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Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Anodenkreislauf. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung des Anodenkreislaufs oder eines Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Anodenkreislauf.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können insbesondere in Fahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Leistung, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung, eingesetzt werden. Unter Fahrzeugen im Sinne der Erfindung können dabei alle schienengebundenen oder schienenlosen Landfahrzeuge mit Fahrer oder mit einem autonomen Fahrsystem verstanden werden. Ebenso können Wasserfahrzeuge oder Luftfahrzeuge als Fahrzeuge angesehen werden, wobei insbesondere bei Luftfahrzeugen, neben der Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, hier insbesondere die Erzeugung von elektrischer Leistung für ein Bordnetz des Fahrzeugs im Vordergrund steht.
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Derartige Brennstoffzellensysteme weisen häufig Niedertemperaturbrennstoffzellen in Form von sogenannten PEM-Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen auf. Die Brennstoffzelle selbst besteht dann typischerweise aus einer Vielzahl von einzelnen PEM-Zellen, welche in der Brennstoffzelle zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel oder -stack aufgestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack weist dabei einen Anodenraum und einen Kathodenraum auf. Dem Kathodenraum wird typischerweise Luft oder ein sauerstoffhaltiges Medium zugeführt, dem Anodenraum Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Medium. Nun ist es so, dass zur maximalen Ausnutzung der verfügbaren aktiven Fläche der Brennstoffzelle im Bereich des Anodenraums ein sogenannter Anodenkreislauf aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist. Ein solcher Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle umfasst eine Rezirkulationsleitung, welche einen Ausgang des Anodenraums der Brennstoffzelle mit dem Eingang des Anodenraums der Brennstoffzelle verbindet, und welcher typischerweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung aufweist. Durch den Anodenkreislauf kann ein Überschuss an Brennstoff verwendet werden, da unverbrauchtes Abgas aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle über die Rezirkulationsfördereinrichtung wieder zurück in den Anodenraum der Brennstoffzelle transportiert wird. Dem Anodenraum der Brennstoffzelle wird es dann typischerweise vermischt mit frischem Brennstoff zugeführt. Hierdurch entsteht ein vergleichsweise großer Volumenstrom an Brennstoff durch den Anodenraum. Die zur Verfügung stehende aktive Fläche der Brennstoffzelle wird damit ideal ausgenutzt und entstehendes Produktwasser wird durch den vergleichsweise grollen Volumenstrom gut aus dem Anodenraum ausgetragen.
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Nun ist es so, dass in bestimmten Betriebssituationen der Brennstoffzelle bzw. eines mit der Brennstoffzelle ausgestatteten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulation nicht gewünscht ist, da beispielsweise beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems durch den Anodenkreislauf und das rezirkulierte Abgas vergleichsweise viel aus der Brennstoffzelle bereits ausgetragene Feuchtigkeit bzw. kondensierte Feuchtigkeit wieder in den Anodenraum eingetragen wird. Außerdem kann es bei einem Start bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu einer Eisbildung im Bereich der Zuleitung von rezirkuliertem Abgas und mit diesem vermischten frischen Brennstoff kommen, was den Start der Brennstoffzelle hinauszögern würde. Diese Aspekte sind für den Kaltstart einer Brennstoffzelle mit einem Anodenkreislauf ein gravierender Nachteil.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist es aus der
DE 10 2007 057 451 A1 bekannt, eine Bypassleitung um eine beispielsweise als Gasstrahlpumpe und damit als Rezirkulationsfördereinrichtung ausgebildete Dosiereinheit vorzusehen, um im Kaltstartfall diese Gasstrahlpumpe entsprechend zu umgehen, beispielsweise falls diese im Bereich ihrer Düse eingefroren ist. Unweigerlich ergibt sich dadurch auch eine Verhinderung der Rezirkulation, wodurch sich auch die oben genannten Nachteile teilweise vermeiden lassen. Die Problematik bei dem in der
