WO2015135626A1 - Fuel cell system - Google Patents

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WO2015135626A1
WO2015135626A1 PCT/EP2015/000385 EP2015000385W WO2015135626A1 WO 2015135626 A1 WO2015135626 A1 WO 2015135626A1 EP 2015000385 W EP2015000385 W EP 2015000385W WO 2015135626 A1 WO2015135626 A1 WO 2015135626A1
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WO
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fuel cell
cell system
exhaust
discharge line
exhaust air
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/000385
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Inventor
Michael Bader
Ralf NÜSSLE
Christine Sonntag
Original Assignee
Daimler Ag
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • HELECTRICITY
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    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. They can be used in particular for the provision of electrical drive power in electrically driven vehicles. Especially with this
  • mufflers can be used to attenuate these noise emissions in the exhaust system of the fuel cell system, similar to an exhaust system of an internal combustion engine vehicle.
  • the muffler is constructed so that water, which collects in the region of the muffler, can be sucked in accordance with the outgoing exhaust air and discharged with the exhaust air into the environment.
  • JP 2009-238762 A proposes a system in which a silencer with a plurality of chambers is constructed. Between Schalldämpfungshuntn is also a
  • Conduit element are connected to a very small line cross-section, there are relatively large pressure losses, which in the exhaust stream or exhaust air flow of
  • Fuel cell system are only partially desirable. Furthermore, the over the
  • Noise emissions are minimal, so that the effort required for their damping, which makes the silencer correspondingly large, is largely unnecessary.
  • the object of the present invention is now to provide an improved
  • the at least one silencer is formed, similar to the first-mentioned prior art, with an outer shell which is closed to the outside. Through this outer shell runs continuously from the exhaust air inlet to the exhaust outlet - especially straight - exhaust pipe, which provided with connecting openings to the outer shell, in particular perforated, is.
  • This structure corresponds as far as the structure which is used in conventional combustion engines in the exhaust system.
  • Such a silencer is also referred to as a resonator.
  • the discharge line opens, via which exhaust gas from an anode space the fuel cell is blown off directly or indirectly.
  • This blow-off, the so-called purge, of the exhaust gas may in particular be continuous or discontinuous, for example time-controlled, concentration-controlled or in-line
  • the construction has the decisive advantage that on the one hand it allows a very good sound attenuation of the sound present in the exhaust air, which in particular also effectively muffles sound emissions, such as those that can be generated by an exhaust air turbine arranged in front of the muffler in the flow direction.
  • the structure is extremely simple. Through the mouth of the blow-off in the shell of the inevitably existing in the exhaust gas hydrogen evenly distributed in the so-called resonance space between the exhaust pipe and the shell and then flows slowly and evenly through the connection openings in the exhaust air. Thus, on the one hand a time delay and on the other hand a uniform distribution over the entire exhaust air occurs. Sometimes very high hydrogen concentrations can be avoided. Rather, very uniform, low hydrogen concentrations will occur at the outlet of the exhaust air system. Also, water, which optionally passes together with the exhaust gas from the anode compartment into the resonator, can be introduced via the resonance chamber. Similar to hydrogen, the proportion of liquid water in the exhaust air of the fuel cell system also applies here
  • Liquid water especially in the form of a surge from the exhaust duct, is efficiently prevented.
  • Fuel cell system is the space inside the shell thereby formed divided into several sections. Such a subdivision of the space within the envelope, which surrounds the exhaust pipe with the connection openings, in several sections or
  • the discharge line can open into one or more of the chambers.
  • the discharge line opens into one of the sections which is not the last section in the flow direction of the exhaust air.
  • the exhaust pipe is arranged concentrically in the shell. This results on all sides around the exhaust pipe around a sufficient resonance space and
  • the hydrogen contained in the exhaust gas may be in this case
  • the discharge line opens into the shell so that the gas flowing through the blow-off gas tangentially and / or with a
  • Silencer is arranged so that the flow of exhaust air in the direction of
  • Hydrogen which has a very low density, is then distributed not only by the direction of flow, with which it has been introduced into the resonance space between the shell and the exhaust pipe, in this, but also supporting it by gravity.
  • the uniform distribution of hydrogen in the resonance chamber is thereby further favored.
  • the area of the exhaust air tube lying below is free from connection openings and only at least one arranged at the top in the direction of gravity
  • the lower portion of the exhaust pipe has no connection openings.
  • Water can therefore collect accordingly in the resonance chamber below and can then reach the exhaust gas via the at least one drainage bore. If the drainage hole is designed to be correspondingly small, then a still further improved time delay of the discharge of the water into the exhaust air can be achieved. If, for example, discontinuously from time to time gas and water are blown into the resonance chamber, then comparatively high concentrations of water would occur in the exhaust air, always shortly after the exhaust gas was blown off. By the described construction, this can be prevented. The water collects in the resonance chamber and will be here for a certain time
  • the collected water is completely or almost completely discharged, if, for example, the time-controlled next blow-off cycle of the exhaust gas from an anode circuit occurs, so that water continuously enters the waste air stream in a small amount.
  • Fuel cell system it may also be provided that the muffler, in which the discharge line opens, is arranged in the flow direction of the exhaust air before another muffler.
  • the structure can therefore according to this advantageous
  • the fuel cell system according to the invention can be constructed particularly simply and efficiently. It can be realized very small and compact and can still achieve a very good sound attenuation.
  • the emission of exhaust gases, in particular the release of hydrogen in the exhaust gas is continuously and uniformly distributed over the entire available amount of exhaust air. Time and place selectively high hydrogen concentrations can be avoided.
  • the fuel cell system is therefore particularly suitable for applications in which attention must be paid to emissions of noise, hydrogen and water, and in which at least short-term high concentrations of water and hydrogen must be avoided when discharging into the environment. This is especially true for
  • the particularly preferred application of the fuel cell system according to the invention is therefore its use in an electrically driven vehicle in which the fuel cell system provides the electrical drive power.
  • the fuel cell of the fuel cell is therefore its use in an electrically driven vehicle in which the fuel cell system provides the electrical drive power.
  • Fuel cell system the drive power can be provided directly to the vehicle or it can be a typical parallel to
  • Fuel cell system always existing battery a so-called traction battery, which thus provides electrical power for the drive, are interposed.
  • any excess power of the fuel cell system in the traction battery will be supplied. All this is covered by the term "provide electrical drive power", in the context of the invention.
  • Fig. 1 is a principle indicated fuel cell system in an embodiment according to the invention in a vehicle
  • FIG. 2 shows a silencer according to the invention in a three-dimensional sectional view
  • 3 shows a silencer according to the invention in an alternative embodiment in a three-dimensional sectional view
  • Fig. 4 is a principle indicated fuel cell system in an alternative
  • Fig. 5 shows the concentration of water and hydrogen in the exhaust gas at a direct
  • Fig. 6 shows an alternative embodiment of the muffler in the invention
  • a fuel cell system 1 can be seen, which may be provided for example in a schematically indicated vehicle 2 for providing electrical drive power.
  • the fuel cell system 1 in this case comprises a fuel cell 3, which is to be designed as a stack of individual PEM cells, as a so-called fuel cell stack. In this pile of
  • Single cells are in this case the anode regions of the individual cells and the cathode regions of the individual cells each connected to one another.
  • this is illustrated in FIG. 1 by way of an indicated cathode space 4 and an indicated one
  • the anode chamber 5 of the fuel cell system 1 hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 7 via a pressure regulating and metering valve 8.
  • Unconsumed hydrogen returns from the anode compartment 5 via a so-called recirculation circuit or anode circuit 9 with a recirculation line 10 and is supplied to the input of the anode compartment 5 again.
  • a recirculation conveyor 1 1 is indicated in principle. This can be designed for example as a fan and / or as a gas jet pump.
  • the discharge of water and the blowing off of gas - the so-called purge - could just as easily take place via separate lines.
  • the cathode compartment 4 of the fuel cell 3 is provided with air as an oxygen supplier via an air conveyor 15.
  • air as an oxygen supplier via an air conveyor 15.
  • the air conveyor 15 should be designed as a flow compressor.
  • This flow compressor sits together with a turbine 16 and an electric machine 17 on a common shaft.
