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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, dem kathodenseitig Kathodengas über eine Kathodenzufuhrleitung von einem mittels eines Verdichtermotors betriebenen Verdichter zuführbar ist. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem ein Befeuchtungssystem zur Befeuchtung des Kathodengases auf, das eine Wasserzuführung und einen zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordneten Wasserverdampfer mit einem Kühlmittelanschluss aufweist, wobei der Auslass des Befeuchtungssystems mit der Kathodenzufuhrleitung stromabwärts des Verdichters strömungsmechanisch verbunden ist.
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Brennstoffzellensysteme dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion mit der Umsetzung eines Brennstoffes, in der Regel Wasserstoff, mit einem sauerstoffhaltigen Gas, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Solche Brennstoffzellensysteme können zur Energieerzeugung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Um den dort erforderlichen hohen Leistungsbedarf erzielen zu können, besteht die Möglichkeit eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen. Derartige Brennstoffzellensysteme, die bevorzugt als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensysteme gebildet sind, benötigen darüber hinaus ein sehr gutes Wassermanagement. Die Polymerelektrolytmembran muss zum Erzielen einer hohen Leistung bei einem hohen Feuchtegehalt betrieben werden. Dies stellt die Leitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran im Brennstoffzellenstapel sicher. Um diesen Feuchtegehalt einzustellen, wird insbesondere das Kathodengas mit Feuchtigkeit angereichert, um eine Feuchtesättigung in der Polymerelektrolytmembran hervorzurufen, was den Transport von Wasserstoffprotonen durch die Membran verbessert. Zur Befeuchtung der Reaktantengase wird üblicherweise ein Befeuchter verwendet, wobei bekannt ist, dass der Feuchteeintrag in ein trockenes Gas durch eine erhöhte Temperatur begünstigt wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit flüssiges Wasser, welches zum Beispiel im Anodenkreislauf abgeschieden wird, zur Befeuchtung des Kathodengases zu nutzen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, flüssiges Wasser zusätzlich zu einem Befeuchter zu verwenden, um die Größe des Befeuchters zu reduzieren.
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Um das abgeschiedene Wasser nutzen zu können, muss dieses verdampft werden, da durch das Einbringen von flüssigem Wasser Gaskanäle im Brennstoffzellenstapel blockiert werden könnten. Das Verdampfen von flüssigem Wasser ist, insbesondere bei geringen Lastpunkten, eine Herausforderung, weil der Luftmassenstrom nicht ausreicht, das flüssige Wasser „mitzureißen“. Das Wasser sammelt sich dann im Brennstoffzellensystem, in dessen Komponenten und Strömungswegen an. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel nicht mehr oder nicht mehr ausreichend befeuchtet.
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Bei einem Sprung hin zu einem höheren Lastpunkt würde darüber hinaus das angesammelte Flüssigwasser mitgerissen werden und so in den Stapel gelangen, wo es zu den oben genannten Problemen, unter anderem zu einer Unterversorgung der Brennstoffzelle, führt.
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Für das Verdampfen wird zusätzlich thermische Energie benötigt, da die thermische Energie der Gasströmung in der Regel nicht ausreichend für einen kontinuierlichen und stabilen Verdampfungsprozess ist. Die Verwendung von zusätzlichen Energielieferanten, beispielsweise von einem elektrischen Heizer, würde zu einer Reduzierung der Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs führen.
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Das Zerstäuben von Flüssigwasser, wie es beispielsweise in der
US 2003/0190513 A1 beschrieben wird, führt dagegen zu einem instabilen thermischen Zustand, weil kleinste Tröpfchen verdampfen. Um diesen Prozess zu stabilisieren, ist ebenfalls zusätzliche Energie erforderlich, deren Nutzung die Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs einschränkt. Für das Zerstäuben wird insbesondere außerdem eine große Druckdifferenz benötigt, die ohne Einsatz einer zusätzlichen Pumpe im System nicht erzielbar ist, so dass für eine solche zusätzlicher Bauraum bereitgestellt werden muss.
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Die
US 2009/0311565 A1 beschreibt ein Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem, wobei ein durch die Abwärme eines Verdichters erhitztes Kühlwasser zum Anheben/Regeln der Temperatur des Kathodengases genutzt wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Übergang von flüssigem Wasser in die Dampfphase zu unterstützen und/oder angesammeltes Wasser nachträglich zu verdampfen, sowie die oben genannten Nachteile zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Insbesondere ist zur Zufuhr von erhitztem Kühlmittel der Kühlmittelanschluss des Wasserverdampfers mit einem Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors strömungsmechanisch oder thermisch verbunden.
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Die Nutzung des beim Durchlaufen des Kühlmittelkreislaufs des Verdichtermotors erhitzten Kühlmittels liefert die nötige Energie, um das Wasser im Befeuchtungssystem verdampfen zu können. In diesem Fall führt die benötigte zusätzliche Energie nicht zu einer Reduzierung der Reichweite und damit nicht zu einer Reduzierung der Effizienz des Brennstoffzellensystems. Dabei beträgt die Temperatur des Kühlmittels (beispielsweise CO2) im Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors stromabwärts des Kompressors bis zu 150 Grad Celsius. Gleichzeitig wird dem Kühlmittel beim Verdampfen des Wassers im Wasserverdampfer Wärme entzogen und dieses dadurch abgekühlt. Das derart abgekühlte Kühlwasser kann dann wieder zum Kühlen des Verdichtermotors genutzt werden.
