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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handling eines Kühlmittels eines Brennstoffzellensystems im Rahmen eines Wartungsvorgangs und/oder Reparaturvorgangs.
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Bei der Wartung von Brennstoffzellensystemen wird deren Kühlmittel, das in der Regel ein spezielles Hochtemperatur-Kühlmittel für Brennstoffzellen ist, nach heutigem Stand abgelassen und nach Abschluss der Wartung durch neues Kühlmittel ersetzt. Der Hintergrund des Austausches des Kühlmittels ist, dass das Kühlmittel besondere Eigenschaften (pH-Wert, sehr geringe Leitfähigkeit) besitzen muss, um den hohen Anforderungen eines Brennstoffzellensystems entsprechen zu können. Da es sich hierbei um große Mengen (bis zu 30 Liter Flüssigkeit) handeln kann, entstehen durch den kompletten Austausch des Kühlmediums hohe Kosten für den Kunden bzw. den Besitzer des Fahrzeuges und die Umweltbilanz des Brennstoffzellensystems wird negativ beeinflusst.
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Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, die es erlauben, bei einem Wartungsvorgang eines Brennstoffzellensystems einen kompletten Austausch der Kühlflüssigkeit zu vermeiden.
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Die
US 2012/040260 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Ablassen von Kühlwasser aus dem Brennstoffzellensystem. Der Kühlwasserkreislauf in der Brennstoffzelle ist durch Absperrventile in mehrere Blöcke unterteilt, aus denen das Kühlwasser über Ablassventile selektiv abgelassen werden kann. Dadurch muss nur die Kühlflüssigkeit in dem gewarteten Block ersetzt werden.
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Aus der
FR 2 885 262 A1 geht ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlmittelbehälter hervor, der durch eine flexible wasserdichte Membran in zwei Kammern geteilt ist, von denen eine mit Kühlflüssigkeit gefüllt und mit dem Kühlkreislauf verbunden ist, während die andere mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist. Durch Verformung der Membran lässt sich Kühlflüssigkeit aus dem Behälter in den Kühlkreislauf und die Brennstoffzelle pressen, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen werden soll, oder aus dem Kühlkreislauf und der Brennstoffzelle in den Behälter ablassen, wenn die Brennstoffzelle außer Betrieb genommen oder gewartet werden soll.
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Die
JP 2014/026850 A betrifft die einfache Rückgewinnung eines Kühlmittels einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung. Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Rückgewinnung von Kühlmittel aus einer Brennstoffzelle mit einem Luftgebläse, das der Brennstoffzelle Luft zuführt; einem Wärmetauscher, der zur Abwärmerückgewinnung einen Wärmeaustausch zwischen einem von der Brennstoffzelle ausgestoßenen Kühlmittel und Wasser durchführt; einem Tank, der das Kühlmittel speichert; einem ersten Rohr, das das aus dem Wärmetauscher abgegebene Kühlmittel dem Tank zuführt und abnehmbar mit dem Tank verbunden ist; und einer Pumpe, die das Kühlmittel in dem Tank durch das zweite Rohr ansaugt und das Kühlmittel der Brennstoffzelle zuführt. Das aus dem Tank entfernte erste Rohr ist mit einem geschlossenen Sammelbehälter verbunden, und eine Luftansaugöffnung des Luftgebläses ist mit dem Sammelbehälter verbunden. Das Luftgebläse wird angetrieben, um Luft in dem Sammelbehälter anzusaugen, um das Kühlmittel in dem Sammelbehälter zurückzugewinnen.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handling eines Kühlmittels eines Brennstoffzellensystems im Rahmen eines Wartungs- oder ReparaturVorgangs zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird im Falle einer Wartung oder eines Austausches von Komponenten des Brennstoffzellensystems das Kühlmittel aus dem Hochtemperaturkreislauf (HT-Kreislauf) des Brennstoffzellensystems über eine externe Vorrichtung in einen Zwischenspeicher gepumpt und dort zwischengespeichert, während die Systemkomponente getauscht oder gewartet wird. Das zwischengespeicherte Kühlmittel wird hinsichtlich pH-Wert und Isolationswiderstand und weiterer relevanter Faktoren geprüft und gegebenenfalls aufbereitet oder auch ersetzt. Nach Abschluss der Wartung oder des Austauschs erfolgt das Rückpumpen des Kühlmittels in den Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Handling eines Kühlmittels eines in einem Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystems im Rahmen einer Wartung oder Reparatur des Brennstoffzellensystems.