  • This structure is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger).
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the air is made available accordingly. It can then via optional not shown intercooler, humidifier or
  • Fuel cell 3 passes in the embodiment shown here via a
  • Exhaust duct 18 directly, but it can also flow in practice over other components such as humidifiers or the like, to the turbine 16.
  • the air In the area of the turbine 16, the air is expanded, so that the pressure energy and thermal energy contained in it can be at least partially recovered , This is done via the turbine 16, which provides the recovered energy directly via the shaft of the air conveyor 15 available. Additional power required is supplied via the electric machine 17. Does it come in certain situations to one
  • Fuel cell system 1 is formed. His job is primarily to
  • the muffler 19 in a first possible embodiment is, as already indicated in the illustration of Figure 1 and can be seen in detail in the illustration of Figure 2, formed from a shell 20 through which an exhaust pipe 21 from an exhaust air inlet 22 to a Exhaust outlet 23 extends.
  • the exhaust air flows as in the in 2 by the arrows marked A through the muffler 19.
  • the exhaust pipe 21 has a plurality of connection openings 24, of which in the illustration of Figure 2 only a few are provided with a reference numeral. These connection openings 24 are formed in the exhaust pipe 21, that this example perforated or made of a perforated plate.
  • the discharge line 14 opens in the region of at least one mouth opening 26 in this resonance chamber 25, ie in the interior of the shell 20.
  • FIG. 19 An alternative embodiment of the muffler 19 can be seen in the illustration of FIG.
  • the structure corresponds essentially to the structure described in the context of Figure 2. The only difference is that the room or
  • Resonant space 25 is divided by intermediate walls 30 into individual sections 25.1, 25.2, 25.3 and 25.4.
  • the discharge line opens in the first in the flow direction of the exhaust air stream A arranged portion 25.4
  • FIG. 19 An alternative embodiment of the fuel cell system can be seen in the illustration of FIG.
  • the structure again corresponds, with the exception of the missing vehicle 2, to the construction shown in FIG.
  • the muffler 19, in which the discharge line 14 opens is one of two mufflers 19, 19 ', which are arranged in the fuel cell system 1.
  • the muffler 19, in which the discharge line 14 opens the first in the flow direction, or, if more than two mufflers 19, 9 'are present, at least that in the flow direction penultimate of this muffler 19, 19 '.
  • the muffler 9 is formed very short with only one resonance space 25, the
  • Concentration is relatively high and occurs only for a correspondingly small period of time.
  • the maximum concentration of c2 is recorded, which is clearly smaller than the concentration c1. It occurs somewhat later in time, and is stretched over a longer period of time, so that a large part of the hydrogen only enters the environment at time t2. When discharging into the muffler 9, this lasts until a time t3. The concentration will be in her Maximum value is reduced and the emission of hydrogen is distributed more evenly over a longer period of time. This applies analogously to the delivery of water.
  • FIG. 4 Another possible embodiment of the muffler 19 can be seen in the illustration of FIG.
  • the construction in FIG. 4 is inclined in the direction of gravity g, so that the exhaust gas A flows in the direction of gravity g obliquely downward through the muffler 9.
  • the exhaust pipe 21 has no at the bottom
  • the exhaust gas P passes again via the discharge line 14 in the
  • Resonance chamber 25 of the muffler 19 could in turn be divided into individual sections, as previously, in particular in the context of Figure 3, has been executed.
  • Liquid water can now accumulate in the area lying in the direction of gravity and will only partially pass through the connection openings 24 in the exhaust duct. Most of the water accumulates, as indicated by the denoted by 27
  • the resonance chamber 25 can be realized for example in the region in which the water accumulates, only in the direction of gravity g above the exhaust pipe 21 or partially separated via a partition wall 29 as a water collection area. About at least a small located in the region of the exhaust outlet 23
  • the delivery of the water in the exhaust air A targeted be influenced so that only so much water is delivered at the time, as can be taken without swelling of the exhaust air A to the environment.
  • the remaining water is temporarily stored in the resonance chamber 25 and continuously discharged via the correspondingly small drainage hole 28. The homogenization of the exiting water is thereby improved again compared to the embodiment described above.
  • a further advantage of the structure described here is that the supply of the exhaust gas P takes place in particular in the direction of gravity g below, so that the low-density hydrogen in the direction of gravity g increases upward and in addition to the flow pulse through the oblique and tangential pour in is distributed as uniformly as possible in the resonance chamber 25 and accordingly flows uniformly through the connection openings 24 in the exhaust pipe 21.

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (3), comprising an air discharge line (18) for the discharge air (A) from a cathode chamber (4) of the fuel cell (3) and a blow-off line (14) for blowing off exhaust gas (P) from an anode chamber (5) of the fuel cell (3), at least one sound absorber (19, 19'), a discharge air inlet (22), and a discharge air outlet (23) in the air discharge line (18), which is comprised of an externally closed outer sleeve (20) and an exhaust air duct (21) extending from the discharge air inlet (22) to the discharge air outlet (23) through the entire length of the sleeve (20), having connecting openings (24) to the space (25) inside the outer sleeve (20). The fuel cell system according to the invention is characterized in that the blow-off line (14) terminates in the sleeve (20).

Description

Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems. The invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere bei diesem Fuel cell systems are known from the general state of the art. They can be used in particular for the provision of electrical drive power in electrically driven vehicles. Especially with this
Anwendungszweck eines Brennstoffzellensystems spielen Lärmemissionen an die Application of a fuel cell system play noise emissions to the
Umgebung des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund ist es bekannt, dass Schalldämpfer eingesetzt werden können, um diese Lärmemissionen in der Abluftanlage des Brennstoffzellensystems, ähnlich wie in einer Abgasanlage eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, zu dämpfen. Environment of the fuel cell system or the vehicle a crucial role. For this reason, it is known that mufflers can be used to attenuate these noise emissions in the exhaust system of the fuel cell system, similar to an exhaust system of an internal combustion engine vehicle.
Aus der JP 2009-289581 A ist ein derartiger Schalldämpfer für ein From JP 2009-289581 A is such a silencer for a
Brennstoffzellensystem bekannt. Der Schalldämpfer ist dabei so aufgebaut, dass Wasser, welches sich im Bereich des Schalldämpfers sammelt, durch die abströmende Abluft entsprechend angesaugt und mit der Abluft in die Umgebung abgegeben werden kann.  Fuel cell system known. The muffler is constructed so that water, which collects in the region of the muffler, can be sucked in accordance with the outgoing exhaust air and discharged with the exhaust air into the environment.
Neben der Schalldämpfung und dem möglichst dosierten und gleichmäßigen Abgeben von Wasser in die Umgebung des Brennstoffzellensystems spielt auch das Abgeben von wasserstoffhaltigen Abgasen eine entscheidende Rolle. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen ist es höchst unerwünscht, dass punktuell, räumlich oder zeitlich hohe In addition to the sound damping and the dosed as possible and even discharge of water into the environment of the fuel cell system, the discharge of hydrogen-containing exhaust gases plays a crucial role. In particular, when used in vehicles, it is highly undesirable that punctually, spatially or temporally high
Wasserstoffkonzentrationen auftreten. Da Wasserstoffemissionen über die Abgase eines Brennstoffzellensystems grundsätzlich kaum zu vermeiden sind, schlägt daher die JP 2009-238762 A ein System vor, bei dem ein Schalldämpfer mit mehreren Kammern aufgebaut ist. Zwischen Schalldämpfungskammern ist dabei auch eine Hydrogen concentrations occur. Since hydrogen emissions via the exhaust gases of a fuel cell system are basically unavoidable, therefore, JP 2009-238762 A proposes a system in which a silencer with a plurality of chambers is constructed. Between Schalldämpfungskammern is also a
Verdünnungskammer für Wasserstoff vorgesehen, welche über Verbindungsbohrungen mit einer die Schalldämpfkammern verbindendes Leitungselement in Kommunikation steht. Der Vorteil hierbei ist, dass auch über das Wasserstoffgas verursachte Provided dilution chamber for hydrogen, which communicates via connecting bores with a connecting the Schalldämpfkammern line element in communication. The advantage here is that also caused by the hydrogen gas
Schallemissionen entsprechend reduziert werden. Noise emissions are reduced accordingly.
