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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät mit einer Lagerkammer und Mitteln, durch die der Sauerstoffgehalt der Luft in der Lagerkammer verringerbar ist.
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Ein derartiges Haushaltsgerät ist aus
EP 0 418 133 A1 bekannt. Es hat im Innern einer Hauptlagerkammer ein im Wesentlichen luftdicht abtrennbares Fach, das mit sauerstoffabgereicherter Luft aus einem Trennmodul versorgt wird. Das Trennmodul umfasst eine semipermeable Membran, die für Sauerstoff durchlässiger ist als für Stickstoff. Durch die Membran hindurchgetretener Sauerstoff wird ins Freie abgegeben; das an Sauerstoff abgereicherte Restgas wird in das Fach eingespeist.
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Dieses herkömmliche Kältegerät hat einen hohen Energieverbrauch, einerseits durch den zum Betreiben des Trennmoduls benötigten Kompressor, zum anderen, weil die in das Fach eingespeiste sauerstoffabgereicherte Luft Kaltluft aus dem Lagerfach verdrängt und ihrerseits wieder gekühlt werden muss.
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Aus
WO 02/069723 A2 ist ein Behälter für die Aufbewahrung von Lebensmitteln in einem Kühlschrank bekannt, in dem zusätzlich zu einem Lebensmittel Mittel zum Verändern der Luftzusammensetzung im Innern des Behälters, insbesondere ein Sauerstoffverbraucher und eine Kohlendioxidquelle, untergebracht sind. Der Sauerstoffverbraucher umfasst Eisenpulver und ein Salz, das bei Zutritt von Wasser die Oxidation des Eisens durch den Sauerstoff der Behälterluft fördert.
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Dieser herkömmliche Behälter ist im Wesentlich geeignet, um bei einem Hersteller mit einem frischen Lebensmittel und den Mitteln zum Verändern der Luftzusammensetzung gefüllt zu werden, wobei dann die Menge des Eisenpulvers berechnet sein kann, um einen verringerten Sauerstoffgehalt der Luft im Behälter so lange aufrechtzuerhalten, wie ein Verbraucher voraussichtlich zum Verzehr des Lebensmittels benötigt. Eine systematische Nutzung eines solchen Behälters in einem Privathaushalt ist beschwerlich, da der Benutzer keine Möglichkeit hat, zuverlässig zu überprüfen, ob die die Luftzusammensetzung verändernden Mittel noch wirksam sind oder ausgetauscht werden müssen, verbrauchte Mittel entsorgt werden müssen und bei unsachgemäßer Handhabung die Gefahr besteht, dass die Wirksamkeit der Mittel noch vor ihrem Einsatz verloren geht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfing ist, ein Kältegerät zu schaffen, das es erlaubt, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln verbessernden Wirkungen einer sauerstoffabgereicherten Atmosphäre auch in einem Privathaushalt für beliebige Lebensmittel mit geringem Aufwand nutzbar zu machen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer und einem Oxidationsreaktor zum Beaufschlagen der Lagerkammer mit sauerstoffabgereicherter Luft der Oxidationsreaktor Sauerstoff aus der Luft der Lagerkammer mit einem gasförmige oder flüssige Oxidationsprodukte liefernden Brennstoff umsetzt. Die Notwendigkeit, die Oxidationsprodukte zu entsorgen, entfällt, da diese in einem Aggregatzustand freigesetzt werden, in dem sie den Oxidationsreaktor verlassen können. Ob der Oxidationsreaktor noch wirksam ist, ist auf einfache Weise am Vorhandensein oder fehlenden Vorhandensein von Brennstoff zu erkennen.
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Als Brennstoff kommen Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe sowie aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehende Verbindungen wie etwa Alkohole in Betracht. Viele dieser Verbindungen sind unter den am Kältegerät herrschenden Einsatzbedingungen gasförmig oder flüssig und dadurch einfach zu handhaben und zu dosieren.
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Zweckmäßigerweise kann ein Tank für den Brennstoff an den Oxidationsreaktor angeschlossen sein. Dann ist der vorhandene Brennstoffvorrat anhand eines Füllstandes oder -drucks des Tanks für den Benutzer leicht zu ermitteln. Es kann auch ein Sensor zum Erfassen des Füllstandes oder -drucks vorhanden sein, um einen Warnhinweis für den Benutzer automatisch erzeugen zu können, wenn der Brennstoffvorrat eine kritische Grenze unterschreitet.
