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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Grundsätzlich sind Brennstoffzellensysteme, welche typischerweise mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas als Brenngas betrieben werden, aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Bennstoffzellensysteme bestehen dabei im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle mit einer Polymermembran als Elektrolyt, einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wird dabei im Allgemeinen aus einem Stapel an Einzelzellen bestehen. Sie wird daher auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Bei derartigen Systemen wird eine Anodenseite der Brennstoffzelle mit dem Brenngas und typischerweise einem Anteil an unverbrauchtem Brenngas, welches aus einem Bereich nach einer Anodenseite der Brennstoffzelle in den Bereich vor der Anodenseite der Brennstoffzelle zurückgeführt wird, versorgt. Die Kathodenseite der entsprechenden Brennstoffzelle wird mit einem sauerstoffhaltigen Gas, typischerweise Luft, versorgt. Derartige Brennstoffzellen dienen dann zur Erzeugung von elektrischer Energie aus eben diesem Brenngas und dem Sauerstoff in der Luft. Ein typischer Einsatzzweck ist beispielsweise im Rahmen von elektrischen Antriebssträngen von Fahrzeugen gegeben.
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Insbesondere beim Aufbau eines solchen Fahrzeugantriebsstrangs in dem Brennstoffzellensystem spielen Bauraum und Gewicht von derartigen Brennstoffzellensystemen eine entscheidende Rolle. Aus der
DE 10 2004 049 623 A1 ist daher eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben, welche eine Fördereinrichtung für einen Reaktanten, ein Reaktionsprodukt und/oder ein Kühlmittel in eine Endplatte eines solchen Brennstoffzellenstapels integriert.
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Nachteilig bei diesem Aufbau ist es, dass durch die Pumpe entsprechende Vibrationen in den Brennstoffzellenstapel eingetragen werden, welche sich nachteilig auf dessen Dichtheit auswirken können. Außerdem steht muss für eine Wartung der Pumpe immer ein Zerlegen des hinsichtlich seiner Dichtungen ohnehin sensiblen Brennstoffzellenstapels erfolgen. Auch der Austausch beispielsweise des Brennstoffzellenstapels oder der Pumpe erfordert immer das Öffnen des Brennstoffzellenstapels mit einer anschließenden Wiederabdichtung desselben, was insbesondere bei Wasserstoff als gefördertem Brenngas vergleichsweise aufwendig ist.
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Aus dem weiteren Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die
DE 102 48 611 A1 beschrieben ist, ist es ferner ist ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Vorwärmen der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels in einem solchen Brennstoffzellensystem bekannt. Um die Vorwärmung beim Kaltstart oder bei niedriger Temperatur effizienter und gleichmäßiger zu gestalten, ist es in dieser Schrift vorgesehen, den thermischen Energieinhalt, welcher in der verdichteten zur Kathodenseite der Brennstoffzelle strömenden Luft enthalten ist, gleichmäßiger zu verteilen. Hierzu wird über einen Wärmetauscher das zu dem Brennstoffzellensystem strömende Wasserstoffgas, welches hier als Brennstoff dient, über die beim Verdichten erwärmte Luft mittels eines Brennstoff-Luft-Wärmetauschers vorgewärmt. Da die in den Gasstrom des Brennstoffs eingetragene Wärme dabei aus der verdichteten Luft stammt, wird über diesen Aufbau die verfügbare Wärme lediglich anders verteilt, die eingetragene Wärmemenge insgesamt wird dagegen nicht erhöht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches bei minimalem Bauraum einen praxistauglichen und leicht zu wartenden Aufbau ermöglicht, welcher insbesondere für kompakte und hochbelastete Brennstoffzellensysteme geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Die Integration der allermeisten der brenngasrelevanten Komponenten, also insbesondere die Integration des Mischbereichs, eines Wasserabscheiders, einer Einrichtung zur Erwärmung des Brenngases und Aufnahmen für wenigstens einen Sensor in das eine integrierte Bauteil, bietet entscheidende Vorteile bei der Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Das integrierte Bauteil ermöglicht eine platzsparende Ausgestaltung der wesentlichen brenngasführenden Elemente sowie kurze Leitungslängen und damit entsprechend geringe Druckverluste in dem Brenngas. Außerdem wird durch das integrierte Bauteil, welches unabhängig vom Brennstoffzellenstack ausgeführt werden kann, erreicht, dass sich ein vom Brennstoffzellenstack unabhängig montierbares und für Wartungen auch leicht demontierbares integriertes Bauteil realisieren lässt. Auch eventuelle Vibrationen oder Temperaturschwankungen in dem integrierten Bauteil werden nicht auf den Brennstoffzellenstack übertragen und können somit dessen Dichtheit durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen oder Vibrationen nicht nachteilig beeinflussen.