Der im zuletzt genannten Stand der Technik beschriebene Aufbau eines Schalldämpfers ist für die Schalldämpfung in der Abluft eines Brennstoffzellensystems nicht unbedingt zielführend. Durch die beiden vergleichsweise großen Kammern, welche über ein The structure of a silencer described in the last-mentioned prior art is not necessarily effective for the sound attenuation in the exhaust air of a fuel cell system. By the two comparatively large chambers, which over a
Leitungselement mit sehr kleinem Leitungsquerschnitt verbunden sind, kommt es zu relativ großen Druckverlusten, welche im Abgasstrom bzw. Abluftstrom des Conduit element are connected to a very small line cross-section, there are relatively large pressure losses, which in the exhaust stream or exhaust air flow of
Brennstoffzellensystems nur bedingt erwünscht sind. Ferner sind die über das Fuel cell system are only partially desirable. Furthermore, the over the
abgegebene wasserstoffhaltige Abgas aus dem Anodenraum verursachten discharged hydrogen-containing exhaust gas from the anode compartment caused
Schallemissionen minimal, sodass der zu ihrer Dämpfung betriebene Aufwand, welcher den Schalldämpfer entsprechend groß macht, weitgehend unnötig ist. Noise emissions are minimal, so that the effort required for their damping, which makes the silencer correspondingly large, is largely unnecessary.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes The object of the present invention is now to provide an improved
Brennstoffzellensystems mit einem Schalldämpfer anzugeben, welches insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet. Specify fuel cell system with a silencer, which avoids the above-mentioned disadvantages in particular.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den This object is achieved by a fuel cell system with the
Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ist im Anspruch 13 angegeben. Characteristics solved in claim 1. A particularly preferred use of such a fuel cell system is specified in claim 13.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Schalldämpfer ähnlich wie im zuerst genannten Stand der Technik mit einer Außenhülle ausgebildet ist, welche nach außen verschlossen ist. Durch diese Außenhülle läuft vom Ablufteinlass bis zum Abluftauslass durchlaufend ein - insbesondere gerades - Abluftrohr, welches mit Verbindungsöffnungen zur äußeren Hülle versehen, insbesondere perforiert ausgeführt, ist. Dieser Aufbau entspricht soweit auch dem Aufbau, welcher bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren im Abgassystem eingesetzt wird. Ein solcher Schalldämpfer wird auch als Resonator bezeichnet. In den zwischen der Hülle und dem Abluftrohr liegenden Resonanzraum dieses Resonators, letztlich also in die Hülle selbst, mündet bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems die Abblasleitung, über welche Abgas aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle direkt oder mittelbar abgeblasen wird. Dieses Abblasen, das sogenannte Purgen, des Abgases kann dabei insbesondere kontinuierlich oder diskontinuierlich, beispielsweise zeitgesteuert, konzentrationsgesteuert oder in In the fuel cell system according to the invention, it is provided that the at least one silencer is formed, similar to the first-mentioned prior art, with an outer shell which is closed to the outside. Through this outer shell runs continuously from the exhaust air inlet to the exhaust outlet - especially straight - exhaust pipe, which provided with connecting openings to the outer shell, in particular perforated, is. This structure corresponds as far as the structure which is used in conventional combustion engines in the exhaust system. Such a silencer is also referred to as a resonator. In the resonant space of this resonator lying between the casing and the exhaust pipe, ie ultimately into the casing itself, in the embodiment of the fuel cell system according to the invention, the discharge line opens, via which exhaust gas from an anode space the fuel cell is blown off directly or indirectly. This blow-off, the so-called purge, of the exhaust gas may in particular be continuous or discontinuous, for example time-controlled, concentration-controlled or in-line
Abhängigkeit einer angefallenen Wassermenge in dem Abgas, erfolgen. Dependence of an accumulated amount of water in the exhaust gas, done.
Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er einerseits eine sehr gute Schalldämpfung des in der Abluft vorliegenden Schalls ermöglicht, welche insbesondere auch Schallemissionen, wie sie beispielsweise durch eine in Strömungsrichtung vor dem Schalldämpfer angeordnete Abluftturbine erzeugt werden können, effektiv dämpft. Der Aufbau ist dabei außerordentlich einfach. Durch die Mündung der Abblasleitung in die Hülle verteilt sich der in dem Abgas unweigerlich vorhandene Wasserstoff gleichmäßig in den sogenannten Resonanzraum zwischen dem Abluftrohr und der Hülle und strömt dann langsam und gleichmäßig über die Verbindungsöffnungen in die Abluft. Damit tritt einerseits eine zeitliche Verzögerung und andererseits eine gleichmäßige Verteilung über die gesamte Abluft auf. Punktuell sehr hohe Wasserstoffkonzentrationen lassen sich damit vermeiden. Vielmehr werden am Ausgang des Abluftsystems sehr gleichmäßige, geringe Wasserstoffkonzentrationen auftreten. Auch Wasser, welches gegebenenfalls mit dem Abgas aus dem Anodenraum zusammen in den Resonator gelangt, kann über den Resonanzraum eingebracht werden. Ähnlich wie beim Wasserstoff gilt auch hier, dass sich der Anteil an flüssigem Wasser in der Abluft des Brennstoffzellensystems The construction has the decisive advantage that on the one hand it allows a very good sound attenuation of the sound present in the exhaust air, which in particular also effectively muffles sound emissions, such as those that can be generated by an exhaust air turbine arranged in front of the muffler in the flow direction. The structure is extremely simple. Through the mouth of the blow-off in the shell of the inevitably existing in the exhaust gas hydrogen evenly distributed in the so-called resonance space between the exhaust pipe and the shell and then flows slowly and evenly through the connection openings in the exhaust air. Thus, on the one hand a time delay and on the other hand a uniform distribution over the entire exhaust air occurs. Sometimes very high hydrogen concentrations can be avoided. Rather, very uniform, low hydrogen concentrations will occur at the outlet of the exhaust air system. Also, water, which optionally passes together with the exhaust gas from the anode compartment into the resonator, can be introduced via the resonance chamber. Similar to hydrogen, the proportion of liquid water in the exhaust air of the fuel cell system also applies here
entsprechend vergleichmäßigt, sodass schlagartig auftretendes austreten von correspondingly uniformed, so that suddenly occurring leakage of
Flüssigwasser, insbesondere in Form eines Schwalls aus der Abluftleitung, effizient verhindert wird. Liquid water, especially in the form of a surge from the exhaust duct, is efficiently prevented.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen According to an advantageous embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems ist der Raum innerhalb der Hülle dabei in mehrere Abschnitte unterteilt ausgebildet. Eine solche Unterteilung des Raums innerhalb der Hülle, welcher das Abluftrohr mit den Verbindungsöffnungen umgibt, in mehrere Abschnitte bzw. Fuel cell system is the space inside the shell thereby formed divided into several sections. Such a subdivision of the space within the envelope, which surrounds the exhaust pipe with the connection openings, in several sections or
Kammern, bewirkt eine Verbesserung der Schalldämpfung. Die Abblasleitung kann dabei in eine oder auch mehrere der Kammern münden. Chambers, improves soundproofing. The discharge line can open into one or more of the chambers.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Abblasleitung in einen der Abschnitte mündet, welcher nicht der in Strömungsrichtung der Abluft letzte Abschnitt ist. Ein solches Einmünden der Abblasleitung in einen der in In a very advantageous development of this idea, it is provided that the discharge line opens into one of the sections which is not the last section in the flow direction of the exhaust air. Such a confluence of the discharge line in one of in
Strömungsrichtung der Abluft vorderen, zumindest jedoch den vorletzten Abschnitt, ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Abgases in der Abluft erzielt werden kann. Flow direction of the exhaust front, but at least the penultimate section is Particularly advantageous, since this a uniform distribution of the exhaust gas in the exhaust air can be achieved as possible.