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Durch die strömungsmechanische Verbindung des Kühlmittelanschlusses des Wasserverdampfers mit dem Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors - wenn der Kühlmittelkreislauf des Wasserverdampfers also in den Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors eingebunden ist - lässt sich eine besonders kompakte, bauraumarme und integrierte Gestaltung des Kühlmittelkreislaufs realisieren. Somit kann auch dessen Kühlmittel genutzt werden, um den Wasserverdampfer zu betreiben und das frische Kathodengas zu befeuchten.
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Die Zuführung von Wasser kann dabei einerseits über eine anodenseitig vorgesehene Anodenrezirkulationsleitung erfolgen, der ein Abscheider zugeordnet ist, der mit der Flüssigkeitsleitung strömungsmechanisch verbunden ist. Dies ermöglicht die Verwendung von anodenseitig anfallendem Wasser. Alternativ ist es möglich, dass der Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors als zwei strömungsmechanisch voneinander getrennte Kreisläufe gebildet ist, und dass nur der erste der Kreisläufe mit dem Kühlmittelanschluss des Wasserverdampfers verbunden ist. Hierbei kann die durch den Verdichtermotor produzierte Abwärme durch beide Kreisläufe genutzt werden. Dies ermöglicht die Verwendung verschiedener und an die Anforderungen der jeweiligen Kreisläufe angepassten Kühlmittel.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn die durch den Verdichtermotor produzierte Abwärme auf beide Kreisläufe mittels den Kreisläufen zugeordneten oder in ihnen angeordneten Stellgliedern verteilbar ist.
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Vorzugsweise ist dabei der erste Kreislauf als ein Naturumlauf gebildet, bei dem das Kühlmittel aufgrund von Dichte- und/oder Höhendifferenzen unter Zu- und Abführung von Wärme selbstständig innerhalb des ersten Kreislaufs bewegbar ist. Hier ist es auch möglich, das Kühlmittel für den ersten Kreislauf derart zu wählen, dass ein Naturumlauf gefördert wird.
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Darüber hinaus ist es möglich, die beiden Kreisläufe über einen Wärmetauscher oder Wärmeübertrager thermisch miteinander zu verbinden.
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In einer besonders einfach zu fertigenden Ausführungsform des Befeuchtungssystems ist der Wasserverdampfer als ein Rohr oder als ein, insbesondere mäanderndes, Rohrbündel ausgeführt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist zwischen dem Einlass und dem Auslass des Befeuchtungssystem ein Sammelbecken zum Sammeln von Wasser ausgebildet. Der Wasserverdampfer ist dabei vorzugsweise in dem Sammelbecken angeordnet. Dies ermöglicht, Wasser, welches beispielsweise bei Ablauf der Redoxreaktion im Brennstoffzellenstapel erzeugt wird bzw. anfällt, im Sammelbecken zu speichern und zur Befeuchtung einzusetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sammelbecken durch die Verbindung eines Einlasssammlers und eines Auslasssammlers gebildet.
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Vorzugsweise ist zwischen dem einen Einlasssammler aufweisenden Einlass und dem einen Auslasssammler aufweisenden Auslass ein Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases angeordnet ist. Der Einlasssammler und der Auslasssammler sind dabei bevorzugt als Hutzen gebildet. Dies ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt zu erhöhen, wodurch die Wasseraufnahme und damit die Befeuchtung verbessert werden.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass mindestens ein wasserdampfundurchlässiges festes oder ein wasserdampfpermeables Strömungsführungselement vorgesehen ist, das ausgestaltet ist, das zugeführte flüssige Wasser in ein Sammelbecken zu leiten und das Kathodengas zum Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases zu führen. Dies ermöglicht es, das Kathodengas im Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases in einen zur Wasseraufnahme optimalen Temperaturbereich zu temperieren bzw. abzukühlen. Vorteilhafterweise sind die Strömungsführungselemente jeweils seitlich am Wasserverdampfer, in Richtung des Sammelbeckens geneigt, angebracht. Dies führt zu einem besseren Abfließen des zugeführten flüssigen Wassers. Das mindestens eine Strömungsführungselement kann alternativ oder zusätzlich auch wasserdurchlässig gebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist das Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases als ein Ladeluftkühler gebildet, welcher mit dem Wasserverdampfer in wärmeübertragender Verbindung steht. Der Wasserverdampfer ist dabei in Bezug zu einer Mittellinie des Befeuchtungssystems unterhalb des Ladeluftkühlers und mit diesem gestapelt im Sammelbecken angeordnet. Der Ladeluftkühler und der Wasserverdampfer bilden dabei bevorzugt ein Wärmeübertragungssystem. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungssystem eine Mehrzahl von Kühlmittelplatten aufweist, die einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt sowie einen den Kühlmitteleintritt mit dem Kühlmittelaustritt verbindenden Kühlmittelkanal aufweisen. Es ist mindestens ein zwischen den Kühlmittelplatten, insbesondere senkrecht zum Kühlmittelkanal, verlaufender Kathodengasdurchgang vorgesehen, wobei angrenzend an die Kühlmittelplatten eine Mehrzahl von zweiten Kühlmittelplatten vorhanden ist, die einen zweiten Kühlmitteleintritt und einen zweiten Kühlmittelaustritt sowie einen den zweiten Kühlmitteleintritt mit dem zweiten Kühlmittelaustritt verbindenden zweiten Kühlmittelkanal umfassen.
