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Die Erfindung betrifft eine Abluftanlage für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Abluftanlage.
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Abluftanlagen für Brennstoffzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere bei Brennstoffzellen in Brennstoffzellensystemen, die zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, spielt die Abluftanlage eine entscheidende Rolle. So ist es beispielsweise aus der
DE 10 2009 051 476 A1 bekannt, in einer Abluftanlage einen katalytischen Brenner anzuordnen, um Wasserstoffgas zu verbrennen und die thermische Energie über eine Abluftturbine zurückzugewinnen. Die
US 2009/0016401 A1 beschreibt einen katalytischen Brenner, dessen primäre Aufgabe es ist, Wasserstoff in der Abgasanlage eines Brennstoffzellensystems zusammen mit zugeführter Frischluft oder Spülluft, welche durch ein Gehäuse der Brennstoffzelle geleitet worden ist, zu verbrennen. Beide Ausführungen helfen Wasserstoffemissionen zu vermeiden.
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Eine weitere Problematik besteht darin, dass, insbesondere wiederum beim Einsatz in Fahrzeugen, kein flüssiges Wasser aus der Abluftanlage in die Umgebung gelangen soll, da beispielsweise ein Austropfen von Wasser zu einer Beeinträchtigung der Umgebung, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen zu einem Festfrieren des Wassers führen könnte. Dies ist höchst unerwünscht. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der
US 2011/0091782 A1 beschrieben, dass in einer Abluftanlage ein Wasserabscheider eingesetzt werden kann.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik, wie er beispielsweise von öffentlich betriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen der Anmelderin bekannt ist, ist es daher bekannt, einen Wasserabscheider in der Abluftanlage vorzusehen, welcher über eine Verbindungsleitung mit einer nachfolgenden Venturidüse verbunden ist. Wasser wird in dem Wasserabscheider aus der Abluft des Brennstoffzellensystems abgeschieden. Immer dann, wenn ein ausreichend großer Luftstrom vorliegt, kommt es in der Venturidüse prinzipbedingt zu einem Unterdruck, welcher das abgeschiedene Wasser in der Verbindungsleitung wieder ansaugt und zerstäubt an die Umgebung abgibt. Beim geringen Abluftstrom und insbesondere im Stillstand gelangt so keine Flüssigkeit direkt in die Umgebung, sondern diese wird nur dann zerstäubt in die Umgebung abgegeben, wenn ein ausreichender Abluftstrom vorhanden ist, sodass die Zerstäubung in jedem Fall sichergestellt ist.
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Aus Sicherheitsgründen ist es nun allgemein bekannt und üblich, dass in den Abluftanlagen von Brennstoffzellensystemen Wasserstoffsensoren vorhanden sind. Über diese Wasserstoffsensoren kann eine gegebenenfalls kritische Wasserstoffkonzentration in der Abluft ermittelt werden. In diesem Fall kann dann entsprechend reagiert werden, beispielsweise indem das System abgestellt wird, um ein weiteres Ansteigen der Wasserstoffkonzentration und/oder eine sicherheitskritische Situation zu verhindern.
