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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Inertisierung eines Gasvolumens.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Mischsystem zur Inertisierung
eines Gasvolumens, ein Verfahren zur Inertisierung eines Gasvolumens,
ein Verkehrsmittel mit einem solchen Mischsystem zur Inertisierung
sowie die Verwendung eines solchen Mischsystems in einem Verkehrsmittel.
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TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND:
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Die
Inertisierung von Räumen bezeichnet den Vorgang, durch
Zugabe von reaktionsträgen (inerten) Gasen oder Dämpfen
in Luftsauerstoff oder reaktions- bzw. explosionsfähige
Gase oder Gasgemische aus Räumen zu verdrängen.
Bei der Inertisierung zum Brand- und Explosionsschutz wird der Luftsauerstoff
durch Zugabe von Inertgas wie beispielsweise Edelgase, wie Argon
oder auch Stickstoff und Kohlendioxid verdrängt, damit
eine explosionsfähige Atmosphäre vermieden wird.
Beim Brandschutz nennt man das auch aktive Brandvermeidung durch Permanent-Inertisierung.
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Seit
etwa 40 Jahren werden Halone zur Feuerlöschung an Bord
von Flugzeugen eingesetzt. Halone sind teil- oder ganzhalogenierte
Kohlenwasserstoffe, die chemisch in die Kettenreaktion des Feuers eingreifen
und so zu einem Abbruch der Reaktionen führen.
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In
Deutschland jedoch sind Halon-Feuerlöscher nicht mehr erlaubt,
da Halone eine schädliche Wirkung auf die Ozonschicht zeigen.
Nachdem durch das Montreal-Protokoll die Halone 1211 und 1301 (Bromchlordifluormethan
und Bromtrifluormethan) vom Markt verschwanden, haben einige Unternehmen
heute wieder neue Halone zu Feuerlöschzwecken im Programm,
die hinsichtlich ihrer ozonschädigenden Wirkung problemlos
sein sollen. Zumindest teilweise haben diese Halone auch bereits
eine EU-Zulassung erhalten. Die
WO 2007/054316 A1 und die
WO 2007/054314 Alzeigen ein Brandbekämpfungssystem
zum Löschen eines Brandes in einem Raum in einem Flugzeug
mit Hilfe einer Brennstoffzelle.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG:
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Es
kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine Vorrichtung
zur verbesserten Bereitstellung von Inertgas anzugeben.
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Es
sind ein Mischsystem zur Inertisierung eines Gasvolumens, ein Verfahren
zur Inertisierung eines Gasvolumens, ein Verkehrsmittel mit einem Mischsystem
zur Inertisierung sowie die Verwendung eines Mischsystems in einem
Verkehrsmittel gemäß den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche angegeben. Beispielhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen
das Mischsystem zur Inertisierung eines Gasvolumens, das Verfahren
zur Inertisierung eines Gasvolumens, das Verkehrsmittel mit einem
solchen Mischsystem sowie die Verwendung eines Mischsystems in einem
Verkehrsmittel.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Mischsystem zur
Inertisierung eines Gasvolumens angegeben, wobei dem Mischsystem ein
erstes Abgas einer Brennstoffzelle bereitstellbar ist und wobei
dem Mischsystem ein zweites Abgas eines Wasserstoffreformers bereitstellbar
ist. Dabei ist das Mischsystem derart eingerichtet, dass das erste
Abgas und das zweite Abgas zu einem Inertgasgemisch vermischbar
sind und das Inertgasgemisch in das Gasvolumen zur Inertisierung
leitbar ist.
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Dabei
kann das Mischsystem beispielsweise durch eine Mischkammer, eine
Rohrkreuzung oder auch lediglich die Verbindung zweier getrennter
Zuleitungen zu einer gemeinsamen Leitung ausgeführt sein.
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Das
erste Abgas einer Brennstoffzelle kann beispielsweise die Abluft
der Kathode der Brennstoffzelle sein, die mit dem Oxidationsmittel
umspült wird und das dort reduziert wird (Beispiele für
Oxidationsmittel sind Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Kaliumthiocyanat).
Es kann dabei auch Umgebungsluft die Kathode umspülen,
wobei der Sauerstoff in der Umgebungsluft dann an der Kathode oxidiert
wird.
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Dabei
sind verschiedenste Brennstoffzellentypen möglich, also
beispielsweise alkalische Brennstoffzellen, Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen,
Direktmethanol-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen,
Schmelzkarbon-Brennstoffzellen, oder auch eine Festoxid-Brennstoffzelle.
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Das
zweite Abgas kann beispielsweise das Abgas eines beliebigen Kohlenwasserstoff-reformers sein,
der dabei als Wasserstoffreformer dient. Nachdem in einem solchen
Wasserstoffreformer aus einem Kohlenwasserstoff-Wasser- Gemisch,
Kohlendioxid und reiner Wasserstoff erzeugt wurde, besteht die Abluft
und somit das zweite Abgas des Mischsystems überwiegend
aus Kohlenstoffdioxid. Die Kathodenabluft einer Brennstoffzelle
hingegen hat in der Regel einen Sauerstoffanteil von 6 bis 18 Volumenprozent.
