
das in der Technik herkömmlich
ist, gesteuert. Das Rückkopplungssystem 134 regelt
die Wasserstoffgasströmung
durch Einstellungen an dem Steuerventil 132 für Funktionsmodule, um
Abweichungen von dem Zieldurchfluss zu kompensieren, der durch einen
Wasserstoffgasströmungssensor 136 detektiert
ist.
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Unter
Bezugnahme auf 5 zeigt eine Familie von Funktionsmodulen 106 einen
Bereich von Vorrichtungstypen, die in der vorliegenden Erfindung enthalten
sein können.
Diese können
wasserstoffbetankte stationäre
Anwendungen umfassen, wie stationäre Verbrennungsmotoren 106d und
stationäre Brennstoffzellen 106c.
Diese können
ferner ein Funktionsmodul 106b umfassen, das Wasserstoffgas
an die Primärtankvorrichtung 102 rückführt, die
einen Wiederverflüssiger 138 aufweist,
wie in 5A gezeigt ist. Diese können auch
ein alternatives Mittel zur Wasserstoffabgabe 106a umfassen,
einschließlich
eines Kompressors 140, der an eine Abgabeeinrichtung 142 für komprimiertes
Wasserstoffgas (CGH2) angebunden ist, wie
in 5B gezeigt ist.