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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer
Brennstoffzelle, durch welche im Betrieb Wasser erzeugt wird. Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems.
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Aus
der
DE 103 59 952
B4 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem
einem Brennstoffzellenstapel zugeführtes Brennstoffgas
und Oxidationsgas mit Wasser befeuchtet werden soll. Dazu sind mehrere
Befeuchter im Abgaszweig der Brennstoffzelle ausgebildet, welche
mit Kondensationsvorrichtungen verbunden sind. Ein weiterer Hilfsbefeuchter,
welcher mit einer der Kondensationsvorrichtungen verbunden ist,
umfasst Ultraschall-Mikroeinspritzdüsen, welche in Zuführleitungen
der Brennstoffzelle münden. Jede Düse spritzt
das ihm zugeführte Wasser in die jeweiligen Zuführleitungen
zur Brennstoffzelle.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
603 04 255 T2 ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem
ein Absperrventil zwischen dem Wasser-Ansaugteil und einer Pumpe
vor einem Einfrieren bewahrt werden soll. Das Brennstoffzellensystem
umfasst eine Anoden-Befeuchtungseinspritzdüse und eine
Kathoden-Befeuchtungseinspritzdüse, welche jeweils als Befeuchtungsvorrichtungen
für die Anode bzw. für die Kathode dienen, und
mit welchen Wasser in die Zuführleitungen bzw. in die Brennstoffzelle
eingespritzt wird.
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Aufgrund
des Funktionsprinzips einer Brennstoffzelle wird im Betrieb relativ
viel flüssiges Wasser erzeugt. Dieses ist dann abzuleiten
oder zunächst zu sammeln und dann abzuleiten. Bei einer
Verwendung eines Brennstoffzellensystems im mobilen Einsatz, beispielsweise
in einem Kraftfahrzeug, wird dieses flüssige Wasser dann
aus der Abgasleitung bzw. aus dem Auspuff auf die Fahrbahn geleitet.
Bei relativ niedrigen Temperaturen, insbesondere nahe oder unter
der Nullgradgrenze, kann dies dazu führen, dass dieses
Wasser auf der Fahrbahn gefriert. Gerade bei sehr vielen Fahrzeugen,
wie dies beispielsweise im Stadtverkehr oder auch bei einem Stau
oder stockendem Verkehr, der Fall ist, kann dies relativ leicht
und schnell dazu führen, dass die Fahrbahn vereist. Dies
wird insbesondere dadurch begünstigt, dass das Wasser einfach
abgelassen wird und somit in relativ großen Tropfen auf
die Fahrbahn tropft oder sogar in einem entsprechenden Rinnsal ausläuft.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
zu schaffen, bei dem das Austropfen oder Auslaufen des flüssigen
Wassers und eine daraus resultierende leichte Gefrierung bei niedrigen
Temperaturen auf der Fahrbahn zumindest wesentlich reduziert werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale
nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach
Anspruch 12 aufweist, gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst
zumindest eine Brennstoffzelle, durch welche im Betrieb Wasser erzeugt
wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Zerstäubervorrichtung,
mittels welcher das erzeugte Wasser in die Umgebung zerstäubbar
ist. Durch diese Ausgestaltung kann das Austropfen oder Auslaufen
in einem Rinnsal aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden.
Durch die Zerstäubung werden feinste Wasserpartikel erzeugt,
welche sich in die Umgebung mischen und somit nicht mehr unmittelbar
direkt auf die Fahrbahn tropfen oder laufen. Indem durch die Zerstäubervorrichtung
feinste Wasserpartikel erzeugt werden, gelangen diese in die Umgebung
und nur noch allenfalls in einem kleinen Anteil auf die Fahrbahn.
Die unmittelbar auf die Fahrbahn herabschwebende Menge von feinsten
Wasserpartikeln kann dadurch wesentlich reduziert werden bzw. durch
eine relativ große Partikelwolke flächenmäßig verteilt
werden, wodurch das Ausfrieren auf der Fahrbahn zumindest reduziert
werden kann.