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Ansonsten sind in dem integrierten Bauteil alle relevanten Elemente zusammengefasst, sodass das Brenngas, insbesondere der Wasserstoff, mit vorgegebenem Druck, Volumenstrom, vorgegebener Temperatur sowie vorgegebener Gaszusammensetzung (beispielsweise Wasserstoffkonzentration und Feuchtigkeit) bereitgestellt werden kann. Aus dem rezirkulierten unverbrauchten Brenngas wird außerdem flüssig vorliegendes Wasser abgeschieden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Einrichtung zur Erwärmung des Brenngases. Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems wird dem Brennstoffzellensystem der Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, aus einer Druckspeichereinrichtung zugeführt. Dieser Brennstoff ist jedoch häufig sehr kalt, da erstens die Druckspeichereinrichtung typischerweise in einem Bereich – beispielsweise eines Fahrzeugs – angeordnet ist, welcher nicht oder nur minimal isoliert ist. Der Brennstoff in der Druckspeichereinrichtung weist somit Umgebungstemperatur auf, was gegenüber der typischen Betriebstemperatur in der Größenordnung von ca. 70 bis 100°C in dem Brennstoffzellensystem eher kalt ist. Außerdem geht beim Entspannen des Brennstoffs aus der Druckspeichereinrichtung zusätzlich thermische Energie verloren, sodass ein – zumindest im Vergleich zum System – sehr kalter Wasserstoff- beziehungsweise Brennstoffstrom in dem Brennstoffzellensystem anlangt. Je niedriger die Außentemperatur ist und je kürzer das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, desto kritischer ist dieser kalte Brennstoffstrom, da er in dem System Wärmesenken darstellt, an welchen Wasser, welches in den Gasen des Systems vorhanden ist, auskondensieren und gegebenenfalls sogar gefrieren kann.
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Durch die integrierte Einrichtung zur Erwärmung des Brennstoffs wird dieser Effekt deutlich verringert, sodass sich ein besserer Betrieb und insbesondere ein sicherer und schnellerer Kaltstart des Brennstoffzellensystems der Einrichtung zur Erzeugung von Energie gewährleisten lässt.
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Die Einrichtung zur Erwärmung des Brennstoffs hat ferner, insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, den Vorteil, dass das integrierte Bauteil selbst und alle in ihm befindlichen Komponenten miterwärmt und dadurch gegebenenfalls aufgetaut werden können, sodass beispielsweise das eine entsprechende Ablassleitung für das Wasser, über welche auch überschüssige Inertgase abgeblasen werden können, bereits beim Start des Systems aufgetaut und voll funktionsfähig ist.
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Außerdem kann das integrierte Bauteil so ausgeführt werden, dass es keinen zusätzlichen Tragrahmen benötigt, sodass nochmals entsprechend Bauraum eingespart werden kann. Neben der Reduzierung von Masse, Bauvolumen und damit letztlich auch Kosten wird außerdem das Gasvolumen der brenngasführenden Elemente deutlich reduziert. Die verkürzten Leitungslängen ermöglichen neben dem kompakten Aufbau eine Reduzierung der Druckverluste auch eine Reduzierung der benötigten Dichtungsstellen, was insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff ein erheblicher Vorteil ist. Das integrierte Bauteil kann aufgrund der Integration und der wegfallenden Schnittstelle außerdem deutlich kostengünstiger hergestellt werden, da die Anforderung an Fertigungstoleranzen entsprechend gesenkt werden können.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das integrierte Bauteil vom Kühlwasser des Brennstoffzellensystems durchströmt ist. Auch diese Integration des Kühlwassers beziehungsweise der Kühlwasserzuführung zu der Brennstoffzelle selbst in dem integrierten Bauteil stellt einen weiteren Vorteil hinsichtlich der Leitungslängen sowie den Schnittstellen zwischen den Leitungen dar. Außerdem wird das Kühlwasser über die wenigstens eine Einrichtung zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases mit erwärmt, da alle Bauteile in dem integrierten Bauteil zumindest mittelbar wärmeleitend miteinander verbunden sind. Damit lässt sich über die Einrichtung zur Erwärmung nicht nur das frische Brenngas, sondern auch das Kühlwasser mit erwärmen, sodass die Einrichtung zur Erwärmung auch zur Erwärmung der Brennstoffzelle selbst, beispielsweise in einer Kaltstartsituation mit genutzt werden kann. Im Umkehrschluss kann auch Wärme aus dem Kühlwasser mit zur Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases genutzt werden. Damit lässt sich Energie einsparen und ohnehin vorhandene Abwärme zur Erwärmung des frischen Brenngases nutzen.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass die wenigstens eine Einrichtung zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases als elektrischer Heizer ausgebildet ist. Ein solcher elektrischer Heizer lässt sich sehr einfach und effizient beispielsweise durch einen sich erwärmenden elektrischen Widerstand in das integrierte Bauteil aufnehmen. Durch die sehr leichte Ansteuerbarkeit und damit die sehr einfache und effiziente Erzeugung einer gewünschten Wärmemenge in dem elektrischen Heizer kann das zugeführte frische Brenngas sehr effizient auf eine vorgegebene Zieltemperatur erwärmt werden. Außerdem kann durch zusätzliche elektrische Heizleistung auch eine Beheizung der gesamten integrierten Baueinheit erfolgen, beispielsweise um diese im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems vorzuwärmen und gegebenenfalls aufzutauen.
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In der Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der außerdem das Kühlwasser des Brennstoffzellensystems durch das integrierte Bauteil strömt, kann über den elektrischen Heizer außerdem das Kühlwasser und damit die Brennstoffzelle mit erwärmt werden, sodass der elektrische Heizer gleichzeitig als elektrischer Startheizer mitgenutzt werden kann, ohne dass ein solcher zusätzlich in das Brennstoffzellensystem integriert werden muss. Damit lässt sich die Anzahl der Bauteile reduzieren und das Bauvolumen des Brennstoffzellensystems mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann verringert werden.
