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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckregelung und Entgasung als auch zur Kompensation der temperaturbedingten Volumenausdehnung eines Kühlmediums für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Vorrichtung.
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Die Druckregelung in Brennstoffzellensystemen ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Im Wesentlichen geht es darum, den Druck des Kühlmediums so einzuregeln, dass dieser in einem gewollten Verhältnis zu dem Druck beispielsweise in der Kathode oder der Anode der Brennstoffzelle steht, um eine unnötig hohe Belastung von Trennelementen zwischen dem Kühlmedium und den elektrochemisch umgesetzten Medien in der Brennstoffzelle zu verhindern. Um dies zu erreichen, beschreibt beispielsweise die
DE 10 2019 005 837 A1 eine Vorrichtung, bei welcher ein Kolben zwischen zwei Medienräumen eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, beispielsweise zwischen dem Medienraum für das Kühlmedium und dem Kathodenraum, welchem beispielsweise unter Druck stehende Luft zugeführt wird.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2008 018 276 A1 einen geschlossenen Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem, welcher einen Ausgleichsbehälter aufweist, ähnlich wie der Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor. In diesem Ausgleichsbehälter findet dabei eine Entlüftung von in dem Kühlmedium gelöstem Gas statt, in die Umgebung abströmen kann. Zur Druckregelung verwendet der geschlossene Kühlkreislauf gemäß dieser Schrift im Gegensatz zum zuerst genannten Stand der Technik eine Membran, welche aber im Wesentlichen dieselbe Funktionalität wie der Kolben des zuvor genannten Standes der Technik umsetzt. Die Membran ist außerdem für Wasserstoff durchlässig, sodass in dem Kühlmedium gegebenenfalls gelöster Wasserstoff, welcher nicht in dem Ausgleichsbehälter entgast wird, direkt aus dem flüssigen Medium heraus durch die Membran in die Kathodenzuluft gelangen kann, um am Katalysator der Kathode zu oxidieren und damit unschädlich gemacht zu werden.
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Ferner kann gemäß dem Allgemeinen Stand der Technik ein Überdruckventil zum Bauteilschutz, bei zu hohen Systemdrücken, vorgesehen werden.
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Der gesamte Aufbau ist dabei außerordentlich komplex und erfordert eine Vielzahl von Bauteilen mit entsprechenden Schnittstellen, welche wiederum hinsichtlich der Montage und der erforderlichen Abdichtung für Aufwand sorgen.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Druckregelung und Entgasung eines Kühlmediums in einem Kühlkreislauf für eine Brennstoffzelle anzugeben.
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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. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem wird die Aufgabe durch einen Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht es vor, dass eine Entgasungsfunktionalität und eine Druckregelfunktionalität miteinander kombiniert werden. Erfindungsgemäß steht dafür ein erster Bereich der Vorrichtung mit einem Ausgang einer Kathodenseite der Brennstoffzelle in Fluidverbindung und ein zweiter Bereich mit dem Kühlmedium in einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems. Ein Druckübertragungselement zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich sorgt dann für die Druckregelung. Ferner ist ein Sammelbereich für Gase in dem Kühlmedium vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass der Sammelbereich als Teil des zweiten Bereichs ausgebildet ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also der Sammelbereich zum Entgasen des Kühlmediums in den zweiten Bereich der Druckregelung verlagert, um so einen hoch integrierten und kompakten Aufbau mit wenigen Schnittstellen zu schaffen. Dieser ist einfacher und effizienter sowohl in der Herstellung als insbesondere auch in der Montage. Darüber hinaus spart er Bauraum ein, was insbesondere für die Anwendung in Brennstoffzellensystemen, welche in mobilen Einheiten, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen, zum Einsatz kommen, von entscheidender Bedeutung ist.