Geregelt wird dieser durch den Luftumsatz (Stöchimetrie)
der Kathode. Durch Mischung der Kathodenabluft mit der Abluft aus
einem Wasserstoffreformer, welcher überwiegend aus Kohlenstoffdioxid besteht,
lässt sich der Sauerstoffanteil des Gasgemischs, das zur
Inertisierung verwendet werden soll, weiter reduzieren, wobei eine
gleichzeitige Erhöhung des Volumenstroms realisiert werden
kann.
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Je
nach Anforderung im konkreten Anwendungsfall kann die Schutzgasatmosphäre,
als welches das Inertgasgemisch fungieren kann, durch das Mischverhältnis
von Reformerabluft und Kathodenabluft, sowie durch die Kathodenstöchiometrie geregelt
werden. Dabei kann der Inhalt und die Zusammensetzung des Inertgasgemisches
hinsichtlich des Anteils an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid
bestimmt werden. Die weiteren Erzeugnisse der Brennstoffzelle wie
elektrischer Strom, Wasser und Wärme können vor
Ort verwendet werden, wie zum Beispiel in einem Flugzeug oder dienen
der Unterstützung des Produktionsprozesses bzw. der Unterstützung
des Unternehmens bei der Optimierung und Einsparung von sonst benötigten
Ressourcen.
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Wird
das Mischsystem hingegen in einer stationären Anlage verwendet,
kann die überschüssige Energie dem allgemeinen
Stromnetz zugeführt werden.
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Durch
die Kombination der sauerstoffreduzierten Kathodenabluft mit der
kohlendioxidreichen Abluft eines Wasserstoffreformers zur Inertisierung geschlossener
Räume, kann das bisher als zu entsorgendes Medium behandelte
Abgas des Wasserstoffreformers zu einer verbesserten, schnelleren,
billigeren und energiesparenderen Inertisierung beitragen. Somit
lässt sich die Sauerstoffkonzentration eines zu inertisierenden
Volumens weiter verringern, wobei gleichzeitig der Volumenstrom
erhöht werden kann. Dies kann eine doppelt positive Wirkung
auf das Inertisierungssystem, also das Mischsystem haben. Durch
die Kombination mit der Reformerabluft kann die benötigte
Brennstoffzellenleistung, welche für die Inertisierung
vorgesehen ist, reduziert werden. Ebenso wird sich bei der physischen
Auslegung des Brennstoffzellensystems nach den Anforderungen für
die Bereitstellung von sauerstoffarmer Luft durch dieses Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Größe des zu installierenden
Systems und die Leistung, die für die Erzeugung eines bestimmten
Volumenstroms mit gegebenem Sauerstoffgehalt erzeugen soll, verringern.
Somit kann ebenfalls die Energiemenge verringert werden, die notwendig
ist, um die zu inertisierenden Gasvolumen sauerstoffarm zu machen
bzw. zu halten.
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Dabei
können mit diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung
nicht nur Räume in Flugzeugen wie Flugzeugtanks, Kargoräume,
oder Aufbewahrungsräume für Lebensmittel inertisiert
werden, sondern beispielsweise auch eine Anwendung des Mischsystems
zur Erzeugung von Schutzgasatmosphären in der Metall- oder
Lebensmittelindustrie sind möglich und vorteilhaft. Beispielsweise
kann in der Metallindustrie bei industriellen Verfahren wie Schweißen,
Sintern und der Metallerzeugung ein solches Mischsystem eingesetzt
werden, um inerte Atmosphären bereitzustellen und beispielsweise
Oxidation der Prozessmaterialien zu verhindern.
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Ebenso
ist in der Lebensmittelindustrie die Schaffung von inerten Atmosphären
zur Erhöhung der Lagerfähigkeit von Lebensmitteln
erwünscht. Dabei kann es erwünscht sein, einen
gewissen Stickstoffanteil als Stützgas zur Verdrängung
von Sauerstoff einzusetzen, wohingegen Kohlendioxid bakteriostatisch
und fungiostatisch wirkt. Ein gewisser Anteil an Sauerstoff, der
in dem Inertgasgemisch verbleibt, kann beispielsweise zum Erhalt
der roten Fleischfarbe verwendet werden.
