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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abfangen von unerwünschter in einen Brennstoffzellenstapel strömender Flüssigkeit in dem Brennstoffzellenstapel. Außerdem betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Vorrichtung, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel und ein Fahrzeug mit wenigstens einem derartigen Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellenstapeln, welche häufig auch mit dem an die englische Sprache angelehnten Begriff Brennstoffzellenstack bezeichnet werden, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei ist insbesondere der Einsatz von sogenannten Niedertemperaturbrennstoffzellen, welche beispielsweise eine protonenleitende Membran aufweisen und als PEM-Brennstoffzellen bezeichnet werden, allgemein bekannt. Vor allem derartige Brennstoffzellenstapel werden häufig in elektrischen Antriebssystemen für Fahrzeuge, wie beispielsweise Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeuge, aber auch Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und dergleichen eingesetzt. Daneben ist der Einsatz auch zur Notstromversorgung im stationären Bereich bekannt und üblich. Die aufgestapelten Einzelzellen sind dabei in ihrem Aufbau relativ dünn, sodass die Kanäle zur Verteilung der Gase auf die Anodenseite und die Kathodenseite der Einzelzellen ebenfalls von relativ geringer Abmessung sind. Bei solchen Aufbauten kommt es nun gelegentlich dazu, dass eingetragenes Flüssigwasser einen Teil der Kanäle verstopft, beispielsweise Verbindungskanäle zwischen einer durch den gesamten Stapel durchlaufenden Sammelleitung und den Gasverteilungsbereichen der Einzelzellen. Durch flüssiges Wasser in diesen kritischen Bereichen wird dann die Versorgung der Einzelzellen mit den erforderlichen Gasen eingeschränkt und im schlimmsten Fall sogar verhindert. Dies führt dazu, dass einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels eine zu geringe elektrische Spannung liefern, oder dass es im schlimmsten Fall sogar zu einer Umpolung von Einzelzellen kommt. Dies ist für die gesamte Performance des Brennstoffzellenstapels schädlich und sollte nach Möglichkeit verhindert werden.
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Die
US 7,163,760 B2 beschreibt in diesem Zusammenhang einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, bei welchem einzelne Platten zwischen den Bipolarplatten vorgesehen sind, welche den Strömungsquerschnitt des Verteilkanals entsprechend verringern. Zumindest im Bereich der Wände des Verteilkanals entlanglaufendes Wasser in flüssiger Form wird an diesen Barrieren aufgehalten. Über entsprechende Leitungen wird dieses Wasser dann abgeführt, umso zumindest die nachfolgenden Zellen vor diesem flüssigen Wasser zu schützen.
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Die
DE 10 2011 007 378 A1 beschreibt einen darauf basierenden Aufbau, bei welchem aus demselben Grund modifizierte Dummie-Zellen in dem Brennstoffzellenstapel eingesetzt werden, um innerhalb des Stapels flüssiges Wasser abzuscheiden und damit die Gefahr einer Blockade von gasführenden Kanälen in dem System über das Wasser zu verhindern. Dies kann dabei sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig erfolgen.