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Das Wärmeübertragungssystem sieht also eine Integration des Wasserverdampfers zur Verdampfung des Wassers in den Ladeluftkühler vor. Dabei werden die beiden Teile des Wärmeübertragungssystems bevorzugt von zwei Kühlmitteln durchströmt, wobei die gleichen Kühlmittel oder unterschiedliche Kühlmittel verwendet werden können. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise des Befeuchtungssystems.
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Weiterhin ist eine Einlassstruktur vorgesehen, die einen mit den Kühlmitteleintritten strömungsverbundenen Kühlmitteleinlassabschnitt und einen mit den zweiten Kühlmitteleintritten strömungsverbundenen zweiten Kühlmitteleinlassabschnitt umfasst. Vorzugsweise verläuft jeder der Kathodengasdurchgänge im Wesentlichen senkrecht zu den Kühlmittelplatten und/oder zu den zweiten Kühlmittelplatten. Die Strömungen des Kühlmittels und/oder des zweiten Kühlmittels verlaufen dann entsprechend einem Gegenstrombetrieb (insbesondere im Kreuzgegenstrombetrieb) im Wesentlichen senkrecht zur Strömung des Kathodengases.
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Die gemeinsame Einlassstruktur für den Einlass des ersten Kühlmittels und für den Einlass des zweiten Kühlmittels ermöglicht ebenfalls eine kompaktere Bauweise des Befeuchtungssystems bzw. des Wärmeübertragungssystems.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Kühlmitteleinlassabschnitt und der zweite Kühlmitteleinlassabschnitt durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Die Lage der Trennwand bestimmt dabei den mit dem Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel durchströmten Teil des Wärmeübertragungssystems. In einer Ausführungsform kann der mit dem zweiten Kühlmittel durchströmte Teil des Wärmeübertragungssystems kleiner als der mit dem Kühlmittel durchströmte Teil sein.
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Vorzugsweise sind die Kühlmittelplatten und die zweiten Kühlmittelplatten identisch aufgebaut, sodass sie denselben Kanalquerschnitt aufweisen. Es ist allerdings auch möglich, unterschiedliche Platten für die Führung des Kühlmittels und für die Führung des Brennstoffes vorzusehen. Auch der Einsatz unterschiedlicher Kanalquerschnitte ist möglich.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Auslassstruktur vorgesehen ist, die einen mit den Kühlmittelaustritten strömungsverbundenen Kühlmittelauslassabschnitt und einen mit den zweiten Kühlmittelaustritten strömungsverbundenen zweiten Kühlmittelauslassabschnitt umfasst. Auch hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung des Systems realisiert.
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In diesem Zusammenhang hat es sich auch als sinnvoll erwiesen, wenn der Kühlmittelauslassabschnitt und der zweite Kühlmittelauslassabschnitt durch eine Wandung voneinander getrennt sind. Durch die Positionierung der Trennwand der Einlassstruktur und der Wandung der Auslassstruktur kann das Verhältnis der Wärmeübertragungssystemfläche für die beiden Medienströme eingestellt werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass der Ladeluftkühler eine Mehrzahl von Kanälen zur Bildung eines Flussfelds aufweist, und dass in den Kanälen mindestens ein Abscheid- und Speicherelement angeordnet oder den Kanälen zugeordnet ist zum Abscheiden und zur zumindest zeitweisen Speichererung des zugeführten flüssigen Wassers. Die Kanäle sind dabei bevorzugt durch eine Mehrzahl von an einer Oberfläche des Wärmeübertragungssystems angeordneten Strömungsstege gebildet, wobei zumindest einer der Strömungsstege einen senkrecht zu einer Längserstreckung des Strömungsstegs verlaufenden Verbindungskanal zum Druckausgleich zwischen den Kanälen aufweist. Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Abscheid- und Speicherelementen vorgesehen, wobei diese besonders bevorzugt als Taschen gebildet sind. In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass das Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases als ein Wasserabscheider gebildet ist. In dieser Variante kann flüssiges Wasser abgeschieden und der Stapel dadurch vor flüssigem Wasser geschützt werden. Das abgeschiedene Wasser wird dann bevorzugt in das Sammelbecken geleitet, in dem der Wasserverdampfer angeordnet ist.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass das Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases als ein Befeuchter gebildet ist, in den der Wasserverdampfer integriert ist. In dieser Ausführungsform ist der Wasserverdampfer bevorzugt in den Befeuchter integriert. Der Befeuchter kann dabei über einen Einlasssammler und/oder über einen Auslasssammler verfügen, um den Befeuchterquerschnitt zu vergrößern und um dadurch die Befeuchtung zu verbessern.
