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Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung einen Anodenkreislauf um einen Anodenraum einer Brennstoffzelle nach der im Anspruch 10 näher beschriebenen Art.
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Wasserabscheider für Anodenkreisläufe in Brennstoffzellensystemen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
WO 2008/052578 einen derartigen Anodenkreislauf, bei welchem in an sich bekannter Art und Weise über eine Rezirkulationsleitung Abgas aus einem Anodenraum einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt und diesem vermischt mit frischem Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, erneut zugeführt wird. Um das im Anodenraum der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser aus dem Abgas abzuscheiden und nicht in den Anodenraum zurückzuführen, um ein Fluten von Gasverteilungskanälen im Anodenraum zu verhindern, ist typischerweise ein Wasserabscheider vorgesehen. Über diesen Wasserabscheider kann dass angefallene Wasser dann beispielsweise von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Wasserstands oder dergleichen abgelassen werden. In der WO-Schrift ist es außerdem beschrieben, dass zusätzlich Gas über den Wasserabscheider mit abblasen wird, da sich in dem Anodenkreislauf mit der Zeit Inertgas, insbesondere Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle in den Anodenkreislauf diffundiert ist, anreichert. Aufgrund des konstanten Volumens des Anodenkreislaufs sorgt die ansteigende Stickstoffkonzentration dafür, dass die Wasserstoffkonzentration entsprechend abnimmt und die Performance der Brennstoffzelle darunter leidet. Deshalb kann das Abblasen beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit eines Konzentrationssensors, beispielsweise eines Stickstoffkonzentrationssensors, vorgenommen werden. Bei diesem Abblasen wird dann Gas aus der Rezirkulationsleitung, in der genannten WO-Schrift insbesondere aus dem Wasserabscheider, abgeblasen, um so wieder eine höhere Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf zu ermöglichen.
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Da in dem abgeblasenen Abgas immer auch Reste von Wasserstoff vorhanden sind, kann das abgeblasene Abgas beispielsweise, wie es in der
US 6,124,054 beschrieben ist, in eine katalytisch aktive Einheit geleitet werden, um so mit Sauerstoff abzureagieren. Diese katalytische Einheit kann beispielsweise ein eigens hierfür vorgesehener Kat-Brenner oder der im Kathodenraum der Brennstoffzelle vorhandene Katalysator sein.
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Wird das Restgas nun zusammen mit dem Wasser, wie in der oben genannten WO-Schrift abgeblasen, dann kann dies dazu führen, dass im Bereich des Katalysators bzw. des Kathodenraums durch das Wasser eine Benetzung der katalytischen Oberfläche erfolgt, sodass eine vollständige Abreaktion des Wasserstoffs nicht mehr in jeder Betriebssituation gewährleistet werden kann.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es deshalb außerdem bekannt und in der Einleitung der
WO 2008/052578 auch so beschrieben, dass getrennte Leitungen vorhanden sein können. Dies ist jedoch entsprechend aufwändig und macht den Aufbau durch zusätzliche Leitungen und zusätzliche Ventile sehr viel größer und aufwändiger.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Wasserabscheider für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welcher die genannten Nachteile vermeidet und einen einfachen, kompakten und zuverlässigen Aufbau gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wasserabscheider mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Anodenkreislauf mit einem derartigen Wasserabscheider mit den Merkmalen im Anspruch 10 diese Aufgabe.
