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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von einen Kathodenraum und einen Anodenraum aufweisenden Brennstoffzellen, und mit mindestens einem Einlassverteiler, der mit den Kathodenräumen oder den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist zur Zuführung eines Reaktanten zu den Kathodenräumen oder Anodenräumen.
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Um die Effizienz von Brennstoffzellen zu steigern, werden diese mit befeuchtetem Gas betrieben, um eine hohe Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Allerdings kann es zu einer Kondensatbildung an dem Brennstoffzellenstapel und damit zu einer frühzeitigen Alterung und Schädigung des Brennstoffzellenstapels kommen, die sich wiederum senkend auf die Effizienz des Brennstoffzellenstapels auswirkt. So kann es beispielsweise während eines Aufwärmvorgangs der Brennstoffzellen zur Bildung von Kondensat in dem Brennstoffzellenstapel kommen und dieses in den Brennstoffzellenstapel eingetragen werden. Dabei strömt das flüssige Wasser (Kondensat) nicht kontinuierlich in den Brennstoffzellenstapel ein, sondern sammelt sich zunächst in einer der Zufuhrleitungen bis sich ein Tropfen bildet, der ab einer bestimmten Größe von der Strömung des Kathodengases oder des Anodengases mitgerissen wird.
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Die
DE 10 2010 035 479 B4 offenbart einen Brennstoffzelleneinlass, in den ein poröses, hydrophiles Element und ein Fluidsammelelement in Form von einer Rinne angeordnet sind zum Sammeln von flüssigem Wasser aus einem Fluidstrom.
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Auch die
DE 10 2010 048 152 B4 weist ein poröses Element auf, das in dem Brennstoffzelleneinlass angeordnet ist, um flüssiges Wasser aus einem strömenden Reaktantengas abzuscheiden und aufzunehmen.
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Weiterhin offenbart die
US 8,435,693 B2 eine Brennstoffzelle mit einem Füllelement aus einem porösem und hydrophilen Material im Einlass- und/oder Auslassbereich der Brennstoffzelle.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem das Eindringen von Flüssigwasser reduziert wird, und damit Schädigungen am Brennstoffzellenstapel vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellenstapel mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dem Einlassverteiler eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur zugewiesen ist, die ausgebildet ist, eine Flüssigkeit aus einem Fluidstrom zeitweise zu speichern. Das hygroskopische Material kann dabei bevorzugt ein Silikat, insbesondere Calciumsilikat, oder ein Zeolith sein. Durch die das hygroskopische Material umfassende Struktur kann die Flüssigkeit aus einem Fluidstrom in das hygroskopischen Material d.h. in die Struktur aufgenommen, zeitweise gespeichert und bei Bedarf in den Reaktantenstrom mittels Verdampfen abgegeben werden. Dies ermöglicht auch zur Befeuchtung eines Kathodengases eine Flüssigwassereinspritzung zu verwenden, da durch die Struktur aus dem hygroskopischen Material ein Eindringen von Wasser in den Brennstoffzellenstapel verhindert wird. Der Einlassverteiler erstreckt sich dabei vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung.
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In einer ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Struktur als eine Beschichtung gebildet ist, die eine Innenwandung des Einlassverteilers zumindest teilweise bedeckt. Eine Beschichtung stellt eine äußerst einfach zu fertigende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Vorzugsweise ist die gesamte Innenwandung des Einlassverteilers mit der das hygroskopische Material umfassenden Beschichtung bedeckt. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass die das hygroskopische Material aufweisende Beschichtung nur auf einen Teil der Innenwandung aufgetragen ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass der Einlassverteiler und die Struktur einstückig gebildet sind. In diesem Fall ist der Einlassverteiler selbst aus dem hygroskopischen Material gebildet, oder umfasst selber das hygroskopische Material.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn die Struktur als ein Einleger gebildet ist, der in den Einlassverteiler eingelegt ist und eine Innenwandung des Einlassverteilers zumindest teilweise bedeckt. Der Einleger ist somit zumindest teilweise aus einem hygroskopischen Material gebildet. Dabei kann der Einleger über die gesamte Erstreckung des Einlassverteilers in den Einlassverteiler hineinragen oder nur teilweise in den Einlassverteiler hineinragen. Der Einleger kann beispielsweise als eine Hülse oder als eine teiloffene Hülse gebildet sein. Mittels des Einlegers aus dem hygroskopischen Material ist es möglich, bestehende Brennstoffzellenstapel nachzurüsten, derart, dass das Eindringen von Flüssigkeit in den Brennstoffzellenstapel verhindert oder reduziert wird.