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In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die wenigstens eine Einrichtung zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases als Kühlwärmetauscher für wenigstens eine wärmeerzeugende Komponente ausgebildet, wobei das frische Brenngas die wärmeerzeugende Komponente wenigstens teilweise kühlt. Die Erwärmung des Brenngases über einen Kühlwärmetauscher an einer wärmeerzeugenden Komponente des Brennstoffzellensystems ermöglicht es im Brennstoffzellensystem ohnehin anfallende thermische Energie zu nutzen. Als weiterer positiver Nebeneffekt wird die jeweilige wärmeliefernde Komponente durch den Brenngasstrom zumindest teilweise gekühlt, sodass deren Betrieb in einem Temperaturbereich ablaufen kann, welcher für den optimalen Betrieb geeignet ist. Der Kühlwärmetauscher und/oder die wärmeerzeugende Komponente können dabei in die integrierte Baueinheit mit integriert oder an dieses angeflanscht ausgeführt sein.
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Die Komponente kann dabei jede aktiv Wärme oder Abwärme erzeugende Komponente in einem Brennstoffzellensystem sein, beispielsweise eine Elektronik oder Leistungselektronik, deren Abwärme weggekühlt werden muss, oder auch eine Einheit mit elektromotorischem Antrieb, bei der der Motor gekühlt werden sollte, um eine ideale Funktion zu gewährleisten. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise ein Gebläse oder eine Kompressionseinrichtung sein, es kann beim Einsatz in einem Transportmittel jedoch auch ein Antriebsmotor sein. Eine weitere Möglichkeit wäre, dass das Brenngas die Kühlung einer elektrochemischen Komponente, wie beispielsweise des Brennstoffzellenstapels selbst oder einer gegebenenfalls zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel vorhandenen Batterie, übernimmt und sich dabei erwärmt. Hier kann insbesondere an eine Traktionsbatterie bei einem Fahrzeugantriebssystem gedacht werden, welche dann als Hochleistungsbatterie, beispielsweise auf der Basis der Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein kann. Es sind jedoch auch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems denkbar, beispielsweise ein gegebenenfalls elektrisch unterstützter Turbolader zur Verdichtung der geförderten Luft für die Kathodenseite oder dergleichen. Zuletzt sind auch noch andere Komponenten denkbar, bei welchen Wärme durch die in ihnen ablaufenden Prozesse entsteht, beispielsweise Kondensatoren oder Flüssigkeitsabscheider, die durch die entsprechende Kondensationswärme Wärme erzeugen, welche dann auf den Brennstoff übertragen werden könnte. Außerdem könnte die wärmeerzeugende Komponente im Sinne der Erfindung auch ein Wärmetauscher sein, dem Wärme in einem zweiten Kreislauf von außen über ein Medium zugeführt wird.
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Diese wärmeerzeugende Komponente im Sinn der Erfindung wird dann durch den Brennstoffstrom zumindest teilweise gekühlt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Komponente und der jeweils geforderten Charakteristik der Kühlung beispielsweise im Teillastbetrieb, unter Volllast, im Leerlauf oder dergleichen, kann es dabei sein, dass der jeweils zur Verfügung stehende Brenngasstrom nicht ausreicht, um die Kühlung zu gewährleisten. Sollte dies nicht der Fall sein, so kann die Kühlung über das Brenngas auch als zusätzliche Kühlung mit eingerichtet werden, sodass der Kühlwärmetauscher beispielsweise neben einem weiteren Kühlwärmetauscher in oder an der Komponente vorhanden ist. Über diesen weiteren Wärmetauscher kann dann zum Beispiel über einen herkömmlichen Kühlkreislauf mit einer Kühlflüssigkeit die Kühlung in den Situationen und Betriebszuständen sichergestellt werden, in denen die Kühlung über den Volumenstrom des zuströmenden Brenngases nicht ausreicht.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Brennstoffzellensystem außerdem eine Rezirkulationsfördereinrichtung auf, durch welche unverbrauchtes Brenngas aus einem Bereich nach einer Anode der Brennstoffzelle in einen Bereich vor der Anode zurückgeführt ist, wobei diese Rezirkulationsfördereinrichtung an das integrierte Bauteil angeflanscht ist. Durch das Anflanschen der Rezirkulationsfördereinrichtung, beispielsweise einem Wasserstoffrezirkulationsgebläse, wird die Leitungslänge zwischen der integrierten Baueinheit und der Rezirkulationsfördereinrichtung verringert und die Rezirkulationsfördereinrichtung kann ohne weitere Tragrahmen oder dergleichen mit der integrierten Baueinheit verbunden und von dieser mitgetragen werden. Da diese typischerweise noch eine eigenständige Kühlung umfasst, kann dieses Anflanschen aus wartungstechnischen Gründen heraus eine sehr günstige Alternative sein, um Zugänglichkeit und gegebenenfalls Austauschbarkeit der Rezirkulationsfördereinrichtung unabhängig von dem integrierten Bauteil zu gewährleisten. Durch das Anflanschen der Rezirkulationsfördereinrichtung kann außerdem eine zumindest mittelbare Wärmeleitung zwischen der Rezirkulationsfördereinrichtung und dem integrierten Bauteil erreicht werden. Die Einrichtung zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases kann, insbesondere beim Einsatz einer hohen Heizleistung, im Kaltstartfall die Rezirkulationsfördereinrichtung dann bis zu einem gewissen Grad miterwärmen und gegebenenfalls in ihr gefrorene Tröpfchen auftauen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dagegen vorgesehen, dass eine solche Rezirkulationsfördereinrichtung zumindest teilweise in das integrierte Bauteil integriert ausgeführt ist. Damit könnte die Rezirkulationsfördereinrichtung vollständig in das integrierte Bauteil mit aufgenommen werden, oder es kann lediglich der wasserstoffführende Teil in das integrierte Bauteil integriert sein. Ein eventueller Antriebsmotor, beispielsweise in Spaltrohrbauweise, könnte dann von außen angeflanscht werden. Damit wäre sichergestellt, dass alle wasserstoffführenden Teile in dem integrierten Bauteil integriert sind, sodass die eingangs geschilderte Problematik mit Leitungslängen und Dichtstellen noch weiter verbessert werden kann. Außerdem wäre durch die Integration eine sehr gute Erwärmung der Rezirkulationsfördereinrichtung über die Einrichtung zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases gegeben. Damit ließe sich beispielsweise im Kaltstartfall auch die Rezirkulationsfördereinrichtung über die integrierte Baueinheit mit erwärmen.