DE 10 2007 057 451 A1 beschriebenen Aufbau ist nun jedoch die, dass dieser vergleichsweise komplex ist und zahlreiche Bauteile benötigt. Diese sind entsprechend teuer, schwer und benötigen einen vergleichsweise großen Bauraum. Außerdem sind auch sie wiederum gefriergefährdet, falls der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgen soll.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf anzugeben, welcher alle genannten Nachteile vermeidet und ein einfaches, sicheres und zuverlässiges Starten der mit ihm ausgerüsteten Brennstoffzelle ermöglicht. Außerdem soll ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines solchen Anodenkreislaufs im Kaltstartfall angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 9 angegeben. Außerdem gibt der Anspruch 10 eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens an. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den abhängigen Vorrichtungsansprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf ist es vorgesehen, dass eine Ventileinrichtung zum Absperren einer Strömung durch die Rezirkulationsleitung in der Rezirkulationsleitung angeordnet ist. Eine solche Ventileinrichtung kann unabhängig davon, wie die Rezirkulationsfördereinrichtung aufgebaut ist, durch ein Absperren der Rezirkulationsleitung in bestimmten Betriebssituationen eine Rezirkulation außerordentlich einfach und effizient unterbinden. Hierdurch wird angefallenes Kondensat nicht in die während des Starts noch kalte Brennstoffzelle zurücktransportiert, sondern es wird lediglich das geschlossene Volumen des Anodenkreislaufs auf den Arbeitsdruck angehoben und frischer Brennstoff, welcher in den Anodenkreislauf einströmt, vermischt sich mit der im Ruhezustand im Anodenkreislauf typischerweise befindlichen Luft. Hierdurch wird sehr schnell ein ausreichender Wasserstoff-Partialdruck in dem Anodenraum erreicht. Die Brennstoffzelle kann so sehr schnell aktiviert werden, ohne dass angefallenes Kondensat und in der Brennstoffzelle auskondensierende Flüssigkeit den Startvorgang behindert oder verzögert.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Ventileinrichtung dabei als Absperrventil oder Klappe ausgebildet sein. Ein einfaches Absperrventil oder eine einfache Klappe können ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Kosten effizient in den Anodenkreislauf integriert werden. Hierdurch kann zumindest zeitweise während des Kaltstarts der rezirkulierte Gasstrom abgesperrt werden.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung in die Rezirkulationsfördereinrichtung integriert ausgeführt ist. Eine solche in die Rezirkulationsfördereinrichtung integrierte Ventileinrichtung ist hinsichtlich des Bauraumbedarfs noch kleiner zu realisieren, da beispielsweise im ohnehin vorhandenen Anschlussbereich für die Rezirkulationsfördereinrichtung eine solche Ventileinrichtung sehr einfach platziert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs kann es dabei vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung als Gasstrahlpumpe ausgebildet ist, welche vom frischen Brennstoff antreibbar ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann die Ventileinrichtung dabei in der Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, wobei durch die Ventileinrichtung eine Ansaugöffnung für den rezirkulierten Gasstrom verschließbar ist. Eine solche Integration der Ventileinrichtung in die Gasstrahlpumpe ist besonders einfach und effizient, da hierdurch der rezirkulierte Gasstrom abgesperrt und die Rezirkulationswirkung der Gasstrahlpumpe unterbunden wird.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon kann es dann vorgesehen sein, dass eine Düse für den Treibstrahl zentral in einem mit der Ansaugöffnung verbundenen Ansaugbereich positioniert ist, wobei die Düse in ihrer axialen Richtung verschieblich ist, wobei die Größe der Verbindung zwischen dem Ansaugbereich und einer Mischzone je nach axialer Position der Düse ihren vollen durchströmbaren Querschnitt oder keinen durchströmbaren Querschnitt aufweist. Durch die Möglichkeit, die Düse in axialer Richtung zu verschieben, lässt sich also der Strömungsquerschnitt im Ansaugbereich bis auf Null verringern. Hierdurch wird sehr einfach und effizient im kleinsten durchströmbaren Querschnitt des gesamten Anodenkreislaufs ein Verschließen eben dieses Querschnitts erreicht. Der mechanische Aufwand und die Größe der hierfür erforderlichen Bauelemente sind minimal, da an keiner anderen Stelle in dem Anodenkreislauf ein geringerer durchströmbarer Querschnitt vorliegt. Ein Verschließen des geringsten möglichen Querschnitts gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs ist also baulich besonders einfach und lässt sich mit kleinen, leichten und kostengünstigen Mitteln sehr effizient realisieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ist es nun vorgesehen, dass während des Startvorgangs die Ventileinrichtung zumindest zeitweise geschlossen wird. Ein solches zumindest zeitweise Schließen der Ventileinrichtung während des Startvorgangs ermöglicht ein Unterbinden der Rezirkulation, wodurch einerseits verhindert wird, dass angefallenes Kondensat in die kalte Brennstoffzelle zurücktransportiert wird und wodurch in dem geschlossenen Anodenkreislauf der Arbeitsdruck sehr schnell erreicht wird und dementsprechend sehr früh ein ausreichend hoher Wasserstoff-Partialdruck für das Aktiveren der Brennstoffzelle vorliegt.