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst zumindest ein Teil eines in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Kühlmittels durch eine außerhalb des Fahrzeugs angeordnete Kühlmittelbehandlungsvorrichtung aus dem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems abgepumpt und in einem Zwischenspeicher der Kühlmittelbehandlungsvorrichtung gespeichert oder in einer Einheit zur Kühlmittelregeneration der Vorrichtung aufbereitet.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird nur aus einem zu wartenden oder zu reparierenden Bereich des Brennstoffzellensystems das Kühlmittel entfernt, während es in den übrigen Bereichen des Brennstoffzellensystems verbleibt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden von der Wartung oder Reparatur betroffene Bereiche des Brennstoffzellensystems durch Schließen von Ventilen vom Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems abgetrennt. Diese Ausführungsform kommt bei einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz, dessen HT-Kreislauf Ventile aufweist, mit denen sich einzelne Sektionen des Brennstoffzellensystems, z. B. Brennstoffzellenstapel, Partikelfilter, lonentauscher, oder einzelne Schläuche, selektiv vom HT-Kreislauf abtrennen lassen. Es wird nicht mehr das gesamte Kühlmittel des Brennstoffzellensystems abgelassen, sondern selektiv nur der Teil des Gesamtkühlsystems „trockengelegt“, in dem eine Wartung oder ein Austausch von Komponenten durchgeführt werden soll.
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Die Ventile sind durch ein Steuergerät ansprechbar und erlauben so eine gezielte Steuerung des Kühlmittelflusses im HT-Kreislauf. Der Vorteil ist, dass so lonentauscher, Partikelfilter oder weitere Komponenten mit der korrekten Kühlmitteltemperatur und -menge in den Kühlkreislauf eingesteuert werden können, was die gesamte Systembilanz verbessert.
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Nachdem das Kühlmittel abgepumpt ist, wird die Wartung oder Reparatur des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Diese lässt sich nun ohne Kühlmittelverlust durchführen. Beispielsweise können Filterkartuschen oder lonentauscher oder auch einzelne Kühlmittelschläuche ausgetauscht werden, ohne dass dabei Kühlmittel verloren geht.
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Nach Abschluss der Wartung oder Reparatur wird das zwischengespeicherte oder aufbereitete Kühlmittel von der Kühlmittelbehandlungsvorrichtung zurück in den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems gepumpt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Kühlmittel aus einem in dem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordneten Kühlmittelbehälter abgepumpt und in diesen wieder zurückgepumpt.
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Das aus dem Brennstoffzellensystem abgepumpte Kühlmittel wird in einem Zwischenspeicher der Kühlmittelbehandlungsvorrichtung gespeichert oder in einer Einheit zur Kühlmittelregeneration der Vorrichtung aufbereitet.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das aus dem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems abgepumpte Kühlmittel auf spezifizierte physikalische Eigenschaften oder seine Zusammensetzung geprüft und abhängig von dem Prüfergebnis in den Zwischenspeicher oder die Einheit zur Kühlmittelregeneration geleitet. Entspricht das Kühlmittel einer vorgegebenen Spezifikation, so wird es in den Zwischenspeicher geleitet; ist es nicht spezifikationsgerecht, wird es in die Kühlmittelregeneration geleitet. Die geprüften physikalischen Eigenschaften können z. B. den pH-Wert, den Isolationswiderstand bzw. die Leitfähigkeit, die Viskosität, optische Eigenschaften, wie Farbe oder Trübung, des Kühlmittels umfassen, die Zusammensetzung, den Partikelgehalt des Kühlmittels oder dessen chemische Zusammensetzung, beispielsweise die Konzentration bestimmter Ionen im Kühlmittel oder den Wassergehalt.