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Die Wasserstoffsensoren werden insbesondere durch die in der Abluft einer Brennstoffzelle vorhandene Feuchte massiv beeinträchtigt. Die Lebensdauer der Wasserstoffsensoren wird dadurch erheblich verkürzt, was insbesondere aufgrund der relativ hohen Kosten für einen Wasserstoffsensor einen ganz erheblichen Nachteil darstellt. Da es sich um ein sicherheitsrelevantes Bauteil handelt, muss außerdem eine redundante Funktionalität bzw. eine lückenlose Überwachung der Funktion des Wasserstoffsensors vorgesehen werden. Auch dies ist entsprechend aufwändig und teuer.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Abluftanlage anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abluftanlage mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist ferner eine besonders bevorzugte Verwendung der Abluftanlage gemäß der Erfindung angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Abluftanlage ist zwischen dem Wasserabscheider und der Venturidüse eine Vorrichtung zur chemischen Umsetzung von Wasserstoff angeordnet. Eine solche Vorrichtung zur chemischen Umsetzung von Wasserstoff kann den gegebenenfalls in der Abluft vorhandenen Wasserstoff, welcher beispielsweise aufgrund von Leckagen oder durch das Eindüsen des Anodenabgases in die Abluft in dieser vorhanden ist, mit dem Restwasserstoff in der Abluft zu Wasser umsetzen. Die Vorrichtung zur chemischen Umsetzung des Wasserstoffs wird in ihrem Bereich ankommenden Wasserstoff immer dann umsetzen, wenn die Wasserstoffmenge so hoch ist, dass ein zündfähiges Gemisch von Wasserstoff und dem Restsauerstoff in der Abluft vorliegt. Hierdurch wird im Idealfall eine wasserstofffreie Abluft an die Umgebung abgegeben. Selbst für den Fall, dass sehr viel Wasserstoff vorliegt, welcher nicht gänzlich im Bereich der Vorrichtung abreagiert werden kann, führt die Vorrichtung in jedem Fall zu einer signifikanten Absenkung der Wasserstoffmenge in der Abluft. Die Gefahr, dass eine kritische Wasserstoffkonzentration überschritten wird, wird auch hierdurch deutlich verringert. Für den Fall, dass kein zündfähiges Gemisch vorliegt und damit keine Umsetzung des Wasserstoffs im Bereich der Vorrichtung stattfindet, wird die Mischung aus Wasserstoff und Abluft direkt in die Umgebung abgegeben. In diesem Fall ist dies dann jedoch auch unkritisch, da, wenn das Gemisch im Bereich der Vorrichtung nicht umgesetzt werden kann, auch keinerlei Brand- oder Explosionsgefahr von dem Gemisch ausgeht.
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Im Idealfall kann dann auf einen Wasserstoffsensor in der Abluftanlage gänzlich verzichtet werden, da sichergestellt werden kann, dass immer eine ausreichende Menge an Wasserstoff im Bereich der Vorrichtung zur chemischen Umsetzung des Wasserstoffs umgesetzt wird.
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Die Vorrichtung kann dabei in beliebiger Bauart realisiert sein. Verschiedene Möglichkeiten sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise eine permanent betriebene Zündkerze, ein Heizelement und/oder eine katalytische Oberfläche, an welcher der Wasserstoff abreagieren kann, denkbar. Auch andersartige Lösungen wie beispielsweise eine elektrochemische Umsetzung von Wasserstoff wären im Prinzip denkbar, sind jedoch aufwändig und teuer.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abluftanlage ist zwischen dem Wasserabscheider und der Venturidüse ein Temperatursensor zusammen mit der Vorrichtung oder in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung angeordnet. Ein solcher Temperatursensor kann sehr einfach und effizient einen Temperaturanstieg im Bereich der Vorrichtung zur Umsetzung des Wasserstoffs, oder auch in Strömungsrichtung nach dieser, in deren Abgas realisieren. Wenn der Temperaturanstieg einen vorgegeben Wert übersteigt, dann muss von deutlich mehr Wasserstoff in der Abluft ausgegangen werden, als dies gemäß der eigentlichen Planung vorgesehen ist. In diesem Fall kann dann ein Sicherheitsalarm ausgelöst und die Brennstoffzelle gegebenenfalls abgeschaltet werden. Ohne einen aufwändigen und störanfälligen Wasserstoffkonzentrationssensor lässt sich so die Sicherheit der Abluftanlage sehr einfach nochmals weiter steigern.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in Form einer katalytischen Beschichtung auf dem Temperatursensor ausgebildet ist. Temperatursensor und Vorrichtung können somit direkt ineinander integriert werden, um mit minimalem Bedarf an Bauraum das erfindungsgemäße Konzept der Abluftanlage umzusetzen. Ein weiterer Vorteil dieser sehr günstigen Ausgestaltung besteht darin, dass durch die Kombination von katalytischer Beschichtung und Temperatursensor eine sehr direkte Messung der Temperatur im Bereich der katalytischen Beschichtung, auf deren Oberfläche die Umsetzung des Wasserstoffs stattfindet, erfolgen kann. Die Temperaturmessung ist damit sehr schnell und kann hochdynamisch die benötigten Daten zur Verbesserung der Sicherheit liefern. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann der Temperatursensor dabei auch als beheiztes Thermoelement realisiert werden, sodass die Umsetzung des Wasserstoffs noch weiter verbessert wird und noch zuverlässiger ein Start der Reaktion des Wasserstoffs erreicht werden kann. Durch eine Bilanzierung der eingetragenen elektrischen Leistung zur Beheizung des Thermoelements und der im Bereich des Thermoelements gemessenen Temperatur lässt sich auch weiterhin eine Temperaturüberwachung vornehmen, sodass dieser Aufbau besonders einfach und effizient ist, da er mit einer minimalen Anzahl an Bauteilen und dementsprechend reduzierten Kosten und einem minimalem Bauraumbedarf auskommt.