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Dabei
ist gerade in mobilen Anlagen und Verkehrsmitteln eine Kombination
aus bereits vorhandenen Ressourcen wie das erste Abgas einer Brennstoffzelle
und das zweite Abgas eines Wasserstoffreformers von besonderer positiver,
synergetischer Wirkung. Ein bisher ohnehin erzeugtes Abgas, das überwiegend
aus Kohlenstoffdioxid bestehende Abgas des Wasserstoffreformers,
wird nun nicht mehr aus dem System herausgeleitet, sondern kann
gewichtsreduzierend und energiereduzierend mit der Kathodenabluft
der Brennstoffzelle zur Herstellung von hypoxischen und inerten
Atmosphären verwendet werden. Gerade der Gewichtsvorteil,
der sich durch die Kombination beider Abgasströme zur Inertisierung
ergibt, ist im Umfeld der Luftfahrtindustrie, die sich immer größer
werdenden Umweltauflagen ausgesetzt sieht, von erheblicher Bedeutung.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist das erste Abgas die sauerstoffreduzierte Abluft einer Kathode
der Brennstoffzelle.
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Gemäß einem
weiteren Ausfürungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist das zweite Abgas die kohlendioxidreiche Abluft des Wasserstoffreformers.
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Ein
Wasserstoffreformersystem in beispielsweise einem Verkehrsmittel
kann zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen dienen.
Diese von der Brennstoffzelle unabhängige und separate Funktionalität
des Wasserstoffreformers kann durch die Verwendung des Reformerabgases
als Teil des Inertgasgemischs um eine weitere vorteilhafte Funktionalität
ergänzt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin eine Regeleinrichtung auf, wobei
die Regeleinrichtung derart eingerichtet ist, dass eine Einstellung
eines Mischverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten
Abgas bereitstellbar ist. Dabei ist die Regeleinrichtung weiterhin derart
eingerichtet, dass eine Einstellung einer Stöchiometrie,
bestehend aus Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und Kohlenoxid (zum
Beispiel Kohlenmonooxid, Kohlendioxid) einer Kathode der Brennstoffzelle
bereitstellbar ist.
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Dabei
ist die Regeleinrichtung in der Lage, die beiden Zuströme
des ersten und des zweiten Abgases hinsichtlich Druck und Volumenstrom
in das zu inertisierende Gasvolumen zu regeln und steuern. Durch
die Bestimmung des Mischverhältnisses zwischen dem ersten
und dem zweiten Abgas können somit verschiedene Anforderungen
an die Schutzgasatmosphäre, also an das Inertgasgemisch
realisiert werden.
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Weiterhin
ist die Regeleinrichtung derart eingerichtet, dass Rechnungen durchgeführt
werden können, die die Menge an Ausgangsstoffen (Edukten)
bestimmen sollen. Dabei müssen bei chemischen Reaktionen,
wie sie beispielsweise in einer Brennstoffzelle oder einem Wasserstoffreformer
ablaufen, gewisse Mengen an Edukten eingesetzt werden, um eine gewisse
Menge an Produkten zu erhalten. Dies kann durch die Regeleinrichtung
bereitgestellt werden. Dazu kann beispielsweise eine Recheneinheit
mit entsprechender Software in der Recheneinheit integriert sein.
Durch diese so genannten stöchiometrischen Rechnungen,
die die Regeleinrichtung durchführen kann, kann also die
gewünschte Einstellung des Wasserstoffreformers oder der Brennstoffzelle
bzw. die Einstellung der Zufuhr der Edukte wie das Anodengas und
das Kathodengas (zum Beispiel Wasserstoff als Anodengas und Luftsauerstoff
der Umgebungsluft als Kathodengas) bestimmt werden.
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Somit
kann die Regeleinrichtung also derart eingerichtet sein, dass sowohl
die Zufuhr der Brennstoffzelle mit den Reaktionsedukten einstellbar
ist, als auch das Mischverhältnis zwischen dem ersten und
dem zweiten Abgas einstellbar ist.
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Das
Mischverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Abgas
kann beispielsweise durch ein erstes Ventilsystem in einer ersten
Zuleitung und einem weiteren Ventilsystem in einer zweiten Zuleitung
aufgeführt sein. Allerdings ist es auch möglich, dass
die Betriebstätigkeit der Brennstoffzelle und des damit
korrespondierenden Abgasausstoßes direkt durch die Regleinrichtung
geregelt und gesteuert wird. Ebenso kann die Regeleinrichtung eingerichtet sein,
um den Wasserstoffreformer in seiner Betriebstätigkeit
und damit seinem Ausstoß an zweitem Abgas zu regeln und
zu steuern.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin eine Messvorrichtung auf, wobei
die Messvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Zusammensetzung
des Inertgasgemischs aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid
durch die Messvorrichtung bestimmbar ist. Weiterhin ist die Messvorrichtung
derart eingerichtet, dass ein erstes Signal auf Basis der Zusammensetzung
an die Regeleinrichtung sendbar ist.
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Weiterhin
können auch andere Stoffe und Gase, die in der Zusammensetzung
enthalten sein können durch die Messvorrichtung detektiert
und bestimmt werden.