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Das Druckübertragungselement kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als Membran oder Stufenmembran ausgebildet sein. Die Druckregelung kann also ähnlich wie im oben als Zweites genannten Stand der Technik umgesetzt werden. Eine besonders günstige Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei ein Doppelstützelement vor, in welchem die Membran aufgenommen ist. Dieses Doppelstützelement kann beispielsweise als Doppelkegel oder aus zwei beispielsweise schüsselförmigen runden oder ovalen Elementen bestehen. Eine erste Hälfte des Doppelstützelements bildet dabei zwischen sich und der Membran oder Stufenmembran den ersten Bereich aus. Die zweite Hälfte des Doppelstützelements hält dann die Membran gegenüber der ersten Hälfte und ist perforiert ausgebildet und in dem zweiten Bereich, also dem Bereich zur Entgasung des Kühlmediums angeordnet. Durch das perforierte Doppelstützelement bzw. seine perforierte zweite Hälfte gelangt das Kühlmedium an die Membran und kann so für die Druckregelung über die Membran zwischen der Kühlmedienseite in der perforierten Hälfte des Doppelstützelements einerseits und der Kathodenzuluft zwischen der anderen Hälfte des Doppelstützelements und der Membran andererseits sorgen. Gleichzeitig kann die Entgasung im zweiten Bereich effizient erfolgen, indem beispielsweise die perforierte Hälfte des Doppelstützelements als Entgasungsschikane dient, sodass Gas in dem flüssigen Kühlmedium leichter abgeschieden werden kann. Darüber hinaus können, und so ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, weitere Entgasungsschikanen in dem zweiten Bereich angeordnet sein.
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Alternativ zu einer solchen Membran ist es selbstverständlich auch denkbar, das Druckübertragungselement als Kolben auszubilden, wie es aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist.
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Der Sammelbereich kann dabei ein Ventilelement zum Ablassen von Gasen und zum Schutz vor Überdruck aufweisen. Ein solches zusätzliches Ventilelement kann beispielsweise ein aktiv gesteuertes Ventilelement sein, welches beispielsweise über zeitabhängige oder konzentrationsabhängige Mechanismen geöffnet und geschlossen wird. Ebenso wäre es beispielsweise denkbar, dies in Abhängigkeit eines Füllstandsensors in dem zweiten Bereich zu realisieren.
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Alternativ oder ergänzend zu einem solchen Ventilelement kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Sammelbereich ein, bevorzugt ausschließlich, für Wasserstoff durchlässiges Element aufweisen, beispielsweise eine Art Membran oder dergleichen. Aus dem Stand der Technik sind wasserstoffdurchlässige Membranen auf der Basis von Palladium-Legierungen ebenso bekannt, wie auf der Basis von geeigneten Kunststoffen, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen.
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Wie bereits erwähnt, kann der zweite Bereich einen Füllstandsensor für das Kühlmedium und/oder Entgasungsschikanen zur Verbesserung der Entgasung des Kühlmediums aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass die Vorrichtung im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oberhalb der Brennstoffzelle angeordnet ist. Da die Vorrichtung in ihrem zweiten Bereich ein Teil des flüssigen Kühlmediums aufweist, kann durch eine Anordnung in Richtung der Schwerkraft oberhalb der Brennstoffzelle ein gewisser Vordruck umgesetzt werden. So kann beispielsweise bei einer Anordnung um ca. 2 m oberhalb der Brennstoffzelle ein statischer Vordruck von ca. 200 mbar erzeugt werden. Dieser kann dann genutzt werden, um den Druckabfall in den Abgasleitungen auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle in deren Betrieb bzw. ihrem dynamischen Betriebsverhalten weitgehend auszugleichen. Somit kann bereits in dem konstruktiven Aufbau durch eine entsprechende Anpassung dieser Bauhöhe der Vorrichtung über der Brennstoffzelle der Druckverlust verschiedener Leitungslängen und -querschnitte konstruktiv berücksichtigt und ausgeglichen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlkreislaufs für ein Brennstoffzellensystem sowie der Vorrichtung zur Druckregelung und Entgasung, als auch Kompensation der temperaturbedingten Volumenausdehnung eines Kühlmediums für eine Brennstoffzelle ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf gemäß der Erfindung;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
- 3 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
- 4 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Es kann beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug dienen. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen ausgebildet ist und deshalb auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack 2 bezeichnet wird. In der Darstellung der 1 umfasst dieser Brennstoffzellenstack 2 drei Bereiche. Dies ist einmal sein Kathodenbereich 3, sein Anodenbereich 4 sowie einen dazwischen angedeuteten Kühlmedienbereich 5. Dem Kathodenbereich 3 wird kathodenseitig Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6 zugeführt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt über eine Abluft- bzw. Abgasleitung 7 aus dem Brennstoffzellensystem 1. Die Abluft des Kathodenbereichs 3 ist über eine Zweigleitung 8 außerdem mit einer später noch näher erläuterten Vorrichtung 9 verbunden.