Vorzugsweise ist das Abluftrohr dabei konzentrisch in der Hülle angeordnet. Hierdurch ergibt allseitig um das Abluftrohr herum ein ausreichender Resonanzraum und Preferably, the exhaust pipe is arranged concentrically in the shell. This results on all sides around the exhaust pipe around a sufficient resonance space and
andererseits kann der in dem Abgas enthaltene Wasserstoff sich in diesem On the other hand, the hydrogen contained in the exhaust gas may be in this
Resonanzraum um das gesamte Abluftrohr herum gleichmäßig verteilen und dann durch die idealerweise gleichmäßig über die Oberfläche verteilten Verbindungsöffnungen in die Abluft einströmen. Unter konzentrisch im Sinne der Erfindung ist dabei jeder Aufbau zu verstehen, bei dem das Abluftrohr im Zentrum des Querschnitts der Hülle angeordnet ist. Dies gilt insbesondere für runde und ovale Hüllen, kann aber auch für andersartige Formen von Hüllen, beispielsweise mehreckige Hüllen oder dergleichen, der Fall sein. Typischerweise befindet sich das Zentrum des Abluftrohrs dann im sogenannten Evenly distribute the resonance chamber around the entire exhaust pipe and then flow into the exhaust air through the connection openings, which are ideally distributed evenly over the surface. Concentric in the sense of the invention is to be understood as any structure in which the exhaust pipe is arranged in the center of the cross section of the shell. This applies in particular to round and oval casings, but may also be the case for other types of casings, for example polygonal casings or the like. Typically, the center of the exhaust pipe is then in the so-called
Flächenschwerpunkt des Querschnitts durch die Form der Hülle. Auch dies soll im Sinne der Erfindung als konzentrisch gelten. Centroid of the cross section through the shape of the shell. Again, this should be considered concentric in the context of the invention.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Abblasleitung so in die Hülle mündet, dass das durch die Abblasleitung strömende Gas tangential und/oder mit einer In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can now also be provided that the discharge line opens into the shell so that the gas flowing through the blow-off gas tangentially and / or with a
Richtungskomponente entgegen der Strömung der Abluft in dem Abluftrohr, in die Hülle einströmt. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung und eine besonders gleichmäßige zeitliche Abgabe des Abgases an die Abluft erzielt, auch wenn das Abgas über die Abblasleitung diskontinuierlich, beispielweise von Zeit zu Zeit, abgeblasen wird. Direction component against the flow of exhaust air in the exhaust pipe, flows into the shell. As a result, a particularly uniform distribution and a particularly uniform timing of the exhaust gas to the exhaust air is achieved, even if the exhaust gas via the blow-off discontinuously, for example, from time to time, blown off.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen According to a very advantageous embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem nun vorgesehen sein, dass der Fuel cell system, it may now also be provided that the
Schalldämpfer so angeordnet ist, dass die Strömung der Abluft in Richtung der Silencer is arranged so that the flow of exhaust air in the direction of
Schwerkraft schräg nach unten erfolgt. Ein solches Abströmen der Abluft in Richtung der Schwerkraft schräg nach unten kann außerordentlich nützlich sein, insbesondere wenn die Abblasleitung in Richtung der Schwerkraft unten in die Hülle mündet. Der Gravity is made obliquely downwards. Such downward flow of the exhaust air in the direction of gravity can be extremely useful, especially if the discharge line opens in the direction of gravity down into the shell. Of the
Wasserstoff, welcher eine sehr kleine Dichte aufweist, verteilt sich dann nicht nur durch die Strömungsrichtung, mit welcher er in den Resonanzraum zwischen der Hülle und den Abluftrohr eingebracht worden ist, in diesen, sondern unterstützend hierzu auch durch die Schwerkraft. Die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs im Resonanzraum wird dadurch nochmals begünstigt. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der unten liegende Bereich des Abluftrohrs frei von Verbindungsöffnungen ist und lediglich wenigstens eine in Richtung der Schwerkraft oben angeordnete Hydrogen, which has a very low density, is then distributed not only by the direction of flow, with which it has been introduced into the resonance space between the shell and the exhaust pipe, in this, but also supporting it by gravity. The uniform distribution of hydrogen in the resonance chamber is thereby further favored. In a very advantageous development of this idea, it can now further be provided that the area of the exhaust air tube lying below is free from connection openings and only at least one arranged at the top in the direction of gravity
Entwässerungsbohrung im Bereich vor dem Austritt des Abluftrohrs aus der Hülle aufweist. Ein solcher Aufbau trägt der Tatsache Rechnung, dass in dem Abgas aus dem Anodenraum, insbesondere wenn dies sich in einem sogenannten Anodenkreislauf sammelt und von Zeit zu Zeit abgeblasen wird, typischerweise flüssiges Wasser mit enthalten ist bzw. sein kann. Bei dem gemäß der vorteilhaften Weiterbildung Having drainage hole in the area before the exit of the exhaust pipe from the shell. Such a construction takes into account the fact that in the exhaust gas from the anode compartment, especially when it collects in a so-called anode circuit and is blown off from time to time, typically liquid water is included or can be. In the according to the advantageous development
beschriebenen Aufbau ist es nun so, dass der untere Bereich des Abluftrohrs keine Verbindungsöffnungen aufweist. Wasser kann sich also im Resonanzraum unten entsprechend sammeln und kann dann über die wenigstens eine Entwässerungsbohrung in das Abgas gelangen. Ist die Entwässerungsbohrung entsprechend klein ausgebildet, dann kann eine noch weiter verbesserte zeitliche Verzögerung der Abgabe des Wassers in die Abluft erreicht werden. Wird beispielsweise diskontinuierlich von Zeit zu Zeit Gas und Wasser in den Resonanzraum abgeblasen, dann würden vergleichsweise hohe Konzentrationen an Wasser in der Abluft auftreten, immer kurz nachdem das Abgas abgeblasen würde. Durch den beschriebenen Aufbau kann dies verhindert werden. Das Wasser sammelt sich im Resonanzraum und wird hier für eine gewisse Zeit As described, it is now so that the lower portion of the exhaust pipe has no connection openings. Water can therefore collect accordingly in the resonance chamber below and can then reach the exhaust gas via the at least one drainage bore. If the drainage hole is designed to be correspondingly small, then a still further improved time delay of the discharge of the water into the exhaust air can be achieved. If, for example, discontinuously from time to time gas and water are blown into the resonance chamber, then comparatively high concentrations of water would occur in the exhaust air, always shortly after the exhaust gas was blown off. By the described construction, this can be prevented. The water collects in the resonance chamber and will be here for a certain time
zwischengespeichert und über die Entwässerungsbohrung, deren Größe entsprechend angepasst werden kann, langsam und kontinuierlich abgegeben. Idealerweise ist das gesammelte Wasser dabei ganz oder fast ganz abgegeben, wenn beispielsweise der zeitlich gesteuerte nächste Abblaszyklus des Abgases aus einem Anodenkreislauf auftritt, sodass kontinuierlich Wasser in geringer Menge in den Abluftstrom gelangt. cached and discharged via the drainage hole, the size of which can be adjusted accordingly, slowly and continuously. Ideally, the collected water is completely or almost completely discharged, if, for example, the time-controlled next blow-off cycle of the exhaust gas from an anode circuit occurs, so that water continuously enters the waste air stream in a small amount.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen In a further advantageous embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems kann es auch vorgesehen sein, dass der Schalldämpfer, in welchen die Abblasleitung mündet, in Strömungsrichtung der Abluft vor einem weiteren Schalldämpfer angeordnet ist. Der Aufbau kann also gemäß dieser vorteilhaften Fuel cell system, it may also be provided that the muffler, in which the discharge line opens, is arranged in the flow direction of the exhaust air before another muffler. The structure can therefore according to this advantageous
Weiterbildung auch so realisiert sein, dass zwei oder auch mehr Schalldämpfer Further training also be realized so that two or more silencers
nacheinander in dem Brennstoffzellensystem angeordnet sind. In diesem Fall würde das Abgas wiederum in den zumindest vorletzten der in dem Brennstoffzellensystem are arranged one after the other in the fuel cell system. In this case, the exhaust gas would turn into the at least penultimate of the fuel cell system
angeordneten Schalldämpfer, insbesondere in den ersten bei der Ausführung mit zwei Schalldämpfern, eingebracht. Hierfür gilt ähnliches wie oben bereits zum Eindüsen in die zumindest vorletzte Kammer bei der Ausgestaltung der Schalldämpfer mit einzelnen Kammern erwähnt worden ist. Grundsätzlich ist es dabei natürlich möglich, die arranged muffler, in particular in the first in the embodiment with two mufflers introduced. The same applies as above for injecting into the at least penultimate chamber in the design of the silencer with individual Chambers has been mentioned. Basically, it is of course possible, the
wenigstens zwei Schalldämpfer in dem System gemäß dieser Weiterbildung sowohl mit als auch ohne die einzelnen Abschnitte bzw. Kammern zu realisieren. to realize at least two mufflers in the system according to this development both with and without the individual sections or chambers.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem lässt sich wie erwähnt besonders einfach und effizient aufbauen. Es kann sehr klein und kompakt realisiert werden und kann dennoch eine sehr gute Schalldämpfung erzielen. Außerdem wird die Abgabe von Abgasen, insbesondere die Abgabe von Wasserstoff in dem Abgas, kontinuierlich und gleichmäßig über die gesamte zur Verfügung stehende Abluftmenge verteilt. Zeitlich und örtlich punktuell hohe Wasserstoffkonzentrationen können so vermieden werden. As mentioned, the fuel cell system according to the invention can be constructed particularly simply and efficiently. It can be realized very small and compact and can still achieve a very good sound attenuation. In addition, the emission of exhaust gases, in particular the release of hydrogen in the exhaust gas, is continuously and uniformly distributed over the entire available amount of exhaust air. Time and place selectively high hydrogen concentrations can be avoided.
