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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, eine Klappe und die Verwendung einer Klappe hierfür.
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Stand der Technik
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Wegen ihres Potentials zur Senkung des CO2-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellen-Anlagen auf Basis von keramischen Zellen beziehungsweise Festoxidbrennstoffzellen (Englisch: Solide Oxide Fuel Cell, SOFC), die bei hohen Temperaturen, insbesondere in einem Bereich von 650 °C bis 1000 °C, betrieben werden, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgradpotentials besonders interessant.
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Verschiedene Umwelteinflüsse können sich negativ auf die Lebensdauer der einzelnen Komponenten und der Anlage auswirken. Als ein wichtiges Beispiel wäre hier das Problem eines Eintrages von Luft in einen Anodenbereich beziehungsweise Katalysatorbereich, beispielsweise die Anode eines Brennstoffzellenstapels und/oder den Katalysator des Pre-Reformers, zu nennen. Eindringende Luft kann insbesondere eine Oxidation der Anode bewirken und/oder im Pre-Reformer zu einer Oxidation des darin befindlichen Katalysators und somit zu seiner Deaktivierung führen. Beide Fälle können wiederum zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Anlage führen.
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Daher wird versucht, den Eintrag von Luftsauerstoff soweit wie möglich zu verhindern. Ein Pfad, über den Luft eindringen kann, ist die Abgasleitung.
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Bisher war es üblich, Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme, wenn sie nicht in Betrieb, jedoch heiß waren, beispielsweise im sogenannten Stand-by-Betrieb, mit Inertgasen zu spülen. Dies führt jedoch zu einem komplexeren Systemaufbau verbunden mit höheren Investitions- und Folgekosten, beispielsweise durch Bereitstellung der Inertgase.
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Eine weitere Möglichkeit wäre, den Abgasweg mit einem Ventil abzuschließen. Allerdings kann dies ein erhöhtes Sicherheitsrisiko für den Betrieb darstellen, da im Fehlerfall ein Ventil gegebenenfalls nicht öffnen könnte und es in der Folge zu einem unzulässigen Druckanstieg in der Anlage kommen könnte.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 031 280 A1 beschreibt einen Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems mit einer Rückführleitung, welche von einem Anodengasausgang eines Brennstoffzellenstapels über eine Rezirkulationspumpe zu einem Anodengaseingang des Brennstoffzellenstapels führt und wobei der Querschnitt der Rückführleitung durch jeweils ein Ventil vor und hinter dem Rezirkulationsgebläse verschließbar ist.
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Die Druckschrift
JP 2003-086209 A beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung deren Luftauslass mit einer Kappe oder einem Filter versehen ist, um ein Eindringen von Fremdkörpern, wie Insekten und Würmer, zu verhindern.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 020 762 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Abluftkanal zum Abführen von Luft, wobei im Abluftkanal eine Abluftklappe angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem (SOFC-Brennstoffzellensystem), mit einer Abgasleitung zum Ablassen von Abgas aus dem Brennstoffzellensystem.
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Insbesondere kann die Abgasleitung dabei zum Ablassen von Abgas aus dem Brennstoffzellensystem nach Außen ausgelegt sein.
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Erfindungsgemäß ist die Abgasleitung durch eine Klappe verschließbar und öffenbar. Die Klappe kann daher auch als Abgasklappe und/oder Verschlussklappe bezeichnet werden. Die Klappe kann dabei die Abgasleitung insbesondere beim Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes des Gasdrucks des Abgases in der Abgasleitung verschließen und beim Überschreiten des bestimmten Grenzwertes des Gasdrucks des Abgases in der Abgasleitung öffnen. Bei der Anwendung in Brennstoffzellensystemen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen (SOFC-Systemen), können die Anforderungen an eine solche Verschlussklappe jedoch anspruchsvoll sein. Insbesondere sollte eine Klappe für ein Brennstoffzellensystem derart ausgelegt sein, dass ein maximaler, insbesondere für das Brennstoffzellensystem zulässiger Gegendruck durch die Klappe nicht überschritten wird. Im geschlossenen Fall sollte die Klappe den Abgasweg jedoch möglichst dicht abschließen. Zudem sollte die Klappe für bei Brennstoffzellensystemen auftretenden Temperaturen und Gasgemischen geeignet sein.
