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Die
Erfindung betrifft einen rohrförmigen Hohlkörper
zur Übertragung eines gasförmigen Mediums, welcher
eine Innenwand aufweist, die in Längsrichtung betrachtet
ein variables Innenmaß aufweist, und zumindest eine Ausbuchtung
umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
Ansaugen und Verdichten eines gasförmigen Mediums, sowie ein
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle.
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Aus
der
DE 102 27 771
A1 ist eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens
eines Gases in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Die Vorrichtung
umfasst einen Verdichter und einen Gasführungskanal, welcher
aus einem elastischen, dichten und textilen Material ausgebildet
ist. Der Gasführungskanal kann textile Fasern oder Fäden
aufweisen, die mit einer elastischen, gasdichten Beschichtung versehen
sind. Die Innenwand des Gasführungskanals ist glatt ausgebildet.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
35 05 401 A1 ein schalldämpfendes Rohr zum Übertragen
gasförmiger Medien bekannt. In axialer Richtung des Rohrs sind
in Abständen den Durchlassquerschnitt vermindernde Schallreflektoren
angeordnet, wobei dies dadurch erzeugt wird, dass die Rohrwandung
gewellt ist. Darüber hinaus kann das Rohr im Querschnitt verformt
werden, insbesondere elliptisch verformt werden, um dadurch weitere
Einflussnahme auf eine störende Schallausbreitung erzeugen
zu können.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rohrförmigen
Hohlkörper zur Übertragung eines gasförmigen
Mediums sowie eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten eines
gasförmigen Mediums als auch ein Brennstoffzellensystem
zu schaffen, mit dem die Schallemission und somit das Auftreten
von störenden Geräuschen reduziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen rohrförmigen Hohlkörper,
welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und eine Vorrichtung,
welche die Merkmale nach Anspruch 12 aufweist, sowie ein Brennstoffzellensystem,
welches die Merkmale nach Anspruch 13 aufweist, gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßer rohrförmiger Hohlkörper
zur Übertragung eines gasförmigen Mediums weist
eine Innenwand auf, die in Längsrichtung des Hohlkörpers
betrachtet ein variables Innenmaß aufweist, und zumindest
eine Ausbuchtung umfasst. Die Ausbuchtung ist zumindest teilweise
mit einem Füllmaterial gefüllt. Durch eine derartige
Ausgestaltung wird die Innenkontur des Hohlkörpers begradigt,
so dass keine bzw. nur geringfügige Unebenheiten der Innenwand
vorliegen. Dadurch kann die Schallemission des Hohlkörpers
wesentlich reduziert werden. Darüber hinaus kann durch
diese Ausgestaltung ein Hohlkörper mit einer optimierten
Baugröße bei optimierter Funktionalität
realisiert werden.
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Bei
druckbeaufschlagten Hohlkörpern, die mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten
der gasförmigen Medien durchströmt werden, kann
die Erfindung besonders gut eingesetzt werden, um Schallemissionsanforderungen
und Druckverluste auch bei gleichem Innendurchmesser wie bei festen
Rohren einzuhalten. Insbesondere ist somit der rohrförmige Hohlkörper
zumindest bereichsweise flexibel und somit verformbar ausgebildet.
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Vorzugsweise
sind das Füllmaterial in der Ausbuchtung und das Material
der Innenwand des Hohlkörpers unterschiedlich. Durch eine
geeignete Auswahl schalldämpfender Materialien und eine
entsprechende Abstimmung können die Schallemissionen dabei
zusätzlich reduziert werden.
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Vorzugsweise
ist das Füllmaterial elastisch ausgebildet. Auch dadurch
kann die hohe Flexibilität des Hohlkörpers gewährleistet
werden und die Anbringung in unterschiedlichen Positionen und auch bei
beengten Bauräumen zuverlässig gewährleistet werden,
ohne dass die vorteilhafte Reduzierung der Schallemission beeinträchtigt
werden würde.