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Nachteilig bei diesen Aufbauten ist es, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels ein Aufbau eingesetzt werden muss, welcher einerseits das Wasser abscheidet und andererseits dieses Wasser aus dem System ableitet. Dies benötigt relativ viel Bauraum, sodass beispielsweise durch die eingesetzten Zwischenplatten der US-Schrift oder die Dummy-Zellen der DE-Schrift wertvoller Bauraum innerhalb des Brennstoffzellenstapels verloren geht. Dies führt insgesamt zu einer Verringerung der möglichen Energiedichte des Brennstoffzellenstapels und verursacht andererseits zusätzliche Druckverluste. Über die Wege, über welche das Wasser abgeführt wird, geht dabei immer auch ein Teil des Gases mit verloren, welches zuvor beispielsweise verdichtet und gefördert worden ist, sodass auch dies einen Nachteil darstellt, der Auswirkungen auf den Wirkungsgrad eines mit dem Brennstoffzellenstapel ausgestatteten Brennstoffzellensystems hat.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine verbesserte Vorrichtung zum Abfangen von unerwünschter in einem Brennstoffzellenstapel strömender Flüssigkeit zu schaffen, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Vorrichtung löst die Aufgabe ebenso wie ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel. Letztlich löst auch ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem die Aufgabe.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Abfangen von unerwünschter in einem Brennstoffzellenstapel strömender Flüssigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Anders als im Stand der Technik ist dafür eine sehr einfache und platzsparende Realisierung vorgesehen, bei welcher zumindest in einer eingangsseitigen Verteilplatte für die Medien in dem Brennstoffzellenstapel ein saugfähiges Material auf einer von dem Medium überströmten oder angeströmten Fläche angeordnet ist. Ein solches saugfähiges Material kann beispielsweise ein Filz, eine Vlieseinlage oder dergleichen sein. Das Vlies kann dabei in einer oder mehreren Lagen angeordnet sein. Es erfordert dabei praktisch keinen zusätzlichen Bauraum, da es entsprechend dünn ausgeführt werden kann. Flüssiges Wasser, welches, so die Beobachtung des Erfinders, typischerweise entlang der Rohrwandungen von Leitungen fließt, wird dann von dem Vlies aufgenommen und am Weiterströmen gehindert. Dies führt dazu, dass beispielsweise schwallartig eingetragenes Wasser weitgehend von dem saugfähigen Material aufgenommen wird und somit nicht in den kritischen Bereich der Einzelzellen gelangt. Ein Blockieren von Leitungsquerschnitten durch das flüssige Wasser lässt sich somit vermeiden, wodurch die Gefahr der sogenannten low cells und/oder cell reversals, also die Gefahr einer verringernden Spannungsabgabe durch Einzelzellen oder gar ihrer Umpolung, weitgehend verhindert wird. Bei entsprechend trockenen Bedingungen kann das Wasser in dem Vlies auch wieder verdampfen, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung praktisch wartungsfrei realisiert werden kann.
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Ferner ist es so, dass kein flüssiges Wasser in die Umgebung abgegeben werden muss. Auf den im eingangs genannten Stands der Technik benötigten Aufwand hinsichtlich der Leitungen kann also verzichtet werden. Dies spart sowohl Kosten als auch Bauvolumen in dem Brennstoffzellenstapel ein, sodass dieser mit einer höheren Leistungsdichte und einem besseren Kosten-/Leistungsverhältnis realisiert werden kann. Außerdem verursacht das eingelegte Vlies kaum Druckverluste, sodass auch hinsichtlich des Wirkungsgrads eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik zu erzielen ist.
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Dabei kann das saugfähige Material insbesondere um den Umfang einer Zuleitung für das Medium verlaufen. Das saugfähige Material kann also beispielsweise ringförmig um den Umfang der Zuleitung verlaufen, sodass der gesamte Umfang der Zuleitung an zumindest einer Stelle von dem Vlies oder einem ähnlich saugfähigen Material gebildet wird. Dies führt dazu, dass Wasser welches entlang der Rohrwandungen fließt, und dies ist nach endoskopischen Beobachtungen des Erfinders der Normalfall, wenn es zu einem Eintrag von Wasser in eine Brennstoffzelle kommt, vollständig in dem Vlies aufgenommen werden kann.