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Dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll dies Wasserstoff sein, welcher z.B. in einem Druckgasbehälter 10 bevorratet wird. Über ein Druckregel- und Dosierventil 11 gelangt der Wasserstoff zu einer Gasstrahlpumpe 12 und von dort in den Anodenbereich 4. Der typische Betrieb erfolgt mit einem Wasserstoffüberschuss, sodass Restwasserstoff sowie ein kleiner Teil des Produktwassers und durch die Membranen des Brennstoffzellenstacks 2 hindurchdiffundierter Stickstoff über eine Rezirkulationsleitung 13 zu der Gasstrahlpumpe 12 zurückgelangen, von dieser angesaugt und mit dem frischen Wasserstoff vermischt, dem Anodenbereich 4 wieder zugeführt werden. Anstelle der Gasstrahlpumpe 12 kann auch eine andere Art der Fördereinrichtung oder eine Kombination einer andersartigen Fördereinrichtung, beispielsweise eines Rezirkulationsgebläses, und einer Gasstrahlpumpe 12 treten. Dieser sogenannte Anodenkreislauf hat in an sich bekannter Weise einen Wasserabscheider 14 sowie ein Ventil 15, über welches Wasser und sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf anreichernder Stickstoff von Zeit zu Zeit abgelassen werden können.
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Entscheidend für die hier vorliegende Erfindung ist nun der Kühlkreislauf 16 für die Brennstoffzelle 2, in welchem über eine Kühlmedienfördereinrichtung 17 das Kühlmedium zwischen dem Kühlmedienbereich 5 der Brennstoffzelle 2 und einem Kühler 18 gefördert wird, um Abwärme der Brennstoffzelle 2 über den Kühler 18 in die Umgebung abzuführen. Typischerweise sind hier noch Bypassleitungen um den Kühler 18 mit entsprechenden Ventilen zur Temperaturregelung und zum Betrieb im Kaltstartfall etc. vorgesehen. All dies ist dem Fachmann geläufig und wird daher nicht weiter beschrieben, die Tatsache, dass diese Bauteile nicht gezeigt sind, soll den hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 jedoch nicht dahingehend einschränken. Auch dieser Kühlkreislauf 16 steht nun über eine mit 19 bezeichnete Zweigleitung mit der Vorrichtung 9 in Verbindung. Die Vorrichtung 9 ist dabei im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g um die Höhe H oberhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist. Neben der Verbindung mit der Kathodenzweigleitung 8 und der Kühlmedienzweigleitung 19 besteht für die Vorrichtung 9 außerdem eine Verbindung mit einer hier gestrichelt angedeuteten Entlüftungsleitung 20. Über diese kann Kühlmedium und/oder Luft von verschiedenen Stellen des Kühlkreislaufs zur Entlüftung der Vorrichtung 9 zugeführt werden. Über eine Abluftleitung 21 steht die Vorrichtung 9 außerdem mit der Umgebung in Verbindung.
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Die Vorrichtung 9 kann nun beispielsweise in der Art eines Kühlmedienausgleichsbehälters realisiert sein. Die Schnittdarstellung der 2 greift einen solchen Aufbau der Vorrichtung 9 auf, welche beispielsweise aus einem aus zwei Teilen zusammengesetzten Kunststoffbehälter 22 besteht. Über die Kühlmedienzweigleitung 19 steht dieser Behälter 22 der Vorrichtung 9 mit dem Kühlkreislauf 16 in Verbindung, sodass sich ein bestimmtes Niveau des hier über die Wellen symbolisierten Kühlmediums einstellt. Ein Füllstandsensor 23 für das Kühlmedium kann dabei den Füllstand überwachen. Anstelle der beispielhaften einen Entlüftungsleitung 20 in der Darstellung der 1 münden hier mehrere Entlüftungsleitungen 20 in den unteren Bereich des Behälters 22, das von ihnen zugeführte Gas enthaltende Kühlmedium umströmt dabei im Bereich ihrer Mündung eingebaute Entgasungsschikanen 24, sodass Gas leichter abgeschieden werden und aus dem Kühlmedium abgeschiedene Gase sich in dem oberen Bereich des Behälters 22 der Vorrichtung 9 sammeln und beispielsweise von Zeit zu Zeit oder je nach Füllstand über eine Ventileinrichtung 25 und die Entgasungsleitung 21 abgelassen werden können.
