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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die in einem Gehäuse angeordnet ist.
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Derartige Brennstoffzellensysteme mit einer Brennstoffzelle, welche in einem Gehäuse angeordnet ist, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Das Gehäuse hat dabei die Aufgabe, die Brennstoffzelle sowohl mechanisch zu schützen als auch unvermeidliche Leckagen, insbesondere von Wasserstoff, aufzunehmen, welche durch den Aufbau der Brennstoffzelle selbst aus dieser heraus in das Innere des Gehäuses diffundieren. Um diese Wasserstoffemissionen abzuführen, sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik unterschiedliche Aufbauten bekannt, beispielsweise die Integration von Katalysatoren in das Innere des Gehäuses oder das Absaugen der Leckagegase über eine Gasstrahlpumpe beispielsweise in der Zuluft oder Abluft zu/von der Brennstoffzelle.
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Eine weitere Möglichkeit ist in dem nächstliegenden Stand der Technik in Form der
JP 2013-247051 A als zitierter Stand der Technik und Ausgangspunkt für diese japanische Anmeldung beschrieben. Bei diesem in der japanischen Anmeldung in
4 gezeigten dieser zugrunde liegenden Stand der Technik wird ein elektrischer Lüfter an dem Brennstoffzellengehäuse angebracht. Er wird dann beispielsweise in Abhängigkeit von Wasserstoffkonzentrationen in dem Gehäuse gesteuert. Der Einsatz eines derartigen Lüfters ist dabei entsprechend aufwändig und teuer.
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Die japanische Schrift, welche auch den gattungsgemäßen Stand der Technik bildet, schlägt deshalb einen Aufbau vor, bei welchem eine Spülleitung aus einer Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle abzweigt, sodass ein Teilstrom der zur Brennstoffzelle geförderten Luft über eine feststehende Blende in das Gehäuse einströmt und nach dem Durchspülen des Gehäuses durch eine entsprechende Öffnung in die Umgebung abströmt. Der Aufbau ist durch die feststehende Blende sehr einfach. Er weist jedoch den gravierenden Nachteil auf, dass die Strömung durch eine solche Blende vom Volumenstrom und damit letztlich dem Systemdruck, welcher vor der Blende vorliegt, abhängig ist. Nun ist es typischerweise so, dass ein Brennstoffzellensystem bei höherer Last mehr Edukte benötigt, also mit einem größeren Volumenstrom an Luft versorgt werden muss. Durch den im Stand der Technik beschriebenen Aufbau kommt es so auch zu einem Durchströmen des Gehäuses der Brennstoffzelle mit einem entsprechend höheren Luftstrom. Der Spülvolumenstrom für das Gehäuse ist jedoch typischerweise auf einen Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems ausgelegt und ein höherer Luftstrom zum Spülen des Gehäuses ist nicht zwingend notwendig. Er wird, da er von der Zuluft zu der Brennstoffzelle bzw. ihrem Kathodenraum abgezweigt wird, jedoch einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems haben. Zur Bereitstellung sowohl des Luftstroms zum Durchspülen des Gehäuses als auch des Luftstroms zum Kathodenraum der Brennstoffzelle ist nämlich ein entsprechend hoher Gesamtluftstrom notwendig, welcher durch die Luftfördereinrichtung gefördert werden muss. Diese verbraucht dafür eine entsprechende Menge an – beispielsweise elektrischer – Leistung und schmälert so die Möglichkeit des Brennstoffzellensystems Leistung abzugeben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem gemäß dem gattungsgemäßen Stand der Technik anzugeben, welches gegenüber diesem verbessert ist, und welches insbesondere die genannten Nachteile minimiert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass in dem Spülvolumenstrom eine Einrichtung zur Beeinflussung der Durchströmung angeordnet ist, welche mit größer werdendem anströmendem Volumenstrom den durchströmbaren Querschnitt verringert. Eine solche Einrichtung, welche gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Idee passiv ausgebildet sein kann, reagiert also auf den anströmenden Volumenstrom. Dies ist typischerweise der Teil des Volumenstroms, welcher von der Luftfördereinrichtung gefördert wird und am Abzweig der Spülleitung in diese einströmt. Wird der insgesamt geförderte Volumenstrom durch die Luftfördereinrichtung größer, insbesondere weil von der Brennstoffzelle mehr elektrische Leistung gefordert wird, dann wird also auch der anströmende Volumenstrom an der Einrichtung größer. Dies bewirkt eine Verringerung des durchströmbaren Querschnitts, sodass insgesamt ein weniger starker Anstieg oder sogar eine Verringerung der Durchspülung des Gehäuses mit der Spülluft bei zunehmender Brennstoffzellenleistung auftritt. Durch den Einsatz einer solchen Einrichtung in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann also sehr effizient verhindert werden, dass der Volumenstrom an Spülluft vergleichbar stark ansteigt, wie der von der Luftfördereinrichtung zur Sauerstoffversorgung der Brennstoffzelle geförderte Luftstrom. Insbesondere in Volllastsituationen steht somit ein größerer Teil des von der Luftfördereinrichtung geförderten Luftstroms für die Brennstoffzelle selbst zur Verfügung, als beim Einsatz einer reinen Blende, wie im Stand der Technik. Hierdurch wird der elektrische Energiebedarf des Systems reduziert und der Gesamtwirkungsgrad verbessert.