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Der erfindungsgemäße Wasserabscheider sieht es vor, dass er einen Abscheidebereich und ein im bestimmungsgemäßen Einsatz darunter angeordnetes Wasserreservoir aufweist, wobei an der tiefsten Stelle des Wasserreservoirs eine Ablassleitung mit einem Ablassventil mündet. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass in dem Wasserreservoir ein Standrohr angeordnet ist, welches in eine Abblasleitung mit einem Abblasventil mündet und sich nach oben in das Wasserreservoir hinein erstreckt. Dieses Standrohr ragt dabei so weit in das Wasserreservoir hinein, dass es in jedem Fall bei der typischerweise auftretenden Füllhöhe an abgeschiedenem Wasser in dem Wasserreservoir an seinem im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Ende oberhalb des Wasserflüssigkeitsspiegels liegt. Dadurch ist in einem einzigen kompakten Aufbau des Wasserabscheiders sichergestellt, dass über die Ablassleitung mit dem Ablassventil Wasser sicher und zuverlässig abgelassen werden kann, und dass unabhängig vom Wasserstand über die Abblasleitung und das den Wasserstand überragende Standrohr aus dem Inneren des Wasserabscheiders Gas abgeblasen werden kann, sodass dieses abgeblasene Gas in jedem Fall frei von Wasser ist und einfach und effizient beispielsweise in einen katalytischen Brenner oder den Kathodenraum eingeleitet werden kann, ohne dort durch den Eintrag von Wasser die Funktionalität zu stören.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist es vorgesehen, dass das Ablassventil und das Abblasventil als eine Ventileinrichtung ausgebildet sind. Eine solche Ventileinrichtung, welche sowohl die Ablassleitung als auch die Abblasleitung steuert, ist besonders einfach und effizient, da sie zusammen mit dem Wasserabscheider sehr kompakt aufgebaut werden kann, und da sie gegenüber einem Aufbau mit getrenntem Wasserablass über einen Wasserabscheider und getrenntem Gasablass an einer anderen Stelle des Anodenkreislaufs deutlich einfacher, kompakter und mit weniger Teilen zu realisieren ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass die Ventileinrichtung als 4/3-Wegeventil ausgebildet ist, welches eine Geschlossenstellung, eine Ablassstellung und eine Abblasstellung aufweist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und kompakt und kann so realisiert werden, dass entweder die Ablassleitung und die Abblasleitung geschlossen sind oder jeweils eine der Leitungen geöffnet ist. Die prinzipiell auch denkbare Lösung, bei der gleichzeitig Wasser abgelassen und Gas abgeblasen werden kann, wäre im Prinzip auch denkbar, ist für den Betrieb des Wasserabscheiders bzw. des mit dem Wasserabscheider ausgestatteten Anodenkreislaufs jedoch nicht nötig, sodass auf diese zusätzliche Stellung zugunsten eines einfacheren Aufbaus der Ventileinrichtung auch leicht verzichtet werden kann.
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In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist es vorgesehen, dass das Ablassventil über einen Füllstandssensor in dem Wasserreservoir angesteuert ist. Ein solches Ansteuern des Ablassventils über einen Füllstandssensor stellt sicher, dass ab einer bestimmten Füllhöhe das Wasser sicher und zuverlässig abgelassen wird, sodass ein übermäßiges Ansteigen der Füllhöhe an Wasser in dem Wasserreservoir verhindert wird. Dies trägt dazu bei, dass Wasser nicht in das Standrohr eindringen kann und dann gegebenenfalls zusammen mit dem Gas aus dem Anodenkreislauf austreten könnte.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass der Füllstandssensor einen Schwimmer aufweist, welcher in seiner unteren Stellung die Ablassleitung verschließt. Ein solcher Schwimmer kann beispielsweise über einen Reed-Kontakt oder dergleichen die Ansteuerung des Ablassventils übernehmen. Gleichzeitig kann er so ausgeformt sein, beispielsweise kugelförmig, dass er in seiner unteren Stellung die Ablassleitung bzw. die Mündung der Ablassleitung in das Wasserreservoir entsprechend verschließt. Ist das Wasser gänzlich abgelaufen, dann kann bereits über den Schwimmer selbst ein Verschließen der Ablassleitung erfolgen, sodass über diesen Weg sicher und zuverlässig verhindert wird, dass Gas, welches Reste an Wasserstoff enthalten könnte, zusammen mit dem Wasser austritt.
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Bei dieser Ausgestaltung eines Füllstandssensors mit einem Schwimmer kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung außerdem vorgesehen sein, dass das Standrohr mit seiner Oberkante im bestimmungsgemäßen Einsatz oberhalb einer oberen Endstellung des Schwimmers in dem Wasserreservoir endet. Eine solche obere Endstellung des Schwimmers, welche dann ein Auslösen bzw. Öffnen des Ablassventils auslöst, kann also vorzugsweise so gewählt werden, dass diese in jedem Fall unterhalb des oberen Endes des Standrohrs angeordnet ist, sodass durch diesen Aufbau sicher verhindert werden kann, dass Wasser in das Standrohr eindringt und beim Abblasen von Gas mit diesem aus dem Anodenkreislauf gelangt.
