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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom und einem Schaldämpfer.
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Durch die Befeuchtung der Kathodenluft kann die Leistungsfähigkeit und Effizienz einer Brennstoffzelle erhöht werden. Dies ist insbesondere der Fall bei erhöhten Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle, z. B. bei einer Kühlmittelaustrittstemperatur aus der Brennstoffzelle von über 75°C. Eine zusätzliche Befeuchtung des Oxidationsmittelstromes ist insbesondere bei erhöhten Betriebstemperaturen und/oder bei hohen Brennstoffzellenleistungen erforderlich.
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In der
DE 10 2008 053 151 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der ein flüssiges Medium stromaufwärts eines Ladeluftkühlers und stromabwärts eines Verdichters mittels einer Dosiereinrichtung einbringbar ist. Der Befeuchtungsgrad wird dabei durch einen als Kontaktbefeuchter agierenden Ladeluftkühler und durch einen zusätzlichen Membranbefeuchter eingestellt. Es wurde festgestellt, dass es bei Brennstoffzellensystemen mit Befeuchtungseinrichtungen vermehrt zum Ausfall der Verdichter kam. Es kommt ferner bei den vorbekannten Systemen vor, dass beim Einbringen des Wassers in die Zuleitung das Wasser nicht vollständig verdampft. Ferner kann sich an den Wänden der Zuleitung auch aus verdampftem Wasser wieder Flüssigwasser bilden. Im Winter kann dieses Flüssigwasser in der Zuleitung gefrieren. Während des Kaltstarts auftauendes Wasser im Zulauf der Brennstoffzelle kann den Kaltstart merklich verschlechtern.
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Aus der
JP 2007-69629 A ist ein Schalldämpfer stromauf eines Kompressors bekannt, der ein Ablauf aufweist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen der hier offenbarten Technologie dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion® und Flemion®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Oxidationsmittelförderer, der ein Oxidationsmittel zu der Kathode der Brennstoffzelle fördert. Ein solcher Oxidationsmittelförderer kann bspw. als Kompressor bzw. Turbokompressor bzw. als Verdichter ausgebildet sein. Der Oxidationsmittelförderer kann das Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff oder Luft, durch eine Kathodenzufuhrleitung bzw. Zuleitung bzw. Ansaugtrakt (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Zuleitung” verwendet) in die Kathode fördern. Der Oxidationsmittelförderer ist bspw. in der Lage, das Oxidationsmittel auf einen Druck größer 1 bar zu verdichten. Dabei kann sich das Oxidationsmittel bspw. auf bis über 100°C und mehr erwärmen. Der Oxidationsmittelförderer ist in der Zuleitung stromaufwärts der Kathode angeordnet.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens eine Befeuchtungseinrichtung, die eine Flüssigkeit, hier Wasser, in den Oxidationsmittelstrom einbringt, bevorzugt einspritzt bzw. einsprüht. Unter Einsprühen bzw. Zerstäuben der Flüssigkeit ist hierbei das Zerteilen der Flüssigkeit in feinste Tröpfchen (Aerosol bzw. Nebel) im Oxidationsmittel zu verstehen. Durch das Zerstäuben des Wassers kann eine gute Durchmischung mit dem Luftstrom sichergestellt werden und das eingespritzte Wasser kann aufgrund der großen reaktiven Flüssigkeitsoberfläche schneller verdampfen bzw. verdunsten. Hierzu kann das Brennstoffzellensystem mit Druckdüsen ausgestattet sein, die das Wasser in den Oxidationsmittelstrom eindüsen. Für feinste Tröpfchen wird beispielsweise ein Injektor bzw. eine Düse mit einem Wasserdruck von bis zu 20 bar vorgesehen. Die Düsen können auch derart ausgestaltet sein, das nach dem Venturi-Effekt bzw. nach dem Prinzip der Strahlpumpe der Oxidationsmittelstrom das Wasser selbst ansaugt. Strahlpumpen als solche sind bekannt. Sie stellen im Wesentlichen ein gedrehtes Prandl-Staurohr dar, welches bspw. nach dem Venturi-Effekt Wasser sebst ansaugen kann. Solche Strahlpumpen werden auch als Ejektoren oder als Jet-Pumpen bezeichnet. Als Treibmedium kann hier das an der Strahlpumpe vorbeiströmende Oxidationsmittel dienen. welches zweckmäßig bewirkt, dass die Strahlpumpe Fluidwasser ansaugt. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da die Strahlpumpe so ausgestaltet sein kann, dass sie ohne externe (z. B. elektrische oder pneumatische) Energie auskommt. Sie ist besonders kostengünstig und robust und nimmt überdies nur wenig Bauraum in Anspruch.