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Eine sehr günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abluftanlage kann es nun außerdem vorsehen, dass zwischen dem Wasserabscheider und der Vorrichtung eine Luftzufuhr angeordnet ist. Diese Luftzufuhr kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise in Form einer weiteren Venturidüse ausgebildet sein. Durch die beigemischte Luft im Bereich der Luftzufuhr werden zwei besondere Vorteile erzielt. Einerseits wird die Abluft aus der Brennstoffzelle und der darin gegebenenfalls enthaltene Wasserstoff mit weiterer Luft aus der Umgebung verdünnt. Zum anderen wird erreicht, dass auch bei höheren Wasserstoffkonzentrationen eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die chemische Reaktionsfähigkeit des Wasserstoffs sorgt. Anders als in der von der Brennstoffzelle abströmenden Abluft, welche bereits an Sauerstoff abgereichert ist, kann nämlich im Bereich dieser Luftzufuhr Luft direkt aus der Umgebung zugeführt werden, welche beispielsweise durch die weitere Venturidüse direkt angesaugt oder durch die für den Betrieb der Brennstoffzelle ohnehin benötigte Luftfördereinrichtung gefördert wird. Diese Luft hat einen entsprechend hohen Sauerstoffgehalt, sodass sich durch das Beimischen der zugeführten Luft der Sauerstoffgehalt insgesamt erhöht und die Bedingungen für die Reaktion des Wasserstoffs im Bereich der Vorrichtung verbessert werden.
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Der Wasserabscheider in der erfindungsgemäßen Abluftanlage kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei ein Drahtgestrick aufweisen. Ein solches Drahtgestrick in dem Wasserabscheider ist ideal, um mit einem geringen Bauraumbedarf des Wasserabscheiders eine möglichst gute Abscheidung von flüssigem Wasser in der Abluft bzw. dem Abluft-Abgas-Gemisch der Brennstoffzelle zu erreichen. Außerdem bildet das Drahtgestrick gleichzeitig eine Flammensperre in der Abluftanlage aus, sodass in einem eventuellen Fehlerfall Flammen sich nicht über das Drahtgestrick hinaus in der Abluftanlage ausbreiten können.
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Über die erfindungsgemäße Abluftanlage kann nun erreicht werden, dass ein sehr einfaches und kostengünstiges Konzept realisiert werden kann, welches dennoch höchsten Anforderungen an die Sicherheit genügt. Außerdem wird durch das Abscheiden des flüssigen Wassers und das nachfolgende Zerstäuben über die Venturidüse immer dann, wenn ein ausreichender Abluftstrom hierfür vorliegt, der Austrag von flüssigem Wasser in Form von Flüssigkeit, welche in die Umgebung tropft, verhindert. Diese beiden Kriterien prädestinieren die erfindungsgemäße Abluftanlage insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, in denen diese beiden Punkte von besonderer Bedeutung sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es dementsprechend vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Abluftanlage für eine Brennstoffzelle verwendet wird, welche in einem Brennstoffzellensystem angeordnet ist, das in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abluftanlage ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug;
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2 einen Querschnitt durch eine erste mögliche Ausführungsform einer Abluftanlage gemäß der Erfindung;
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3 einen Querschnitt durch eine zweite mögliche Ausführungsform einer Abluftanlage gemäß der Erfindung; und