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In einer den Tank mit dem Oxidationsreaktor verbindenden Leitung kann ein Absperrglied vorgesehen sein. Durch Schließen des Absperrglieds kann die Zufuhr von Brennstoff zum Oxidationsreaktor beendet werden, wenn eine gewünschte Sauerstoffabreicherung in der Luft der Lagerkammer erreicht ist.
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Einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zufolge weist der Oxidationsreaktor wenigstens einen mit der Lagerkammer kommunizierenden Luftanschluss und einen Brennstoffanschluss auf, und im Oxidationsreaktor ist ein poröses Substrat angeordnet, das den Luftanschluss und den Brennstoffanschluss voneinander trennt. So treffen Luft und Brennstoff an einer dem Luftanschluss zugewandten Seite des Substrats aufeinander und können dort reagieren, ohne dass unverbrannter Brennstoff sich mit der Luft vermischt und in die Lagerkammer gelangt.
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Die Tatsache, dass oben und auch in der weiteren Beschreibung von Brennstoff die Rede ist, soll nicht implizieren, dass in dem Oxidationsreaktor eine offene Verbrennung stattfindet. Bevorzugt ist vielmehr eine flammenlose Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators. Die katalytische Oxidation hat nicht nur den Vorteil der höheren Betriebssicherheit, sondern auch, dass die Umsetzung bei niedrigeren Temperaturen als bei einer Flammenverbrennung stattfinden kann.
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Um den Katalysator zu aktivieren, kann es zweckmäßig sein, eine Heizung vorzusehen. Vorzugsweise ist der Katalysator an der dem Luftanschluss zugewandten Seite des porösen Substrats angebracht, d.h. dort wo der Brennstoff und die Luft der Lagerkammer aufeinander treffen.
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Zweckmäßig ist auch, am Oxidationsreaktor einen Temperaturfühler vorzusehen. Die von diesem Fühler erfasste Temperatur erlaubt einen Rückschluss auf die Intensität der stattfindenden Reaktion und damit auf den Restsauerstoffgehalt der Luft; wenn wie oben erläutert eine Heizung und ein von ihr beheizter Katalysator vorhanden sind, kann über die Temperatur, auf die der Katalysator erhitzt wird, der Restsauerstoffgehalt der Luft, bei dem die Reaktion zum Erliegen kommt, beeinflusst und auf einen für die Haltbarkeit der Lebensmittel idealen Wert eingestellt werden.
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Einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung zufolge kommt als Oxidationsreaktor auch eine Brennstoffzelle in Betracht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Haushaltsgerät gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen Querschnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung; und
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3 einen Querschnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
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In 1 ist als Beispiel eines erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts ein Kühlschrank mit einem einzigen, von einem wärmeisolierenden Gehäuse 1 umgebenen, als Normalkühlfach temperierten Lagerfach 2, dargestellt. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Erfindung auch für anders temperierte Lagerfächer wie etwa ein Frischkühl-, Keller- oder Gefrierfach, anwendbar ist.
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Das Gehäuse 1 umfasst in fachüblicher Weise einen Korpus 3 und eine an den Korpus 3 angelenkte Tür 4, und ein Schalter 5 zum Erfassen des Öffnens und Schließens der Tür 4 ist an einem der Tür 4 zugewandten Rand des Korpus 3 angeordnet und mit einer Steuerschaltung 6 verbunden.
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Ein Oxidationsreaktor 7 ist bei der in 1 gezeigten ersten Ausgestaltung der Erfindung in dem wärmeisolierenden Gehäuse 1 untergebracht. Der Oxidationsreaktor 7 umfasst ein Gehäuse 8, dessen Inneres über wenigstens eine, hier über zwei Öffnungen 9 mit einem umgebenden Lagerfach 2 kommuniziert. An wenigstens einer der Öffnungen 9 kann ein (in der Figur nicht dargestellter) Ventilator angebracht und von der Steuerschaltung 6 gesteuert sein, um im Bedarfsfalle den Luftaustausch zwischen dem Oxidationsreaktor 7 und dem umgebenden Lagerfach 2 zu intensivieren.