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Der bevorzugte Einsatzzweck eines derartigen Wasserabscheiders gemäß der Erfindung liegt, wie bereits mehrfach erwähnt, in seinem Einsatz in einem Anodenkreislauf. Deshalb löst auch ein Anodenkreislauf mit einer um einen Anodenraum einer Brennstoffzelle verlaufenden Rezirkulationsleitung für Anodenabgas die Aufgabe, wobei in der Rezirkulationsleitung ein Wasserabscheider in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung angeordnet ist. Insbesondere bei einer solchen Anwendung ist es, wie bereits mehrfach erwähnt, sinnvoll und notwendig, dass einerseits Wasser sicher und zuverlässig ohne Restwasserstoff abgelassen wird und dass andererseits Restgase sicher und zuverlässig ohne Wasser abgelassen werden, um eine nachgeordnete Umsetzung des darin enthaltenen Restwasserstoffs beispielsweise an einer katalytischen Oberfläche oder im Rahmen einer Verbrennung nicht durch vorhandenes Wasser zu beeinträchtigen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Sowohl der Wasserabscheider als auch der Anodenkreislauf sind nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, welches ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung offenbart.
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Dabei zeigen:
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1 ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug; und
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines Wasserabscheiders gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Umfang dargestellt. Es ist innerhalb eines Fahrzeugs 2 angeordnet und soll elektrische Leistung, insbesondere elektrische Antriebsleistung, für das Fahrzeug 2 bereitstellen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine PEM-Brennstoffzelle 3, welche in an sich bekannter Art und Weise als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack 3 aufgebaut ist. Jede der Einzelzellen innerhalb des Brennstoffzellenstacks 3 umfasst dabei einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5, wobei zur Vereinfachung der Darstellung in der 1 lediglich ein Anodenraum 4 und ein Kathodenraum 5 sowie eine diese trennende protonenleitende Membran 6 prinzipmäßig angedeutet sind.
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Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 7 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft gelangt über eine Abluftleitung 8 aus dem Brennstoffzellensystem 1. Weitere Komponenten auf der Luftseite bzw. Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wie beispielsweise Befeuchter, Ladeluftkühler, Turbinen oder auch Wasserabscheider sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und sind hier weder dargestellt noch werden sie näher erläutert, da sie für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung sind. Sie konnten jedoch selbstverständlich vorhanden sein.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 10 zugeführt. Der Wasserstoff strömt in den Anodenraum 4 und wird dort teilweise mit dem Sauerstoff im Kathodenraum zu elektrischer Energie und Produktwasser umgesetzt. Das aus dem Anodenraum 4 abströmende Abgas, welches Restwasserstoff, Stickstoff, dampfförmiges und flüssiges Wasser sowie weitere inerte Gase enthalten kann, wird über eine Rezirkulationsleitung 11 zurückgeführt und gelangt zusammen mit dem über die Druckregel- und Dosiereinrichtung 10 zudosierten frischen Wasserstoff erneut in den Anodenraum 4. Dieser an sich bekannte Aufbau wird auch als Anodenkreislauf 12 bezeichnet. Um die Druckverluste innerhalb des Anodenraums 4 und innerhalb der Rezirkulationsleitung 11 auszugleichen, ist in einem Anodenkreislauf 12, und hier insbesondere in der Rezirkulationsleitung 11, typischerweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung 13 vorhanden. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Rezirkulationsgebläses ausgebildet. Sie könnte genauso gut in Form einer Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche über den frisch zudosierten Wasserstoff als Treibgasstrom den Abgasstrom aus der Rezirkulationsleitung 11 entsprechend ansaugt und über Unterdruckeffekte und Impulsaustausch wieder zum Anodenraum 4 zurückführt. Auch die Kombination einer solchen Gasstrahlpumpe mit einem Gebläse ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und könnte hier ebenfalls eingesetzt sein.
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In der Rezirkulationsleitung 11 ist außerdem in an sich bekannter Art und Weise ein Wasserabscheider 14 angeordnet. Über diesen Wasserabscheider 14, welcher später noch im Detail beschrieben werden wird, kann in dem Abgas enthaltenes Wasser in flüssiger Form abgeschieden werden. Im unteren Bereich des Wasserabscheiders 14 befindet sich dabei typischerweise ein Wasserreservoir 18 (in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen), in welchem sich Wasser sammelt, um von Zeit zu Zeit und/oder in Abhängigkeit des Füllstandes des Wasserreservoirs 18 über eine Ventileinrichtung 15 und eine Ablassleitung 16 abgelassen zu werden. Dieser Vorgang des Wasserablassens aus dem Anodenkreislauf 12 wird in der Fachsprache auch als Drain, gemäß dem englischen Begriff, bezeichnet. Die Ablassleitung 16 wird dementsprechend nachfolgend als Drain-Leitung 16 bezeichnet.