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Einrichtung zur Beeinflussung der Durchströmung in der Spülleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung in der Spülleitung zwischen der Zuluftleitung und dem Gehäuse sorgt dafür, dass sich der Staudruck, welcher letztlich für die Betätigung der Einrichtung, insbesondere wenn diese passiv ausgebildet ist, verantwortlich ist, sich vor dem Gehäuse der Brennstoffzelle aufbaut. Hierdurch wird ein unerwünscht hoher Druckanstieg in dem Gehäuse der Brennstoffzelle verhindert, da Druckschwankungen hinsichtlich der Auskondensation von Wasser in dem Gehäuse und der mechanischen Belastung der Brennstoffzelle selbst mit Nachteilen behaftet sind.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Einrichtung zur Beeinflussung der Durchströmung einen federbelasteten Kolben aufweist, welcher vom Staudruck des anströmenden Volumenstroms gegen die Kraft der Feder in Richtung einer Querschnittsverengung bewegbar ist. Dieser Aufbau der Einrichtung in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gemäß der beschriebenen Ausführungsvariante stellt einen sehr einfachen und effizienten Aufbau einer passiven Einrichtung zur Beeinflussung der Durchströmung dar. Der Staudruck bewegt den federbelasteten Kolben gegen die Kraft der Feder in Richtung einer Querschnittsverengung. Je weiter der federbelastete Kolben in Richtung der Querschnittsverengung gedrückt wird, desto kleiner wird der durchströmbare Querschnitt zwischen dem Kolben und der Querschnittsverengung, sodass insgesamt der durchströmbare Querschnitt verringert und der Spülluftvolumenstrom reduziert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Kolben im Bereich der Querschnittverengung und/oder die Querschnittverengung konisch ausgebildet sind. Insbesondere eine solche Ausbildung beispielsweise eines konischen oder nadelförmig zulaufenden Kolbens in einer korrespondierenden Querschnittsverengung erlaubt eine sehr feine Regulierung des durchströmbaren Querschnitts. Hiermit lässt sich sehr einfach in Abhängigkeit des anstehenden Staudrucks und damit letztlich des an der Einrichtung anströmenden Volumenstroms der Querschnitt sehr exakt regulieren, um so die Durchströmung der Einrichtung und damit die Durchströmung des Gehäuses der Brennstoffzelle in der gewünschten Art und Weise einzustellen.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem stellt somit in allen Betriebssituationen eine ausreichende Durchspülung des Gehäuses der Brennstoffzelle mit Spülluft sicher. Dabei wird gleichzeitig, insbesondere im Volllastbetrieb der Brennstoffzelle, nicht mehr Luft als unbedingt notwendig durch das Brennstoffzellengehäuse gefördert. Hierdurch lässt sich der größte Teil der geförderten Luft zur Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle zur Verfügung stellen. Der Aufbau ist damit entsprechend einfach, kompakt und, insbesondere für Volllastsituationen, sehr energieeffizient. Er eignet sich damit insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, und hier vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung durch das Brennstoffzellensystem in dem Kraftfahrzeug.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung;
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2 eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung zur Beeinflussung der Durchströmung in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einer ersten Position bei geringem anströmenden Volumen;
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3 die Einrichtung gemäß 2 in einer zweiten Position bei größerem anströmenden Volumen; und
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4 eine Darstellung des Drucks in der Luftversorgung des Brennstoffzellensystems über dem Spülluftvolumenstrom.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 zu erkennen, in welchem ein Brennstoffzellensystem 2 angedeutet ist, um das Fahrzeug 1 mit elektrischer Antriebsleistung zu versorgen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut ist. Beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein gemeinsamer Kathodenraum 4 sowie ein gemeinsamer Anodenraum 5 angedeutet. Dem Kathodenraum 4 wird als Sauerstofflieferant Luft über eine Luftfördereinrichtung 6 und einen optionalen Befeuchter 7 zugeführt. Darüber hinaus kann in einer Zuluftleitung 8, welche die Luftfördereinrichtung 6 mit dem Befeuchter 7 und dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 verbindet, ein Ladeluftkühler angeordnet sein. Dieser ist hier nicht dargestellt. Er ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme jedoch geläufig, sodass in der vereinfachten Darstellung auf diesen optionalen Ladeluftkühler verzichtet worden ist.