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Die bevorzugte Verwendung eines derartigen kostengünstigen, kleinen und kompakten sowie hinsichtlich seiner Masse vergleichsweise leichten Bauteils, ist sicherlich die Verwendung in einem Transportmittel zu Lande, zu Wasser oder in der Luft, insbesondere jedoch in einem schienenlosen Landfahrzeug. Hier können die oben genannten Vorteile besonders effektiv genutzt werden, dabei spielt es keine Rolle, ob die Vorrichtung zur Zusatzenergieerzeugung oder zur Erzeugung von Energie für den Antriebsstrang eines solchen Transportmittels ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus einem Brennstoffzellensystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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3 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine alternative Möglichkeit zur Realisierung der Einrichtung zur Erwärmung des zugeführten frischen Brenngasstroms; und
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5 eine weitere alternative Möglichkeit zur Realisierung der Einrichtung zur Erwärmung des zugeführten frischen Brenngasstroms.
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In 1 ist ein Teil eines Brennstoffzellensystems 1 prinzipmäßig dargestellt. Als wesentliche Komponente des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 2 zu erkennen, welche typischerweise als Brennstoffzellenstapel, beispielsweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein kann. Die Brennstoffzelle 2 weist dabei einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 auf. Der Kathodenbereich 4 wird durch hier nicht näher dargestellte Förderungsmittel mit einem sauerstoffhaltigen Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, versorgt. Die Versorgung des Anodenbereichs 3 mit dem Brenngas, hier insbesondere Wasserstoff, erfolgt aus einem Wasserstoffdrucktank 5, welcher mit zugeordneter Ventileinrichtung 6 hier beispielhaft dargestellt ist. Von dem Drucktank 5 strömt der Wasserstoff nun über die Ventileinrichtung 6 in ein integriertes Bauteil 7 und von dort weiter in den Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2. Nicht umgesetztes Wasserstoffgas wird über eine Rezirkulationsleitung 8 ebenfalls in den Bereich des integrierten Bauteils 7 zurückgeführt.
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In 2 ist nun das integrierte Bauteil 7 nochmals in einer möglichen Ausführungsform prinzipmäßig dargestellt. Das integrierte Bauteil 7 besteht dabei aus einem Gehäuse 9, welches alle brenngasführenden Elemente in sich vereint, sowie zwei angeflanschten Bauelementen 10, 11, welche zusammen mit dem Gehäuse 9 das integrierte Bauteil 7 bilden. Die Bauelemente 10, 11 sind dabei direkt an das Gehäuse 9 angeflanscht, sodass das integrierte Bauteil 7 an sich eine selbsttragende Einheit bildet, welche auf externe Tragelemente wie Rahmenstrukturen oder dergleichen, verzichten kann. Das integrierte Bauteil 7 ist als selbsttragende Einheit dabei mit dem Gehäuse 9 oder einem Teil des Gehäuses 9 so stabil ausgebildet, dass dieses nicht nur sich selbst tragen, sondern auch den mit ihm verbundenen Brennstoffzellenstapel 2 mit stützen kann. Alternativ zu dieser selbsttragenden Ausgestaltung des integrierten Bauteils 7, welches mit der Brennstoffzelle 2 verbunden wird, wäre es auch denkbar, das integrierte Bauteil 7 direkt als eine der Endplatten des Brennstoffzellenstapels 2 auszubilden.