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Insbesondere
ist das Füllmaterial eine Vergussmasse. Durch diese Ausgestaltung
kann die präzise Einbringung des Materials in die Ausbuchtung
gewährleistet werden. Dadurch kann eine erwünschte
Befüllung der Ausbuchtung sehr präzise gewährleistet
werden und darüber hinaus auch die generelle Einbringung
in die Ausbuchtung relativ einfach und aufwandsarm ermöglicht
werden.
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Das
Füllmaterial ist vorzugsweise ein Kunststoff, wie z. B.
das Material Polyurethan. Dies gewährleistet eine besondere
Vorteilhaftigkeit im Hinblick auf Elastizität, einfacher
Anbringbarkeit und hoher Schalldämpfung.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Ausbuchtung vollständig
mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Bei einer derartigen
Ausgestaltung kann insbesondere somit ein bündiger Übergang
zwischen der Oberfläche des eingefüllten Füllmaterials und
der Innenwand des Hohlkörpers erzeugt werden.
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Der
Hohlkörper, insbesondere die Innenwand des Hohlkörpers
ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere Edelstahl. Es kann auch
vorgesehen sein, dass diese Wand aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
ist eine Ausbuchtung in der Innenwand des Hohlkörpers vollständig
umlaufend um die Längsachse des Hohlkörpers ausgebildet.
Diesbezüglich kann eine symmetrische Ausgestaltung in vorteilhafter
Weise vorgesehen sein. Es ist jedoch auch eine asymmetrische Formgebung
der Ausbuchtung möglich.
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Insbesondere
weist der Hohlkörper mehrere Ausbuchtungen auf, welche
in Längsrichtung betrachtet hintereinander angeordnet bzw.
ausgebildet sind, wobei zumindest eine Ausbuchtung zumindest teilweise
mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Insbesondere
sind alle Ausbuchtungen jeweils zumindest teilweise mit dem Füllmaterial
gefüllt. Auch diesbezüglich kann bei einer Ausgestaltung
mit mehreren Ausbuchtungen eine spezifische Realisierung des Hohlkörpers
im Hinblick auf die Füllung der einzelnen Ausbuchtungen
mit dem Füllmaterial erzeugt werden. Die einzelnen Ausbuchtungen
können einen unterschiedlichen Befüllungsgrad
mit dem Füllmaterial aufweisen. Es kann auch vorgesehen
sein, dass zwei Ausbuchtungen mit einem jeweils unterschiedlichen Füllmaterial
zumindest teilweise gefüllt sind. Ebenso können
mehrere Ausbuchtungen in einem Arbeitsgang z. B. im Spritzgussverfahren
in der Art und Weise mit Füllmaterial aufgefüllt
werden, dass auf der Innenseite eine durchgängige Oberfläche
aus Füllmaterial entsteht.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Ausbuchtungen unterschiedliche
Formgebungen und/oder Volumina aufweisen. Vorzugsweise sind die Ausbuchtungen
in Formgebung und Volumen gleich ausgebildet. Auch der Füllungsgrad
der Ausbuchtungen mit dem Füllmaterial ist vorzugsweise
bei allen Ausbuchtungen gleich.
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Vorzugsweise
ist die zumindest eine Ausbuchtung der Innenwand des Hohlkörpers
im Querschnitt eckenfrei ausgebildet. Diesbezüglich kann eine
Wellenform vorgegeben sein. Eine Ausbuchtung welche auch als Tasche
oder Senke in der Innenwand bezeichnet werden kann, kann jedoch
im Querschnitt auch eckig ausgebildet sein. Diesbezüglich kann
eine V-Form bzw. eine dreieckige Form oder aber auch eine viereckige
Form oder dergleichen vorgesehen sein. Auch anderweitige Querschnittgeometrien
einer Ausbuchtung sind selbstverständlich möglich.
Der Querschnitt des Hohlkörpers kann ebenso einen beliebigen
Querschnitt aufweisen (kreisförmig, oval, vieleckig, etc.).