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Der Einlassverteiler kann dabei als ein zellexterner Einlassverteiler gebildet sein, der an dem Brennstoffzellenstapel angeformt und mit den Kathodenräumen oder den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist.
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Alternativ ist es möglich, dass jede der Brennstoffzellen mindestens eine Verteilerplatte zur Verteilung des Reaktanten im Kathodenraum oder im Anodenraum aufweist, in welcher eine Durchführung für den Reaktanten ausgebildet ist, und dass der Einlassverteiler aus den Durchführungen einer Mehrzahl an gestapelten Verteilerplatten gebildet ist. Die Verteilerplatte kann dabei als eine Bipolarplatte oder als eine Unipolarplatte gebildet sein, so dass im Fall der Bildung als eine Bipolarplatte, jede der Brennstoffzellen jeweils genau eine Bipolarplatte zugewiesen ist, während im Fall, dass die Verteilerplatte als eine Unipolarplatte gebildet ist, jeder der Brennstoffzellen zwei Unipolarplatten zugewiesen sind.
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In einer Ausführungsform kann die Verteilerplatte auch aus dem hygroskopischen Material zumindest teilweise gebildet sein d.h. die gesamte Verteilerplatte umfasst das hygroskopische Material.
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Weiterhin ist es möglich, dass der Einlassverteiler einen Einlass oder einen Einlassbereich aufweist, und dass nur dem Einlass oder dem Einlassbereich die das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist. In anderen Worten ist nur der Einlass oder der Einlassbereich mit dem hygroskopischen Material beschichtet oder zumindest teilweise aus diesem gebildet, oder der das hygroskopische Material umfassende Einleger ragt nur bis zum Einlass oder bis zum Einlassbereich in den Einlassverteiler hinein. Dies verringert die Menge an benötigtem hygroskopischen Material.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein mit den Anodenräumen fluidmechanisch verbundener erster Einlassverteiler und ein mit den Kathodenräumen fluidmechanisch verbundener zweiter Einlassverteiler vorhanden sind, und wenn dem ersten Einlassverteiler und dem zweiten Einlassverteiler jeweils eine das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist. Somit kann sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig die Flüssigkeit aus dem Fluidstrom aufgenommen, zeitweise gespeichert und wieder abgegeben werden. In einer alternativen Ausführungsform ist es aber auch ausreichend, wenn nur dem mit den Anodenräumen fluidmechanisch verbundenen ersten Einlassverteiler die das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist. In anderen Worten weist nur der anodenseitige Einlassverteiler die hygroskopische Struktur auf. Ebenso ist es möglich, dass nur dem mit den Kathodenräumen fluidmechanisch verbundenen zweiten Einlassverteiler die das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein mit den Anodenräumen fluidmechanisch verbundener erster Auslasssammler und/oder ein mit den Kathodenräumen fluidmechanisch verbundener zweiter Auslasssammler vorhanden ist, und wenn dem ersten Auslasssammler und/oder dem zweiten Auslasssammler eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur zugewiesen ist, die ausgebildet ist, Flüssigkeit aus einem Fluidstrom zeitweise zu speichern. Dies ermöglicht die Aufnahme, zeitweise Speicherung und Abgabe von in den Anodenräumen und/oder in den Kathodenräumen produziertem Flüssigwasser. Dieses kann beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt in das Kathodengas mittels Verdampfen wieder abgegeben werden, um dieses zu befeuchten. Die in Zusammenhang mit dem Einlassverteiler beschriebenen Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen der Struktur gelten für den Auslasssammler in analoger Weise. Insbesondere kann der Auslasssammler als ein zellexterner Auslasssammler gebildet sein, der an dem Brennstoffzellenstapel angeformt und mit den Kathodenräumen oder den Andenräumen fluidmechanisch verbunden ist. Alternativ kann in der Verteilerplatte eine weitere Durchführung ausgebildet sein, und der Auslasssammler wird aus den weiteren Durchführungen einer Mehrzahl an gestapelten Verteilerplatten gebildet.