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Bei der beispielhaften, stark schematisierten Darstellung des integrierten Bauteils 7 in 2 soll das eine angeflanschte Bauelement 11 das Druckregelventil, also die Ventileinrichtung 6, umfassen, welche zwischen dem hier nicht dargestellten Hochdrucktank 5 und dem integrierten Bauteil 7 angeordnet ist. Dementsprechend enthält das hier mit 11 bezeichnete Bauelement die Ventileinrichtung 6 sowie eine entsprechende Anschlussleitung 12, welche vom Drucktank 5 kommt. Das zweite angeflanschte Bauelement 10 soll dabei den Motor sowie Elektronikkomponenten einer Rezirkulationspumpe 13 als Rezirkulationsfördereinrichtung für das unverbrauchte Anodengas umfassen. Je nach Bauart der Rezirkulationspumpe 13 wird der angeflanschte Teil neben den Elektronikkomponenten und dem Motor gegebenenfalls auch das Verdichterlaufrad selbst mit umfassen, während das Verdichterlaufradgehäuse in dem mit 7.1 bezeichneten Teil des Gehäuses 9 angeordnet ist. Alternativ hierzu kann bei der Ausführung beispielsweise als Spaltrohrmotor eine andere konstruktive Art und Weise der Integration gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Bauteil 7 eine hier nicht dargestellte Gasstrahlpumpe für die Rezirkulation des Anodenabgases vorgesehen werden. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 13 könnte alternativ hierzu auch gänzlich in das integrierte Bauteil 7 integriert sein.
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Neben dem bereits beschriebenen Bereich 7.1, welcher das Laufradgehäuse für den Verdichter der Rezirkulationspumpe 13 umfassen kann, weist das Gehäuse 9 weitere integrierte Bereiche auf. So kann beispielsweise der mit 7.2 bezeichnete Bereich einen elektrischen Heizer 14, als Einrichtung zur Erwärmung des frischen zugeführten Brenngases, aufweisen. Grundsätzlich kann dabei ein einziger zentraler elektrischer Heizer 14 vorgesehen werden, welcher über entsprechende Bereiche mit wärmeleitenden Materialien mit all den Bereichen oder Medien verbunden ist, die beheizt werden sollen. Alternativ hierzu kann der elektrische Heizer 14 auch in Einzelelemente aufgeteilt sein, sodass bestimmte Bereiche innerhalb des Gehäuse 9 jeweils einzeln beheizt werden können, beispielsweise entsprechende Ventileinrichtungen, das Laufrad der Rezirkulationspumpe 13, entsprechende Sensoranschlüsse oder auch Teilbereiche eines Wasserabscheiders 16, welcher im Bereich 7.3 angeordnet sein soll.
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Im Bereich 7.4 des Gehäuses 9 ist dann außerdem ein Mischbereich angeordnet, in dem sich der frische aus dem Drucktank 5 über die Leitung 12 zugeführte Wasserstoff mit dem über die Rezirkulationspumpe 13 rezirkulierten unverbrauchten Brenngas, welches das integrierte Bauteil 7 über die Rezirkulationsleitung 8 erreicht, vermischt. Über das Leitungselement 15 gelangt das entsprechende Brenngas dann zur Anode 3 der Brennstoffzelle 2. Zumindest in diesem Mischbereich 7.4 in dem Gehäuse 9 sind außerdem Sensoren beziehungsweise Aufnahmen für Sensoren angeordnet, sodass Zustandsgrößen und/oder chemische Größen des über die Leitung 15 zu der Anode 3 der Brennstoffzelle 2 geführten Brenngases erfasst werden können. Typischer Größen wären hier Druck, Temperatur und Volumenstrom, Feuchte und Wasserstoffkonzentration in dem Brenngas.
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Im Bereich 7.3, welcher den Wasserabscheider 16 umfassen soll, kann insbesondere auch ein Ablassventil 17 angeordnet sein, welches hier explizit nicht dargestellt ist. Über dieses Ablassventil kann sich ansammelndes Wasser über das Leitungselement 18 abgelassen werden. Zusammen mit dem Wasser kann über dieses Leitungselement 18 auch sich aufgrund der Rezirkulation mit der Zeit in dem System anreicherndes nicht brennbares Gas mit abgeblasen werden. Auch diese Elemente sind durch die Integration in den Bereich 7.4 des Gehäuses 9 so integriert, dass diese thermisch an das Gehäuse 9 mit angebunden sind und dadurch für den Fall sehr niedriger Temperaturen über den elektrischen Heizer 14 im Bereich 7.2 mit beheizt werden können. Damit ist die Funktion dieser Bauelemente immer sichergestellt. Der Wasserabscheider 16 kann dabei im Prinzip in dem Bereich 7.4 des Gehäuses 9 beliebig gebaut sein. Es ist jedoch auch denkbar, den Wasserabscheider 16 mit dem Rezirkulationspumpe 13 so zu kombinieren, dass die Rotationsbewegung des Verdichterrades des Rezirkulationspumpe 13 eventuell anfallende Tröpfchen durch die Fliehkraft in den Bereich des Verdichterlaufradgehäuses transportiert, in dem über entsprechende Nuten oder dergleichen eine Abführung und Abscheidung dieser flüssigen Tröpfchen realisiert werden kann. Die Rotationsenergie des Verdichterlaufrades der Rezirkulationspumpe 13 kann somit zur Verbesserung der Wasserabscheidung mit genutzt werden.