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Das Befeuchtungssystem kann dabei stromabwärts des Verdichters oder stromabwärts eines Ladeluftkühlers oder zwischen einem Befeuchter und einem Kathodeneintritt, stromabwärts eines Befeuchters angeordnet sein.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Kühlmittelkreislauf des Verdichtermotors ein Stellglied zur Regelung des Kühlmittelmassenstroms aufweist. Dies ermöglicht eine Regelung der Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem Verdichtermotor, sowie zur Kontrolle der Verdichtermotortemperatur, um eine Schädigung oder Überhitzung des Verdichtermotors zu verhindern. Das Stellglied ist dabei bevorzugt als Drosselstellglied gebildet. In diesem Zusammenhang und zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels oder auch der Effizienz des Verdampfens von flüssigem Wasser in dem Wasserverdampfer ist bevorzugt dem zum Kühlmittelanschluss führenden Teil des Kühlmittelkreislaufs ein Temperatursensor zugeordnet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem Sammelbecken,
- 2 eine schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem geneigt gebildeten Sammelbecken,
- 3 eine schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem Ladeluftkühler,
- 4 eine schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem Wasserabscheider,
- 5 eine Draufsicht auf ein Wärmeübertragungssystem nach 3,
- 6 eine Schnittansicht durch das Wärmeübertragungssystem aus 5,
- 7 eine Draufsicht auf ein Wärmeübertragungssystem nach 3 mit einem Abscheid- und Speicherelemente aufweisenden Flussfeld,
- 8 eine schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem Befeuchter,
- 9 eine alternative schematische Darstellung des Befeuchtungssystems mit einem Befeuchter,
- 10 ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem nach 3,
- 11 ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem nach 3 mit zwei separaten Kreisläufen und
- 12 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit einem Befeuchtungssystem nach 4.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Befeuchtungssystems 1 zur Befeuchtung eines in einer Strömungsrichtung 6 strömenden Kathodengases eines Brennstoffzellensystems 2. Das Befeuchtungssystem 1 weist eine Wasserzuführung 37 und einen zwischen einem Einlass 5 und einem Auslass 8 angeordneten Wasserverdampfer 35 auf. Der Wasserverdampfer 35 weist einen Kühlmittelanschluss 36 zur Zuführung eines in einem Kühlmittelkreislauf 42 erhitzten Kühlmittels auf, wobei der Wasserverdampfer 35 ausgestaltet ist, das zugeführte Wasser mittels des erhitzten Kühlmittels zu verdampfen. Zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 8 ist ein Sammelbecken 25 zum Sammeln von Wasser ausgebildet. Der Wasserverdampfer 35 ist im Sammelbecken 25 angeordnet. In einer besonders einfachen, nicht gezeigten Ausführungsform ist es möglich, dass der Wasserverdampfer 35 als ein Rohr oder als ein Rohrbündel gebildet ist. Mittels des beim Durchlauf des nicht näher dargestellten Kühlmittelkreislaufs 42 erhitzten Kühlmittels wird das im Sammelbecken 25 gesammelte Wasser mittels des Wasserverdampfers verdampft. Der Wasserdampf steigt auf und wird von dem in der Strömungsrichtung 6 strömenden Kathodengas aufgenommen, wodurch dieses befeuchtet wird.
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Das Ausführungsbeispiel des Befeuchtungssystems 1 aus 2 unterscheidet sich dahingehend, dass einlassseitig das Rohr des Befeuchtungssystems 1 in Richtung des Sammelbeckens 25 geneigt gebildet ist. Dies ermöglicht ein verbessertes Abfließen des Wassers in das Sammelbecken 25.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Befeuchtungssystems 1. Zwischen dem einen Einlasssammler 3 aufweisenden Einlass 5 und dem einen Auslasssammler 7 aufweisenden Auslass 8 ist ein Mittel 4 zur weiteren Konditionierung des Kathodengases, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Ladeluftkühler 9, angeordnet. Der Wasserverdampfer 35 ist bezüglich einer Mittellinie 27 des Befeuchtungssystems 1 unterhalb des Ladeluftkühlers 9 angeordnet und steht mit diesem in wärmeübertragender Verbindung. Der Wasserverdampfer 35 und der Ladeluftkühler 9 sind also aufeinander gestapelt angeordnet. Am Wasserverdampfer 35 ist seitlich jeweils ein wasserdampfpermeables Strömungsführungselement 38 angeordnet, welches in Richtung des durch den Einlasssammler 3 und den Auslasssammler 7 gebildeten Sammelbeckens 25 geneigt ausgebildet ist. Die wasserdampfpermeablen Strömungsführungselemente 38 sind somit ausgestaltet, das zugeführte flüssige Wasser in das Sammelbecken 25 zu leiten und das Kathodengas in Richtung des Ladeluftkühlers 9 zu führen. Dies ermöglicht die Temperierung des Kathodengases auf einen für die Befeuchtung optimalen Temperaturbereich mittels des Ladeluftkühler 9. Gleichzeitig wird das Abfließen des flüssigen Wassers in das Sammelbecken 25 begünstigt.