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Insbesondere
wird das Wasser auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle erzeugt
und vorzugsweise soll dieses in die Umgebung zerstäubt
werden. Auch auf der Anodenseite fällt Wasser an, welches ebenfalls
zerstäubt werden soll. Üblicherweise fällt auf
der Kathodenseite jedoch ein größerer Anteil von Wasser
an, und es ist daher besonders wichtig, diese relativ große
Menge zu zerstäuben.
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Vorzugsweise
ist die Zerstäubervorrichtung als Düse ausgebildet.
Diese Ausgestaltung gewährleistet eine relativ einfache
und kostengünstige Ausbildung, welche darüber
hinaus auch platzsparend anbringbar und funktionssicher ausgebildet
ist.
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Besonders
bevorzugt erweist sich eine Ausgestaltung der Zerstäubervorrichtung
als Zweistoffdüse. Durch eine derartige Ausbildung kann
bei einem nicht ausreichend hohen Differenzdruck zur Umgebung die
Zerstäubung aktiv unterstützt werden. Dafür
kann zur Zweistoffdüse der Einsatz von Druckluft zusätzlich
vorgesehen sein und gegebenenfalls durch eine geeignete Pumpe erreicht
werden. Bei der Zweistoffdüse wird mit Hilfe von Gas eine
Zerstäubung erreicht. Es ist kein hoher Flüssigkeitsdruck
zur Zerstäubung nötig. Ist im System ein ausreichend
hoher Luftdruck für die Zerstäubung mit der Zweistoffdüse
vorhanden, kann die Druckluft auch über die Luftversorgung
der Brennstoffzelle gewährleistet werden.
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Vorzugsweise
ist die Zerstäubervorrichtung in einer dem Abgaszweig zugeordneten
Abgasleitung der Kathode der Brennstoffzelle angeordnet.
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Besonders
bevorzugt erweist sich, wenn die Öffnung der Zerstäubervorrichtung
in einem Winkel größer 0° und kleiner
180° gegenüber dem Boden, insbesondere der Fahrbahn,
nach oben orientiert angeordnet ist. Gerade dann, wenn das Brennstoffzellensystem
als mobiles System ausgebildet ist und in einem Kraftfahrzeug angeordnet
ist, kann beim Fahren mit dem Kraftfahrzeug bei tiefen Temperaturen das
Ableiten des erzeugten Wassers nochmals verbessert werden. Neben
der feinen Zerstäubung des Wassers in kleinste Wasserpartikel
kann durch diese Orientierung der Öffnung der Zerstäubervorrichtung zusätzlich
erreicht werden, dass das Zerstäuben nicht in Richtung
der Fahrbahn erfolgt. Durch das Zerstäuben nach oben hin
wird die Wasserpartikelwolke von der Fahrbahn weg in die Umgebung
befördert und es kann dadurch nochmals positiv zur Vermeidung
eines Gefrierens auf der Fahrbahn beigetragen werden.
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Das
erzeugte Wasser ist vorzugsweise in einem oder mehreren Abscheidern
sammelbar und in der Zerstäubervorrichtung zum Zerstäuben
in die Umgebung zusammenführbar. Ein Abscheider ist vorzugsweise
in einer Zuführleitung oder einer Abgasleitung der Anode
oder der Kathode der Brennstoffzelle angeordnet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung in
einem im Abgaszweig angeordneten Ablassventil integriert ist. Durch
eine derartig funktionale Komponente kann einerseits eine Bauteilreduzierung
des Brennstoffzellensystems erreicht werden und darüber
hinaus ein kompakter Aufbau gewährleistet werden.
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Es
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung
als separates Teil ausgebildet ist und separat zum Ablassventil
in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Ablassventil
in dem Abgaszweig angeordnet ist. Vorzugsweise kann dann der Leitungsteil
zwischen dem Ablassventil und der Zerstäubervorrichtung
eine heizbare bzw. erwärmbare Leitung sein.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung
einem Abscheider des Brennstoffzellensystems, welcher zur Abscheidung
des im Betrieb erzeugten Wassers ausgebildet ist, zugeordnet ist.