Vergleichbares gilt für die Abgabe von Wasser, insbesondere in der zuletzt The same applies to the delivery of water, especially in the last
beschriebenen Ausführungsform des Brennstoffzellensystems. described embodiment of the fuel cell system.
Das Brennstoffzellensystem eignet sich also insbesondere für Anwendungen, in denen auf Emissionen von Lärm, Wasserstoff und Wasser geachtet werden muss, und in denen zumindest kurzzeitige hohe Konzentrationen von Wasser und Wasserstoff bei der Abgabe in die Umgebung vermieden werden müssen. Dies gilt insbesondere für The fuel cell system is therefore particularly suitable for applications in which attention must be paid to emissions of noise, hydrogen and water, and in which at least short-term high concentrations of water and hydrogen must be avoided when discharging into the environment. This is especially true for
Fahrzeuge, welche sich im öffentlichen Raum bewegen. Die besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist also sein Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem die elektrische Antriebsleistung bereitstellt. Über die Brennstoffzelle des Vehicles moving in public space. The particularly preferred application of the fuel cell system according to the invention is therefore its use in an electrically driven vehicle in which the fuel cell system provides the electrical drive power. About the fuel cell of the
Brennstoffzellensystems kann dabei die Antriebsleistung dem Fahrzeug direkt zur Verfügung gestellt werden oder es kann eine typischerweise parallel zum Fuel cell system, the drive power can be provided directly to the vehicle or it can be a typical parallel to
Brennstoffzellensystem immer vorhandene Batterie, eine sogenannte Traktionsbatterie, welche also elektrische Leistung für den Fahrantrieb bereitstellt, zwischengeladen werden. Insbesondere kann auch in den Fällen, in denen am Brennstoffzellensystem mehr Leistung zur Verfügung steht als von dem Fahrantrieb benötigt wird, beispielsweise weil sich die Fahrleistung gerade dynamisch reduziert hat, anfallende überschüssige Leistung des Brennstoffzellensystems in der Traktionsbatterie eingespeist werden. All dies fällt unter die Bezeichnung„elektrische Antriebsleistung bereitstellen", im Sinne der Erfindung. Fuel cell system always existing battery, a so-called traction battery, which thus provides electrical power for the drive, are interposed. In particular, in cases in which more power is available on the fuel cell system than is required by the traction drive, for example because the driving performance has just reduced dynamically, any excess power of the fuel cell system in the traction battery will be supplied. All this is covered by the term "provide electrical drive power", in the context of the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist. Dabei zeigen: Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention and its use will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures. Showing:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug;  Fig. 1 is a principle indicated fuel cell system in an embodiment according to the invention in a vehicle;
Fig. 2 einen Schalldämpfer gemäß der Erfindung in einem dreidimensionalen Schnittbild; Fig. 3 einen Schalldämpfer gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform in einem dreidimensionalen Schnittbild; 2 shows a silencer according to the invention in a three-dimensional sectional view; 3 shows a silencer according to the invention in an alternative embodiment in a three-dimensional sectional view;
Fig. 4 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer alternativen Fig. 4 is a principle indicated fuel cell system in an alternative
Ausführungsform gemäß der Erfindung;  Embodiment according to the invention;
Fig. 5 die Konzentration von Wasser und Wasserstoff im Abgas bei einem direkten Fig. 5 shows the concentration of water and hydrogen in the exhaust gas at a direct
Purge und einem Purge in den Schalldämpfer; und  Purge and a purge in the muffler; and
Fig. 6 eine alternative Ausführungsform des Schalldämpfers in dem erfindungsgemäßenFig. 6 shows an alternative embodiment of the muffler in the invention
Brennstoffzellensystem. Fuel cell system.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches beispielsweise in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung vorgesehen sein kann. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet sein soll. In diesem Stapel von In the illustration of Figure 1, a fuel cell system 1 can be seen, which may be provided for example in a schematically indicated vehicle 2 for providing electrical drive power. The fuel cell system 1 in this case comprises a fuel cell 3, which is to be designed as a stack of individual PEM cells, as a so-called fuel cell stack. In this pile of
Einzelzellen sind dabei die Anodenbereiche der Einzelzellen und die Kathodenbereiche der Einzelzellen jeweils untereinander verbunden. Beispielhaft ist dies in der Darstellung der Figur 1 über einen angedeuteten Kathodenraum 4 sowie einen angedeuteten Single cells are in this case the anode regions of the individual cells and the cathode regions of the individual cells each connected to one another. By way of example, this is illustrated in FIG. 1 by way of an indicated cathode space 4 and an indicated one
Anodenraum 5 und eine dazwischen angedeutete protonenleitende Membran 6 Anode space 5 and an indicated therebetween proton-conducting membrane. 6
symbolisiert. Dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellensystems 1 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über ein Druckregel- und Dosierventil 8 zugeführt. symbolizes. The anode chamber 5 of the fuel cell system 1 hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 7 via a pressure regulating and metering valve 8.
Unverbrauchter Wasserstoff gelangt aus dem Anodenraum 5 über einen sogenannten Rezirkulationskreislauf bzw. Anodenkreislauf 9 mit einer Rezirkulationsleitung 10 zurück und wird dem Eingang des Anodenraums 5 erneut zugeführt. Um Druckverluste auszugleichen ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung 1 1 prinzipmäßig angedeutet. Diese kann beispielsweise als Gebläse und/oder als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein. Unconsumed hydrogen returns from the anode compartment 5 via a so-called recirculation circuit or anode circuit 9 with a recirculation line 10 and is supplied to the input of the anode compartment 5 again. In order to compensate for pressure losses while a recirculation conveyor 1 1 is indicated in principle. This can be designed for example as a fan and / or as a gas jet pump.
In dem Anodenkreislauf 9 sammelt sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas an, welches abgeblasen werden muss, um die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf aufrecht zu erhalten. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierfür ein In the anode circuit 9, water and inert gas accumulate over time, which must be vented to maintain the hydrogen concentration in the anode circuit. In the embodiment shown here is this one
Wasserabscheider 12 mit einem Abblasventil 13 und einer Abblasleitung 14 prinzipmäßig angedeutet. Genauso gut könnte das Ablassen von Wasser und Abblasen von Gas - der sogenannte Purge - über getrennte Leitungen erfolgen. Water separator 12 with a blow-off valve 13 and a discharge line 14 in principle indicated. The discharge of water and the blowing off of gas - the so-called purge - could just as easily take place via separate lines.
Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 15 zur Verfügung gestellt. In dem hier dargestellten The cathode compartment 4 of the fuel cell 3 is provided with air as an oxygen supplier via an air conveyor 15. In the illustrated here
Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 15 dabei als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Dieser Strömungsverdichter sitzt zusammen mit einer Turbine 16 sowie einer elektrischen Maschine 17 auf einer gemeinsamen Welle. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Luftfördereinrichtung 15 wird die Luft entsprechend zur Verfügung gestellt. Sie kann anschließend über optionale nicht dargestellte Ladeluftkühler, Befeuchter oder Embodiment, the air conveyor 15 should be designed as a flow compressor. This flow compressor sits together with a turbine 16 and an electric machine 17 on a common shaft. This structure is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). About the air conveyor 15, the air is made available accordingly. It can then via optional not shown intercooler, humidifier or
dergleichen für die Brennstoffzelle 3 aufbereitet werden. Die Abluft aus der be prepared for the fuel cell 3. The exhaust air from the
Brennstoffzelle 3 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Fuel cell 3 passes in the embodiment shown here via a
Abluftleitung 18 direkt, sie kann jedoch in der Praxis ebenfalls über weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter oder dergleichen strömen, zu der Turbine 16. Im Bereich der Turbine 16 wird die Luft entspannt, sodass die in ihr enthaltene Druckenergie und thermische Energie zumindest teilweise zurückgewonnen werden kann. Dies erfolgt über die Turbine 16, welche die zurückgewonnene Energie unmittelbar über die Welle der Luftfördereinrichtung 15 zur Verfügung stellt. Zusätzliche benötigte Leistung wird über die elektrische Maschine 17 geliefert. Kommt es in bestimmten Situationen zu einem Exhaust duct 18 directly, but it can also flow in practice over other components such as humidifiers or the like, to the turbine 16. In the area of the turbine 16, the air is expanded, so that the pressure energy and thermal energy contained in it can be at least partially recovered , This is done via the turbine 16, which provides the recovered energy directly via the shaft of the air conveyor 15 available. Additional power required is supplied via the electric machine 17. Does it come in certain situations to one
Leistungsüberschuss im Bereich der Turbine 16, dann ist es auch denkbar, die Power surplus in the area of the turbine 16, then it is also conceivable that
elektrische Maschine 17 generatorisch zu betreiben und elektrische Leistung über sie zurückzugewinnen. to operate electric machine 17 as a generator and recover electrical power through it.
Nach der Turbine 16 strömt die Abluft über die Abluftleitung 18 weiter zu einem After the turbine 16, the exhaust air flows via the exhaust duct 18 on to a
Schalldämpfer 19, welcher als Abschluss des Abluftstrangs in dem Silencer 19, which as a conclusion of the exhaust air line in the
Brennstoffzellensystem 1 ausgebildet ist. Seine Aufgabe besteht primär darin, Fuel cell system 1 is formed. His job is primarily to
Schallemissionen, welche insbesondere durch die Turbine 16 verursacht werden, zu dämpfen, um so ein möglichst leisen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des mit ihm ausgestatten Fahrzeugs 2 zu gewährleisten. Sound emissions, which are caused in particular by the turbine 16, to damp, so as to ensure the quietest possible operation of the fuel cell system 1 and the equipped with him vehicle 2.
Der Schalldämpfer 19 in einer ersten möglichen Ausführungsform ist dabei, wie es in der Darstellung der Figur 1 bereits angedeutet und in der Darstellung der Figur 2 detailliert zu erkennen ist, aus einer Hülle 20 ausgebildet, durch welche ein Abluftrohr 21 von einem Ablufteinlass 22 zu einem Abluftauslass 23 verläuft. Die Abluft strömt dabei wie in der in Figur 2 durch die mit A gekennzeichneten Pfeile gezeigt durch den Schalldämpfer 19. Das Abluftrohr 21 weist eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen 24 auf, von welchen in der Darstellung der Figur 2 nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Verbindungsöffnungen 24 sind so in dem Abluftrohr 21 ausgebildet, dass dieses beispielsweise perforiert oder aus einem Lochblech hergestellt ist. Sie schaffen eine Verbindung zwischen dem Inneren des Abluftrohrs 21 und dem dieses umgebenden Innenraum bzw. Raum 25 der Hülle 20, welcher auch als Resonanzraum 25 bezeichnet wird, da der Schalldämpfer 19 auch als Resonator bezeichnet werden kann. Durch diesen Aufbau wird eine deutliche Schalldämmung erzielt. Der Aufbau ist soweit beispielsweise aus dem Bereich von Endschalldämpfern in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren bekannt und üblich. The muffler 19 in a first possible embodiment is, as already indicated in the illustration of Figure 1 and can be seen in detail in the illustration of Figure 2, formed from a shell 20 through which an exhaust pipe 21 from an exhaust air inlet 22 to a Exhaust outlet 23 extends. The exhaust air flows as in the in 2 by the arrows marked A through the muffler 19. The exhaust pipe 21 has a plurality of connection openings 24, of which in the illustration of Figure 2 only a few are provided with a reference numeral. These connection openings 24 are formed in the exhaust pipe 21, that this example perforated or made of a perforated plate. They provide a connection between the interior of the exhaust pipe 21 and the surrounding space or space 25 of the shell 20, which is also referred to as a resonance chamber 25, since the muffler 19 may also be referred to as a resonator. By this construction, a significant sound insulation is achieved. The structure is so far known and customary, for example, from the field of mufflers in exhaust systems of internal combustion engines.
Bei dem hier beschriebenen Aufbau der Erfindung ist es nun so, dass die Abblasleitung 14 im Bereich wenigstens einer Mündungsöffnung 26 in diesen Resonanzraum 25, also in das Innere der Hülle 20, mündet. Vorzugsweise erfolgt das Eindüsen des mit P In the structure of the invention described here, it is now so that the discharge line 14 opens in the region of at least one mouth opening 26 in this resonance chamber 25, ie in the interior of the shell 20. Preferably, the injection of the with P
bezeichneten Abgases aus der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Anodenkreislauf 9 so, dass die Gase sowohl eine Drallbewegung innerhalb des Resonanzraums 25 durchführen, als auch mit einer Richtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung des Abgases A in dem Abluftrohr 21 in den Resonanzraum 25 einströmen. Hierdurch wird eine designated exhaust gas from the fuel cell 3 and the anode circuit 9 so that the gases perform both a swirling motion within the resonance chamber 25, as well as with a direction component counter to the flow direction of the exhaust gas A in the exhaust pipe 21 into the resonance chamber 25. This will be a
bestmöglichste Verteilung des Wassers und des Abgases P in dem Resonanzraum 25 erzielt. Die Gase und das Wasser gelangen dann über einen längeren Zeitraum gestreckt, auch wenn über die Ventileinrichtung 3 diskontinuierlich von Zeit zu Zeit größere Menge an Abgas und Wasser abgeblasen werden, in den Abluftstrom A. best possible distribution of the water and the exhaust gas P achieved in the resonance chamber 25. The gases and the water are then stretched over a longer period of time, even if the valve device 3 intermittently blows off a larger amount of exhaust gas and water from time to time into the exhaust air stream A.
Hierdurch werden Emissionsspitzen des unweigerlich in dem Abgas P befindlichen Wasserstoffs beim Abströmen in die Umgebung verhindert und gleichzeitig wird die Abgabe von flüssigem Wasser, sofern dieses nicht in der wärmeren Abluft A ohnehin verdampft, zeitlich so hinausgezögert, dass eine relativ gleichmäßige Abgabe von As a result, emission peaks of the hydrogen inevitably located in the exhaust gas P are prevented when flowing into the environment and at the same time the delivery of liquid water, unless this evaporates anyway in the warmer exhaust air A, delayed in time so that a relatively uniform release of
Wasser in die Umgebung erfolgt. Hierdurch wird die Gefahr, dass durch einen Schwall von Abwasser die Umgebung benetzt wird, deutlich reduziert. Water is done in the area. As a result, the risk that the environment is wetted by a surge of sewage, significantly reduced.