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Nicht spezifikationsgerechtes Kühlmittel wird aufbereitet, damit es wieder der Spezifikation entspricht, beispielsweise durch Filtration, Diffusion, lonenaustausch, Destillation oder Verdünnung. Gegebenenfalls wird es mit frischen Komponenten versetzt, mit frischem Kühlmittel verdünnt oder teilweise oder ganz gegen frisches Kühlmittel ausgetauscht.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Kühlmittel vor dem Zurückpumpen in den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems nochmals auf spezifizierte physikalische Eigenschaften oder seine Zusammensetzung geprüft und das Zurückpumpen wird unterbunden, wenn das Ergebnis der Prüfung nicht einer vorgegebenen Kühlmittelspezifikation entspricht. Dadurch wird das Brennstoffzellensystem vor einem drohenden Schaden durch nicht spezifikationsgerechtes Kühlmittel geschützt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur des Kühlmittels vor dem Zurückpumpen in den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Dies kann über eine Temperier-Vorrichtung in der Kühlmittelbehandlungsvorrichtung, beispielsweise eine Heizspirale, erfolgen. Beispielsweise kann das in den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems zurückgepumpte Kühlmittel an die Temperatur von im Brennstoffzellensystem verbliebenem Kühlmittel angeglichen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit eines selektiven Austauschs nur eines Teils des Kühlmittels einer Brennstoffzelle, was eine Reduktion der anfallenden Kosten zur Folge hat. Das Verfahren ermöglicht eine optimale Auslastung des Systems, sowie den Austausch von einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems (einzelne Schläuche, Stapelmodul, lonentauscher, Partikelfilter) mit geringerem Aufwand, in kürzerer Zeit und mit geringeren Kühlmittelverlusten.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Handling eines Kühlmittels eines in einem Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellensystems, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Kühlmittelzuleitung, eine Kühlmittelrückleitung; Mittel zur Kühlmittelprüfung, die dafür eingerichtet sind, physikalische Eigenschaften des Kühlmittels oder dessen Zusammensetzung zu ermitteln; Mittel zur Förderung des Kühlmittels; mindestens einen Zwischenspeicher für das Kühlmittel, z. B. einen Zwischenspeicher für spezifikationsgerechtes Kühlmittel und einen Zwischenspeicher für Kühlmittel, welches aufbereitet werden muss; und Mittel zur Aufbereitung des Kühlmittels.
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Die Kühlmittelzuleitung und die Kühlmittelrückleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dafür eingerichtet, mit dem Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs verbunden zu werden. Durch die Kühlmittelzuleitung wird Kühlmittel aus dem Brennstoffzellensystem abgepumpt und in die erfindungsgemäße Vorrichtung geleitet. Die Kühlmittelzuleitung kann beispielsweise als Unterdruckschlauch ausgeführt sein. Durch die Kühlmittelrückleitung wird Kühlmittel aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zurück in das Brennstoffzellensystem geleitet.
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Die Mittel zur Kühlmittelprüfung, die dafür eingerichtet sind, physikalische Eigenschaften des Kühlmittels oder dessen Zusammensetzung zu ermitteln, können beispielsweise Sensoren umfassen, die einen pH-Wert, eine Leitfähigkeit bzw. einen Isolationswiderstand, einen Partikelgehalt, eine Viskosität, eine Dichte, einen Brechungsindex, ein Absorptionsspektrum oder eine Trübung des Kühlmittels messen.
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Die Mittel zur Förderung des Kühlmittels sind dafür eingerichtet, Kühlmittel aus dem Brennstoffzellensystem abzupumpen, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bewegen und zu verteilen, und wieder in das Brennstoffzellensystem zurück zu pumpen. In einer Ausführungsform umfassen die Mittel mindestens eine Kühlmittelpumpe, beispielsweise eine Membranpumpe.
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In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, im Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordnete Ventile zu steuern. Dadurch ist die Vorrichtung in der Lage, Bereiche des Brennstoffzellensystems vom Kühlmittelkreislauf abzusperren, so dass aus diesen das Kühlmittel nicht abgepumpt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit angeschlossener Spülvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 20 eines Fahrzeugs, das mit einer externen Kühlmittelbehandlungsvorrichtung 10 verbunden ist. Eine Kühlmittelzuleitung 11, die z. B. als Unterdruckschlauch ausgeführt ist, und eine Kühlmittelrückleitung 12 der externen Spülvorrichtung 10 sind an einen Kühlmittelbehälter 21 des Brennstoffzellensystems 20 angeschlossen, in dem sich ein Hochtemperatur-Kühlmittel 22 befindet. Mittels einer Pumpvorrichtung 14 kann das HT-Kühlmittel 22 aus dem Kühlmittelbehälter abgepumpt oder in den Kühlmittelbehälter 21 zurückgepumpt werden.