Bevorzugt kann hier vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung
in den Abscheider integriert ist. Beispielsweise kann eine Integration
in das Gehäuse des Abscheiders vorgesehen sein. Auch dadurch
kann eine Bauteilreduzierung und platzsparende Ausgestaltung erreicht
werden.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zerstäubervorrichtung
unmittelbar in die Umgebung mündet. Das von der Zerstäubervorrichtung zerstäubte
Wasser wird dann direkt in die Umgebung zerstäubt.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Zerstäubung in die
Umgebung mittelbar erfolgt. Insbesondere ist es dabei möglich,
dass die Zerstäubervorrichtung in eine von der Kathode
der Brennstoffzelle wegführende Abgasleitung mündet
und das Wasser in die Abgasleitung der Kathode zerstäubbar ist.
Besonders bevorzugt ist hier vorgesehen, dass die Zerstäubervorrichtung
nahe des in die Umgebung mündenden Ausgangs der Abgasleitung
der Kathode ausgebildet ist. Dadurch können die zerstäubten Wasserpartikel
relativ nahe am Ausgang dieser Abgasleitung erzeugt werden und treten
dann auch noch als feine Wasserpartikel in die Umgebung aus. Durch diese
ausgangsnahe Einmündung der Zerstäubervorrichtung
in die Abgasleitung der Kathode kann verhindert werden, dass sich
wieder ein Wasserrinnsal oder sehr große Wassertropfen
in dieser Abgasleitung der Kathode vor dem Austritt bilden und es
kann somit auch verhindert werden, dass wieder ein Wasserrinnsal
oder große Tropfen aus dieser Abgasleitung der Kathode
dann auf die Fahrbahn tropfen würden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
einer Brennstoffzelle mit zumindest einer Brennstoffzelle, wird
im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser erzeugt. Das Wasser wird durch
eine Zerstäubervorrichtung in die Umgebung zerstäubt. Durch
diese Vorgehensweise kann das Tropfen von großen Wassermengen
oder Wasserrinnsalen auf die Fahrbahn verhindert werden, wodurch
die Erzeugung von Glatteis bei tiefen Temperaturen zumindest wesentlich
reduziert werden kann.
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Vorteilhafte
Ausführungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
sind als vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens anzusehen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
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4 eine
schematische Darstellung der Orientierung der Zerstäubervorrichtung
im Bezug zur Fahrbahn;
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems; und
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6 ein
fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
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In
den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
in einer schematischen Darstellung ein Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems I gezeigt.
Das Brennstoffzellensystem I kann eine Vielzahl weiterer
Komponenten aufweisen, welche jedoch für das Verständnis
der Erfindung nachrangig und daher nicht gezeigt sind.
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Das
Brennstoffzellensystem I ist als mobiles System ausgebildet
und in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Das Brennstoffzellensystem I umfasst
einen Brennstoffzellenstapel, wobei in 1 beispielhaft
lediglich eine Brennstoffzelle 1 gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 1 ist
als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet und umfasst einen Anodenraum 2 sowie
einen Kathodenraum 3, welcher von dem Anodenraum 2 durch
eine Membran 4 separiert ist. Eine Zuführleitung 5,
welche in den Kathodenraum 3 mündet, ist zur Zuführung
von Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder Luft, zum Kathodenraum 3 vorgesehen.
Von dem Kathodenraum 3 führt eine Abgasleitung 6 weg,
welche am symbolisch gezeigten Ausgang 61 vorzugsweise
in die Umgebung mündet. Selbstverständlich kann
auch eine Rezirkulation vorgesehen sein, wobei dann von der Abgasleitung 6 eine
nicht dargestellte weitere Leitung abzweigt und das Abgas des Kathodenraumes 3 wieder
in die Zuführleitung 5 rückführt.