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In dem Behälter 22 ist nun ein Doppelstützelement 26 in Form eines Doppelkegels eingebaut. Dieser Doppelkegel, welcher als Ganzes mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist, umfasst eine erste hier unten dargestellte Hälfte 26.1 sowie eine zweite hier oben liegende Hälfte 26.2. Zwischen diesen beiden Hälften ist eine Membran 27 dicht eingeklemmt. Die zweite, obere Hälfte 26.2 des Doppelstützelements 26 ist perforiert ausgeführt, sodass das flüssige Kühlmedium ungehindert in diese zweite Hälfte 26.2 einströmen kann. Die untere erste Hälfte 26.1 des Doppelstützelements 26 ist dahingegen mit durchgehenden Wänden ausgebildet, sodass sich innerhalb dieser ersten Hälfte 26.1 und der Membran 27 ein erster Bereich 28 ausbilden kann, welcher über die Kathodenzweigleitung 8 mit dem Ausgang des Kathodenbereichs 3 in Verbindung steht. In dieser unteren Hälfte 26.1 des Doppelstützelements 26 liegt also der Eingangsdruck des Kathodenbereichs 3 vor. Er verformt die Membran 27 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel geringfügig nach oben und gibt so bei geschlossenem Ventil 25 den Druck auf das flüssige Kühlmedium in einem zweiten Bereich der Vorrichtung 9, welcher hier durch das restliche Volumen innerhalb des Behälters 22 ausgebildet wird, weiter. Hierdurch ist eine Druckregelung, vergleichbar wie im Stand der Technik, umgesetzt. Gleichzeitig kann der Behälter 22 zur Entgasung des Kühlmediums genutzt werden. Im Bereich der Membran ist außerdem ein Magnet 29 dargestellt, welcher beispielsweise als Geber dient und über entsprechende Sensoren 30, 31 ausgewertet werden kann, sodass die Position der Membran 27 bzw. des mit ihr fest verbundenen Magnets 29 bekannt ist. Hierdurch kann insbesondere bei einem Befüllvorgang oder im Fehlerfall eine Sensierung der entsprechenden Endlagen der Membran 27 erfolgen, um so im Fehlerfall über den Fehler schnellstmöglich Bescheid zu wissen oder im Falle einer Befüllung des Kühlkreislaufs 16 mit neuem Kühlmedium beispielsweise die Endlage der Membran als definierten Zustand entsprechend zu erkennen.
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In dem Gas, welches sich oben in dem Behälter 22 in einem mit 35 bezeichneten Sammelbereich sammelt, wird immer auch ein gewisser Anteil an Wasserstoff vorhanden sein, welcher in das Kühlmedium eindiffundiert ist und nun aus diesem abgeschieden wird. Zwar kann dieser prinzipiell auch durch die Ventileinrichtung 25 und die Abluftleitung 21 mit abgelassen werden, wünschenswert wäre es jedoch, den Wasserstoff unabhängig von der gegebenenfalls in dem oberen Teil des zweiten Bereichs der Vorrichtung 2 befindlichen Luft abströmen zu lassen, um so brennbare oder explosive Gemische mit hoher Zuverlässigkeit auszuschließen. Um nun den Wasserstoff in geringen Mengen möglichst kontinuierlich in die Umgebung abgeben zu können, ist in der Vorrichtung 22 ein für Wasserstoff durchlässiges Material vorgesehen. Dies soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise als ringförmige Membran 32 umgesetzt sein, welche beispielsweise aus Palladium oder auf der Basis von der Polyethylen ausgebildet und für Wasserstoff, nicht jedoch für die Luft im Sammelbereich 35 der Vorrichtung 9 durchlässig ist.