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Die Befeuchtungseinrichtung ist im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts von der Brennstoffzelle, bevorzugt stromaufwärts von einem Wärmeübertrager bzw. Wärmeübertrager (nachstehend: Wärmeübertrager) in der Zuleitung angeordnet. Das Wasser, welches eingespritzt wird, stellt einen Speicher für Kühlleistung dar. Ein Wasservorrat kann hierzu beispielsweise das anfallende Produktwasser speichern, welches beispielsweise aus dem Abgas der Brennstoffzelle abgeschieden wird. Die Befeuchtungseinrichtung ist bevorzugt stromaufwärts vom Wärmeübertrager angeordnet. Vorzugsweise ist die Befeuchtungseinrichtung im (z. B. in der Volute) und/oder benachbart zum Oxidationsmittelförderer angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung mindestens ca. 0,3 L, ferner bevorzugt mindestens ca. 0,5 L, und besonders bevorzugt mindestens ca. 0,75 L vom Wärmeübertrager bzw. von der Brennstoffzelle angeordnet, wobei L die Wegstrecke des Oxidationsmittelstromes zwischen Oxidationsmittelförderer und Wärmeübertrager ist. Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung integral mit Oxidationsmittelförderer ausgebildet. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zumindest ein großer Teil des eingesprühten Wasser verdampft, bevor es in den Wärmeübertrager eintritt.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Schalldämpfer, Der Schalldämpfer ist insbesondere zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem Oxidationsmittelförderer angeordnet.
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Der Schalldämpfer kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass er als Wassersenke fungiert. Die Wassersenke ist insbesondere zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem Oxidationsmittelförderer angeordnet.
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Es wurde festgestellt, dass das Flüssigwasser durch ungünstige geometrische Integration, dynamischen Betrieb (konstante Quer-Längsbeschleunigung) oder Neigung in den Kompressor zurücklaufen und diesen schädigen kann. Der Schalldämpfer bzw. die Wassersenke kann in der Zuleitung derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie in der Zuleitung befindliches Flüssigwasser daran hindert, zurück bzw. zum bzw. in den Oxidationsmittelförderer zu fließen.
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Eine solche Wassersenke kann auch als Rücklaufsperre bezeichnet werden. Insbesondere kann die Wassersenke eine Vertiefung oder Ausbuchtung in Bezug auf andere Bereiche der Zuleitung sein. Die Vertiefung oder Ausbuchtung kann niedriger bzw. tiefer angeordnet sein als die umliegenden Bereiche der Zuleitung. Etwaiges Flüssigwasser, welches sich in der Zuleitung (bspw. an den Wänden der Zuleitung) befindet, sammelt sich in der Wassersenke. Die Wassersenke ist also derart ausgebildet und angeordnet, dass die Wassersenke in der Zuleitung befindliches Flüssigwasser sammeln bzw. speichern kann. Bevorzugt ist die Wassersenke am tiefsten Punkt des Zuleitungsabschnittes angeordnet, dessen Flüssigwasser die Wassersenke sammeln soll. Ein Rücklauf des Wassers zum Oxidationsmittelförderer kann somit unterbunden werden. Somit kann sichergestellt werden, dass das Flüssigwasser nicht im Oxidationsmittelförderer mechanische und/oder elektrische Schäden verursachen kann. Ferner bevorzugt ist die Wassersenke in der Zuleitung derart ausgebildet, dass sich durch die Wassersenke der Strömungsquerschnitt für den Oxidationsmittelstrom O nicht ändert. Mit anderen Worten ist die Wassersenke durch eine Vertiefung bzw. Ausbuchtung in der Zuleitungswand ausgebildet.