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Wie es aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist, kann über den Wasserabscheider 14 auch Gas aus der Rezirkulationsleitung 11 abgeblasen werden. Dieses Abblasen von Gas wird dabei dem englischen Begriff entsprechend in der Fachwelt als Purge bezeichnet. Eine Abblasleitung 17, welche nachfolgend dieser Logik folgend als Purge-Leitung 17 bezeichnet wird, ist in der Darstellung der 1 ebenfalls zu erkennen. Sie führt beispielhaft in den Bereich der Zuluftleitung zwischen der Luftfördereinrichtung 7 und dem Kathodenraum, sodass eventuell vorhandener Restwasserstoff in diesem Gas im Bereich des Kathodenraums an dem dort befindlichen Kathodenkatalysator mit Sauerstoff aus der geförderten Luft abreagieren kann, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden. Parallel dazu wäre es, wie es im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist, möglich die Purge-Leitung 17 in einen eigenen katalytischen Brenner zu führen, beispielsweise einen, welcher in Strömungsrichtung vor einer hier nicht dargestellten Turbine in der Abluftleitung angeordnet ist.
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Wünschenswert wäre es nun mit einem möglichst einfachen und kompakten Aufbau sicherzustellen, dass beim Purge über die Purge-Leitung 17 lediglich Gase abgeblasenen werden, um den Eintrag von flüssigem Wasser in den Bereich, welcher mit dem Purge-Gas beaufschlagt wird, zu verhindern. Andererseits sollte über die Drain-Leitung 16 ausschließlich Wasser abgelassen werden, um beispielsweise zu verhindern, dass Wasserstoff als Emission zusammen mit dem abgelassenen Wasser in die Umgebung gelangt.
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Um dies sehr einfach und mit einem kompakten und zuverlässig arbeitenden Aufbau zu erreichen, ist der Wasserabscheider 14 beispielsweise in der nachfolgend anhand der Darstellung in 2 beschriebenen Art und Weise aufgebaut. Die Darstellung in 2 zeigt dabei nur den unteren Teil des Wasserabscheiders 14, nämlich das Wasserreservoir 18 sowie die darin befindlichen Einbauten und die Ventileinrichtung 15, welche sowohl das Abblasventil (Purge-Ventil) als auch das Ablassventil (Drain-Ventil) im Aufbau einer einzigen Ventileinrichtung 15 umfasst. In der Darstellung der 2 ist das Wasserreservoir 18 in seinem bestimmungsgemäßen Einbau dargestellt. Am tiefsten Punkt des Wasserreservoirs 18 mündet die Purge-Leitung 16 und daneben die Drain-Leitung 17 in das Wasserreservoir 18. Die Purge-Leitung 16 weist an ihrem oberen Ende eine Kugelpfanne 19 auf, welche mit einem Schwimmer 20 zusammenwirken kann. Der Schwimmer 20 ist in der Darstellung so dargestellt, dass er auf der Oberfläche des Wassers aufschwimmt. Er wird über einen Käfig 21 in seiner Position gehalten. Innerhalb des Käfigs 21 kann der Schwimmer sich von unten nach oben bewegen. Gestrichelt ist dabei seine obere Endposition und strichpunktiert seine untere Endposition beispielhaft angedeutet. Der Schwimmer 20 wird dabei außerdem als Füllstandssensor eingesetzt und wirkt mit einem hier nur prinzipmäßig angedeuteten Reed-Kontakt 22 zusammen, welcher in der Lage ist, die obere Endposition des Schwimmers 21 zu erfassen. Auf Basis dieses erfassten Werts kann dann beispielsweise die Ventileinrichtung 15 entsprechend bewegt und die Drain-Leitung 16 freigegeben werden.