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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 eines ersten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellenstapels, bei dem einem Einlassverteiler eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur zugewiesen ist,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellenstapels, bei dem lediglich dem Einlass eine das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist,
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellenstapels, bei dem nur der Einlassbereich die das hygroskopische Material umfassende Struktur zugewiesen ist,
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels, bei dem sowohl dem Einlassverteiler als auch dem Auslassverteiler jeweils eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur zugewiesen ist, und
- 5 ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel dessen Einlassverteiler eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur zugewiesen ist.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenstapels 1 mit einer Mehrzahl von einen Kathodenraum und einen Anodenraum aufweisenden Brennstoffzellen 2. Weiterhin ist ein parallel zur Stapelrichtung sich erstreckender Einlassverteiler 3 vorhanden, der mit den Kathodenräumen oder den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist. Dem Einlassverteiler 3 ist eine ein hygroskopisches Material umfassende Struktur 4 zugewiesen, die ausgebildet ist, eine Flüssigkeit aus einem Fluidstrom aufzunehmen, zeitweise zu speichern und wieder abzugeben. Die Struktur 4 kann dabei als eine Beschichtung gebildet sein, die eine Innenwandung 5 des Einlassverteilers 3 bedeckt. Alternativ ist auch möglich, dass die Struktur 4 und der Einlassverteiler 3 einstückig gebildet sind, dass also der Einlassverteiler 3 selber hygroskopisches Material umfasst. Alternativ ist es möglich, dass die Struktur 4 als ein Einleger gebildet ist, der in den Einlassverteiler 3 eingelegt ist und eine Innenwandung 5 des Einlassverteilers 3 zumindest teilweise bedeckt. Vorliegend ist der Einlassverteiler 3 als ein zellexterner Einlassverteiler 3 gebildet, der an den Brennstoffzellenstapel 1 angeformt und mit dem Kathodenräumen oder den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist. Jeder der Brennstoffzellen 2 weist mindestens eine als eine Bipolarplatte oder als eine Unipolarplatte gebildete Verteilerplatte auf zur gleichmäßigen Verteilung des Reaktanten Diese ist in 1 nicht näher dargestellt.
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In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es daher auch möglich, dass die Verteilerplatte eine Durchführung für den Reaktanten aufweist, und dass der Einlassverteiler 3 aus den Durchführungen einer Mehrzahl an gestapelten Verteilerplatten gebildet ist. Alternativ kann auch die gesamte Verteilerplatte aus dem hygroskopischen Material gebildet sein.
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1 zeigt darüber hinaus einen Auslasssammler 8, der mit den Kathodenräumen oder den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist. Dabei weist der Brennstoffzellenstapel 1 einen ersten Einlassverteiler 3, der mit den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist und einen zweiten Einlassverteiler 3, der mit den Kathodenräumen fluidmechanisch verbunden ist, auf. Weiterhin ist ein erster Auslasssammler 8, der mit den Anodenräumen fluidmechanisch verbunden ist und ein zweiter Auslasssammler 8, der mit den Kathodenräumen fluidmechanisch verbunden ist, vorhanden. Die das hygroskopische Material umfassende Struktur 4 kann somit dem ersten (anodenseitigen) Einlassverteiler 3 und/oder dem zweiten (kathodenseitigen) Einlassverteiler 3 und/oder dem ersten (anodenseitigen) Auslasssammler 8 und/oder dem zweiten (kathodenseitigen) Auslasssammler 8 zugewiesen sein.