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es ferner vor, dass an einer der Eingangsseite abgewandten Seite des Brennstoffzellenstapels in dem Kanal für das Medium ein weiteres saugfähiges Material angeordnet ist. Das saugfähige Material kann also vorzugsweise noch an einer zweiten Stelle positioniert werden. Die Grundlage dafür ist die Beobachtung, dass die in Strömungsrichtung von der Eingangsseite aus gesehen letzte Einzelzelle häufig mit einer zu niedrigen Spannung oder einer Umpolung zu kämpfen hat, was voraussichtlich daran liegt, dass nicht an der Wand entlanglaufendes Wasser durch den kompletten Kanal, welcher typischerweise geradlinig ausgebildet ist, strömt und sich dann an dem gegenüberliegenden typischerweise geschlossenen Ende des Kanals sammelt und die Anströmung der letzten Zelle des Stapels entsprechend behindert. Wenn nun in diesen Bereich, und hier vorzugsweise in einer von dem Medium angeströmten Prallfläche, insbesondere also der abschließenden Fläche des Kanals, das saugfähige Material angeordnet wird, dann kann die Gefahr eines Eintrags von Flüssigkeit in die vom Eingang aus gesehen letzte der aufgestapelten Einzelzellen nochmals deutlich minimiert werden.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorsehen, dass das saugfähige Material in einer Vertiefung der Fläche positioniert ist, sodass die benachbarten Bereiche der Fläche und die Oberfläche des saugfähigen Materials im Wesentlichen bündig sind. Das saugfähige Material kann also in eine entsprechende Vertiefung, beispielsweise eine Ringnut im Bereich der Zuleitung oder in der eben beschrieben Ausgestaltungsvariante in ein flaches Sackloch der Prallfläche eingelegt werden. Dies hilft einerseits bei der Positionierung des ein- oder mehrlagigen saugfähigen Materials und erlaubt es andererseits, dass durch den sich nicht oder nicht wesentlich verringernden Querschnitt keine oder keine nennenswerten zusätzlichen Druckverluste durch das Material verursacht werden. Dennoch kann es das im Falle der ringförmigen Anordnung an den Wandungen entlanglaufende Wasser sicher aufnehmen beziehungsweise das an ihm als Prallfläche ankommende Wasser zuverlässig aufsaugen.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht es ferner vor, dass das saugfähige Material sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig in der Medienzufuhr angeordnet ist, wobei insbesondere eine Rezirkulation von Abgas, die prinzipiell auf beiden Seiten, in der überwiegenden Mehrheit der Fälle jedoch auf der Anodenseite stattfindet, die Gefahr des Wassereintrags verstärkt, sodass in diesem Fall die Anordnung zumindest auf der Seite mit dem rezirkulierten Abgas erfolgen sollte. Im Gegensatz dazu ist eine Anordnung im Bereich der abströmenden Gase typischerweise nicht hilfreich, da hier nicht mit einer Rückströmung der Flüssigkeit zu rechnen ist, sondern da diese typischerweise aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen und beispielsweise in einem nachgeordneten Wasserabscheider ohnehin ganz oder größtenteils abgeschieden wird.
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Das saugfähige Material selbst kann dabei als Vlies oder Filz ausgebildet sein. Dabei sind sowohl textile Filze als auch saugfähige Papiervliese, textile Vliese oder dergleichen denkbar. Prinzipiell ließen sich auch metallische Vliesstrukturen oder Gewirke realisieren, wobei textile Materialien hier bezüglich der Saugfähigkeit, des Gewichts, der Kosten und des benötigten Bauraums zu bevorzugen sind.
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Die Vorrichtung lässt sich nun insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel, und hier vorzugsweise in einem PEM-Brennstoffzellenstapel, einsetzen. Ein solcher kann insbesondere Teil eines Brennstoffzellensystems sein, welches elektrische Leistung für verschiedene Zwecke, beispielsweise für Antriebszwecke oder als Notstromaggregat beeitstellt. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem Teil eines Fahrzeugs, beispielsweise eines schienenloses oder schienengebundenes Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs oder dergleichen sein. Besonders bevorzugt kann ein solches Fahrzeug ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise ein Personenkraftwagen oder insbesondere ein Nutzfahrzeug sein. Wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme mit wenigstens einem der Brennstoffzellenstapel und wenigstens einer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen stellt in diesem Fall zumindest ein Teil der elektrischen Antriebsleistung für dieses Fahrzeug zur Verfügung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein mögliches Brennstoffzellensystem in einem möglichen Aufbau gemäß der Erfindung; und