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In dem Gehäuse 9 kann es außerdem vorgesehen sein, dass alle flüssigkeitsführenden Teile, also insbesondere die Teile, in denen Wasser nach dem Abscheiden anlangt, so ausgebildet sind, dass sich ihre Wandungen in Richtung auf ein Brenngas beziehungsweise Luftpolster hin im Querschnitt kontinuierlich öffnen. Durch dieses sich in Richtung eines Luftpolsters, was im allgemeinen Einsatzfall typischerweise in eine Richtung entgegen der Schwerkraft sein wird, öffnen, wird ein Aufbau erreicht, welcher beim Einfrieren des in ihm befindlichen flüssigen Wasser nicht beschädigt wird. Durch die Ausgestaltung, sodass sich bildendes Eis in seiner Ausdehnung nicht blockiert wird, sondern sich in dem Bereich eines Luft- oder Brenngaspolsters hineinschieben kann, kann vermieden werden, dass durch die Ausdehnung des Eises entsprechende Spannungen auf das Material des Gehäuses 9 ausgeübt werden, welche zu einem Materialversagen führen können.
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Das Gehäuse 9 weist in 2 zwei zusätzliche Leitungselemente 19, 20 auf. Über diese Leitungselemente 19, 20 kann das integrierte Bauteil 9 optional an den Kühlkreislauf 21 des Brennstoffzellensystems 1 angeschlossen werden, welcher in 1 exemplarisch angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 21 umfasst dabei eine Fördereinrichtung 22 sowie einen Kühler 23, durch welchen überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Außerdem verläuft er durch die Brennstoffzelle 2 und, wie bereits angedeutet, optional durch das integrierte Bauteil 7. Der Kühlkreislauf 21 weist außerdem eine Ventileinrichtung 24 auf, über welche ein Bypass um den Kühler 23 realisiert werden kann. Im Kaltstart wird über diese Ventileinrichtung 24 der Kühler 23 aus dem Kühlkreislauf 21 herausgeschaltet. Da es hier um eine schnelle Aufheizung des Brennstoffzellensystems 1 geht, ist man daran interessiert, dass sich das Kühlwasser in dem Kühlkreislauf 21 schnellstmöglich erwärmt. Wird der Kühlkreislauf 21 nun durch das integrierte Bauteil 7 geführt, so kann dieser mit dem dann entsprechend zu dimensionierenden elektrischen Heizer 14 im Bereich 7.2 ebenfalls mit aufgeheizt werden. Dies hat den Vorteil, dass mit dem einzigen elektrischen Heizer 14, welcher dann als Startup-Heizer (mit-)genutzt wird, für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 1 thermische Energie in das Brennstoffzellensystem 1 eingetragen werden kann. In dem integrierten Bauteil werden durch den elektrischen Heizer 14 im Bereich 7.2, welcher auch in 1 nochmals exemplarisch dargestellt ist, alle relevanten brenngasführenden Bereiche, welche in dem Gehäuse 9 angeordnet sind oder an dieses angeflanscht sind, sowie das zu dem Anodenbereich 3 strömende Brenngas entsprechend erwärmt. Durch die Erwärmung des Kühlwassers in dem Kühlkreislauf 21 kann außerdem eine Verteilung dieser Wärme in dem gesamten Brennstoffzellensystem 1 einschließlich der Brennstoffzelle 2 erreicht werden. Dadurch wird ein sehr schnelles Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht, wobei hier lediglich ein einziger elektrischer Heizer 14 im Bereich 7.2 des integrierten Bauteils 7 benötigt wird. Dies ist hinsichtlich der Ansteuerung und der Leitungsführung ausgesprochen vorteilhaft.
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Da, wie bereits erwähnt, in dem in 2 dargestellten Bereich 7.4 des Gehäuses 9 die entsprechenden Sensoren integriert sind, kann das integrierte Bauteil 7 außerdem mit einer elektrischen Regelungseinrichtung 25 korrespondieren, wie dies in 1 exemplarisch angedeutet ist. Diese elektronische Regelungseinheit kann dann über entsprechende Leitungselemente mit dem integrierten Bauteil 7 verbunden werden, es ist jedoch auch denkbar, dass diese elektronische Steuereinheit 25 ebenfalls an das integrierte Bauteil 7 beziehungsweise das Gehäuse 9 desselben mit angeflanscht wird und ebenfalls zu dem integrierten Bauteil 7 zählt.
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In der Darstellung der 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des integrierten Bauteils 7 dargestellt. Dieses ist auch hier als selbsttragendes Bauteil 7 ausgeführt und kann entweder mit einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden sein, oder kann eine solche Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2 direkt darstellen. Das integrierte Bauteil 7 in der Ausführungsform gemäß 3 ist dabei so ausgeführt, dass es den Wasserabscheider 16 sowie die Ventileinrichtung 17 mit umfasst. Dem Wasserabscheider 16 wird dabei über die Rezirkulationsleitung 8 das Abgas aus dem Bereich der Anode 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. In dem Wasserabscheider 16 wird flüssiges Wasser abgeschieden und danach gelangt das Anodenabgas in den Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 13, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der integrierten Baueinheit 7 an diese angeflanscht ausgeführt ist. In der Darstellung der 3 ist außerdem zu erkennen, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 13 einen Wärmetauscher 26 aufweist, über welchen insbesondere eine elektromotorische Antriebseinheit der Rezirkulationsfördereinrichtung 13 gekühlt werden kann. Der Wärmetauscher 26 kann beispielsweise in den Kühlkreislauf 21 integriert ausgeführt sein.