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Des
Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem I eine zum
Anodenraum 2 führende Zuführleitung 7. Über
diese Zuführleitung 7 wird der Brennstoff, insbesondere
Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas, zum Anodenraum 2 gefördert.
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Eine
vom Anodenraum 2 wegführende Abgasleitung 8 ist
einer Rezirkulationsvorrichtung 9 zugeordnet, wodurch das
von dem Anodenraum 2 austretende Abgas wieder in die Zuführleitung 7 zugeführt
wird.
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Das
Brennstoffzellensystem I umfasst des Weiteren ein in der
Abgasleitung 8 der Anode 2 angeordnetes Ablassventil 10.
Als separate Komponente dazu umfasst das Brennstoffzellensystem I eine Zerstäubervorrichtung 11,
welche im Ausführungsbeispiel als Zweistoffdüse
ausgebildet ist. Zwischen dem Ablassventil 10 und der Zerstäubervorrichtung 11 ist
ein Leitungsteil 12 angeordnet. Dieser ist vorzugsweise
als beheizte Drainageleitung konzipiert.
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Die
Zerstäubervorrichtung 11 weist eine Öffnung 15 auf,
welche direkt in die Umgebung des Brennstoffzellensystems I und
somit auch in die Umgebung des Kraftfahrzeugs mündet.
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Das
im Betrieb der Brennstoffzelle 1 erzeugte Wasser wird über
diese Zerstäubervorrichtung 11 direkt in die Umgebung
zerstäubt.
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Vorzugsweise
umfasst das Brennstoffzellensystem I auch einen in 1 nicht
dargestellten Abscheider, wobei das abgeschiedene Abwasser über die
Zerstäubervorrichtung 11 in die Umgebung direkt zerstäubt
wird.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied
zur Darstellung in 1 die Zerstäubervorrichtung 11 in
das Ablassventil 10 integriert ist. Vorzugsweise kann die
Zerstäubervorrichtung 11 in das Gehäuse
des Ablassventils 10 integriert sein. Auch hier erfolgt
dann eine unmittelbare Zerstäubung direkt in die Umgebung.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Brennstoffzellensystem I einen Abscheider 13 aufweist,
welcher mit der Brennstoffzelle 1 vorzugsweise verbunden
ist.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführung ist die Zerstäubervorrichtung 11 in
den Abscheider 13, insbesondere in dessen Gehäuse,
integriert. Auch hier ist dann vorgesehen, dass über die Öffnung 15 der Zerstäubervorrichtung 11 das
in dem Abscheider 13 gesammelte Wasser direkt in die Umgebung
zerstäubt wird.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass der Abscheider 13 und die
Zerstäubervorrichtung 11 als separate Komponenten
ausgebildet sind.
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Bei
allen in den 1 bis 3 gezeigten und
darüber hinaus erläuterten Ausführungen
kann auch vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung 11 mit
der Abgasleitung 6 gekoppelt ist. So kann vorgesehen sein,
dass die Öffnung 15 in die Abgasleitung 6 mündet.
Bevorzugt ist diesbezüglich vorgesehen, dass die Öffnung 15 nahe
des Ausgangs 61 in die Abgasleitung 6 mündet.
Bei einer derartigen Ausgestaltung kann dann die Zerstäubung
des Wasser in die Abgasleitung 6 erfolgen. Bevorzugt erfolgt
die Zerstäubung in die Abgasleitung 6 am Ausgang 61, wodurch
dann auch die erzeugten zerstäubten Wasserpartikel noch
als derartige feinste Partikel am Ausgang 61 in die Umgebung
austreten. Dies ist bei einer derartigen mittelbaren Zerstäubung
in die Umgebung vorteilhaft, da dadurch die erneute große
Tropfenbildung oder sogar Bildung eines Wasserrinnsals in der Abgasleitung 6 vermieden
werden kann.