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In der Kühlmittelbehandlungsvorrichtung 10, die sich außerhalb des Fahrzeugs befindet, sind Einheiten 13 zur Kühlmittelprüfung vorhanden, die Eigenschaften des HT-Kühlmittels 22, z. B. seinen pH-Wert, seine Leitfähigkeit oder seinen Partikelgehalt prüfen. Die Prüfung erfolgt sowohl in dem durch Leitung 11 zufließenden als auch bei dem durch Leitung 12 zurück zu pumpenden Kühlmittelstrom. Für das abgepumpte Kühlmittel 22 wird mittels der Einheit 13, z. B. durch einen Sensor, überprüft, ob das Kühlmittel 22 aufbereitet werden muss bzw. welches Aufbereitungsverfahren notwendig ist. Vorrichtung 10 führt den Vorgang automatisch durch.
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Je nach den von der Prüfvorrichtung 13 ermittelten Eigenschaften des zufließenden HT-Kühlmittels 22 wird dieses in einen Zwischenspeicher 15 geleitet oder in eine Einheit 16, in der das Kühlmittel 22 beispielsweise durch Filtration, lonenaustausch oder Destillation regeneriert, mit frischen Komponenten versetzt, mit frischem Kühlmittel 22 verdünnt oder gegen frisches Kühlmittel 22 ausgetauscht wird.
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Ein Rückpumpen des Kühlmittels 22 wird nach einer Prüfung durch eine zweite Prüfvorrichtung 13 freigegeben. Sollte das Kühlmittel nicht der erforderlichen Qualität entsprechen, wird ein Rückpumpen verweigert, um das Brennstoffzellensystem 20 vor einem drohenden Schaden zu schützen. Bei der Befüllung des Kühlkreislaufes des Brennstoffzellensystems 20 sorgt gegebenenfalls eine Heizspindel für den korrekten Temperaturausgleich zwischen dem noch im Brennstoffzellensystem 20 vorhandenen „internen“ und dem zurückgepumpten „externen“ Kühlmittel 22.
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Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst in der in 1 dargestellten Ausführung eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel 23, einen Ionentauscher 24 und einen Partikelfilter 25. Diese Einheiten können durch elektronisch gesteuerte Ventile 28, die im Kühlmittelzulauf 26 vom Kühlmittelbehälter 21 und im Kühlmittelrücklauf 27 zum Kühlmittelbehälter 21 angeordnet sind, jeweils individuell vom Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems 20 abgetrennt werden. Dadurch wird es möglich, gezielt nur diejenigen Einheiten von Kühlmittel 22 zu entleeren, an denen Wartungs- oder Austauscharbeiten vorgenommen werden sollen, während das Kühlmittel 22 in den übrigen Einheiten verbleibt.
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Die externe Kühlmittelbehandlungsvorrichtung 10 ist mit einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems 20 verbunden, über das die Ventile 28 im Kühlkreis des Brennstoffzellensystems 20 angesteuert werden. Je nach Bedarf werden die entsprechenden Ventile 28 angesteuert, um die nicht zu wartenden Einheiten abzutrennen, in denen das Kühlmittel verbleiben soll. Die angeschlossene externe Kühlmittelbehandlungsvorrichtung 10 leitet automatisch den Abpumpvorgang des Kühlmittels 22 aus der Einheit ein, an der eine Wartung oder ein Komponentenaustausch durchgeführt werden soll. Es können dann Bauteile ohne Verlust des Kühlmittels 22 gewartet oder getauscht werden.
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Nach Abschluss des Wartungsvorgangs wird das von der Vorrichtung 10 bereitgestellte Kühlmittel 22 in den Kühlkreislauf zurückgeleitet, und anschließend werden die für den Wartungsvorgang geschlossenen Ventile 28 geöffnet, und dadurch sämtliche Einheiten 23, 24, 25 wieder mit dem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems 20 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Externe Kühlmittelbehandlungsvorrichtung
- 11
- Kühlmittelzuleitung
- 12
- Kühlmittelrückleitung
- 13
- Kühlmittelprüfung
- 14
- Absaugvorrichtung/Kühlmittelpumpe
- 15
- Zwischenspeicher
- 16.
- Kühlmittelregeneration/Kühlmittelaustausch
- 20
- Brennstoffzellensystem
- 21
- Kühlmittelbehälter
- 22
- HT-Kühlmittel
- 23
- Brennstoffzelle
- 24
- lonentauscher
- 25
- Partikelfilter
- 26
- Kühlmittelzulauf
- 27
- Kühlmittelrücklauf
- 28
- Ventil