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Die Klappe hat den Vorteil, dass hierdurch eine kostengünstige Lösungsmöglichkeit mit einem einfachen mechanischen Aufbau bereitgestellt wird, mit der Zustände verhindert werden können, in denen Luftsauerstoff durch die Abgasleitung beziehungsweise den so genannten Abgasstrang in das Brennstoffzellensystem strömen und/oder diffundieren kann und dort katalytische Oberflächen der Brennstoffzellen, insbesondere der Anoden der Brennstoffzellen, und des Pre-Reformers, beispielsweise auf der Basis von Nickel, oxidieren kann.
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Dadurch, dass ein Eintrag von Luftsauerstoff in das System und eine Oxidation von katalytischen Oberflächen durch die Klappe verhindert werden kann, kann vorteilhafterweise eine Schädigung des Brennstoffzellensystems beziehungsweise der Anlage verhindert und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems auf einfache Weise erhöht werden.
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Dadurch, dass die Klappe einen gasdruckabhängigen Öffnungsbeziehungsweise Verschlussmechanismus aufweist, kann vorteilhafterweise auf einfache Weise ein unzulässiger Druckanstieg in der Anlage vermieden und dadurch wiederum die Sicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
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Zudem ermöglicht es die Klappe vorteilhafterweise Betriebskosten, beispielsweise welche ansonsten durch aufwändiges Spülen mit Inertgas und/oder teure Lösungen mit Ventilen entstehen würden, zu vermeiden.
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Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad bei hoher Lebensdauer und Sicherheit der Brennstoffzellen sowie des gesamten Systems erzielt werden.
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Insbesondere kann die Klappe dazu ausgelegt sein, einen dichten und insbesondere sicheren Abschluss der Abgasleitung beziehungsweise des Abgaskanals zu gewährleisten. Vorzugsweise ist die Klappe dabei dazu ausgelegt, die Abgasleitung beziehungsweise den Abgaskanal soweit abzuschließen, dass innerhalb normaler Anlagenstillstandszeiten ein Eintrag von Luftsauerstoff sicher verhindert werden kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Klappe eine selbstschließende Klappe. Beispielsweise kann die Klappe durch ihr Eigengewicht, insbesondere den Gewichtsanteil des Klappendeckels der Klappe, selbstschließend sein. Beispielsweise kann die Klappe die Abgasleitung durch ihre Gravitationskraft verschließen und insofern der Gasdruck in der Abgasleitung einen bestimmten Grenzwert überschreitet, beispielsweise die Gravitationskraft der Klappe, insbesondere des Klappendeckels, sowie gegebenenfalls die Reibung eines Lagers der Klappe und/oder die Federkraft einer Feder, die Abgasleitung öffnen. Insbesondere kann die Klappe durch ein Drehgelenk gelagert sein.
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Beispielsweise kann der Grenzwert durch die Gravitationskraft der Klappe, insbesondere des Klappendeckels, und/oder die Reibung eines Klappenlagers und/oder die Federkraft einer Feder bestimmt werden. Insbesondere kann der Grenzwert – zumindest im Wesentlichen – durch die Gravitationskraft der Klappe, insbesondere des Klappendeckels, bestimmt werden.
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Vorzugsweise ist die die Klappe schließende Kraft, beispielsweise die Gravitationskraft des Klappendeckels, geringer als der maximale Abgasgegendruck des Brennstoffzellensystems. Der maximale Abgasgegendruck eines Brennstoffzellensystems beziehungsweise einer Brennstoffzellenanlage darf im Allgemeinen nur gering sein. Vorzugsweise ist dabei die Klappe derart ausgelegt, dass durch das Eigengewicht der Klappe, insbesondere des Klappendeckels, sowie Reibung im Lager der Klappe dieser maximale Gegendruck nicht überschritten wird.