- 2 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug 2, welches soweit prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein Brennstoffzellenstack 3 besteht aus einer Vielzahl von Einzelzellen. Rein schematisch ist ein gemeinsamer Anodenraum 4 sowie ein gemeinsamer Kathodenraum 5 dargestellt. Im Anodenraum 4 wird Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichersystem 6, beispielsweise einen Druckgasspeicher über ein Regel- und Dosierventil 7 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff strömt zusammen mit einem Teil des im Anodenraum 4 entstandenen Produktwassers des Brennstoffzellenstapels 3 sowie mit inerten Gasen, welche in dem gespeicherten Wasserstoff vorhanden waren oder durch die Membran in den Anodenraum 4 diffundiert sind, über eine Rezirkulationsleitung 8 zurück und wird dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff nach dem Dosierventil 7 erneut zugeführt. In der Rezirkulationsleitung 8 ist dafür eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 vorhanden, welche hier beispielhaft als Rezirkulationsgebläse angedeutet ist. Sie könnte genauso gut durch eine Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, oder auch durch eine Kombination eines Rezirkulationsgebläses und einer Gasstrahlpumpe. Flüssiges Wasser in der Rezirkulationsleitung 8 wird über einen Wasserabscheider 10 aus dem rezirkulierten Abgas abgeschieden. Über die Ventileinrichtung 11 kann das abgeschiedene Wasser zusammen mit sich ansammelnden inerten Gasen in der Rezirkulationsleitung 8, beispielsweise von Zeit zu Zeit, anhand eines Füllstands von flüssigem Wasser in dem Wasserabscheider 10 oder auch anhand der Konzentration von Wasserstoff in der Rezirkulationsleitung 8 abgelassen werden. Das abgelassene Wasser gelangt dann über eine Ablassleitung 12 in eine Abluftleitung 13 des Brennstoffzellensystems 1 und damit in die Umgebung.
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In dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 14 zugeführt. Ein Gas-/Gasbefeuchter 15 dient dazu diese zugeführte Luft entsprechend zu befeuchten, wofür ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft aus dem Kathodenraum 5 erfolgt. Weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler, eine Rezirkulation von Kathodenabluft oder dergleichen sind prinzipiell denkbar und einem Fachmann für Brennstoffzellensysteme geläufig.
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Durch den Befeuchter 15 und insbesondere auch durch die Rezirkulation von Abgas auf der Seite des Anodenraums 4, wie hier dargestellt, oder auch auf der Seite des Kathodenraums 5, was hier nicht dargestellt ist, kann es dazu kommen, dass flüssiges Wasser in den Brennstoffzellenstapel 3 eingetragen wird. Dieses flüssige Wasser kann dann Gasverteilungskanäle innerhalb von Einzelzellen 18 des Brennstoffzellenstapels 3 ganz oder teilweise blockieren. Es kommt dadurch zu einer Unterversorgung dieser Zellen, beispielsweise mit Wasserstoff als Brennstoff oder mit Luft als Sauerstofflieferant. Dies kann zu einer Verringerung der von der jeweiligen Zelle abgegebenen Spannung führen, was typischerweise als low cell bezeichnet wird. Es kann aber auch im schlimmsten Fall zu einer Umpolung der entsprechenden Einzelzelle 18 kommen. Dies gilt es in jedem Fall zu verhindern, um eine gewollte Performance des Brennstoffzellenstapels 3 aufrechtzuerhalten.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Vorrichtung zum Abfangen von solchem unerwünschten Flüssigwasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 gezeigt. Der dabei nur teilweise und unvollständig gezeigte Brennstoffzellenstapel 3 besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei jeweils mit 16 bezeichneten Endplatten einer Verteilplatte 17 sowie einer Vielzahl von Einzelzellen 18. Diese weisen typischerweise sogenannte Bipolarplatten auf, welche über entsprechende Durchbrüche ein in Stapelrichtung verlaufenden Kanal 19 für die Zufuhr des jeweiligen Mediums ausbilden. Außerdem tragen sie die quer zur Stapelrichtung verlaufenden Kanäle um dieses entsprechende Medium auf die Gasdiffusionslagen und Elektroden der Zellen zu verteilen. Genau im Übertrittsbereich zwischen dem Kanal 19 und diesen hier nicht dargestellten Gasverteilungskanälen der Bipolarplatten kann es nun zu der Blockade der Strömungswege durch das flüssige Wasser kommen. Dies gilt es in jedem Fall zu vermeiden. Deshalb ist im Bereich der Verteilplatte eine Ringnut 20 angeordnet, welche in einer Zuleitung 21 zu dem Kanal 19 für das jeweilige Medium liegt. Dieser Kanal 19 muss nicht zwingend, wie es hier dargestellt ist, fluchtend zu der Zuleitung 21, einem Anschlussstutzen 22 und dem Kanal 19 ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise auch eine oder mehrere Richtungsänderungen umfassen oder dergleichen.