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Der Wasserverdampfer 35 ist im Sammelbecken 25 angeordnet. Der Wasserspiegel ist schematisch mittels des Bezugszeichens 12 dargestellt. Das Befeuchtungssystem 1 verfügt über eine Wasserzuführung 37 zur Zuführung von flüssigem Wasser oder eines Fluids und über einen Kühlmittelanschluss 36 zur Zuführung eines erhitzten Kühlmittels aus einem nicht näher dargestellten Kühlmittelkreislauf 42. Das erhitzte Kühlmittel wird dazu verwendet, das flüssige Wasser (insbesondere rekuperativ) zu verdampfen. Der Wasserdampf steigt durch die wasserdampfpermeablen Strömungsführungselemente 38 in Richtung des in der Strömungsrichtung 6 strömenden Kathodengases auf, so dass dieses befeuchtet wird.
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Das vierte Ausführungsbeispiel des Befeuchtungssystems 1 unterscheidet sich von demjenigen nach 3 dadurch, dass das Mittel 4 zur weiteren Konditionierung des Kathodengases als ein Wasserabscheider 39 gebildet ist. Der Wasserabscheider 39 scheidet flüssiges Wasser ab. Dies ermöglicht es, den Brennstoffzellenstapel 16 vor flüssigem Wasser zu schützen. Das derartig abgeschiedene Wasser wird mittels der Strömungsführungen 38 in das Sammelbecken 25 geleitet, in dem der Wasserverdampfer 35 angeordnet ist.
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5 und 6 zeigen ein durch Integration des Wasserverdampfers 35 mit dem Ladeluftkühler 9 gebildetes Wärmeübertragungssystem 46. Dieses Wärmeübertragungssystem umfasst eine Mehrzahl von übereinander gestapelten Kühlmittelplatten 50, die einen Kühlmitteleintritt 47 und einen Kühlmittelaustritt 48 sowie einen den Kühlmitteleintritt 47 mit dem Kühlmittelaustritt 48 verbindenden Kühlmittelkanal 49 aufweisen. Zwischen den Kühlmittelplatten 50 ist ein insbesondere senkrecht zum Kühlmittelkanal 49 verlaufender Kathodengasdurchgang 51 vorgesehen. Angrenzend an oder benachbart zu den Kühlmittelplatten 50 ist eine Mehrzahl von zweiten Kühlmittelplatten 52 vorgesehen, die einen zweiten Kühlmitteleintritt 53 und einen zweiten nicht näher dargestellten Kühlmittelaustritt sowie einen den zweiten Kühlmitteleintritt 53 mit dem zweiten Kühlmittelaustritt verbindenden zweiten Kühlmittelkanal 55 umfassen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier der Kühlmittelplatten 50 parallel zueinander angeordnet. Der Kühlmittelkanal 49 kann geradlinig, oder auch mäanderförmig über die Kühlmittelplatten 50 verteilt verlaufen. Andere Kanalführungen sind möglich.
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Vorliegend sind zwei der zweiten Kühlmittelplatten 52 vorgesehen, wobei - wie auch bei den Kühlmittelplatten 50 - eine andere Plattenanzahl möglich ist. Der zweite Kühlmittelkanal 55 kann sich ebenfalls geradlinig, gegebenenfalls aber auch mäanderförmig über die jeweilige zweite Kühlmittelplatte 52 erstrecken. Andere Kanalführungen sind auch hier möglich.
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Eine Einlassstruktur 57 ist fluidmechanisch mit den Kühlmitteleintritten 47 und mit den zweiten Kühlmitteleintritten 53 verbunden, um den Kühlmittelkanälen 49 Kühlmittel (zum Beispiel Wasser oder CO2) und um den zweiten Kühlmittelkanälen 55 ein zweites Kühlmittel zuzuführen. Diese Einlassstruktur 57 umfasst ein mit den Kühlmitteleintritten 47 strömungsmechanisch verbundenen Kühlmitteleinlassabschnitt 59 und einen mit den zweiten Kühlmitteleintritten 53 strömungsmechanisch verbundenen zweiten Kühlmitteleinlassabschnitt 60.
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Zudem ist eine Auslassstruktur 62 vorgesehen, die einen mit den Kühlmittelaustritten 48 strömungsverbundenen Kühlmittelauslassabschnitt 63 und einen nicht näher dargestellten mit den zweiten Kühlmittelaustritten strömungsverbundenen zweiten Kühlmittelauslassabschnitt 64 umfasst. Zwischen je zwei benachbarten Platten ist ein Kathodengasdurchgang 51 ausgebildet, durch den im Betrieb verdichtetes Kathodengas strömt. Die Strömungsrichtung des Kathodengases ist in 5 durch den Pfeil 6 angedeutet. In 6 erfolgt die Kathodengasströmung in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus. Vorzugsweise sind in die Kathodengasdurchgänge 51 Verwirbelungsstrukturen, beispielsweise in Form von Lamellenstrukturen 66, zur Wärmeübertragung auf das Kathodengas eingebracht.