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Insbesondere kann die Klappe derart ausgelegt sein, dass solange das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, das heißt Abgas produziert wird, die Klappe (und damit auch die Abgasleitung beziehungsweise der Abgasstrang) offen ist. Insbesondere kann dafür die Lagerung der Klappe, beispielsweise ein Drehgelenk, durch entsprechende Konstruktion, insbesondere dauerhaft, leichtgängig ausgeführt sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Klappe einen Klappendeckel, ein Drehgelenk und ein Befestigungsstück. Dabei kann der Klappendeckel direkt oder indirekt mit einem Teil des Drehgelenks verbunden oder verbindbar sein. Ein anderer Teil des Drehgelenks kann dabei als Befestigungsstück dienen, oder direkt oder indirekt mit dem Befestigungsstück verbunden oder verbindbar sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks beabstandet zu einer Ablassöffnung der Abgasleitung angeordnet. So kann vorteilhafterweise bei gleichem Öffnungswinkel der Klappe ein größerer Querschnitt des Abgasweges freigegeben werden.
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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks an der Ablassöffnung der Abgasleitung angeordnet. So kann die Klappe vorteilhafterweise mit einem besonders einfachen Aufbau realisiert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasleitung an ihrem Ende eine vertikale Erstreckung auf. Im Rahmen einer Ausgestaltung ist dabei der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks unterhalb der Ablassöffnung der Abgasleitung angeordnet. Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung ist dabei der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks in Höhe der Ablassöffnung der Abgasleitung.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Drehachse des Drehgelenks senkrecht zur Längsachse der Abgasleitung und/oder eine Tangente beziehungsweise Passante des Querschnitts der Abgasleitung.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Klappe weiterhin ein Zwischenstück. Das Zwischenstück kann dabei einerseits mit dem Klappendeckel und andererseits mit einem Teil des Drehgelenks verbunden oder verbindbar sein. Insbesondere können der Klappendeckel und das Zwischenstück einen Winkel in einem Bereich von ≥ 70 ° bis ≤ 110 °, beispielsweise von ≥ 80 ° bis ≤ 100 °, zum Beispiel von etwa 90 °, einschließen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungsstück an der Abgasleitung angeschweißt. Dabei kann das Befestigungsstück insbesondere als Anschweißstück bezeichnet werden.
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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist das Befestigungsstück an der Abgasleitung durch eine Rohrschelle, insbesondere lösbar, befestigbar oder befestigt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Klappe weiterhin einen Verschlussmechanismus auf. Der Verschlussmechanismus kann insbesondere dazu ausgelegt sein, bei Stillstand der Anlage die Klappe im geschlossenen Zustand zu halten beziehungsweise noch dichter zu verschließen. Dies kann beispielsweise durch einen Elektromagneten, der bei Abschaltung der Anlage einschaltet und die Klappe anzieht, realisiert werden. Insbesondere kann daher die Klappe einen Verschlussmechanismus auf der Basis eines Elektromagneten aufweisen, wobei der Elektromagnet bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems einschaltbar ist und die Klappe, insbesondere den Klappendeckel, anzieht.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Klappe eine Feder. Die Feder kann beispielsweise zum Schließen des Klappendeckels ausgelegt sein.
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Um die Dichtheit zu erhöhen, können die im geschlossenen Zustand aufeinanderliegenden Flächen, beispielsweise des Klappendeckels und der Abgasleitung, besonders behandelt und/oder beschichtet und/oder mit einer Dichtfläche versehen sein.
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Die, insbesondere mit der Klappe verschließbare und öffenbare, Abgasleitung kann beispielsweise einem Nachbrenner nachgeschaltet sein.
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Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere ein stationäres Brennstoffzellensystem, beispielsweise ein stationäres Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem beziehungsweise SOFC-Brennstoffzellensystem sein, zum Beispiel welches als Heizsystem oder als Ergänzung zu einem Heizsystem eingesetzt werden kann.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemabgasklappe, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellensystemabgasklappe.
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Die Klappe kann insbesondere beim Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes eines Gasdrucks eines Abgases in einer mit der Klappe ausgestatteten Abgasleitung schließbar und beim Überschreiten des bestimmten Grenzwertes des Gasdrucks des Abgases in der Abgasleitung öffenbar sein.
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Beispielsweise kann die Klappe einen Klappendeckel, ein Drehgelenk und ein Befestigungsstück umfassen. Der Klappendeckel kann dabei direkt oder indirekt mit einem Teil des Drehgelenks verbunden oder verbindbar sein. Dabei kann ein anderer Teil des Drehgelenks als Befestigungsstück dienen oder direkt oder indirekt mit dem Befestigungsstück verbunden oder verbindbar sein.