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Vorzugsweise
ist das Füllmaterial unlösbar in die Ausbuchtung
eingefüllt. Dies bedeutet, dass keine zerstörungsfreie
Entnahme des Füllmaterials aus der Ausbuchtung möglich
ist. Diesbezüglich kann das Füllmaterial in eine
Ausbuchtung eingegossen oder eingespritzt oder in sonstiger Weise
durch ein Beschichtungsverfahren eingebracht werden.
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Es
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Füllmaterial
zerstörungsfrei lösbar aus einer Ausbuchtung entnommen
und reversibel wieder in diese eingesetzt werden kann. Diesbezüglich
kann das Füllmaterial quasi als Einleger ausgebildet sein.
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Das
Füllmaterial kann auch ein schalldämpfendes Material
sein.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ansaugen und
Verdichten eines gasförmigen Mediums, welches einen Verdichter
und zumindest einen erfindungsgemäßen rohrförmigen Hohlkörper
oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon aufweist. Dadurch kann
eine Vorrichtung geschaffen werden, bei der die Schallemission aufwandsarm
reduziert werden kann und bei der dennoch ein kompakter Aufbau gewährleistet
werden kann.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit zumindest
einer Brennstoffzelle, welches einen erfindungsgemäßen
rohrförmigen Hohlkörper oder eine vorteilhafte
Ausgestaltung davon aufweist und/oder eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten eines gasförmigen
Mediums oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon umfasst.
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Gerade
bei einem Brennstoffzellensystem ist es durch diese Erfindung besonders
effizient möglich, die Schallemission zu reduzieren. Die
dem Anodenraum und Kathodenraum einer Brennstoffzelle zugeführten
Gase werden mit Vorrichtungen zum Ansaugen und Verdichten der Gase
gefördert bzw. verdichtet, wie beispielsweise Kreiselverdichter
oder Seitenkanalverdichter. Bei der Anbindung dieser Vorrichtungen
an die Brennstoffzelle können die erfindungsgemäßen
Hohlkörper vorteilhaft eingesetzt werden.
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Bei
Brennstoffzellensystemen kann im Betrieb die Ausscheidung von Flüssigwasser
in Zuleitungen oder Ableitungen der Brennstoffzelle auftreten, welches
dann nach dem Abschalten bei tiefen Temperaturen nahe oder unter
der 0°C-Grenze einfrieren kann. Dies kann auch bei bekannten
Ringwellenschläuchen, welche im Inneren durch deren Struktur
Ausbuchtungen aufweisen, der Fall sein. Gerade derartige Ausbuchtungen
bilden besonders günstige Positionen zum Anlagern des Wassers,
wodurch beim Einfrieren die Funktionalität der Komponente und
somit auch des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt werden
kann.
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Durch
die Erfindung kann somit auch diesbezüglich ein Vorteil
erreicht werden, da die Anlagerung von Wasser in den Ausbuchtungen
zumindest reduziert werden kann, da diese zumindest teilweise mit dem
Füllmaterial gefüllt sind.
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Darüber
hinaus kann die innere Formgebung und Struktur des rohrförmigen
Hohlkörpers gemäß der Erfindung durch
die Befüllung mit dem Füllmaterial individuell
und spezifisch gestaltet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass
auf ein den rohrförmigen Hohlkörper stützendes
stabilisierendes äußeres Drahtgeflecht, wie es
bei bekannten Rohren eingesetzt werden kann, verzichtet wird.
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Ein
herkömmlicher Ringwellenschlauch wirkt bei hohen Gasgeschwindigkeiten
wie eine Pfeife. Ein gerades, glattes Rohr erzeugt dagegen signifikant weniger
Schallemissionen. Es ist daher prinzipiell nicht erforderlich aber
vorteilhaft, dass das eingesetzte Füllmaterial schalldämmend
wirkt, wichtig ist, dass es die Innenkontur des Ringwellenschlauchs dem
eines geraden Rohres angleicht.