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7 zeigt eine weiteres Ausführungsbeispiel des aus dem Ladeluftkühler 9 und dem Wasserverdampfer 35 gebildeten Wärmeübertragungssystems 46. Dieses unterscheidet sich von der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform durch das zusätzliche Vorhandensein eines durch Kanäle 44,45 gebildeten Flussfelds. Dabei sind in den Kanäle 44,45 eine Mehrzahl von Abscheid- und Speicherelemente 67 zum Abscheiden und zur zeitweisen Speicherung des zugeführten Wassers angeordnet. Die Kanäle 44,45 werden vorzugsweise durch Strömungsstege gebildet, die an einer Oberfläche einer im Kathodengasdurchgang angeordneten semipermeablen Membran, an einer Oberfläche der Kühlmittelplatten 50 oder an einer Oberfläche des Kathodengasdurchgangs 51 ausgebildet sind. Die Strömungsstege sind dabei derart angeordnet, dass breite Kanäle 44 mit einem ersten Durchmesser und schmale Kanäle 45 mit einem bezüglich des ersten Durchmessers kleineren Durchmessers gebildet sind. An den Strömungsstegen sind in den breiten Kanälen 44 die als Taschen ausgebildeten Abscheid- und Speicherelemente 67 angeordnet. Diese sind bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung 6 des Kathodengases, weisend offen ausgebildet. Der Gasstrom bewegt sich in den breiten Kanälen 44 mit einer langsameren Geschwindigkeit als in den schmalen Kanälen 45, so dass in den schmalen Kanälen 45 ein niedrigerer statischer Druck vorliegt als in den breiten Kanälen 44. Jeder breite Kanal 44 ist benachbart zu einem schmalen Kanal 45 angeordnet und je zwei einen ersten schmalen Kanal 45 bildende Strömungsstege sind abwechselnd zueinander versetzt angeordnet. Dies ermöglicht wiederum, dass die Abscheid- und Speicherelmente 67 versetzt zueinander angeordnet und dementsprechend größer ausgebildet werden können. Dies führt dazu, dass das durch die Abscheid- und Speicherelmente 67 ausgebildete Flussfeld eine größere Speicherkapazität von flüssigem Wasser aufweist. Die Strömungsstege weisen eine Mehrzahl von senkrecht zu einer Längsrichtung der Strömungsstege verlaufende Verbindungskanäle 58 auf zum Druckausgleich zwischen den schmalen und den breiten Kanälen 44,45. Dies führt dazu, dass das flüssige Wasser in die Abscheid- und Speicherelemente 67 gesogen wird. Darüber hinaus sind die Durchmesser der Verbindungskanäle 58 derart gewählt, dass die Oberflächenspannung des Flüssigwassers in den Abscheid- und Speicherelmente 67 einen Durchtritt des Flüssigwassers durch den Verbindungskanal 58 verhindert. Das Wärmeübertragungssystem 46 nach 7 dient dem Abscheiden, zeitweise Speichern und Verdampfen des zugeführten flüssigen Wassers.
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8 und 9 zeigen ein sechstes und einen siebtes Ausführungsbeispiel des Befeuchtungssystems 1, wobei hier der Wasserverdampfer 35 in den Befeuchter 15 oder in ein diesem zugeordneten Gehäuse integriert ist. Das als Befeuchter 15 gebildete Mittel 4 zur weiteren Konditionierung des Kathodengases ist dabei zwischen dem einen Einlasssammler 3 aufweisenden Einlass 6 und einem einen Auslasssammler 7 aufweisenden Auslass 8 angeordnet. Die Strömungsrichtung des Kathodengases ist durch die Pfeile 6 angedeutet. Beim hier gezeigten Befeuchtungssystem 1 ist der Wasserverdampfer 35 in einem unterhalb des Befeuchters 15 angeordneten Sammelbecken 25 angeordnet. Das Sammelbecken 25 ist mit einer Zufuhrleitung 11 für frisches Kathodengas strömungsmechanisch verbunden, sodass das frische Kathodengas durch den Einsatz des Wasserverdampfers 35 (vor-)befeuchtet wird, bevor es in den eigentlichen Befeuchtungsbereich des Befeuchters 15 gelangt, der strömungsmechanisch zusätzlich stapelseitig mit der Kathodenabgasleitung 31 einerseits und einer Abgasleitung 32 andererseits verbunden ist. Im eigentlichen Befeuchtungsbereich wird flüssiges Wasser in den Kathodengasstrom eingebracht. Ausfällende Flüssigkeit wird im Sammelbecken 25 aufgefangen, wobei hierbei ein oberhalb des Wasserverdampfers 35 angeordnetes wasser- und wasserdampfpermeables Strömungsführungselement 38 vorhanden ist, um die Flüssigkeit in das Sammelbecken 25 zu leiten. Der im Sammelbecken 25 angeordnete Wasserverdampfer 35 verfügt über einen Kühlmittelanschluss 36, sodass das im Sammelbecken 25 angesammelte Wasser mittels des erhitzten Kühlmittels verdampft wird und durch das Strömungsführungselement 38 hindurch nach oben, mithin in Richtung des eigentlichen Befeuchtungsbereichs steigt.
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Das Ausführungsbeispiel der 9 unterscheidet sich von dem der 8 lediglich durch das kelchförmig oder kelchähnlich gebildete Sammelbecken 25, in dem der Wasserverdampfer 35 angeordnet ist sowie durch die ebenfalls schräg in Richtung des Wasserverdampfers 35 ausgebildeten Strömungsführungselemente 38.