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Das Innere des Gehäuses 8 ist durch ein poröses Substrat 10 unterteilt in einen Bereich 11, der über die Öffnungen 9 mit dem Lagerfach 2 in Verbindung steht, und einem Bereich 12, in den eine Brennstoffleitung 13 einmündet. Die Brennstoffleitung 13 verbindet den Bereich 12 mit einem Brennstofftank 14. Ein an der Brennstoffleitung 13 angeordnetes Absperrventil 15 ist von der Steuerschaltung 6 gesteuert.
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In der Darstellung der 1 befindet sich der Brennstofftank 14 auf einem niedrigeren Niveau als der Oxidationsreaktor 7. Er enthält daher vorzugsweise ein brennbares Gas wie etwa Wasserstoff oder einen kurzkettigen Kohlenwasserstoff, der, wenn das Absperrventil 15 offen ist, angetrieben durch seinen eigenen Druck zum Oxidationsreaktor 7 strömt.
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Der Brennstofftank 14 könnte auch einen in flüssigem Zustand dem Oxidationsreaktor 7 zuführbaren Brennstoff wie etwa Methanol oder Ethanol enthalten; in diesem Fall ist der Brennstofftank 14 vorzugsweise – abweichend von der Darstellung der 1 – oberhalb des Oxidationsreaktors 7 angeordnet, so dass der Brennstoff, wenn das Absperrventil 15 offen ist, angetrieben durch sein Gewicht den Oxidationsreaktor 7 erreichen kann.
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Das Substrat 10 ist an seiner dem Bereich 11 zugewandten Seite mit einem die Oxidation des Brennstoffs fördernden Katalysator 16 versehen. Eine – ebenfalls von der Steuerschaltung 6 steuerbare – elektrische Heizung 17, hier dargestellt als zwei Elektroden an entgegengesetzten Rändern des Substrats 10, kann an dem Substrat 10 angebracht oder in dieses integriert sein, wenn der Katalysator 16 zu seiner Aktivierung eine höhere als die unter normalen Betriebsbedingungen im Lagerfach 2 herrschende Temperatur benötigt.
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Ein mit der Steuerschaltung 6 verbundener Temperaturfühler 18 ist hier getrennt von der Heizung 17 dargestellt; es kann aber – unter Ausnutzung ihres temperaturabhängig veränderlichen Ohmschen Widerstands – auch die Heizung 17 selbst als Temperaturfühler dienen.
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Wenn der Schalter 5 der Steuerschaltung 6 ein Schließen der Tür 4 signalisiert, dann hat ein zumindest partieller Austausch der Luft im Lagerfach 2 stattgefunden, und die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Luft des Lagerfachs 2 unterscheiden sich nicht oder wenig von denen der Luft in der Umgebung des Kältegeräts. In Reaktion auf das Türschließsignal aktiviert die Steuerschaltung 6 zunächst die Heizung 17, um den Katalysator 16 zu aktivieren. Die Wirksamkeit des Katalysators ist im Allgemeinen eine kontinuierliche Funktion der von dem Temperaturfühler 18 erfassten Temperatur, so dass über die eingestellte Betriebstemperatur des Katalysators 16 festlegbar ist, ab welcher Restkonzentration von Sauerstoff in der Luft des Lagerfachs die Oxidationsreaktion am Katalysator 16 zum Erliegen kommt. Vorzugsweise ist die Temperatur passend für eine Sauerstoff-Restkonzentration von 3 % bis 5 % gewählt; eine solche Konzentration ist einerseits niedrig genug, um unter Sauerstoffzufuhr ablaufende Verderbnisprozesse stark zu verzögern, aber noch hoch genug, um anaerobe Prozesse zu unterbinden.
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Wenn der Katalysator 16 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, öffnet die Steuerschaltung 6 das Absperrventil 15, um Brennstoff in den Oxidationsreaktor 7 einzulassen. Dieser setzt sich am Katalysator 16 unter Freisetzung von Wärme mit dem Sauerstoff der Luft des Lagerfachs 2 um. Die freigesetzte Wärme wird vom Temperaturfühler 18 erfasst. Die Steuerschaltung 6 reagiert auf eine Erwärmung des Katalysators 16 über die vorgegebene Betriebstemperatur hinaus durch eine Verringerung der Leistung der Heizung 17 oder – je nach Energiegehalt des verwendeten Brennstoffs – durch Ausschalten der Heizung 17.