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Nach der Rezirkulationsfördereinrichtung 13 strömt das Anodenabgas in den Mischbereich 7.4, in welchem es mit frischem Brenngas aus dem Drucktank 5 vermischt wird. Das frische Brenngas aus dem Drucktank 5 strömt dabei über die Ventileinrichtung 6, welche hier ebenfalls als an das integrierte Bauteil 7 angeflanschte Ventileinrichtung 6 ausgebildet ist, zu dem Mischbereich 7.4. Bevor es den Mischbereich 7.4 erreicht, strömt das Brenngas außerdem durch den Bereich 7.2 des integrierten Bauteils 7, in welchem der elektrische Heizer 14 als Einrichtung zur Erwärmung des frischen zugeführten Brenngases angeordnet ist. Der elektrische Heizer 14 dient also auch hier zur Konditionierung beziehungsweise Temperierung des frischen zugeführten Brenngases. Die miteinander vermischten Gase gelangen dann zu einer Wasserfalle 27, in welcher eventuell in dem Gas vorhandene Tröpfchen, welche beispielsweise durch das kühlere frische Brenngas in dem vergleichsweise warmen Anodenabgas auskondensiert wurden, abgeschieden werden. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass Kanäle zur Verteilung des Brenngases im Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 von dem flüssigen Wasser verstopft werden. Die Integration der Wasserfalle 27 in das integrierte Bauteil 7 bietet dabei den Vorteil, dass im Inneren der Brennstoffzelle 2 oder in einem Gaszuführbereich innerhalb der Brennstoffzelle 2 auf derartige Einrichtungen verzichtet werden kann. Sämtliches flüssiges Wasser fällt also im Bereich des integrierten Bauteils 7 an. Von der Wasserfalle 27 kann dieses Wasser dann über die hier gestrichelt dargestellte Leitung 28 in den Bereich des Wasserabscheiders 16 fließen, beispielsweise durch eine geeignete Anordnung der Wasserfalle 27 auf einer höheren Höhe als der Wasserabscheider 16. Das von Tropfen freie Brenngas gelangt dann in den Bereich des Anodenraums 3 der Brennstoffzelle 2 und kann hier entsprechend umgesetzt werden.
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Außerdem führt ein Teil des Kühlkreislaufs 21 durch die integrierte Baueinheit 7 in der Ausführungsform gemäß 3. Das in dem Kühlkreislauf 21 strömende Kühlwasser, typischerweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, gelangt über die Leitung 20 in den Bereich der integrierten Baueinheit 7. Es durchströmt dort den Bereich 7.2 und gelangt danach über die Leitung 19 in den in der Brennstoffzelle 2 integrierten Wärmetauscher, um die dort anfallende Abwärme abzuführen. Auf den restlichen Aufbau des Kühlkreislaufs 21 wird in der Darstellung der 3 verzichtet, dieser ist analog dem in 1 gezeigten Kühlkreislauf 21 aufgebaut. Im Bereich 7.2 befindet sich also nun neben dem elektrischen Heizer 14 und dem frischen Brenngas auch das durch die integrierte Baueinheit 7 geleitete Kühlwasser, jeweils in getrennten Leitungen. Dieses kann durch den elektrischen Heizer 14 also ebenfalls sehr effizient mit aufgewärmt werden, sodass beim Kaltstartfall der Brennstoffzelle 2 eine sehr zügige Erwärmung derselben erzielt werden kann. Hierfür ist dann lediglich ein elektrischer Heizer 14 notwendig, welcher so dimensioniert werden muss, dass er im Kaltstartfall die entsprechende Leistung zum Aufheizen der Brennstoffzelle 2 ebenso zur Verfügung stellen kann, wie im regulären Betrieb lediglich die zur Erwärmung des frischen Brenngases erforderliche elektrische Leistung.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind in das Bauteil 7 also alle Medienzu- und -abführungen zur Anodenseite 3 der Brennstoffzelle 2 sowie die Zufuhr des Kühlwassers integriert. Dies spart entsprechende Leitungselemente und kann über eine geeignete Schnittstelle beispielsweise zwischen der integrierten Baueinheit 7 und einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2 sehr einfach und effizient montiert werden. Ist die integrierte Baueinheit 7 selbst die Endplatte, erübrigt sich sogar dieser Teil der Montage.
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In der integrierten Baueinheit 7 in der Darstellung der 3 sind außerdem beispielhaft einige Sensoren beziehungsweise Aufnahmen für Sensoren angedeutet. So ist beispielsweise ein erster Temperatursensor 29 dargestellt, welcher die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Brennstoffzelle 2 beziehungsweise die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus der integrierten Baueinheit 7, was hier gleichbedeutend ist, misst. Ein weiterer Temperatursensor 30 befindet sich in dem Bereich, in dem das Brenngas in den Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 einströmt und erfasst hier die entsprechende Temperatur. Außerdem ist in der Darstellung der 3 ein Drucksensor 31 zu erkennen, welcher in dem Mischbereich 7.4 angeordnet ist und zur Erfassung des Drucks, insbesondere des Drucks des frischen zugeführten Brenngases, dient. Weitere Sensoren können selbstverständlich in die Baueinheit 7 integriert sein oder die Baueinheit 7 kann entsprechende Anschlüsse für derartige Sensoren aufweisen. Weitere Sensoren könnten Sensoren zur Erfassung von Temperaturen und Drücken, oder beispielsweise auch ein Sensor zur Erfassung des Differenzdrucks zwischen dem Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 4, sein.