Eine alternative Ausführungsform des Schalldämpfers 19 ist in der Darstellung der Figur 3 zu erkennen. Der Aufbau entspricht dabei im Wesentlichen dem im Rahmen der Figur 2 beschriebenen Aufbau. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Raum bzw. An alternative embodiment of the muffler 19 can be seen in the illustration of FIG. The structure corresponds essentially to the structure described in the context of Figure 2. The only difference is that the room or
Resonanzraum 25 durch Zwischenwände 30 in einzelne Abschnitte 25.1 , 25.2, 25.3 und 25.4 unterteilt ist. Um eine möglichst ideale Mischung des Abgases P mit der in dem Abluftrohr 21 strömenden Abluft zu erzielen, mündet die Abblasleitung dabei in den in Strömungsrichtung des Abluftstroms A zuerst angeordneten Abschnitt 25.4 des Resonant space 25 is divided by intermediate walls 30 into individual sections 25.1, 25.2, 25.3 and 25.4. To a possible ideal mixture of the exhaust gas P with in the To achieve exhaust air pipe 21 flowing exhaust air, the discharge line opens in the first in the flow direction of the exhaust air stream A arranged portion 25.4
Resonanzraums 25. Er könnte prinzipmäßig genauso gut in einen der anderen AbschnitteResonance space 25. He could in principle just as well in one of the other sections
25.1 , 25.2, 25.3 münden. Um eine möglichst gute Vermischung zu erreichen ist der hier dargestellte Aufbau jedoch ideal. Zumindest sollte er in den in Strömungsrichtung des Abluftstroms A vorletzten Abschnitt, also in der Darstellung der Figur 3 den Abschnitt25.1, 25.2, 25.3. However, to achieve the best possible mixing, the structure shown here is ideal. At least it should in the penultimate in the flow direction of the exhaust air flow A section, so in the illustration of Figure 3 the section
25.2, münden. 25.2, open.
Eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen. Der Aufbau entspricht wiederum, mit Ausnahme des fehlenden Fahrzeugs 2, dem in Figur 1 gezeigten Aufbau. Der Schalldämpfer 19, in welchen die Abblasleitung 14 mündet, ist dabei einer von zwei Schalldämpfern 19, 19', welche in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet sind. Dabei ist, ähnlich zu den eben gemachten Ausführungen hinsichtlich der Abschnitte 25.1 - 25.4, der Schalldämpfer 19, in welchen die Abblasleitung 14 mündet, der in Strömungsrichtung erste, oder, falls mehr als zwei Schalldämpfer 19, 9' vorhanden sind, zumindest der in Strömungsrichtung vorletzte dieser Schalldämpfer 19, 19'. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei der Schalldämpfer 9 sehr kurz mit nur einem Resonanzraum 25 ausgebildet, der An alternative embodiment of the fuel cell system can be seen in the illustration of FIG. The structure again corresponds, with the exception of the missing vehicle 2, to the construction shown in FIG. The muffler 19, in which the discharge line 14 opens, is one of two mufflers 19, 19 ', which are arranged in the fuel cell system 1. Here, similar to the statements just made with regard to the sections 25.1 - 25.4, the muffler 19, in which the discharge line 14 opens, the first in the flow direction, or, if more than two mufflers 19, 9 'are present, at least that in the flow direction penultimate of this muffler 19, 19 '. In the illustrated embodiment, the muffler 9 is formed very short with only one resonance space 25, the
nachfolgende Schalldämpfer 19' mit etwas längerer Bauart und mehreren Abschnitten 25.1 , 25.2, 25.3 des Resonanzraums 25. Genauso gut wäre es möglich, in beiden Schalldämpfern 19, 19' den Resonanzraum 25 in einzelne Abschnitte zu unterteilen, oder auch in keinem der beiden. Subsequent muffler 19 'with a slightly longer design and several sections 25.1, 25.2, 25.3 of the resonance chamber 25. Equally well, it would be possible in both mufflers 19, 19' to divide the resonance chamber 25 into individual sections, or in either of the two.
In den beiden Diagrammen der Figur 5 ist die Konzentration beispielsweise des In the two diagrams of Figure 5, the concentration of the example
Wasserstoffs im Abgas am Austritt aus dem Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. In der Figur 3a oben ist die direkte Abgabe in die Abluftleitung 18 gezeigt, in der Figur 3b die Abgabe in der in Figur 2 beschriebenen Art in den Resonanzraum 25 des Schalldämpfers 19. Deutlich ist zu erkennen, dass bei einer Abgabe zum Zeitpunkt t1 eine Konzentration c1 auftritt, wenn das Abgas P direkt in die Abluftleitung 18 abgeblasen wird. Die Hydrogen in the exhaust gas at the exit from the fuel cell system 1 shown. In the figure 3a above the direct discharge is shown in the exhaust duct 18, in the figure 3b, the discharge in the manner described in Figure 2 in the resonance chamber 25 of the muffler 19. It can be clearly seen that at a delivery at time t1 a concentration c1 occurs when the exhaust gas P is blown off directly into the exhaust duct 18. The
Konzentration ist dabei relativ hoch und tritt nur für einen entsprechend kleinen Zeitraum auf. In der Darstellung der Figur 3b ist dagegen die maximale Konzentration von c2 verzeichnet, welche deutlich kleiner als die Konzentration c1 ist. Sie tritt zeitlich etwas später auf, und ist über einen längeren Zeitraum gestreckt, sodass ein Großteil des Wasserstoffs erst zum Zeitpunkt t2 in die Umgebung gelangt. Beim Abgeben in den Schalldämpfer 9 dauert dies bis zu einer Zeit t3 an. Die Konzentration wird also in ihrem Maximalwert verringert und die Emission an Wasserstoff wird gleichmäßiger über einen größeren Zeitraum verteilt. Dies gilt für die Abgabe von Wasser analog. Concentration is relatively high and occurs only for a correspondingly small period of time. On the other hand, in the illustration of FIG. 3b the maximum concentration of c2 is recorded, which is clearly smaller than the concentration c1. It occurs somewhat later in time, and is stretched over a longer period of time, so that a large part of the hydrogen only enters the environment at time t2. When discharging into the muffler 9, this lasts until a time t3. The concentration will be in her Maximum value is reduced and the emission of hydrogen is distributed more evenly over a longer period of time. This applies analogously to the delivery of water.