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Die an Sauerstoff angereicherte Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftleltung 9 aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. In der Abluftleitung 9 ist wiederum der Befeuchter 7 angeordnet, sodass die mit Produktfeuchtigkeit beladene Abluft in der Abluftleitung 9 die Zuluft in der Zuluftleitung 8 in dem Befeuchter 7 befeuchten kann. In Strömungsrichtung nach dem Befeuchter 7 ist in der Abluftleitung 9 beispielhaft eine Abluftturbine 10 angeordnet, welche zusammen mit einer elektrischen Maschine 11 in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung 6 steht. Dieser Aufbau ist für den Fachmann ebenfalls bekannt und wird meist als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. Auf seine Funktion soll hier nicht weiter eingegangen werden, da er für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 12 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 13 zugeführt. In dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel gelangt unverbrauchter Wasserstoff und Abgas aus dem Anodenraum 5 über eine Abluftleitung 14 direkt in die Umgebung. Dem Fachmann ist klar, dass hier weitere Aufbauten wie beispielsweise ein Anodenkreislauf, das Eindüsen des Abgases in einen katalytischen Brenner und/oder in die Abluftleitung 9 zur Verdünnung vorgesehen sein können. Auch dies spielt für die hier vorliegende Erfindung eine untergeordnete Rolle, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
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Die Brennstoffzelle 3 ist zu ihrem mechanischen Schutz und um unvermeidbare Wasserstoffleckagen aus dem Stapel der PEM-Einzelzellen aufzufangen, mit einem Gehäuse 15 um die Brennstoffzelle 3 versehen. Wie üblich wird dieses Gehäuse 15 von Spülluft durchströmt. Hierzu zweigt eine Spülluftleitung 16 aus der Zuluftleitung 8 ab und führt in das Gehäuse 15. Über eine Ableitung 17, welche beispielsweise direkt in die Umgebung oder auch in die Anodenableitung 14 und/oder die Abluftleitung 9 führen könnte, wird die Spülluft dann zusammen mit ausgespülten Wasserstoffleckagen und eventueller Feuchtigkeit aus dem Gehäuse 15 der Brennstoffzelle 3 abgeführt.