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10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2 mit einem Befeuchtungssystem 1 nach 3. Das Brennstoffzellensystem 2 weist einen mehrere Brennstoffzellen sowie Kathodenräume und Anodenräume umfassenden Brennstoffzellenstapel 16 auf. 10 zeigt dabei, dass der Auslass 8 des Befeuchtungssystems 1 mit einem Gaseinlass 14 eines Befeuchters 15 verbunden ist. Alternativ kann das Befeuchtungssystem 1 nur einen Wasserverdampfer 35 umfassen, so dass der Auslass 8 des Befeuchtungssystems 1 stromabwärts des Wasserverdampfers 35 und der Einlass 5 stromaufwärts des Wasserverdampfers 35 angeordnet ist.
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Dem Wasserverdampfer 35 in 10 ist stromaufwärts, mithin auf seiner einer Zufuhrleitung 11 zugewandten Seite, ein Verdichter 26 vorgeschaltet, der mittels eines Verdichtermotors 40 betrieben wird. Dieser Verdichter 26 saugt das Kathodengas (zum Beispiel Luft oder Sauerstoff) an, wodurch es durch die Zufuhrleitung 11 zum Einlasssammler 3 vor dem Wasserverdampfer 35 und den Ladeluftkühler 9 strömt.
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Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 20 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 19 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 21 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulationsleitung 21 vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 21 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in der Anodenzufuhrleitung 20 ist der Anodenzufuhrleitung 20 ein Brennstoffstellglied 28 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 20 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 28 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 29, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-) Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen.
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Im Anodenkreislauf ist vorliegend ein Abscheider 22 angeordnet, durch den Flüssigkeit angesammelt werden kann. Der Abfluss des Abscheiders 22 ist mit einer Flüssigkeitsleitung 23 verbunden, die den Abscheider 22 mit der Zufuhrleitung 11 des Befeuchtungssystems 1 verbindet. Damit wird also die anodenseitig erzeugte Flüssigkeit dazu verwendet, um sie kathodenseitig für eine Befeuchtung oder eine Vorbefeuchtung des Kathodengases zu nutzen. Das flüssige Wasser wird dabei bevorzugt in dem Sammelbecken 25 des Wasserverdampfers 35 gesammelt.
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Um die Menge der durch die Flüssigkeitszufuhr bereitgestellten Flüssigkeit einstellen zu können, ist der Flüssigkeitsleitung 23 ein Flüssigkeitsstellglied 24 zugeordnet bzw. in diese fluidmechanisch eingekoppelt. Dieses Flüssigkeitsstellglied 24 ermöglicht die Zufuhr der Flüssigkeit aus dem Abscheider 22 zum Kathodenkreislauf.
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Im gezeigten Beispiel ist die Flüssigkeitsleitung 23 der Zufuhrleitung 11 des Befeuchtungssystems 1 zugeordnet. Eine solche Anordnung der Flüssigkeitsleitung 23 zwischen dem Verdichter 26 und dem Befeuchtungssystem 1 ist vorteilhaft, denn das Kathodengas ist aufgrund seiner Verdichtung sehr warm, was die Feuchtigkeitsaufnahme verbessert.
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Der Kühlmittelanschluss 36 des Wasserverdampfers 35 ist mit einem Kühlmittelkreislauf 42 des Verdichtermotors 40 fluidmechanisch verbunden, sodass das im Kühlmittelkreislauf 42 erhitzte Kühlmittel zum Verdampfen des über die Wasserzuführung 37 zugeführten Wassers dient. Üblicherweise beträgt die Temperatur des Kühlmittels 10 bis zu 150 Grad Celsius. Die Steuerung des Kühlmittelkreislaufs 42 oder auch des Kühlmittelmassenstroms kann mittels eines vorzugsweise als Drosselventil gebildeten Stellglieds 68 und/oder mittels nicht näher dargestellter Expansionsventile erfolgen. Die Überwachung der Temperatur des im Kühlmittelkreislauf 42 strömenden Kühlmittels kann mittels eines Temperatursensors 56 erfolgen, der bevorzugt dem zum Kühlmittelanschluss 36 führenden Teil des Kühlmittelkreislaufs 42 zugeordnet ist oder dort angeordnet ist.
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Stromabwärts des Ladeluftkühlers 9 ist eine ein Wastegate 54 aufweisende Bypassleitung zum Abführen von Kathodengas in eine Abgasleitung 32 vorgesehen. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 9 ist zudem ein Befeuchter 15 zur weiteren Befeuchtung des Kathodengases angeordnet, dessen Befeuchterauslass 18 über eine Kathodenzufuhrleitung 30 mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 16 verbunden ist. Außerdem weist der Befeuchter 15 einen Befeuchtereinlass 17 auf, der ebenfalls über eine Kathodenabgasleitung 31 mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 16 verbunden ist, über die das feuchte Kathodenabgas zum Befeuchter 15 rückgeführt wird. Innerhalb des Befeuchters 15 ist eine wasserdampfpermeable Membran angeordnet, die das zu befeuchtende Kathodengas von dem die Feuchtigkeit enthaltenden Kathodenabgas trennt. Letztlich weist der Befeuchter 15 auch die Abgasleitung 32 auf, über die Abgas an die Umgebung abgegeben werden kann. Über die Kathodenräume wird das Kathodengas den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 16 angeordneten Brennstoffzellen zugeführt. Protonenleitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden kann.