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Der Begriff „benachbart zum Oxidationsmittelförderer” umfasst Ausgestaltungen, bei denen die Befeuchtungseinrichtung bzw. die Wassersenke bzw. der Schalldämpfer unmittelbar neben dem Oxidationsmittelförderer oder in einem geringen Abstand zum Oxidationsmittelförderer angeordnet ist. Bevorzugt ist die mindestens eine Wassersenke bzw. der Schalldämpfer benachbart zum Oxidationsmittelförderer ausgebildet. Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung und/oder die Wassersenke bzw. der Schalldämpfer maximal ca. 0,2 L, ferner bevorzugt maximal ca. 0,1 L, und besonders bevorzugt max. ca. 0,05 L vom Oxidationsmittelförderer entfernt angeordnet.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Wassersenke bzw. Schalldämpfer fluidverbunden mit der Befeuchtungseinrichtung, mit einem Zwischenbehälter und/oder mit einem Abgasströmungspfad. Somit ist sichergestellt, dass mit einfachen Mitteln das gesammelte Flüssigwasser wieder abgeführt werden kann. Das Flüssigwasser kann somit wieder effizient für die Befeuchtung der Brennstoffzelle verwendet werden. Beispielsweise kann die Wassersenke bzw. der Schalldämpfer mit der mindestens einen Befeuchtungseinrichtung über entsprechende Leitungen verbunden werden. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen der Wassersenke bzw. dem Schalldämpfer und der Befeuchtungseinrichtung maximal ca. 0,2 L, ferner bevorzugt maximal ca. 0,1 L, und besonders bevorzugt max. ca. 0,05 L. Vorteilhaft können somit etwaige platz- und kostenintensive Leitungen entfallen.
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Die Befeuchtungseinrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie das in der Wassersenke bzw. dem Schalldämpfer gesammelte Flüssigwasser in den Oxidationsmittelstrom einbringen kann. Hierdurch wird das Flüssigwasser aus dem Sammelreservoir durch den niedrigen statischen Druck direkt in den turbulenten Teil der Oxidationsmittelströmung eingebracht, wodurch eine verstärkte Zerstäubung bewirkt wird.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann zudem mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung umfassen, wie sie in der auf die Anmelder zurückgehende Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
DE 10 2015 204 620 offenbart ist. Die dort gezeigte Wassereinspritzvorrichtung (dort Bezugszeichen
150) sowie die dort gezeigte Wassersenke (dort Bezugszeichen
140) sowie die Anordnung und Interaktion dieser Elemente mit anderen Elementen des dort offenbarten Brennstoffzellensystems wird hiermit durch Verweis mit in diese Offenbarung mit aufgenommen. Eine solche Wassereinspritzvorrichtung wird nachstehend als dritte Befeuchtungseinrichtung
130'' bezeichnet und ist vereinfacht in der
2 gezeigt.
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Mit der hier offenbarten Technologie ist es vorteilhaft möglich, Komponentenschädigung vorzubeugen und gleichzeitig eine verbesserte Zerstäubung und eine bessere Wirksamkeit der ursprünglichen Wassereinspritzung durch effizientes Wiedereinbringen von rückströmendem Verlustwasser zu erzielen. Es lässt sich durch die Befeuchtung ein höherer Wirkungsgrad und eine bessere Performance des Brennstoffzellensystems erzielen. Das hier offenbarte System benötigt überdies vergleichsweise wenig Bauraum, ist einfach aufgebaut und ist vergleichsweise preisgünstig.