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Beispielsweise kann die Klappe zum öffenbaren Verschließen einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems, welche an ihrem Ende eine vertikale Erstreckung aufweist, ausgebildet sein.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemabgasklappe wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer beim Überschreiten eines bestimmten Gasdruck-Grenzwertes öffenbaren und beim Unterschreiten des bestimmten Gasdruckgrenzwertes schließbaren Klappe zum öffenbaren Verschließen einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemabgasklappe sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
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Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Klappe zum öffenbaren Verschließen einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und
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2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Klappe zum öffenbaren Verschließen einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems.
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Die 1 und 2 zeigen eine Abgasleitung 10 eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen beziehungsweise Festoxid-Brennstoffzellen-Einheiten aufweisen, welche jeweils mindestens eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Festoxidelektrolyten umfassen. Aus den Anodenbereichen kann dabei durch die Abgasleitung 10 Abgas nach außen abgelassen werden.
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Die 1 und 2 zeigen, dass die Abgasleitung 10 durch eine Klappe 20 verschließbar und öffenbar ist. Die Klappe 20 kann dabei die Abgasleitung 10 beim Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes des Gasdrucks des Abgases in der Abgasleitung 10 verschließen und beim Überschreiten des bestimmten Grenzwertes des Gasdrucks des Abgases in der Abgasleitung 10 öffnen. Insbesondere kann die Klappe 20 eine selbstschließende Klappe sein.
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Insbesondere zeigen die 1 und 2, dass die Abgasleitung 10 an ihrem Ende eine vertikale Erstreckung aufweist und mit einer Ablassöffnung 11 ausgestattet. Weiterhin zeigen die 1 und 2, dass die Klappe 20 einen Klappendeckel 21, ein Drehgelenk 22 und ein Befestigungsstück 23 umfasst, wobei die Drehachse 22a des Drehgelenks 22 senkrecht zur Längsachse 10a der Abgasleitung 10 und eine Tangente beziehungsweise Passante des Querschnitts der Abgasleitung 10 ist.
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Im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks 22 der Klappe 20 in Höhe der Ablassöffnung 11 beziehungsweise des Rohrendes der Abgasleitung 10 angeordnet. Der Klappendeckel 21 ist dabei direkt mit einem Teil des Drehgelenks 22 verbunden, wobei ein anderer Teil des Drehgelenks 22 direkt mit dem Befestigungsstück 23 verbunden ist.
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Im Rahmen der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Drehpunkt beziehungsweise die Drehachse des Drehgelenks 22 der Klappe 20 beabstandet zu der Ablassöffnung 11 und insbesondere unterhalb der Ablassöffnung 11 beziehungsweise nach unten versetzt angeordnet. Weiterhin umfasst die Klappe 20 dabei ein Zwischenstück 21a, welches 21a einerseits direkt mit dem Klappendeckel 21 und andererseits direkt mit einem Teil des Drehgelenks 22 verbunden ist, wobei ein anderer Teil des Drehgelenks 22 direkt mit dem Befestigungsstück 23 verbunden ist, welches ebenfalls als Anschweißstück ausgestaltet und an der Außenseite der Abgasleitung 10 angeschweißt ist. 2 zeigt weiterhin, dass der Klappendeckel 21 und das Zwischenstück 21a einen Winkel von in etwa 90 ° einschließen. So kann vorteilhafterweise bei gleichem Öffnungswinkel der Klappe 20 der im Rahmen der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ein größerer Querschnitt des Abgasweges freigegeben werden als im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform.
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In beiden in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist das Befestigungsstück 23 ein Anschweißstück, welches an das Ende der Abgasleitung 10 beziehungsweise des Abgasstranges angeschweißt werden kann. Die Anbringung kann jedoch auch durch eine andere Art vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Klappe 20 auch so ausgeführt werden, dass sie mit einer Rohrschelle oder ähnlichem an einem bereits befindlichen Rohr 10 angebracht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031280 A1 [0007]
- JP 2003-086209 A [0008]
- DE 102008020762 A1 [0009]