Eine alternative Ausführung der Vorrichtung 9, welche ebenfalls mit einer Membran bzw. einer Stufenmembran 27 funktioniert, ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Dieselben Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass nachfolgend lediglich auf ein paar kleine Unterschiede im Detail eingegangen wird. Der wesentlichste Unterschied ist hier die Anordnung der Membran 27, welche nicht mehr horizontal, sondern vertikal verläuft. Hierdurch kommt es während der Druckregelung zu einer geringeren Auslenkung der Membran 27 bei gleicher Wirkung. Dies führt zu einer geringeren mechanischen Wechselbelastung der Membran 27 und damit in der Praxis zu einer deutlich höheren Lebensdauer, sodass der Aufbau ihr entsprechend zu bevorzugen ist. Ansonsten weist er dieselbe Funktionalität auf wie der in 2 beschriebene Aufbau. Lediglich die für Wasserstoff durchlässige Membran 32 ist hier nicht mehr ringförmig, sondern beispielsweise kreisförmig. Der gesamte Aufbau, welcher zuvor auf einem Doppelstützelement 26 in Form eines Zylinders basiert hat, basiert nun auf den beiden Hälften 26.1, 26.2 des Doppelstützelements 26 in Form von ovalen schalenförmigen Elementen.
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Weiterhin ermöglicht der vertikale Verlauf der Membran 27 in Kombination mit einer geeigneten Materialauswahl (z.B. EPDM oder Silikon) das Abscheiden des Wasserstoffs über eben diese Druckübertragungs-, bzw. Hauptmembran 27 direkt in den Kathodenraum ohne dass eine weitere Membran 32 erforderlich wäre. Der durch die Membran 27 entwichene Wasserstoff wird dann durch die Leitung 8 ohne weiteren Aufwand in Richtung Kathode „entsorgt“, bzw. abgeführt. Alternativ kann der Wasserstoff durch eine zusätzliche Abführ-Vorrichtung in der Hälfte 26.1 des Doppelstützelements 26 in die Umgebung abgeführt werden, um zu verhindern, dass die Wasserstoffkonzentration im Raum 28 und in der Leitung 8 in einen zündfähigen bzw. unerwünschten Bereich ansteigt. Die Abführ-Vorrichtung kann durch ein Ventil dargestellt werden, das z.B. mit einem Konzentrationssensor verbunden bzw. von diesem angesteuert wird.
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Die Abführ-Vorrichtung kann alternativ durch eine wasserstoffdurchlässige Membran dargestellt werden. Die Abführ-Vorrichtung kann alternativ weiterhin auch durch eine sehr kleine, aber permanente Öffnung zur dauerhaften Durchspülung des Raumes 28 mit Frischluft erfolgen. Dies wird möglich, da der Druck im Raum 28 bei Betrieb der Brennstoffzelle 2 größer als der Umgebungsdruck ist.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Statt der Membran 27 kommt hier nun ein Kolben 33 zum Einsatz. Unterhalb des Kolbens befindet sich, vergleichbar wie bei dem Aufbau gemäß 2, der erste Bereich 28, wobei hier unterhalb dieses ersten Bereichs ein erster Teil des zweiten Bereichs, nämlich der Bereich mit dem Füllstandsensor 23 der Entgasungsleitungen 20 sowie der Kühlmedienzweigleitung 19 angeordnet ist. Über eine Bypassleitung 34 ist dieser erste Teil des zweiten Bereichs innerhalb des Behälters 22 mit dem anderen Teil des zweiten Bereichs verbunden, welcher sich oberhalb des Kolbens 33 befindet und in welchem sich die abgeschiedenen Gase oben und das flüssige Kühlmedium entsprechend unten sammelt. Auch hier ist wieder eine beispielsweise ringförmige oder eine oder mehrere kreisförmige Membran 32 aus einem für Wasserstoff durchlässigen Material vorgesehen sowie die Ventileinrichtung 25 und die Abluftleitung 21. Die Funktionalität ist im Wesentlichen dieselbe wie bei dem Aufbau mit der Membran 27, nur dass an die Stelle der Membran 27 hier der Kolben 33 tritt. Ansonsten sind auch hier alle vergleichbaren Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019005837 A1 [0002]
- DE 102008018276 A1 [0003]