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In dem Maße, wie die Luft im Lagerfach 2 an Sauerstoff verarmt, nimmt die Freisetzung von Wärme am Katalysator 16 ab. Wenn die vom Temperaturfühler 18 erfasste Temperatur unter einen Grenzwert fällt oder wenn die zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur erforderliche Leistung der Heizung 17 einen Grenzwert übersteigt, dann kann daraus gefolgert werden, dass der Sauerstoffgehalt der Luft im Lagerfach 2 im gewünschten Maße abgenommen hat. Die Steuerschaltung 6 schließt daraufhin das Absperrventil 15 und schaltet, sofern sie es nicht bereits wie oben erwähnt zu einem früheren Zeitpunkt getan hat, die Heizung 17 wieder aus.
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Die Reaktionsprodukte der am Katalysator 16 abgelaufenen Reaktion gelangen über die Öffnung 9 ins Lagerfach 2. Diese Reaktionsprodukte sind CO2 und Wasserdampf in einem vom verwendeten Brennstoff abhängigen Mengenverhältnis. Wenn z.B. Butan (C4H10) als Brennstoff verwendet ist, und der Sauerstoffanteil der Luft des Lagerfachs von 20 % auf 7% abgereichert ist, entspricht dies der Freisetzung von 8 % CO2. Für die Lagerung von Obst und Gemüse bevorzugte CO2-Konzentrationen im Bereich von 3 % bis 5 % können eingestellt werden, indem ein höherer Restanteil an O2 als die erwähnten 7% zugelassen wird, oder indem ein Brennstoff oder Brennstoffgemisch mit niedrigerem Kohlenstoffanteil verwendet wird, der für die 13% verbrauchten Sauerstoffs nur 3% bis 5% CO2 liefert.
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Für die Lagerung von Fleisch oder Fisch wünschenswertere höhere CO2-Konzentrationen von 15 % bis 40 % sind durch Umsetzung des im Lagerfach enthaltenen Sauerstoffs allein nicht erreichbar; um diese zu erreichen, wird eine externe CO2-Quelle benötigt, insbesondere kann zusätzlich ein CO2-Druckbehälter 19 über ein von der Steuerschaltung 6 gesteuertes Absperrventil 20 mit dem Lagerfach 2 verbunden sein.
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Der bei der Verbrennung entstandene Wasserdampf schlägt sich wie vom Kühlgut abgegebene oder durch Türöffnen ins Lagerfach gelangte Feuchtigkeit an einem Verdampfer oder einer anderen gekühlten Oberfläche nieder und wird in an sich bekannter Weise zu einer außerhalb des Lagerfachs angeordneten Verdunstungsschale abgeführt.
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2 zeigt in einem zu 1 analogen Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel, das sich von dem der 1 in mehreren unabhängig voneinander realisierbaren Aspekten unterscheidet.
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Die Steuerschaltung und ihre Verbindungen zu Schaltern, Ventilen und Sensoren ist hier dieselben wie in 1, deshalb ist die Steuerschaltung in 2 nicht erneut dargestellt.
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Einem ersten Aspekt zufolge ist in dem vom Gehäuse 1 begrenzten Lagerfach 2 ein Teilfach 21 abgetrennt, hier in Form eines Kastens mit einer im Wesentlichen luftdicht schließenden Frontklappe 22. Der Schalter 5 ist hier an der Frontklappe 22 angeordnet, um die Oxidationsreaktion jeweils dann in Gang zu setzen, wenn ein Schließsignal vom Schalter 5 ein Schließen der Frontklappe 22 anzeigt. Da ein Öffnen der Tür 4 a priori keinen Einfluss auf die Luftzusammensetzung im Teilfach 21 hat, löst das Schließen der Tür 4 hier keinen Betrieb des Oxidationsreaktors 7 aus.
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Der Oxidationsreaktor 7 ist im Innern im Wesentlichen genauso aufgebaut wie mit Bezug auf 1 beschrieben, allerdings ist er – einem zweiten Aspekt dieser Ausgestaltung zufolge – außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet und mit dem Lagerfach 2 bzw. dessen Teilfach 21 über Leitungen 23, 24 verbunden.