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Nun ist es typischerweise so, dass ein Spülvolumenstrom für den Leerlaufbetrieb der Brennstoffzelle 3 festgelegt wird und mit einem ausreichenden Volumenstrom während des ganzen Betriebs aufrecht erhalten werden soll. Mit höherer Last der Brennstoffzelle 3 ist es dabei nicht zwingend notwendig, dass auch der Spülvolumenstrom sich erhöht. Beim herkömmlichen Aufbau mit einem festen Durchmesser der Spülleitung 16 oder einer in dieser angeordneten festen Blende, wie es im Stand der Technik üblich ist, würde es nun jedoch dazu kommen, dass mit zunehmender Last der Brennstoffzelle 3, und damit einhergehend einem zunehmenden zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 geförderten Volumenstrom an Luft (und Wasserstoff), die Durchströmung des Gehäuses 15 mit dem Spülvolumenstrom ansteigen würde. In der Darstellung der 4 ist der Spülvolumenstrom dVs/dt in Abhängigkeit des Drucks p der Luftversorgung des Brennstoffzellensystems 2 dargestellt. Die Werte sind dabei auf den maximalen Druck pmax bzw. den maximalen Spülvolumenstrom (dVs/dt)max normiert. Die strichpunktierte Linie zeigt den mit ansteigendem Druck ansteigenden Spülvolumenstrom beim Einsatz einer Blende, wie im Stand der Technik. Deutlich ist zu erkennen, dass bei maximalem Druck pmax ein maximaler Spülvolumenstrom (dVs/dt)max auftritt. Mit zunehmendem Systemdruck, was gleichzeitig ein Zunehmen der Förderleistung der Luftfördereinrichtung 6 bedeutet, steigt also der durch das Gehäuse 15 der Brennstoffzelle 3 geführte Spülvolumenstrom an. Dies ist unerwünscht, da in solchen Volllastsituationen möglichst viel Leistung der Luftfördereinrichtung 6 in einen Luftvolumenstrom umgesetzt werden soll, welcher unmittelbar in die Brennstoffzelle 3 bzw. ihren Kathodenraum 4 einströmt, um die gewünschte hohe Leistung durch die Brennstoffzelle 3 zu gewährleisten. Aus diesem Grund befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist, in der Spülleitung 16 eine Einrichtung 18 zur Beeinflussung der Durchströmung. Über diese Einrichtung 18, welche in der Darstellung der 1 rein beispielhaft als Ventileinrichtung bzw. Regelklappe dargestellt ist, lässt sich nun bei zunehmender von der Brennstoffzelle 3 geforderter Leistung und damit einhergehendem zunehmendem von der Luftfördereinrichtung 6 geförderten Volumenstrom an Luft der Spülvolumenstrom begrenzen. Damit wird weniger Leistung der Luftfördereinrichtung 6 zur Bereitstellung des Spülvolumenstroms benötigt, als beim an sich bekannten Einsatz einer Blende. Die Einrichtung 18 kann dabei prinzipiell als geregelte Einrichtung ausgebildet sein, welche aktiv geregelt wird. Hierdurch wäre es beispielsweise möglich, unabhängig vom Druck p den Spülvolumenstrom dVs/dt durchgehend konstant zu halten, wie es in dem Diagramm der 4 mit gestrichelter Linie angedeutet ist. Der Aufbau hat dabei allerdings den Nachteil, dass er mit der Regelung entsprechend komplex und aufwändig sowie gegebenenfalls störanfällig wird.
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Die Idee lässt sich daher dahingehend weiter verbessern, dass anstelle einer aktiven Regelung eine passive selbstregelnde Einrichtung 18 eingesetzt wird, welche ohne aktive Ansteuerung bei größer werdendem anstehendem Volumenstrom den durchströmbaren Querschnitt verringert. Eine solche Einrichtung 18 kann beispielsweise so, wie in der Darstellung der 2 gezeigt, aufgebaut sein. Die Darstellung der 2 zeigt dabei einen Ausschnitt aus der Spülleitung 16 mit integrierter Einrichtung 18. Die Durchströmungsrichtung ist in der Darstellung der 2 durch zwei Pfeile von links nach rechts entsprechend angedeutet. Rechts neben dem Längsschnitt durch die Spülleitung 16 im Bereich der Einrichtung 18 befindet sich außerdem ein schematisierter Querschnitt gemäß der Ansicht A-A des Längsschnitts. Die Einrichtung 18 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kolben 19 realisiert, welcher über eine Feder 20 entgegen der Strömungsrichtung gedrückt wird, beispielsweise gegen einen in das Innere der Spülleitung 16 eingesetzten Anschlag 21. Der Kolben 19 läuft an seinem in Richtung der Strömung hinten liegenden Ende konisch bzw. spitz zu. Dieser nachfolgend als Spitze 22 bezeichnete Bereich korrespondiert mit einer Querschnittverengung 23 in der Spülleitung 16. In der Darstellung der 2 ist dabei ein Zustand gezeigt, bei welchem ein vergleichsweise geringer anströmender Volumenstrom auf den Kolben 19 einwirkt. Der entstehende Staudruck reicht dabei nicht aus, um den Kolben 19 gegen die Kraft der Feder 20 zu bewegen, sodass dieser in seiner ersten Ruhestellung bleibt. Dies kann beispielsweise bei einem Betrieb der Brennstoffzelle 3 im Leerlauf der Fall sein. Durch in dem Kolben angeordnete Öffnungen 24 strömt der Spülvolumenstrom entlang des Kolbens 19 und durch den verringerten Querschnitt 23. In der in 2 dargestellten Position des Kolbens ist der durchströmbare Querschnitt dabei ringförmig und ist in dem Querschnitt A-A als ringförmiger durchströmbarer Querschnitt 25 zu erkennen. Er ist hier vergleichsweise groß und wird lediglich durch ein kleines Teil der Spitze 22 in seinem Zentrum gegenüber dem kreisförmigen Querschnitt verringert.