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Im Folgenden wird die hier offenbarte Technologie nun anhand von Figuren erläutert, wobei der beanspruchte Gegenstand nicht anhand der nachfolgenden bevorzugten Ausgestaltungen einschränkend auszulegen ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des hier offenbarten Brennstoffzellensystems 100,
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2 eine schematische Darstellung einer Zuleitung 160 mit einer Wassereinspritzvorrichtung 130, 130', 130'' und
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3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B der 2.
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1 zeigt schematisch den Aufbau des Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 110 mit einer Kathode 112 und einer Anode 114, die durch einen hier gestrichelt gezeichnete Ionen-Separator voneinander getrennt sind. Die Zuleitung 160 umfasst ein erstes Ende 162, welches mit dem Oxidationsmittelförderer 120, bspw. einen Kompressor 120, verbunden ist. Das zweite Ende 164 der Zuleitung 160 endet in der Kathode 112 der Brennstoffzelle 110. Vereinfachend ist hier lediglich eine Brennstoffzelle 110 gezeigt. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen 110 zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Am ersten Ende 162 der Zuleitung 160 ist die Befeuchtungseinrichtung 130 angeordnet, die hier bspw. eine Einspritzdüse umfasst, durch die Wasser wieder in den Oxidationsmittelstrom O einbringt. Stromab der Befeuchtungseinrichtung 130 ist ein Schalldämpfer 140 angeordnet (vgl. 2). Eine zweite Befeuchtungseinrichtung 130' bzw. eine dritte Befeuchtungseinrichtung 130'' (in 1 nicht gezeigt, vgl. 2) kann alternativ oder zusätzlich zwischen dem Wärmeübertrager bzw. Ladeluftkühler 180 und dem Oxidationsmittelförderer 120 angeordnet sein, beispielsweise im oder benachbart zum Schalldämpfer 140.
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Zwischen dem Ladeluftkühler 180 und dem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle 110 ist hier ferner ein Wasserabscheider 190 vorgesehen, der kurz vor der Brennstoffzelle 110 etwaiges Wasser aus dem Oxidationsmittelstrom O abscheidet. Nach der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verlässt das Brennstoffzellenabgas die Brennstoffzelle 110 durch den Abgasströmungspfad A. Der Abgasströmungspfad A umfasst das Kathodenabgas und/oder das Anodenabgas.
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2 zeigt schematisch und vergrößert einen Ausschnitt der Zuleitung
160 sowie den Oxidationsmittelförderer
120. Der Oxidationsmittelförderer
120 ist mit dem ersten Ende
162 der Zuleitung
160 verbunden. Der Oxidationsmittelförderer
120 befindet sich in der Einbaulage im Vergleich zu anderen Abschnitten der Zuleitung
160 an einer tieferen Position. Der Oxidationsmittelförderer
120 generiert einen Oxidationsmittelstrom O. Dieser Oxidationsmittelstrom O weist eine turbulente Strömung und eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. In dem Bereich benachbart zum ersten Ende
162 der Zuleitung
160 wird durch die Befeuchtungseinrichtung
130 Wasser in die Zuleitung
160 eingebracht. Dieses Wasser verteilt sich feindispers in der turbulenten Oxidationsmittelströmung O und verdampft zum größten Teil. Weiter stromab ist eine zweite Befeuchtungseinrichtung
130' dargestellt, die ebenfalls Wasser in den Oxidationsmittelstrom O einbringen kann. Die dritte Befeuchtungseinrichtung
130'' kann das Wasser direkt aus der Wassersenke
141 ansaugen, insbesondere derart, wie es im Zusammenhang mit der Wassereinspritzvorrichtung in der auf die Anmelder zurückgehenden Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
DE 10 2015 204 620 offenbart ist. Es entfallen zusätzliche Leitungen und ein sehr einfacher und kompakter Aufbau kann erzielt werden.