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Die
Regeleinrichtung kann eine erste Messsonde aufweisen, die das Verhältnis
und die Zusammensetzung des Inertgasgemisches aus Stickstoff, Sauerstoff
und Kohlendioxid messen und bestimmen und an die Messvorrichtung
als Signal weiterleiten kann. Je nach gemessenem Wert der Zusammensetzung
kann die Messvorrichtung ein erstes Signal auf Basis dieser Zusammensetzung
an die Regeleinrichtung senden. Dabei ist die Regeleinrichtung derart eingerichtet,
das erste Signal entsprechend zu empfangen, zu lesen und weiterzuverarbeiten.
Somit kann ein geschlossener Regelkreislauf bereitgestellt werden,
der nach Überprüfung der Zusammensetzung des Inertgasgemisches
mittels der Regeleinrichtung die entsprechenden Schritte verursacht,
um ein verbessertes oder gewünschtes Mischverhältnis zwischen
dem ersten und dem zweiten Abgas bereitzustellen. Ebenso kann durch
diesen Regelkreislauf eine verbesserte Stöchiometrie einer
Kathode der Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Dieser Regelkreislauf
ermöglicht es, einen Sollwert oder eine Ideal-Inertgas-Zusammensetzung
zur realisieren und zu kontrollieren. Damit kann ein automatischer
Sicherungsmechanismus bereitgestellt werden, der die Betriebstätigkeit
der Brennstoffzelle und des Wasserstoffreformers sowie die Qualität
des Inertgasgemisches untersucht und kontrolliert. Ein mögliches Warnsignal
kann ebenso an den Benutzer oder Betreiber des Systems in Fällen
abweichender Werte gesendet werden.
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Ebenso
ist es möglich, dass die Regeleinrichtung getrennt sowohl
die Zusammensetzung aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid
des ersten Abgases sowie die Zusammensetzung aus Stickstoff, Sauerstoff
und Kohlendioxid des zweiten Gases bestimmt und entsprechende Feedbacksignale
an die Regeleinrichtung gibt. Dazu können z. B. unabhängige
Sonden in den einzelnen Zuleitungen angebracht werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist die Messvorrichtung derart eingerichtet, dass ein Sauerstoffanteil
des Gasvolumens bestimmbar ist, wobei die Messvorrichtung derart
eingerichtet ist, dass ein zweites Signal auf Basis des Sauerstoffanteils
an die Regeleinrichtung sendbar ist.
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Ebenso
können andere Stoffanteile an dem Gasvolumen detektiert
und bestimmt werden.
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Durch
dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Kontrollmechanismus
installiert werden, der den Sollwert des Sauerstoffanteils in dem
zu inertisierenden Gasvolumen überwacht. Somit kann beispielsweise
eine zweite Messsonde in dem zu inertisierenden Volumen angebracht
sein, die mit der Messvorrichtung in Verbindung steht. Sollte beispielsweise
die Betriebstätigkeit der Brennstoffzelle oder des Wasserstoffreformers
nicht in Ordnung sein und die austretenden Abgase Abweichungen von dem
Sollwert aufweisen, so ist dies mittels dieser zweiten Messsonde
in dem Gasvolumen zu detektieren. Aber auch im Falle eines ausbrechenden
Feuers in dem zu überwachenden Gasvolumen ist ein sinkender
Sauerstoffanteil bzw. das Aufkommen anderer Stoffe mittels des Sensors
detektierbar. Daraufhin können Signale an die Regeleinrichtung
gesendet werden, die wiederum das Mischverhältnis zwischen dem
ersten und dem zweiten Abgas anpassen und optimieren. Aber auch
eine direkte Steuerung der Betriebstätigkeit der Brennstoffzelle
und des Wasserstoffreformers hinsichtlich beispielsweise der Stöchiometrie
und der Zufuhr von Edukten kann erfolgen. Ebenso sind die Ventilsystem
in den Zuleitungen durch auf Grund des zweiten Signals durch die
Regeleinrichtung ansteuerbar.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist das Gasvolumen ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Gasvolumen in einem Treibstofftank, Gasvolumen in einem Flugzeugtank,
Gasvolumen in einem Flugzeugfrachtraum, Gasvolumen in einem feuergefährdeten Raum,
Gasvolumen um eine Maschine eines industriellen Verfahrens, Gasvolumen
in einem Lagerraum für Lebensmittel und Gasvolumen, um
ein zu verpackendes Objekt in einem Verpackungsprozess.