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In der Darstellung der 3 ist derselbe Aufbau in einem höheren Lastpunkt, also bei einem größeren geförderten Volumenstrom an Luft durch die Luftfördereinrichtung 6 und damit einem größeren anströmenden Volumenstrom im Bereich der Einrichtung 18 zu erkennen. Der erzeugte Staudruck hat den Kolben 19 gegen die Kraft der Feder 20 in Richtung des verengten Querschnitts 23 bewegt. Die Spitze 22 ragt nun in diesen verringerten Querschnitt 23, sodass sich, wie es im Querschnitt A-A wiederum zu erkennen ist, ein vergleichsweise kleiner ringspaltförmiger Querschnitt 25 als durchströmbarer Querschnitt einstellt. Bei entsprechender Ausgestaltung der Spitze 22 und insbesondere bei geeigneter Auslegung der Feder 20 lässt sich auch so beispielsweise der in 4 gestrichelt dargestellte konstante Spülvolumenstrom dVs/dt einstellen. Typischerweise ist dies jedoch nicht notwendig und würde einen nicht unerheblichen Aufwand bei der Auslegung und Herstellung der Feder 20 erfordern. Vielmehr lässt sich der Aufbau einfach und effizient mit einer herkömmlichen Feder realisieren. Es kommt dann zu einem Verhältnis des Drucks p zum Spülvolumenstrom dVs/dt, wie er beispielhaft in der Darstellung der 4 durchgezogen dargestellt ist. Ausgehend von einem Volumenstrom an Luft im Leerlauf, von welchem aus alle drei Linien starten, wird sich in diesem Fall der Spülvolumenstrom dVs/dt zuerst erhöhen, jedoch nicht so stark, wie es bei der strichpunktiert dargestellten Ausführung mit einer Blende der Fall ist. Bei ungefähr 40 bis 50% des Maximaldrucks ist der Staudruck auf den Kolben 19 dann so groß, dass dieser deutlich in Richtung des verengten Querschnitts 23 gedrückt wird, beispielsweise so wie in der Darstellung der 3 zu erkennen. Jetzt überwiegt die Verringerung des durchströmbaren Querschnitts 25 den höher werdenden Druck, sodass trotz höher werdendem Druck der Spülvolumenstrom dVs/dt entsprechend abfällt, wie es im oberen Bereich der durchgezogenen Linie zu erkennen ist. Hierdurch wird, insbesondere im Vollastbetrieb, eine geringe Durchspülung des Gehäuses 15 erreicht, sodass ein größerer Teil des von der Luftfördereinrichtung 6 geförderten Volumenstroms, als es beim Einsatz einer Blende der Fall wäre, zur Bereitstellung von Luft für den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 genutzt werden kann. Andererseits wird im Teillastbetrieb, bei 40 bis 50% des Maximaldrucks pmax, eine sehr gute Durchspülung erreicht, was in dieser Situation sinnvoll ist. Alles in allem lässt sich so ein sehr gut an den notwendigen Spülvolumenstrom dVs/dt angepasstes Verhalten mit einem sehr einfachen und selbstregelnden Aufbau der Einrichtung 18 erzielen. Andere vergleichbar wirkende Aufbauten der Einrichtung 18 sind dabei ebenso denkbar und, ebenso wie aktiv angesteuerte Einrichtungen 18, vom Umfang der Erfindung erfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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