Eine weitere mögliche Ausführungsform des Schalldämpfers 19 ist in der Darstellung der Figur 6 zu erkennen. Der Aufbau in Figur 4 ist dabei in Richtung der Schwerkraft g schräg ausgebildet, sodass das Abgas A in Richtung der Schwerkraft g schräg nach unten durch den Schalldämpfer 9 strömt. Das Abluftrohr 21 hat im unteren Bereich keine Another possible embodiment of the muffler 19 can be seen in the illustration of FIG. The construction in FIG. 4 is inclined in the direction of gravity g, so that the exhaust gas A flows in the direction of gravity g obliquely downward through the muffler 9. The exhaust pipe 21 has no at the bottom
Verbindungsöffnungen 24, sondern ist in diesem Bereich weitgehend ohne Öffnungen ausgebildet. Das Abgas P gelangt wieder über die Abblasleitung 14 in den Connection openings 24, but is formed in this area largely without openings. The exhaust gas P passes again via the discharge line 14 in the
Resonanzraum 25 des Schalldämpfers 19. Auch hier könnte der Resonanzraum 25 des Schalldämpfers 19 wiederum in einzelne Abschnitte unterteilt sein, wie dies zuvor, insbesondere im Rahmen der Figur 3, ausgeführt worden ist. Flüssiges Wasser kann sich nun in dem in Richtung der Schwerkraft unten liegenden Bereich ansammeln und wird nur noch zum Teil durch die Verbindungsöffnungen 24 in die Abluftleitung gelangen. Der größte Teil an Wasser sammelt sich, wie es durch die mit 27 bezeichnete Resonance chamber 25 of the muffler 19. Again, the resonance chamber 25 of the muffler 19 could in turn be divided into individual sections, as previously, in particular in the context of Figure 3, has been executed. Liquid water can now accumulate in the area lying in the direction of gravity and will only partially pass through the connection openings 24 in the exhaust duct. Most of the water accumulates, as indicated by the denoted by 27
Wasseroberfläche dargestellt ist, im unteren Bereich des Resonanzraums 25 an. Der Resonanzraum 25 kann dafür beispielsweise in dem Bereich, in dem das Wasser sich ansammelt, lediglich in Richtung der Schwerkraft g oberhalb des Abluftrohrs 21 realisiert oder über eine Trennwand 29 teilweise als Wassersammelbereich abgetrennt sein. Über wenigstens eine kleine im Bereich des Abluftauslasses 23 gelegene Water surface is shown in the lower part of the resonance chamber 25 at. The resonance chamber 25 can be realized for example in the region in which the water accumulates, only in the direction of gravity g above the exhaust pipe 21 or partially separated via a partition wall 29 as a water collection area. About at least a small located in the region of the exhaust outlet 23
Entwässerungsbohrung 28 oben in dem Abluftrohr 21 gelangt das Wasser, welches sich im Resonanzraum 25 angesammelt hat, nun in den Abluftstrom A. Durch eine geeignete Wahl des Durchmessers und der Anzahl der Entwässerungsbohrung(en) 28 kann die Abgabe des Wassers in die Abluft A gezielt beeinflusst werden, sodass lediglich soviel Wasser zum jeweiligen Zeitpunkt abgegeben wird, wie ohne Schwallbildung von der Abluft A an die Umgebung mitgenommen werden kann. Das restliche Wasser wird solange im Resonanzraum 25 zwischengespeichert und über die entsprechend kleine Entwässerungsbohrung 28 kontinuierlich abgegeben. Die Vergleichmäßigung des austretenden Wassers wird dadurch nochmals gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verbessert. Drainage hole 28 at the top of the exhaust pipe 21, the water, which has accumulated in the resonance chamber 25, now in the exhaust air flow A. By a suitable choice of the diameter and the number of drainage hole (s) 28, the delivery of the water in the exhaust air A targeted be influenced so that only so much water is delivered at the time, as can be taken without swelling of the exhaust air A to the environment. The remaining water is temporarily stored in the resonance chamber 25 and continuously discharged via the correspondingly small drainage hole 28. The homogenization of the exiting water is thereby improved again compared to the embodiment described above.
Ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Aufbaus liegt darin, dass die Zuführung des Abgases P insbesondere in Richtung der Schwerkraft g unten erfolgt, sodass der eine geringe Dichte aufweisende Wasserstoff in Richtung der Schwerkraft g nach oben steigt und zusätzlich zu dem Strömungsimpuls durch das schräge und tangentiale Einströmen möglichst gleichmäßig im Resonanzraum 25 verteilt wird und dementsprechend gleichmäßig durch die Verbindungsöffnungen 24 in das Abluftrohr 21 einströmt. A further advantage of the structure described here is that the supply of the exhaust gas P takes place in particular in the direction of gravity g below, so that the low-density hydrogen in the direction of gravity g increases upward and in addition to the flow pulse through the oblique and tangential pour in is distributed as uniformly as possible in the resonance chamber 25 and accordingly flows uniformly through the connection openings 24 in the exhaust pipe 21.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer 1. Fuel cell system (1) with at least one fuel cell (3), with a
Abluftleitung (18) für die Abluft (A) aus einem Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (3) sowie einer Abblasleitung (14) zum Abblasen von Abgas (P) aus einem  Exhaust duct (18) for the exhaust air (A) from a cathode chamber (4) of the fuel cell (3) and a discharge line (14) for blowing off exhaust gas (P) from a
Anodenraum (5) der Brennstoffzelle (3), mit wenigstens einem Schalldämpfer ( 9, 19'), mit einem Ablufteinlass (22) und einem Abluftauslass (23) in der Abluftleitung (18), welcher aus einer nach außen verschlossenen äußeren Hülle (20) und einem Anode space (5) of the fuel cell (3), with at least one muffler (9, 19 '), with an exhaust air inlet (22) and an exhaust outlet (23) in the exhaust duct (18), which from an outer shell (20 ) and one
• vom Ablufteinlass (22) zum Abluftauslass (23) durch die gesamte Länge der Hülle (20) verlaufenden Abluftrohr (21 ) mit Verbindungsöffnungen (24) zu dem Raum (25) innerhalb der äußeren Hülle (20) besteht, • from the exhaust air inlet (22) to the exhaust outlet (23) through the entire length of the shell (20) extending exhaust pipe (21) having connection openings (24) to the space (25) within the outer shell (20) consists,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Abblasleitung (14) in die Hülle (20) mündet.  the discharge line (14) opens into the casing (20).
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system (1) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Abluftrohr (21 ) als Teil der Abluftleitung (18) ausgebildet ist.  the exhaust pipe (21) is formed as part of the exhaust pipe (18).
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Fuel cell system (1) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Raum (25) innerhalb der Hülle (20) in mehrere Abschnitte (25.1 , 25.2, 25.3, 25.4) unterteilt ausgebildet ist.  the space (25) within the shell (20) is divided into several sections (25.1, 25.2, 25.3, 25.4).
4. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 3, 4. Fuel cell system (1) according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Abblasleitung (14) in einen der Abschnitte (25.2, 25.3, 25.4) mündet, welcher nicht der in Strömungsrichtung eines Abluftstroms (A) letzte Abschnitt (25.1 ) ist. the discharge line (14) opens into one of the sections (25.2, 25.3, 25.4) which is not the last section (25.1) in the flow direction of an exhaust air flow (A).
5. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Abluftrohr (21) konzentrisch in der Hülle (20) angeordnet ist.  the exhaust pipe (21) is arranged concentrically in the shell (20).
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Abblasleitung (14) so in die Hülle (20) mündet, dass durch die Abblasleitung (14) strömendes Gas (P) tangential in die Hülle (20) strömt.  the discharge line (14) opens into the casing (20) in such a way that gas (P) flowing through the discharge line (14) flows tangentially into the casing (20).
7. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Abblasleitung (14) so in die Hülle (20) mündet, dass durch die Abblasleitung (14) strömendes Gas (P) mit einer Richtungskomponente entgegen der Strömung der Abluft (A) in die Hülle (20) strömt.  the discharge line (14) opens into the casing (20) in such a way that gas (P) flowing through the discharge line (14) flows into the casing (20) with a directional component against the flow of exhaust air (A).
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Schalldämpfer (19, 19') so angeordnet ist, dass die Strömung der Abluft (A) in Richtung der Schwerkraft (g) schräg nach unten erfolgt.  the muffler (19, 19 ') is arranged so that the flow of the exhaust air (A) takes place in the direction of gravity (g) obliquely downwards.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, 9. Fuel cell system (1) according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der unten liegende Bereich des Abluftrohres (21) frei von Verbindungsöffnungen (24) ist und lediglich wenigstens eine in Richtung der Schwerkraft (g) oben angeordnete Entwässerungsbohrung (28) im Bereich vor dem Abluftauslass (23) aufweist.  the lower region of the exhaust pipe (21) is free from connecting openings (24) and only has at least one in the direction of gravity (g) top drainage hole (28) in the area in front of the exhaust outlet (23).
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 10. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Abblasleitung (14) aus einem Anodenkreislauf (9) des Brennstoffzellensystems (1) abzweigt, und, insbesondere über eine Ventileinrichtung (13), zu der Hülle (21) führt. the discharge line (14) branches off from an anode circuit (9) of the fuel cell system (1) and, in particular via a valve device (13), leads to the casing (21).
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 11. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Schalldämpfer (19), in welchen die Abluftleitung (14) mündet, in  the muffler (19), in which the exhaust duct (14) opens, in
Strömungsrichtung eines Abluftstroms (A) vor einem weiteren Schalldämpfer (19') angeordnet ist.  Flow direction of an exhaust air stream (A) in front of a further muffler (19 ') is arranged.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , 12. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 1 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in der Abluftleitung (18) in Strömungsrichtung vor dem wenigstens einen  in the exhaust duct (18) in the flow direction before the at least one
Schalldämpfer (19, 19') eine Abluftturbine (16) angeordnet ist.  Silencer (19, 19 ') an exhaust turbine (16) is arranged.
13. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung wenigstens eines Teils der elektrischen Antriebsleistung. 13. Use of a fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 12 in a vehicle (2) for providing at least part of the electrical drive power.
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