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In den Darstellungen der 4 und 5 sind nun Alternativen zu erkennen. Bisher wurde als Einrichtung zur Erwärmung des frischen Brenngases immer ein elektrischer Heizer 14 beschrieben. Alternativ oder ergänzend zu diesem elektrischen Heizer 14 können auch andere Wärmequellen zur Beheizung des frischen Brenngasstroms, insbesondere im Bereich 7-2 des integrierten Bauteils 7, eingesetzt werden. In dem Brennstoffzellensystem 1, wie es insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsenergie in einem Transportmitter Kraftfahrzeug eingesetzt wird, finden sich verschiedene Komponenten, welche eine hohe Abwärme erzeugen und gekühlt werden müssen. Dies können insbesondere Bauteile einer Leistungselektronik oder elektromotorische Antriebseinheiten beispielsweise für Versorgungskomponenten oder den Fahrantrieb des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Transportmittels sein.
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Im Bereich solcher zu kühlender Komponenten kann nun ein Kühlwärmetauscher 32 angeordnet sein, wie er in der Darstellung gemäß 4 beispielhaft im Bereich einer Leistungselektronik 33 für einen elektrischen Antriebsmotor 34 gezeigt ist. Dieser Kühlwärmetauscher 32 übernimmt jetzt die Funktion, das Brenngas aus dem Drucktank 5, welches über die Ventileinrichtung 6 in den Bereich des Kühlwärmetauschers 32 strömt, entsprechend vorzuwärmen. Dabei wird zumindest ein Teil der von der Leistungselektronik 33 erzeugten Abwärme aus dem Bereich dieser Leistungselektronik abgeführt, sodass auf eine Kühlung der Leistungselektronik 33 entweder gänzlich verzichtet werden kann, oder dass eine geringere Kühlleistung zur Kühlung der Leistungselektronik 33 benötigt wird. Der Wärmetauscher 32 kann dabei insbesondere so ausgeführt sein, dass in einem Gehäuse der Leistungselektronik 33 entsprechende Kanäle eingebracht sind, durch welche das Brenngas strömt. Dieser Aufbau kann nun in die integrierte Baueinheit 7 mit integriert oder an dieser angeflanscht ausgeführt sein. Die Erwärmung des frischen zugeführten Brenngases über den Wärmetauscher 32 kann dabei anstelle des bisher beschriebenen elektrischen Heizers 14 in allen bisher dargelegten Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Ergänzend hierzu kann der elektrische Heizer 14 gegebenenfalls auch weiterhin vorhanden sein.
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In der Darstellung der 5 ist ein Aufbau gezeigt, welcher alternativ hierzu den Kühlwärmetauscher 32 unmittelbar im Bereich der elektrischen Maschine 34 zeigt, sodass durch die elektrische Maschine 34 der frische Gasstrom unmittelbar erwärmt wird. Die elektrische Maschine 34 soll hierbei die elektrische Maschine eines elektrischen Antriebs für das Transportmittel sein. Ein vergleichbarer Einsatz wäre jedoch auch bei anderen elektrischen Maschinen, beispielsweise der elektrischen Maschine einer Luftfördereinrichtung für den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2, der elektrischen Maschine für die Rezirkulationseinrichtung 13 oder dergleichen denkbar. Alternativ oder ergänzend zu der direkten Integration des Kühlwärmetauschers 32 in dem Bereich der wärmeliefernden Komponente wäre es selbstverständlich auch denkbar, einen zusätzlichen Kühlkreis aufzubauen, bei welchem ein geeignetes Medium den Kühlwärmetauscher 32 einerseits und einen Bereich der integrierten Baueinheit 7, in welchem der frische Wasserstoff strömt, andererseits durchströmt. Über das Kühlmedium könnte dann der Wärmeeintrag aus beliebigen, eine Abwärme produzierenden Bauteilen in den Bereich der integrierten Baueinheit 7 erfolgen. Ansonsten gilt auch für diese Art des Wärmeeintrags in die integrierte Baueinheit 7 das bei den Ausführungen zum elektrischen Heizer 14 dargelegte.
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Zusammenfassung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff. Das Brennstoffzellensystem (1) umfasst zumindest die folgenden Bauelemente:
- – einen Mischbereich (7.4), in welchem sich unverbrauchtes Brenngas mit frischem Brenngas mischt;
- – einem Wasserabscheider (16);
- – eine Einrichtung (7.2, 14, 32) zur zumindest mittelbaren Erwärmung des zugeführten frischen Brenngases; und
- – wenigstens eine Aufnahme für einen Sensor (29, 30, 31) zur Erfassung von Zustandsgrößen und/oder chemischen Größen des zur Anode (3) strömenden Brenngases.
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Erfindungsgemäß sind all diese Bauelemente in einem integrierten Bauteil (7) zusammengefasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004049623 A1 [0003]
- DE 10248611 A1 [0005]