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Brennstoffzellen
können zur Inertisierung von Flugzeugtanks verwendet werden,
aber auch die Verwendung eines Reformersystems zur Onboard-Herstellung
von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen ist möglich. Durch
die Kombination von Kohlendioxid als Abgas des Reformers mit der
sauerstoffreduzierten Kathodenabluft der Brennstoffzelle lässt
sich die Sauerstoffkonzentration weiter verringern und gleichzeitig
der Volumenstrom erhöhen. Somit kann im Falle eines Gasvolumens
in einem Flugzeug zur Herstellung von hypoxischen und inerten Atmosphären
dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung eine leichtere,
schnellere, und energieeffizientere Inertisierung stattfinden. Ebenfalls
werden inerte Atmosphären bei industriellen Verfahren wie
Schweißen, Sintern und der Metallerzeugung eingesetzt,
um Oxidation der Prozessmaterialien zu verhindern. Dabei kann das
Mischsystem direkt mit einer Maschine gekoppelt sein, welche das
Inertgasgemisch verwendet. Ebenfalls werden inerte Atmosphären
zur Erhöhung der Lagerfähigkeit von Lebensmitteln
genutzt. Die Schutzatmosphären werden unter anderem in Form
von Flaschen angeliefert und dem Verpackungsprozess bzw. den Verpackungen
zugeführt. Je nach Ziel verwendet man unterschiedliche
angereicherte Atmosphären, wobei Stickstoff als Stützgas und
zur Verdrängung von Sauerstoff eingesetzt wird, Kohlendioxid
hingegen wirkt bakteriostatisch und fungistatisch und Sauerstoff
dient zum Erhalt der roten Fleischfarbe. Diese Funktionalitäten
können durch das Mischsystem bereitgestellt werden.
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Mittels
der oben beschriebenen Wechselwirkung in der Regeleinrichtung und
der Messvorrichtung kann ein Gasvolumen in einem feuergefährdeten
Raum überwacht und bei Ausbruch eines Feuers entsprechend
angepasst inertisiert werden. Aufgrund der Kombination der beiden
Abgasströme der Brennstoffzelle und des Reformers kann
eine schnellere Inertisierung und damit eine schnellere Brandlöschung gewährleistet
werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin die Brennstoffzelle zur Bereitstellung
von zumindest dem ersten Abgas auf.
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Dabei
können beispielsweise das Abwasser, Strom und die Abwärme,
die als Produkte des Brennstoffzellenprozesses vorliegen, weiterhin
in der Umgebung des Mischsystems verwendet werden. So kann beispielsweise
der produzierte Gleichstrom einem Wechselrichter zugeführt
werden, welcher Wechselstrom erzeugt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin den Wasserstoffreformer zur Bereitstellung von
zumindest dem zweiten Abgas auf.
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Dabei
kann das während des Reformprozesses entstehende Wasser
nach oder vor einer möglichen Filterung weiterhin beispielsweise
dem Personal des Flugzeuges zur Verfügung gestellt werden. Somit
kann eine Gewichtseinsparung des benötigten mittransportierten
Wassers erreicht werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin einen Kondensator auf, wobei der
Kondensator derart eingerichtet ist, dass der Wasseranteil des Inertgasgemisches
reduzierbar ist.
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Um
den nötigen Grad an Trockenheit in dem Inertgasgemisch
zu erzeugen, die zur jeweiligen Anwendung des Gasgemisches benötigt
wird, ist zumindest ein Kondensator für das Inertgasgemisch
oder jeweils ein separater Kondensator für das erste Abgas
und das zweite Abgas bereitgestellt. Dabei kann der Kondensator
als Wärmetauscher fungieren und kann die Feuchtigkeit des
jeweiligen Abgases reduzieren, also des ersten Abgases der Brennstoffzelle oder
des zweiten Abgases des Wasserstoffreformers.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
weist das Mischsystem weiterhin einen Filter auf, wobei der Filter
derart eingerichtet ist, dass das Inertgasgemisch von unerwünschten
Partikeln trennbar ist.
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Dabei
können mehrere Partikelarten durch den Filter aus dem Inertgasgemisch
herauszufiltern sein, die für die Verwendung des Gemischs
nicht erwünscht sind. Beispielsweise können Stickoxide, Schwefeloxide
und Kohlenmonoxide oder Kohlendioxide von dem Gemisch getrennt oder
gefiltert werden. Aber auch Russpartikel, die aus dem Wasserstoff
erzeugenden System stammen, können separiert werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist ein Verkehrsmittel mit einem Mischsystem zur Inertisierung angegeben.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist ein Verkehrsmittel mit einem Mischsystem zur Inertisierung angegeben, wobei
das Verkehrsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Flugzeug, Helikopter, Zug, Automobil, Verkehrsmittel im öffentlichen
Personenverkehr, Schiff, Rakete, Satellit und Verkehrsmittel zur militärischen
Nutzung.
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Dabei
wird deutlich, dass das Mischsystem besonders im Falle von mobilen
Einsatzorten wie einem Flugzeug oder Automobil Gewichts reduzierend, Energie
reduzierend und Kosten reduzierend wirkt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist ein Verfahren zur Inertisierung eines Gasvolumens angegeben,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen
eines ersten Abgases einer Brennstoffzelle, Bereitstellen eines
zweiten Abgases eines Wasserstoffreformers, Vermischen des ersten
Abgases mit dem zweiten Abgas zu einem Inertgasgemisch, Leiten des Inertgasgemisch
in das zu inertisierende Gasvolumen.