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4 einen Querschnitt durch eine dritte mögliche Ausführungsform einer Abluftanlage gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 schematisch angedeutet. Dieses Fahrzeug 1 soll über ein Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 2 ist für einen Fachmann aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es ist hier vereinfacht mit nur den wichtigsten Komponenten dargestellt. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut sein soll. Dieser sogenannte Brennstoffzellenstack 3 umfasst einen Kathodenbereich 4 und einen Anodenbereich 5. Dem Anodenbereich 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 zugeführt. Der Wasserstoff strömt hierfür über ein Druckregel- und Dosierventil 7 sowie eine Gasstrahlpumpe 8 in den Anodenbereich. Nicht verbrauchter Wasserstoff aus dem Anodenbereich 5 strömt zusammen mit inerten Gasen, welche in dem Wasserstoff vorhanden waren oder durch die Membranen vom Kathodenbereich 4 in den Anodenbereich 5 diffundiert sind, über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zur Gasstrahlpumpe 8 und wird von dem frischen Wasserstoff als Treibgasstrom durch Unterdruckeffekte und Impulsaustausch angesaugt und zurück zum Anodenbereich 5 gefördert. Dieser Aufbau ist auch als Anodenkreislauf bzw. Anodenloop aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In der Rezirkulationsleitung 9 ist ein Wasserabscheider 10 angeordnet, in dem sich im Anodenbereich 5 anfallendes Produktwasser sammelt. Beispielsweise von Zeit zu Zeit oder auch in Abhängigkeit von Wasserstand oder Stoffkonzentrationen kann nun das Wasser aus dem Wasserabscheider 10 zusammen mit Gasen über die Ablassleitung 11 und das darin angeordnete Ablassventil 12 abgelassen werden.
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Dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über die Luftfördereinrichtung 13, beispielsweise ein Rootsgebläse, ein Strömungsverdichter oder dergleichen, zugeführt. Die Luft stellt im Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 den benötigten Sauerstoff bereit. Über eine Abluftleitung 14 wird die an Sauerstoff abgereicherte Abluft zusammen mit einem großen Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers dann in die Umgebung abgegeben. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mündet die Ablassleitung 11 für das Abgas aus dem Anodenkreislauf in diese Abluftleitung 14. Diese gelangt dann über eine Abluftanlage 15, welche in dem strichpunktiert angedeuteten Kasten prinzipmäßig dargestellt ist, in die Umgebung. Diese Abluftanlage 15 wird im Nachfolgenden in verschiedenen Ausführungsvarianten näher beschrieben.
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In der Darstellung der 2 ist eine erste Ausführungsvariante der Abluftanlage 15 zu erkennen. Die Abluftanlage 15 umfasst einen Wasserabscheider 16, welcher mit einem Drahtgestrick 17 versehen ist, um so das in flüssiger Form vorliegende Wasser in der Abluft ideal abzuscheiden. Dieses tropft dann an dem Drahtgestrick 17 in Richtung der Schwerkraft nach unten und sammelt sich in dem unteren Bereich des Wasserabscheiders 16. Dies ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechend angedeutet, wobei das Wasser mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist. Die von dem flüssigen Wasser befreite Abluft strömt dann in der Abluftanlage weiter zu einer Venturidüse 19. Im Bereich des geringsten Querschnitts dieser Venturidüse 19 mündet eine Wasserleitung 20, welche mit dem in Richtung der Schwerkraft unteren Bereich des Wasserabscheiders 16 in Verbindung steht. Durch den Wasserabscheider 16 wird erreicht, dass bei stehendem oder langsam fahrenden Fahrzeug 1 kein flüssiges Wasser aus der Abluftanlage tropft, welches gegebenenfalls die Fahrbahn verunreinigen oder bei sehr niedrigen Temperaturen auf dieser gefrieren kann. Das Wasser 18 sammelt sich vielmehr im unteren Bereich des Wasserabscheiders 16 und wird auch die Wasserleitung 20 füllen. Nur wenn ein ausreichend großer Abluftstrom durch die Venturidüse 19 strömt, wird das gesammelte Wasser 18 mit Hilfe der Venturidüse 19 angesaugt, zerstäubt und in die Umgebung abgegeben. Das fein zerstäubte Wasser stellt dabei keinerlei Beeinträchtigung für die Umgebung dar, sondern wird typischerweise verdampfen oder in Form von Aerosolen in die Umgebung gelangen, sodass keine Flüssigkeit unmittelbar auf die Fahrbahn gelangt.