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In der Sache ist es nun so, dass der Erfinder über endoskopische Untersuchungen erkannt hat, dass Wasser, welches die genannten Probleme von low cells und cell reversals verursachen kann, typischerweise schwallartig in den Brennstoffzellenstapel 3 eingetragen wird. Das Wasser strömt dabei meist entlang der Wandungen des Anschlussstutzens 22 und der Zuleitung 21 innerhalb der Verteilplatte 17. Über die Ringnut 20 und ein in diese Ringnut eingelegtes Vlies 23, beispielsweise ein textiles Vlies, ein Filz oder dergleichen, lässt sich dieses Wasser nun aufsaugen, sodass es nicht bis in den Kanal 19 und insbesondere nicht bis in den Bereich der Einzelzellen 18 gelangt. Das Vlies 23 zum Aufsaugen des Wassers hat dabei den Vorteil, dass es in Betriebssituationen in denen das Wasser schwallartig entlang der Wandung in der Zuleitung 22 in der Verteilplatte 17 strömt gut aufgenommen werden kann. In anderen Phasen, in denen das zugeführte Medium deutlich trockener ist, kann das Wasser in dem Vlies 23 dann wieder verdampft werden, sodass dieses auftrocknet und ein quasi wartungsfreier Aufbau entsteht. Durch die Ringnut 20 und die eine oder mehrere Lagen des Vlieses 23, welche in diese eingelegt sind, entsteht dabei insbesondere ein Aufbau welcher keine oder keine nennenswerten zusätzlichen Druckverluste verursacht und welcher kaum zusätzlichen Bauraum benötigt.
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Eine weitere Beobachtung bezieht sich darauf, dass die in Stapelrichtung von der Zuleitung 21, also dem Eingang für das zuströmende Medium aus gesehen letzte Einzelzelle 18 oder auch eine Anzahl von einigen der letzten Einzelzellen 18 besonders häufig von dem Problem der low cells betroffen sind. Dies kann damit zusammenhängen, dass Wasser, welches nicht an den Wänden der Zuleitung 21, sondern im Gasstrom mitgeführt worden ist, den typischerweise geradlinigen Kanal 19 weitgehend gerade durchströmt, und im Bereich der Endplatte 16 anprallt. Es sammelt sich dann in diesem Bereich und kann so die letzte oder die letzten beiden Einzelzellen 18 besonders leicht beeinträchtigen. Deshalb kann im Bereich der Endplatte 16, in einer dazwischen eingelegten Zwischenplatte, einer speziell ausgestalteten Bipolarplatte der letzten Einzelzelle 18 oder dergleichen ein weiteres Vlies 23 vorgesehen werden, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wiederrum mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet und in einem Sackloch 24 der Endplatte 16 angeordnet ist. Im Bereich dieses im Sackloch 24 angeordneten Vlieses 23, welches als Prallfläche für den den Kanal 19 geradlinig durchströmenden Medienstrom dient, kann dieses Restwasser aufgenommen werden, sodass auch bei den besonders kritischen in Strömungsrichtung letzten Einzelzellen 18 die Gefahr einer Unterversorgung mit Luft oder Wasserstoff entsprechend minimiert wird.
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Die an dem hier dargestellten Aufbau beispielhaft beschriebene Vorrichtung kann dabei sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig zum Einsatz kommen. Der Anschlussstutzen 22 kann also einerseits als Luftzuleitung und andererseits als Brennstoffzuleitung beziehungsweise Wasserstoffzuleitung ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7163760 B2 [0003]
- DE 102011007378 A1 [0004]