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Ein Teil des eingebrachten Wassers verdampft jedoch nicht vollständig bzw. kondensiert im unmittelbar stromab vom Oxidationsmittelförderer 120 vorgesehenen Schalldämpfer 140, bevorzugt an mindestens einer Innenwand 146 des Schalldämpfers 140.
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Zur Schalldämpfung können verschiedene Verfahren alleine oder in Kombination eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Schall durch Interferenz, Resonanz und/oder Absorption reduziert werden. Solche Verfahren werden beispielsweise in Abgasanlagen herkömmlicher Verbrennungsmotoren eingesetzt.
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Der Schalldämpfer 140 kann mindestens eine Innenwand 146 und mindestens eine die Innenwand 146 umgebende Außenwand 144 umfassen (vgl. 3). Die mindestens eine Innenwand 146 des Schalldämpfers 140 kann zweckmäßig wasserdurchlässig ausgebildet sein. Die Innenwand 146 kann beispielsweise als perforiertes Blech (z. B. Lochblech) und/oder als Metallgeflecht ausgebildet sein. Zwischen der mindestens einen Innenwand 146 und der mindestens einen Außenwand 144 kann zumindest bereichsweise ein schallreduzierendes Material 148 bzw. schallabsorbierendes Material 148 angeordnet sein, beispielsweise ein Vlies, ein Gewebe und/oder ein offenzelliger Schaum, insbesondere als Metallgewebe oder Keramik.
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Der Schalldämpfer 140 ist insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, dass das kondensierte Wasser sich unmittelbar an einem Drainageauslass 142 des Schalldämpfers 140 sammeln kann. Hierzu kann im Schalldämpfer 140 mindestens eine Drainageleitung bzw. mindestens ein Drainagekanal (hier nicht gezeigt) vorgesehen sein. Ein Drainagekanal kann beispielsweise in der Außenwand 144 vorgesehen sein. Im Drainagekanal kann sich beispielsweise das Wasser sammeln, welches durch das Material zwischen der mindestens einen Innenwand 146 und der mindestens einen Außenwand 144 zurückgehalten wurde. Der Drainagekanal kann das zurückgehaltene Wasser zu dem Drainageauslass 142 transportieren.
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Der Schalldämpfer 140, insbesondere die Stelle, an der sich das Wasser ansammelt, kann als Wassersenke 141 fungieren. Das kondensierte Wasser strömt also in der hier dargestellten Ausführungsform zurück in die Wassersenke 141. Die Wassersenke 141 ist so bemessen, dass sie genügend Flüssigwasser bevorraten kann, so dass kein Flüssigwasser zurück in den Oxidationsmittelförderer 120 strömt.
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Das in der Wassersenke 141 angesammelte Flüssigwasser wird hier durch eine als Strahlpumpe ausgebildete Befeuchtungseinrichtung 130'' wieder in den Oxidationsmittelstorm O eingebracht. Die Strahlpumpe 130'' umfasst ein Zuleitungsrohr, welches mit der Wassersenke 141 fluidverbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste oder zweite Befeuchtungseinrichtung mit dem Drainageauslass 142 fluidverbunden sein (hier nicht gezeigt). In der hier gezeigten Ausgestaltung saugt die Strahlpumpe 130'' das Wasser aus dem Schalldämpfer ab. Es ist auch denkbar, dass das Wasser in einem weiteren (Zwischen)behälter gespeichert wird und/oder in den Brennstoffzellenabgasstrom entsorgt wird.
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3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B entlang der 2. In dieser Fig. ist der bereits weiter oben beschriebene Schalldämpfer 140 gezeigt.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053151 A1 [0003]
- JP 2007-69629 A [0004]
- DE 102015204620 [0017, 0025]