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Zwischen dem Wasserabscheider 16 und der Venturidüse 19 sind in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abluftanlage 15 nun eine Vorrichtung 21 zur Umsetzung von Wasserstoff sowie ein Temperatursensor 22 in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung 21 zu erkennen. Die Vorrichtung 21 zur Umsetzung von Wasserstoff kann dabei verschiedene Funktionsprinzipien aufweisen, sodass im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung keine Einschränkung auf ein solches Funktionsprinzip erfolgen soll. Grundsätzlich denkbar ist jedes Funktionsprinzip, welches eine chemische Reaktion zwischen dem in der Abluft enthaltenen Wasserstoff und dem Sauerstoff zu Wasser starten kann. Beispielsweise könnte dies eine permanent betriebene Zündkerze, ein beheiztes Thermoelement, eine katalytische Oberfläche oder dergleichen sein. Über den Temperatursensor 22 soll eine mögliche Fehlfunktion des Brennstoffzellensystems 2 detektiert werden, bei welcher eine unzulässig hohe Wasserstoffkonzentration emittiert wird. In diesem Fall würde bei der exothermen Umsetzung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff im Abgas eine vergleichsweise hohe thermische Energie anfallen, welche durch einen ungewöhnlich hohen Temperaturwert im Bereich des Temperatursensors 22 auffallen würde.
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In der Darstellung der 3 ist ein weiterer möglicher Aufbau der Abluftanlage 15 zu erkennen. Dieser unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Aufbau nur insofern, als dass der Temperatursensor 22 und die Vorrichtung 21 zur Umsetzung des Wasserstoffs zusammengefasst sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein mit Katalysator beschichtetes Thermoelement eingesetzt wird, welches gleichzeitig zur Fehlererfassung und als Vorrichtung 21 für die Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff dient. Der Aufbau wird entsprechend einfach, kostengünstiger und kann platzsparender realisiert werden.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Abluftanlage 15 dargestellt. Sie ist analog zur Darstellung in 2 ausgebildet, könnte aber selbstverständlich genauso gut analog zur Darstellung in 3 realisiert sein. Der Unterschied besteht darin, dass eine zusätzliche Luftzufuhr über ein Leitungselement 23 vorgesehen ist, welches beispielsweise von der Zuluftleitung zum Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung 13 abzweigt.
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Genauso gut wäre es denkbar, und so ist die Darstellung in 4 zu verstehen, dass das Leitungselement 23 zur Luftzufuhr lediglich in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 2 ragt. Über eine weitere Venturidüse 24 würde in diesem Fall die Luft aus der Umgebung angesaugt und entsprechend mit der Abluft in Strömungsrichtung nach dem Wasserabscheider 16 vermischt. Die Luftzufuhr hat dabei zwei Funktionen. Zum einen soll die Abluft und der darin enthaltene Wasserstoff mit der über die Luftzufuhr aus der Umgebung zuströmenden Luft verdünnt werden. Zum anderen soll auch bei hohen Wasserstoffkonzentrationen dafür gesorgt werden, dass der Sauerstoffgehalt in der Gasströmung ausreichend ist. Da die Abluft aus der Brennstoffzelle 3 an Sauerstoff abgereichert ist, kann durch das Beimischen der aus der Umgebung stammenden Zuluft über das Leitungselement 23 und die Venturidüse 24, oder im Falle der Zufuhr von verdichteter Zuluft auch ohne die Venturidüse 24, der Sauerstoffgehalt in dem Gasgemisch entsprechend erhöht werden. Für den Fall, dass im Bereich der Vorrichtung 21 dann ein zündfähiges Gasgemisch vorliegt, erfolgt eine kontrollierte Verbrennung. Das Gasgemisch, welches dann die Abluftanlage 15 an ihrem Austritt 25 verlässt, ist dann vollkommen unkritisch. Für den Fall, dass im Bereich der Vorrichtung 21 kein zündfähiges Gemisch vorliegt, kann dieses direkt an die Umgebung abgegeben werden, da ohnehin keinerlei Gefahr von einem solchen Gasgemisch ausgeht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009051476 A1 [0002]
- US 2009/0016401 A1 [0002]
- US 2011/0091782 A1 [0003]