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Die Ventileinrichtung 15 ist dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als 4/3-Wegeventil ausgebildet. Sie weist drei unterschiedliche Schaltstellungen auf, nämlich in der Darstellung der 2 links eine Schaltstellung für das Ablassen von Wasser, also den Drain, in der Mitte eine verschlossene Schaltstellung und rechts eine Schaltstellung für das Abblasen von Gas, also den sogenannten Purge. Über zwei elektromagnetische Aktuatoren 23 sowie Rückstellfedern 24 wird die Ventileinrichtung betätigt bzw. zurückgestellt. Gelangt der Schwimmer 20 nun aufgrund des ansteigenden Standes an Wasser in dem Wasserreservoir 18 in seine obere Position, so kann über den Reed-Kontakt 22 die Betätigung der Ventileinrichtung 15 in der Art ausgelöst werden, dass die Drain-Leitung 16 entsprechend geöffnet und das Wasser abgelassen wird. Mit dem abfließenden Wasser sinkt der Schwimmer 20 ab und verschließt in seiner strichpunktiert dargestellten unteren Endposition durch ein zusammenwirken mit der Kugelpfanne 19 die Drain-Leitung 16 sicher und zuverlässig, sodass unabhängig von der Stellung der Ventileinrichtung 15 in dieser Situation Gase sicher und zuverlässig in dem Wasserreservoir 18 bzw. dem Wasserabscheider 14 zurückgehalten werden und nicht über die Drain-Leitung 16 an die Umgebung gelangen können. Die Ventileinrichtung 15 kann danach wieder in die mittlere geschlossene Stellung zurückgefahren werden. Hierfür kann beispielsweise ein Signal aus dem Abströmbereich des Wassers genutzt werden, welches anzeigt, dass hier kein Wasser mehr vorhanden ist. Auch über einen weiteren Reed-Kontakt, welcher die untere Position des Schwimmers 20 erfasst, könnte dieses Schließen ausgelöst werden.
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Die Purge-Leitung 17 in dem Wasserabscheider 14 bzw. dem Wasserreservoir 18 mündet nun in ein in dem Wasserreservoir 18 angeordnetes Standrohr 25. Das Standrohr 25 ist lediglich an seinem oberen Ende 26 geöffnet, wobei dieses obere Ende 26 im bestimmungsgemäßen Einsatz so angeordnet ist, dass es in jedem Fall oberhalb des maximal auftretenden Wasserspiegels in dem Wasserreservoir 18 liegt, insbesondere oberhalb der oberen Endposition des Schwimmers 20. Der Abstand zwischen dem durch die obere Endposition des Schwimmers 20 und gegebenenfalls der Schaltzeit, bis dass die Ventileinrichtung in ihre Drain-Stellung schaltet, vorgegeben ist, wird dabei vorzugsweise von dem Standrohr 25 nochmals um ein Stück überragt, um auch im Falle eines Schwappens des Wassers in dem Wasserreservoir 18 das Eindringen von Wasser in das obere Ende 26 des Standrohrs 25 sicher und zuverlässig zu verhindern. Um ein Schwappen einzudämmen, können ergänzend oder alternativ dazu auch zusätzliche Elemente wie Schwallbleche oder dergleichen vorhanden sein, welche ein Schwappen des Wassers entsprechend unterbinden und so das Eindringen von Wasser bei hohem Füllstand von Wasser in dem Wasserreservoir in das obere Ende 26 des Standrohrs 25 auch bei entsprechenden Vibrationen, einer Kurvenfahrt, der Fahrt des Fahrzeugs 2 über eine holprige Strecke oder dergleichen, sicher und zuverlässig zu unterbinden.
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Die Ventileinrichtung 15 kann nun beispielsweise in Abhängigkeit der Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf 12 oder auch zeitgesteuert, in Abhängigkeit des Ablassens des Wasser oder dergleichen, so angesteuert werden, dass die Ventileinrichtung 15 in ihre Purge-Stellung wechselt und so die Purge-Leitung 17 für das Abströmen von Gas freigibt. Da das Gas lediglich über das Standrohr 25 abströmen kann, wird verhindert, dass beim Purge gleichzeitig Wasser mit abströmt und in den Bereich, in den das Purge-Gas geleitet wird, gelangt.
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Der Aufbau ist dabei außerordentlich einfach, kompakt und effizient und erlaubt einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Anodenkreislaufs 12, bei dem Purge und Drain in jeder Betriebssituation sicher und zuverlässig voneinander getrennt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/052578 [0002, 0005]
- US 6124054 [0003]