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11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2, wobei sich dieses von dem zuvor beschriebenen darin unterscheidet, dass der Kühlmittelkreislauf 42 des Verdichtermotors 40 als zwei strömungsmechanisch voneinander getrennte Kreisläufe 41, 43 gebildet ist. Nur der erste Kreislauf 41 ist mit dem Kühlmittelanschluss 36 des Wasserverdampfers 35 verbunden. Dieser erste Kreislauf 41 kann durch eine nicht näher dargestellte Pumpe betrieben werden. Bevorzugt ist der erste Kreislauf 41 allerdings als ein Naturumlauf gebildet, bei dem das Kühlmittel aufgrund von Dichte- und/oder Höhendifferenzen unter Zu- und Abführung von Wärme selbstständig innerhalb des ersten Kreislaufs 41 bewegbar ist. Da der erste Kreislauf 41 separat vom zweiten Kreislauf 43 ist, können beide Kreisläufe 41,43 mit unterschiedlichen Kühl- oder Kältemitteln betrieben werden. Beide Kreisläufe 41,43 nutzen folglich die durch den Verdichtermotor 40 produzierte Abwärme. Dabei kann die durch den Verdichtermotor 40 produzierte Abwärme auf die beiden Kreisläufe 41, 43 mittels in den Kreisläufen angeordneten, nicht näher dargestellten Stellgliedern auf die jeweiligen Kreisläufe 41,43 verteilt werden, durch Anpassung der durch die Kreisläufe 41,43 strömenden Kühlmittelmassenströme.
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Um die Kühlung des Verdichtermotors 40 jederzeit sicherzustellen, können in einem Ausführungsbeispiel die beiden Kreisläufe 41,43 auch thermisch mittels einem nicht dargestellten Wärmeübertrager oder Wärmetauscher miteinander verbunden sein.
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Eine weitere Position des Wasserverdampfers 35 ist in 12 dargestellt, wobei der Wasserverdampfer 35 kathodeneintrittsseitig stromabwärts des Befeuchters 15 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Befeuchtungssystem 1 bevorzugt als ein Befeuchtungssystem 1 nach 4 gebildet, in dem das Mittel 4 zur weiteren Konditionierung des Kathodengases als ein Wasserabscheider 39 gebildet ist.
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Selbstverständlich können in einem Brennstoffzellensystem 2 auch mehrere Befeuchtungssysteme 1 vorgesehen sein. Beispielsweise ist es möglich, in ein Brennstoffzellensystem 2 ein Befeuchtungssystem 1 nach 4 kathodeneintrittsseitig vor dem Brennstoffzellenstapel 16 anzuordnen, und zugleich eines der Befeuchtungssysteme nach 1 bis 4 stromabwärts des Verdichters 26 zu positionieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befeuchtungssystem
- 2
- Brennstoffzellensystem
- 3
- Einlasssammler
- 4
- Mittel zur weiteren Konditionierung des Kathodengases
- 5
- Einlass
- 6
- Strömungsrichtung
- 7
- Auslasssammler
- 8
- Auslass
- 9
- Ladeluftkühler
- 11
- Zufuhrleitung
- 12
- Wasserspiegel
- 14
- Gaseinlass
- 15
- Befeuchter
- 16
- Brennstoffzellenstapel
- 17
- Befeuchtereinlass
- 18
- Befeuchterauslass
- 19
- Brennstoffspeicher
- 20
- Anodenzufuhrleitung
- 21
- Anodenrezirkulationsleitung
- 22
- Abscheider
- 23
- Flüssigkeitsleitung
- 24
- Flüssigkeitsstellglied
- 25
- Sammelbecken
- 26
- Verdichter
- 27
- Mittellinie
- 28
- Brennstoffstellglied
- 30
- Kathodenzufuhrleitung
- 31
- Kathodenabgasleitung
- 32
- Abgasleitung
- 35
- Wasserverdampfer
- 36
- Kühlmittelanschluss
- 37
- Wasserzuführung
- 38
- Strömungsführungselement
- 39
- Wasserabscheider
- 40
- Verdichtermotor
- 41
- erster Kreislauf
- 42
- Kühlmittelkreislauf
- 43
- zweiter Kreislauf
- 44
- Kanal
- 45
- schmaler Kanal
- 46
- Wärmeübertragungssystem
- 47
- Kühlmitteleintritt
- 48
- Kühlmittelaustritt
- 49
- Kühlmittelkanal
- 50
- Kühlmittelplatten
- 51
- Kathodengasdurchgang
- 52
- zweite Kühlmittelplatten
- 53
- zweiter Kühlmitteleintritt
- 54
- Wastegate
- 55
- zweiter Kühlmittelkanal
- 56
- Temperatursensor
- 57
- Einlassstruktur
- 58
- Verbindungskanal
- 59
- Kühlmitteleinlassabschnitt
- 60
- zweiter Kühlmitteleinlassabschnitt
- 61
- Trennwand
- 62
- Auslassstruktur
- 63
- Kühlmittelauslassabschnitt
- 65
- Wandung
- 66
- Lamellenstruktur
- 67
- Abscheid- und Speicherelement
- 68
- Stellglied
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0190513 A1 [0006]
- US 2009/0311565 A1 [0007]