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2 zeigt, dass der Einlassverteiler 3 einen Einlass 6 aufweist, und dass nur dem Einlass 6 die das hygroskopische Material umfassende Struktur 4 zugewiesen ist. In anderen Worten weist nur der Einlass 6 des Einlassverteilers 3 die das hygroskopische Material umfassende Beschichtung auf, oder nur der Einlass 6 selber ist aus dem hygroskopischen Material zumindest teilweise gebildet, oder der das hygroskopische Material umfassende Einleger ragt nur bis zum Einlass 6 (axial) in den Einlassverteiler 3 hinein. Dies kann in analoger Weise auch für den ersten und/oder den zweiten Auslasssammler 8 gelten.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der Einlassverteiler 3 einen Einlassbereich 7 aufweist, der in den Einlassverteiler 3 (axial) hineinragt; und zwar noch über den Einlass 6 hinaus. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist lediglich dem Einlassbereich 7 des Einlassverteilers 3 die das hygroskopische Material umfassende Struktur 4 zugewiesen. Somit weist nur der Einlassbereich 7 eine ein hygroskopisches Material umfassende Beschichtung auf, oder ist aus diesem Material zumindest teilweise gebildet. Weiterhin ragt der Einleger nur bis in den Einlassbereich 7 des Einlassverteilers 3 hinein. Dies kann in analoger Weise auch für den ersten und/oder den zweiten Auslasssammler 8 gelten.
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In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die das hygroskopische Material umfassende Struktur 4 nur bis zur Hälfte der Erstreckung des Einlassverteilers 3 ausgebildet ist oder nur bis zu einem Viertel oder bis zu einem Drittel und in den dazwischenliegenden Bereichen. Dies kann in analoger Weise auch für den ersten und/oder den zweiten Auslasssammler 8 gelten.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl der Einlassverteiler 3 als auch dem Auslasssammler 8 jeweils die das hygroskopische Material umfassende Struktur 4 zugewiesen ist. Dies ist insbesondere anodenseitig von Vorteil, um Wasser vor dem Eindringen in den Brennstoffzellenstapel 1 aufzusaugen, und um das in den Anodenräumen abgeschiedene Wasser aufzunehmen, um es später gegebenenfalls zum Befeuchten des Kathodengases zu verwenden.
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5 zeigt ein Brennstoffzellensystem 9 mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1. Das Brennstoffzellensystem 9 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 1, der eine Vielzahl von in Stapelrichtung angeordneten nicht näher dargestellten Brennstoffzellen 2 aufweist. Jeder Brennstoffzelle 2 ist jeweils ein Anodenraum sowie ein Kathodenraum zugeordnet, wobei die Anode und die Kathode durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind. Zwischen zwei solchen Membranelektrodenanordnungen ist ferner jeweils eine nicht näher dargestellte Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Reaktanten in die Anoden- und Kathodenräume dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 2 herstellt.
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Um den Brennstoffzellenstapel 1 mit den Reaktanten, also dem Kathodengas und dem Brennstoff zu versorgen, ist der Brennstoffzellenstapel 1 anodenseitig mit einer Anodenzufuhrleitung 20 zur Zuführung eines wasserstoffhaltigen Anodengases aus einem Anodenreservoir 19 verbunden. Der Anodenbetriebsdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 1 ist über ein Stellglied 28 in der Anodenzufuhrleitung 20 einstellbar. Der Anodenzufuhrleitung 20 kann darüber hinaus eine Strahlpumpe 16 zugeordnet bzw. in diese eingekoppelt. Anodenaustrittseitig ist eine Anodenabgasleitung 24 vorhanden, die mit einer mit der Anodenzufuhrleitung 20 fluidmechanisch verbundenen Anodenrezirkulationsleitung 21 zum Abtransport von nicht reagiertem Anodengas fluidmechanisch verbunden ist. Der Anodenrezirkulationsleitung 21 ist zudem ein Rezirkulationsgebläse 25 zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 21 eingekoppelt. Zudem ist in der Anodenrezirkulationsleitung 21 ein Abscheider 22, insbesondere ein Wasserabscheider vorhanden, dessen Abfluss entweder mit einer Abfuhrleitung 23 verbunden ist, zum Abführen des abgeschiedenen Flüssigwassers aus dem Brennstoffzellensystem 9. Alternativ kann der Abfluss der Abscheiders 22 auch mittels einer nicht näher dargestellte Flüssigkeitszufuhrleitung mit einer Kathodenzufuhrleitung 30 stromauf eines Befeuchters 15 und/oder einer Trockenzufuhrleitung 11 stromauf des Befeuchters 15 verbunden sein. Dies ermöglicht, das anodenseitig anfallende Flüssigwasser dem Befeuchter 15 zuzuführen.