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Weiterhin
kann ein Schritt Ausströmen des Inertgasgemisches in dem
zu intertisierenden Gasvolumen in dem Verfahren enthalten sein.
Dadurch wird das kombinierte Gasgemisch vorteilhaft genutzt, um
zum Beispiels eine Brandgefahr zu reduzieren oder ein entstandenes
Feuer zu löschen.
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Dieses
Verfahren zur Herstellung von inerten Atmosphären kann
beispielsweise zum stationären Brandschutz, zur Inertisierung
von Flugzeugtanks, zur Erhöhung der Lagerfähigkeit
von verpackten Lebensmitteln bzw. schutzbedürftigen Waren
und Produkten sowie für industrielle Verfahren wie Schweißen,
Sintern und der Metallerzeugung verwendet und angewendet werden.
Dabei ist durch die Kombination von Kohlendioxid als Abgas des Reformers
mit der sauerstoffreduzierten Kathodenabluft der Brennstoffzelle
weiterhin eine Sauerstoffkonzentration verringerbar wobei der Volumenstrom
gleichzeitig erhöht werden kann. Diese doppelte Wirkung
auf das Inertisierungssystem kann beispielsweise dazu führen,
dass die Brennstoffzellenleistung, welche für die Inertisierung
vorgegeben ist, reduziert werden kann. Weiterhin kann mittels dieses
Verfahrens ein Brennstoffzellensystem in seiner körperlichen
Auslegung drastisch verringert werden. Ebenso kann die Energiemenge,
die notwendig ist, um einen zu inertisierenden Gasraum zu erzeugen
oder sauerstoffarm zu halten, verringert werden. Somit sind auch
die Kosten einer Inertisierung durch das Verfahren und das Mischsystem
reduzierbar.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist die Verwendung eines Mischsystems zur Inertisierung in einem
Verkehrsmittel angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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Weitere
Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung beschränkt
sich aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele.
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Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt
eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Mischsystems
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Mischsystems
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 zeigt
ein Verfahren zur Inertisierung eines Gasvolumens gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt
eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Verkehrsmittels
mit einem Mischsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON EXEMPLARISCHEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Im
folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In
der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen
oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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1 zeig
Mischsystem 1 zur Inertisierung eines Gasvolumens 2 wobei
dem Mischsystem ein erstes Abgas 3 einer Brennstoffzelle 4 bereitstellbar ist
und wobei dem Mischsystem ein zweites Abgas 5 eines Wasserstoffreformers 6 bereitstellbar
ist. Dabei ist das Mischsystem derart eingerichtet ist, dass das erste
Abgas und das zweite Abgas zu einem Inertgasgemisch 7 vermischbar
sind; und wobei das Mischsystem derart eingerichtet ist, dass das
Inertgasgemisch in das Gasvolumen zur Inertisierung leitbar ist.
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Weiterhin
zeigt 1 zeigt ein Mischsystem 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein zu inertisierendes
Gasvolumen 2 gezeigt, welches mit einem Inertgasgemisch 7 beströmt wird.
Dabei besteht das Inertgasgemisch 7 aus einem ersten Abgas 3 und
einem zweiten Abgas 5. Das erste Abgas 3 kann
beispielsweise Kathodenabluft einer Brennstoffzelle sein, die je
nach Stöchiometrie der Kathode 8 verschiedene
stoffliche Zusammensetzungen aufweisen kann. Das zweite Abgas 5 hingegen
kann von einem Wasserstoffreformer 6 stammen und wird in
eine zweite Zuleitung 20 in Richtung der Kreuzung der Zuleitungen 21 geleitet.
Dort kann die erste Zuleitung 19 mit der zweiten Zuleitung 20 verbunden
werden, so dass die Kombination von Kohlendioxid als Abgas des Reformers
mit der sauerstoffreduzierten Kathodenabluft der Brennstoffzelle vollzogen
wird.
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Eine
Regeleinrichtung 9 kann dabei derart eingerichtet sein,
dass sie sowohl einen ersten und einen zweiten regulierbaren Verschluss 22 und 23 in der
ersten bzw. in der zweiten Zuleitung hinsichtlich des Durchflusses
des ersten bzw. des zweiten Abgases steuern und regeln kann. Dabei
können der erste und der zweite Verschluss beispielsweise
als mechanische, elektrische oder auch magnetische Ventile ausgestaltet
sein. Die Regeleinrichtung 9 ist dabei drahtgebunden oder
drahtlos mit den jeweiligen anzusteuernden Elementen wie den Verschlüssen 22 und 23 verbunden.