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Falls in dem Anodenkreislauf, wie allgemein bekannt und üblich, ein Wasserabscheider und ein Ablassventil für Wasser vorhanden ist, dann kann dieses idealerweise vor dem Öffnen der Ventileinrichtung ebenfalls zumindest kurzzeitig geöffnet werden, um im Bereich der Rezirkulationsleitung und des in ihr angeordneten Wasserabscheiders angefallenes Kondensat abzulassen und somit den Eintrag eben dieses Kondensats in den Bereich der Brennstoffzelle nach dem Öffnen der Ventileinrichtung selbst zu verhindern.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, liegt der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs darin, dass dieser ideal geeignet ist, um einen Start bzw. Kaltstart der Brennstoffzelle bzw. eines mit ihr ausgerüsteten Brennstoffzellensystems zu erreichen. Da Kaltstartbedingungen insbesondere bei mobilen Brennstoffzellensystemen eine entscheidende Rolle spielen, da beispielsweise Fahrzeuge häufig abgestellt und wieder gestartet werden müssen, liegt die besonders bevorzugte Verwendung des Anodenkreislaufs bzw. des Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Anodenkreislauf in der Verwendung in Fahrzeugen. Die Verwendung in stationären Systemen wäre prinzipiell ebenso möglich, ist aufgrund der weniger häufig anfallenden Starts und der geringeren Anforderungen hinsichtlich einer möglichst kurzen Startzeit des Brennstoffzellensystems hier jedoch leichter entbehrlich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, welches einen Anodenkreislauf gemäß der Erfindung aufweist;
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2 eine alternative Ausführungsform für einen Anodenkreislauf gemäß der Erfindung; und
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3 eine mögliche Ausgestaltung der Integration einer Ventileinrichtung in eine Gasstrahlpumpe.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 zu erkennen, welches zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, insbesondere von elektrischer Antriebsleistung, für das Fahrzeug 1 ausgebildet sein soll. Kern des Brennstoffzellensystems 2 ist dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als PEM-Brennstoffzelle realisiert sein. Dieser Aufbau von Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen ist für Fahrzeuganwendungen allgemein bekannt und üblich. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5. Dem Kathodenraum 5 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als sauerstoffhaltiges Medium zugeführt. Diese Luft kann über einen optionalen Befeuchter 7 in den Kathodenraum 5 einströmen. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit Produktwasser beladene Abluft gelangt dann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum über den optionalen Befeuchter 7, in dessen Bereich sie ihre Feuchtigkeit an den trockenen Zuluftstrom zum Kathodenraum 5 abgibt, aus dem Fahrzeug 1. Weitere Komponenten im Bereich der Abluft wie beispielsweise eine Turbine oder dergleichen sind denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Da dies für hier vorliegende Erfindung nicht weiter von Bedeutung ist, wurde auf eine entsprechende Darstellung verzichtet.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über ein Dosier- und Regelventil 9 zugeführt. Der Wasserstoff strömt in den Anodenraum 4 ein und wird dort zumindest teilweise umgesetzt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 10 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11, welche hier als Wasserstoffrezirkulationsgebläse 110 angedeutet ist, zurück zum Eingang des Anodenraums 4 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 8 erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf 12 bezeichnet. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ist dabei typischerweise neben der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 außerdem ein Wasserabscheider 13 mit einem Ablassventil 14 angeordnet. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 reichert sich im Bereich des Anodenkreislaufs 12 nämlich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert ist, an. Das Wasser kann nun von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Da das Volumen des Anodenkreislaufs 12 konstant ist, sinkt mit zunehmendem Anteil an inerten Gasen in dem Anodenkreislauf 12 die Wasserstoffkonzentration. Neben dem Wasser kann daher über das Ablassventil 14 von Zeit zu Zeit oder beispielsweise in Abhängigkeit von Stoffkonzentrationen, der angefallenen Wassermenge oder dergleichen, Gas mit abgelassen werden, um die Konzentration an Wasserstoff in dem Anodenkreislauf 12 im gewünschten Bereich zu halten. All dies ist soweit, wie es bisher beschrieben worden ist, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Von den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen 2 unterscheidet sich das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 nun dadurch, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 außerdem eine Ventileinrichtung 15 angeordnet ist. Über diese Ventileinrichtung 15 lässt sich der rezirkulierte Gasstrom absperren. Hierdurch kann insbesondere beim Startvorgang zumindest zeitweise die Rezirkulation deaktiviert werden. Dadurch wird verhindert, dass anfallendes Kondensat in die kalte Brennstoffzelle 3 transportiert wird. Die Ventileinrichtung 15 kann beispielsweise als Magnetventil, wie in 1 angedeutet, oder als einfache aktiv betätigbare Klappe oder dergleichen ausgebildet sein. Dies ist außerordentlich einfach und effizient. Die Ventileinrichtung 15 kann somit einfach, kostengünstig, leicht und mit minimalem benötigtem Bauraum realisiert werden.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform des Anodenkreislaufs 12 zu erkennen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 als Gasstrahlpumpe 111 ausgebildet. Ansonsten entspricht der in 2 dargestellte Aufbau in seiner Funktionalität weitgehend dem in 1 dargestellten Aufbau. Da beim Einsatz einer Gasstrahlpumpe 111 als Rezirkulationsfördereinrichtung 11 eine Dosierung typischerweise über Ventile in der Gasstrahlpumpe 111 erfolgt, ist anstelle des Druckregel- und Dosierventils 9 in der Prinzipdarstellung der 1 hier ein Absperrventil 16 und ein Druckregelventil 17 dargestellt, wobei auf die Darstellung der eigentlichen Dosierventile in der Gasstrahlpumpe 111 verzichtet worden ist. Die Funktionalität mit der Ventileinrichtung 15 in der Rezirkulationsleitung 10 des Anodenkreislaufs 12 ist dabei im Wesentlichen dieselbe, wie in der Darstellung der 1 bereits beschrieben.
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Um nun weiter Bauraum einzusparen und den Aufwand für die Ventileinrichtung 15 weiter zu reduzieren, kann diese in die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 mit integriert ausgebildet sein. Dies soll in einer möglichen Ausführungsform in 3 am Beispiel der Gasstrahlpumpe 111 als Rezirkulationsfördereinrichtung 11 erläutert werden. Die Schnittdarstellung der 3 zeigt die Gasstrahlpumpe 111 sowie die Rezirkulationsleitung 10, welche im Bereich einer Ansaugöffnung 18 mit der Gasstrahlpumpe 11 verbunden ist. An die Ansaugöffnung 18 schließt sich ein ringförmiger Ansaugbereich 19 in der Gasstrahlpumpe 111 an, und zwar in Strömungsrichtung der Gase vor der eigentlichen Mischzone 20, dem Bereich des Anodenkreislaufs 12 mit dem geringsten durchströmbaren Querschnitt. Der frische Gasstrom aus dem Druckregler 17 strömt über eine Düse 21 für den Treibstrahl in den Bereich der Gasstrahlpumpe 111 ein. Diese Treibstrahldüse 21 läuft in ihrem vorderen Bereich konisch zu, ebenso wie der die Treibstrahldüse 21 umgebende Teil des Ansaugbereichs 19. Der aus der Treibstrahldüse 21 austretende Wasserstoffstrom als Treibgasstrom strömt in die Mischzone 20 ein und saugt über Unterdruck und Impulsaustausch den rezirkulierten Gasstrom aus dem Bereich der Ansaugöffnung 18 bzw. dem Ansaugbereich 19 an, sodass durch die Mischzone 20 ein Gemisch der beiden Gasströme im regulären Betrieb zum Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömt. Durch das Verschieben der Treibstrahldüse 21 ist es nun möglich, diese in ihrer axialen Richtung, wie durch den Doppelpfeil 22 angedeutet, so zu verschieben, dass das in der Darstellung der 3 rechte Ende der Treibstrahldüse 21, welches außerdem mit einer Elastomerdichtung 23 versehen ist, dichtend an den Wandungen des Ansaugbereichs 19 anliegt. Hierdurch wird die Verbindung zwischen der Mischzone 20 und der Ansaugöffnung 18 verschlossen und eine Rezirkulation von Gas in dem Anodenkreislauf 12 verhindert. Die in axialer Richtung 22 verschiebbare Treibstrahldüse 21 bildet also in diesem Bereich die Ventileinrichtung 15 aus. Dies ist ein besonders kompakter Aufbau, da im Ansaugbereich 19 bzw. in der Mischzone 20 der geringste durchströmbare Querschnitt des Anodenkreislaufs 12 vorliegt. Diesen zu verschließen ist daher mit entsprechend einfachen und klein bauenden Elementen möglich, sodass mit minimalem Energieaufwand die sehr kleine und effiziente Ventileinrichtung 15 betätigt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057451 A1 [0005, 0005]