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In 4 ist
in einer schematischen Darstellung die Zerstäubervorrichtung 11 mit
der Öffnung 15 gezeigt. Darüber hinaus
ist die Fahrbahn 14 beispielhaft dargestellt. Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Öffnung 15 in einem Winkel α zur
Fahrbahn 14 orientiert ist, welcher größer
0° und kleiner 180° beträgt. Die parallel
zur Fahrbahn 14 verlaufende Achse A der Zerstäubervorrichtung 11 weist
einen Winkel α zur Achse B der Öffnung 15 auf.
Durch diese Anordnung wird stets gewährleistet, dass die
Zerstäubung des Wassers in die Umgebung stets von der Fahrbahn 14 weg
orientiert erfolgt. Die durch die Zerstäubung erzeugte
Wolke feinster Wasserpartikel wird somit zunächst quasi
von der Fahrbahn 14 weg nach oben hin in die Umgebung befördert.
Dadurch kann die Vergrößerung der Partikelwolke
ermöglicht werden und die auf die Fahrbahn 14 dann
gelangende Menge von Wasserpartikeln kann wesentlich reduziert werden
sowie auf eine wesentlich größere Fläche
verteilt werden. Die Gefahr der Glatteisbildung kann dadurch bei
tiefen Temperaturen deutlich vermindert werden.
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Primär
sammelt sich das Wasser auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 1,
und sekundär auf der Anodenseite. Daher sind die nachfolgenden
Ausführungsbeispiele in den 5 und 6 bevorzugte
Ausführungen, um das Wasser auf der Kathodenseite an die
Umgebung zerstäuben zu können. In 5 ist
ein Ablassventil (nicht dargerstellt) in der von dem Kathodenraum 3 wegführenden
Abgasleitung 6 angeordnet und die Zerstäubervorrichtung 11 ist
in das Ablassventil integriert. Ebenso kann zusätzlich
oder anstatt dazu zum Ablassventil 10 ein Abscheider 13 vorgesehen
sein, welcher unmittelbar an dem Kathodenraum 3 anschließt
oder, wie gezeigt, in der Abgasleitung 6 angeordnet ist.
In der Ausführung gemäß 5 mündet
die Öffnung 15 der Zerstäubervorrichtung 11 direkt
in die Umgebung und die Zerstäubervorrichtung ist in den
Abscheider 13 integriert.
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Bei
der Ausführung in 6 sind zwei
Abscheider 13 und 16 vorgesehen, von denen der
Abscheider 16 in der Abgasleitung 8 und der Abscheider 13 in
der Abgasleitung 6 angeordnet ist. Das von den Abscheidern 13 und 16 gesammelte
Wasser wird dann an die Zerstäubervorrichtung 11 geführt
und von dieser direkt in die Umgebung zerstäubt.
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Ist
die Zerstäubervorrichtung 11 separiert von beiden
Abscheidern 13 und 16 angeordnet, wird das jeweilige
gesammelte Wasser über Leitungen 17 und 18 an
die Zerstäubervorrichtung 11 geführt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Zerstäubervorrichtung 11 in
einen der Abscheider 13 oder 16 integriert ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Öffnung 15 nahe
am Ausgang 61 in die Abgasleitung 6 mündet
und das Wasser in die Abgasleitung 6 nahe am Ausgang 61 zerstäubt
wird.
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Anodenraum
- 3
- Kathodenraum
- 4
- Membran
- 5,
7
- Zuführleitungen
- 6,
8
- Abgasleitungen
- 9
- Rezirkulationsvorrichtung
- 10
- Ablassventil
- 11
- Zerstäubervorrichtung
- 12
- Leitungsteil
- 13,
16
- Abscheider
- 14
- Fahrbahn
- 15
- Öffnung
- 17,
18
- Leitungen
- 61
- Ausgang
- A,
B
- Achsen
- I
- Brennstoffzellensystem
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10359952
B4 [0002]
- - DE 60304255 T2 [0003]