Dies ist durch die Verbindungslinien zwischen der Regeleinrichtung 9 und
beispielsweise dem Verschluss 22 gezeigt. Weiterhin ist
die Regeleinrichtung 9 derart eingerichtet, dass sie die Brennstoffzelle 4 in
ihrem vollumfänglichen Betrieb wie beispielsweise dem Zufluss
des Anoden- und des Kathodengases sowie hinsichtlich der Steuerung
der Stöchiometrie der Kathode steuern und regeln kann. Aber
auch das Regeln und Einstellen des Betriebes des Wasserstoffreformers 6 ist durch
die Regeleinrichtung 9 hinsichtlich seiner Produktion des
zweiten Abgases 5 in Volumen und Zusammensetzung regelbar.
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Die
Messvorrichtung 10 kann beispielsweise zwei Messsonden 24 und 25 ansteuern,
wobei die erste Messsonde 24 in der Inertgasgemischleitung 38 angebracht
sein kann. Damit ist es möglich, die Zusammensetzung des
Inertgasgemisches 7 genau zu bestimmen und ein entsprechendes
Signal von der ersten Messsonde 24 an die Messeinheit 10 zu senden.
Daraufhin kann ein erstes Signal 11 von der Messvorrichtung
an die Regelvorrichtung 9 gesendet werden, um entsprechende
Schritte wie die Veränderung des Betriebes der Brennstoffzelle
oder des Reformers sowie eine Veränderung des Zustandes
der beiden Verschlüsse 22 und 23 zu veranlassen.
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Ebenso
kann eine zweite Messsonde 25 in dem zu inertisierenden
Gasvolumen angebracht sein, wobei diese Messsonde die chemische
und stoffliche Zusammensetzung sowie beispielsweise die Temperatur
und den Druck in dem Gasvolumen messen kann und ein entsprechendes
Signal an die Messvorrichtung 10 sendbar ist. Weiterhin
kann die Messvorrichtung 10 ein zweites Signal 12 an
die Regeleinrichtung 9 senden, woraufhin die Regeleinrichtung 9 die
Steuerung und Regelung der Brennstoffzelle des Wasserstoffreformers
und der beiden Verschlüsse anpassen und variieren kann.
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Dabei
ist das gezeigte Mischsystem 1 sowohl als mobile Anlage
ausgestaltbar, als auch eine Anwendung in einem Verkehrsmittel ist
möglich.
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2 zeigt
ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
und zeigt ein Mischsystem 1 mit einer Brennstoffzelle 4 und
einem Wasserstoffreformer 6. Dabei wird dem Wasserstoffreformer
z. B. Erdgas 26 und Wasser 27 zugeführt,
so dass er in einem Reformprozess Wasserstoff 28 der Brennstoffzelle 4 zur
Verfügung stellen kann. Als Abgas des Wasserstoffreformers
ist das zweite Abgas 5 gezeigt, welches durch einen Filter 16 von
unerwünschten Partikeln befreit wird. Anschließend
kann das zweite Abgas 2 von einem Kondensator 15 von einem
Großteil seines Wassers befreit werden, wobei der Kondensator 15 als
Wärmetauscher fungiert. Dieses Wasser 32 kann
weiteren Elementen des Systems zugeführt werden. Aber auch
eine Nutzung in anderen Bereichen, beispielsweise im Flugzeug als
Trinkwasser, ist möglich. Parallel dazu erzeugt die Brennstoffzelle 4 neben
Wasser 32 und Abwärme 33 einen Gleichstrom 29,
der einem Wechselrichter 30 zugeführt werden kann,
um Wechselstrom 31 zu produzieren. Bei dem Prozess innerhalb
der Brennstoffzelle, in welcher die Elektroden, die durch eine Membran
oder einen Elektrolyt voneinander getrennt sind, wird die Anode
mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff, Methan,
Methanol, oder Glukoselösung), der wiederum dort oxidiert
wird. Die Kathode ist mit dem Oxidationsmittel umspült
(zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Kaliumthiocyanat),
welches dort reduziert wird. Die sauerstoffreduzierte Abluft der
Brennstoffzelle, das erste Abgas 3 kann beispielsweise
danach einem Kondensator 15 zugeführt werden,
um darin enthaltenes Wasser 32 von dem ersten Abgas zu
trennen.
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In
einem weiteren Schritt können das erste Abgas nach dem
Kondensator 34 und das zweite Abgas nach dem Kondensator 35 zusammen
vermischt werden, um das Inertgasgemisch 7 zu bilden. Dies kann
beispielsweise in einer Mischkammer 36 vollzogen werden,
die als geschlossenes Volumen ausgestaltet sein kann. Aber auch
eine Kreuzung der Rohrleitungen, wie beispielsweise in 1 gezeigt,
ist möglich. Eine darauf folgende Verteilung des Inertgasgemisches
in die zu inertisierenden Gasvolumen 2 kann über
Leitungen 37 erfolgen.