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Die Leitungen 23, 24 einer Weiterbildung des zweiten Aspekts zufolge einen Wärmetauscher, hier z.B. indem die Leitung 23, durch die Luft aus dem Lagerfach 2 in den Oxidationsreaktor 7 strömt, innerhalb der zurück zum Lagerfach 2 verlaufenden Leitung 24 geführt ist. Die Leitung 24 kann somit Reaktionswärme der im Oxidationsreaktor 7 stattgefundenen Reaktion sowohl über ihre Außenwand an die Umgebung als auch über die Wand der Leitung 23 an die zum Reaktor 7 strömende Luft abgeben. So wird die Erwärmung des Lagerfachs 2 durch die Oxidationsreaktion minimiert, und gleichzeitig werden Wärmeverluste des Katalysators 16 durch die Vorwärmung der zugeführten Luft minimiert, so dass auch der Einsatz an Heizenergie zur Aktivierung des Katalysators 16 gering gehalten werden kann.
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Der bei der Verbrennung entstandene Wasserdampf kondensiert großenteils an den Wänden der Leitung 24. Es kann in Rinnen 28 am Fuß der Leitung 24 aufgefangen und zu einer (nicht dargestellten) Verdunstungsschale abgeleitet werden.
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3 zeigt in einem Teilschnitt ein Kältegerät gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Oxidationsreaktor 25, der als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Der Oxidationsreaktor 25 ist hier wie im Falle der 1 innerhalb des Lagerfachs 2 dargestellt, kann aber selbstverständlich auch außerhalb angeordnet sein, was insbesondere dann zweckmäßig ist, wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle deutlich über der des Lagerfachs 2 liegt. Hohe Betriebstemperaturen werden gegenwärtig noch benötigt, wenn als Brennstoff für die Brennstoffzelle nicht reiner Wasserstoff, sondern ein Kohlenwasserstoff oder ein Alkohol verwendet wird.
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Die Brennstoffzelle ist in 3 vereinfacht dargestellt als eine Elektrolytschicht 26, die auf zwei Seiten von gasdurchlässigen Elektroden 27, 28 eingeschlossen ist, wobei eine der Elektroden 27 der Luft des Lagerfachs ausgesetzt ist und die zweite Elektrode 28 dem über die Leitung 13 zugeführten Brennstoff. In der Praxis besteht die Brennstoffzelle 25 aus einem Stapel solcher zwischen Elektroden 27, 28 eingeschlossener Elektrolytschichten 26 und Zwischenräumen zwischen einander gegenüberliegenden Elektroden 27 bzw. 28, die mit Luft bzw. Brennstoff beaufschlagt sind. Um eine ausreichende Sauerstoffversorgung sicherzustellen, kann auch hier ein Ventilator vorgesehen sein, um die Zirkulation der Luft zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden 27 eines solchen Stapels anzutreiben.
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Da die Energie der in der Brennstoffzelle stattfindenden chemischen Reaktion zum überwiegenden Teil als elektrische Energie abgeführt wird, entsteht bei dieser Ausgestaltung weniger Abwärme als bei den Ausgestaltungen der 1 und 2, was den Energiebedarf einer das Lagerfach 2 kühlenden Kältemaschine verringert. Darüber hinaus kann die erzeugte elektrische Energie zur Versorgung einzelner Verbraucher des Kältegeräts genutzt werden, was dessen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie wiederum reduziert.
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Das bei der Umsetzung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehende Kohlendioxid entweicht als Gas aus der Brennstoffzelle. Entstehendes Wasser kann als Dampf abgegeben werden, oder es kann zunächst in flüssiger Form in der Elektrolytschicht zurückbleiben. In diesem Fall sollte die flüssige Phase der Elektrolytschicht von Zeit zu Zeit von überschüssigem Wasser befreit werden, um gleichbleibende Reaktionsbedingungen zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Lagerfach
- 3
- Korpus
- 4
- Tür
- 5
- Schalter
- 6
- Steuerschaltung
- 7
- Oxidationsreaktor
- 8
- Gehäuse
- 9
- Öffnung
- 10
- Substrat
- 11
- Bereich
- 12
- Bereich
- 13
- Brennstoffleitung
- 14
- Brennstofftank
- 15
- Absperrventil
- 16
- Katalysator
- 17
- Heizung
- 18
- Temperaturfühler
- 19
- Druckbehälter
- 20
- Absperrventil
- 21
- Teilfach
- 22
- Frontklappe
- 23
- Leitung
- 24
- Leitung
- 25
- Oxidationsreaktor
- 26
- Elektrolytschicht
- 27
- Elektrode
- 28
- Elektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0418133 A1 [0002]
- WO 02/069723 A2 [0004]