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Kathodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Kathodenzufuhrleitung 30 verbunden zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Kathodengases. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodengases ist in einem als Trockenzufuhrleitung 11 ausgebildeten Teil der Kathodenzufuhrleitung 30 ein Verdichter 26 angeordnet. In der dargestellten Ausgestaltung ist der Verdichter 26 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 26 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik ausgestatteten, nicht näher dargestellten Elektromotor erfolgt.
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Über den Verdichter 26 wird das Kathodengas, welches aus der Umgebung angesaugt wurde, zu dem Befeuchter 15 mittels der Trockenzufuhrleitung 11 geführt. Ein zweiter Teil der Kathodenzufuhrleitung 30 verbindet den Befeuchter 15 mit dem Brennstoffzellenstapel 1 und leitet befeuchtetes Kathodengas zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 1. Darüber hinaus wird Flüssigwasser und nicht reagiertes Kathodengas über eine Kathodenabgasleitung 31 zurück zum Befeuchter 15 geleitet, oder das nicht reagierte Kathodengas (insbesondere die Abluft) wird gegebenenfalls aus dem Kathodenräumen 18 des Brennstoffzellenstapels 1 zu einer nicht dargestellten Abgasanlage geführt. Der Befeuchter 15 weist einen Einlass 14 zur Zuführung von trockenem Gas einen Auslass 18 für das befeuchtete Gas, einen weiteren Einlass 17 für ein feuchtes Abgas und einen weiteren Auslass 13 für ein entfeuchtetes Abgas auf, welcher mit einer Befeuchterabfuhrleitung 32 zum Ausleiten von entfeuchtetem Kathodenabgas fluidmechanisch verbunden ist.
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Weiterhin kann stromabwärts des Verdichters 26 eine Bypassleitung 12 vorhanden sein, die mit der Befeuchterabfuhrleitung 32 strömungsmechanisch verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Brennstoffzellenstapel
- 2.
- Brennstoffzelle
- 3.
- Einlassverteiler
- 4.
- hygroskopisches Material umfassende Struktur
- 5.
- Innenwandung
- 6.
- Einlass (des Einlassverteilers)
- 7.
- Einlassbereich
- 8.
- Auslasssammler
- 9.
- Brennstoffzellensystem
- 11.
- Trockenzufuhrleitung
- 12.
- Bypassleitung
- 13.
- weiterer Auslass (des Befeuchters)
- 14.
- Einlass (des Befeuchters)
- 15.
- Befeuchter
- 16.
- Strahlpumpe
- 17.
- weiterer Einlass (des Befeuchters)
- 18.
- Auslass (des Befeuchters)
- 19.
- Anodenreservoir
- 20.
- Anodenzufuhrleitung
- 21.
- Anodenrezirkulationsleitung
- 22.
- Abscheider
- 23.
- Abfuhrleitung
- 24.
- Anodenabgasleitung
- 25.
- Anodenrezirkulationsgebläse
- 26.
- Verdichter
- 28.
- Stellglied
- 29.
- Wärmeübertrager
- 30.
- Kathodenzufuhrleitung
- 31.
- Kathodenabgasleitung
- 32.
- Befeuchterabfuhrleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035479 B4 [0003]
- DE 102010048152 B4 [0004]
- US 8435693 B2 [0005]