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3 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung von inerten Atmosphären 18 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein erster Schritt
Bereitstellen eines ersten Abgases einer Brennstoffzelle S1 gezeigt,
der durch einen zweiten Schritt Bereitstellen eines zweiten Abgases
eines Wasserstoffreformers S2 ergänzt wird. Das Vermischen
des ersten Abgases mit dem zweitem Abgas zu einem Inertgasgemisch
S3 und das Leiten des Inertgasgemisches in das zu inertisierende
Gasvolumen S4 bilden mit dem Ausströmen des Inertgasgemisches
in dem zu inertisierenden Gasvolumen S5 eine erste Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei kann dieses
Verfahren zur Herstellung von inerten Atmosphären zum stationären
Brandschutz, zur Inertisierung von Flugzeugtanks, zur Erhöhung
der Lagerfähigkeit von verpackten Lebensmitteln bzw. von
schutzbedürftigen Waren und Produkten sowie für
industrielle Verfahren wie Schweißen, Sintern und der Metallerzeugung
verwendet werden.
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Durch
Mischung der Kathodenabluft mit der Abluft aus einem Wasserstoffreformer,
welche überwiegend aus Kohlenstoffdioxid besteht, lässt
sich der Sauerstoffanteil weiter reduzieren bei gleichzeitiger Erhöhung
des Volumenstroms. Je nach Anforderung kann die Schutzgasatmosphäre
(Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid) durch das Mischverhältnis
von Reformerabluft und Kathodenabluft sowie durch die Kathodenstöchiometrie
geregelt werden. Die weiteren Erzeugnisse der Brennstoffzelle (elektrischer Strom,
Wasser, Wärme) können vor Ort verwendet werden,
wie zum Beispiel in einem Flugzeug oder dienen der Unterstützung
des Produktionsprozesses bzw. unterstützen das Unternehmen
bei der Optimierung und Einsparung von Ressourcen. In stationären Anlagen
kann die überschüssige Energie dem allgemeinen
Stromnetz zugeführt werden.
-
4 zeigt
ein Verkehrsmittel mit einem Mischsystem 17 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es ist ein
Flugzeug 14 gezeigt, welches mehrere zu inertisierende
Gasvolumen 2 aufweist, wobei das Inertgasgemisch 7 durch einerseits
eine Brennstoffzelle 4 und andererseits ein Wasserstoffreformer 6 bereitgestellt
wird. Diese Mischung der beiden unabhängig gewonnenen Abgastypen
lässt sowohl die Sauerstoffkonzentration weiter sinken,
aber auch eine gleichzeitige Erhöhung des Volumenstroms
wird realisiert. Bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems nach
Anforderungen für die Bereitstellung von sauerstoffarmer
Luft, wird sich durch diese Erfindung die Größe
des zu installierenden Mischsystems und die Leistung für
die Erzeugung eines bestimmten Volumenstroms mit einem gewissen
vorgegebenen Sauerstoffgehalt drastisch verringern lassen. Dadurch
wird ebenfalls die Energiemenge verringert, die notwendig ist, um
Flugzeugtanks hinreichend sauerstoffarm zu halten. Eine damit einhergehende
Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung im Flugzeugbereich ist
dabei von entscheidender Bedeutung.
-
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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- 1
- Mischsystem
- 2
- zu
inertisierendes Gasvolumen
- 3
- erstes
Abgas
- 4
- Brennstoffzelle
- 5
- zweites
Abgas
- 6
- Wasserstoffreformer
- 7
- Inertgasgemisch
- 8
- Kathode
- 9
- Regeleinrichtung
- 10
- Messvorrichtung
- 11
- erstes
Signal
- 12
- zweites
Signal
- 13
- Treibstofftank
- 14
- Flugzeug
- 15
- Kondensator/Wärmetauscher
- 16
- Filter
- 17
- Verkehrsmittel
mit Mischsystem
- 18
- Verfahren
zur Inertisierung
- 19
- erste
Zuleitung
- 20
- zweite
Zuleitung
- 21
- Kreuzung
der Zuleitung
- 22
- erster
regulierbarer Verschluss
- 23
- zweiter
regulierbarer Verschluss
- 24
- erste
Messsonde
- 25
- zweite
Messsonde
- 26
- Erdgas
- 27
- Wasser
- 28
- Wasserstoffzufuhr
- 29
- Gleichstrom
- 30
- Wechselrichter
- 31
- Wechselstrom
- 32
- Wasser
- 33
- Abwärme
- 34
- erstes
Abgas nach Kondensator
- 35
- zweites
Abgas nach Kondensator
- 36
- Mischkammer
- 37
- Leitungen
zu den zu inertisierenden Gasvolumen
- S1
- Bereitstellen
eines ersten Abgases einer Brennstoffzelle
- S2
- Bereitstellen
eines zweiten Abgases eines Wasserstoffreformers
- S3
- Vermischen
des ersten Abgases mit dem zweiten Abgas zu einem Inertgasgemisch
- S4
- Leiten
des Inertgasgemischs in das zu inertisierende Gasvolumen
- S5
- Ausströmen
des Inertgasgemisches in dem zu intertisierenden Gasvolumen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/054316
A1 [0004]
- - WO 2007/054314 [0004]