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Das
Anwendungsgebiet liegt primär nicht auf der Luft- sondern
auf der Wasserstoffseite der Brennstoffzelle, da hier eine wasserstoffdichte,
flexible Leitung benötigt wird. Hierfür kommen
Schläuche aus Silikon oder EPDM etc., wie sie bei Luft
eingesetzt werden, nicht in Frage.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Ringwellenschlauchs;
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2 eine
Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen rohrförmigen
Hohlkörpers;
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3 eine
Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen rohrförmigen
Hohlkörpers; und
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4 eine
schematische Darstellung von Teilkomponenten eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
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In
den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
in einer schematischen Schnittdarstellung ein aus dem Stand der
Technik bekannter Ringwellenschlauch 1 gezeigt, welcher
endseitig zwei Anschlussstücke 2 bzw. 3 aufweist.
Darüber hinaus umfasst der Ringwellenschlauch 1 ein
im Querschnitt wellenförmiges Schlauchteil 4,
welches in Richtung der Längsachse A des Schlauchs 1 betrachtet
mit variablen Innenmaß d, insbesondere variablen Innendurchmesser,
ausgebildet ist. Das Mittelteil 4 weist mehrere Ausbuchtungen 5, 6, 7, 8 und 9 auf,
welche durch die Innenwand 41 begrenzt bzw. in dieser ausgebildet
sind.
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Zur
Verbesserung der Schallübertragung dieses Schlauchs 1 werden
nachfolgend Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
rohrförmigen Hohlkörpers 1' erläutert.
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In 2 ist
in einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines rohrförmigen Hohlkörpers 1' gezeigt,
welcher als Ringwellschlauch ausgebildet ist. Der Hohlkörper 1' weist
an den gegenüber liegenden Enden Anschlussstücke 2' und 3' auf,
welche mit einem im Querschnitt wellenartig konzipierten Mittelstück 4' verbunden sind.
Das Mittelstück 4' ist aus einem flexiblen Material
ausgebildet und kann diesbezüglich sowohl gebogen als auch
gegebenenfalls in Längsrichtung der Achse A gezogen oder
gestaucht werden.
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Das
Mittelstück 4' umfasst eine Mehrzahl von in der
Innenwand 41' ausgebildeten Ausbuchtungen 5 bis 9.
Die Ausbuchtungen sind in Formgebung und Anzahl lediglich beispielhaft.
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In
der gezeigten Ausführung sind die Ausbuchtungen 5 bis 9 in
Richtung der Längsachse A betrachtet hintereinander angeordnet.
Darüber hinaus weisen die Ausbuchtungen 5 bis 9 im
Querschnitt eine eckenfreie Kontur auf, welche durch die Innenwand 41' definiert
ist. Alle Ausbuchtungen 5 bis 9 sind vollständig
umlaufend um die Achse A konzipiert und darüber hinaus
auch rotationssymmetrisch ausgebildet. Darüber hinaus weisen
alle Ausbuchtungen 5 bis 9 die gleiche Formgebung
und die gleichen Ausmaße auf. Das Mittelstück 4' weist
in Längsrichtung der Achse A betrachtet ein mehrmals variierendes
Innenmaß d, insbesondere einen Innendurchmesser, auf, was
jedoch lediglich auf die Innenwand 41' bezogen ist. Denn
in der Ausführung gemäß 2 sind die
Ausbuchtungen 5 bis 9 jeweils vollständig
mit einem elastischen Füllmaterial 10 gefüllt.
In diesem Zusammenhang wird durch das Füllmaterial 10 quasi eine
Innenseite des Hohlkörpers 1' erzeugt, welche im
Wesentlichen glatt ist und in Längsrichtung A betrachtet
ein konstantes Innenmaß (nicht näher gekennzeichnet)
aufweist.
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Im
Ausführungsbeispiel ist das Füllmaterial 10 ein
elastisches Material, insbesondere eine elastische Vergussmasse.
Vorzugsweise ist hier vorgesehen, dass das Füllmaterial 10 ein
elastisches Polyurethan ist.
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Die
Oberflächen 11 der Materialien 10 in
den Ausbuchtungen 5 bis 9 sind nahezu eben und
bündig ineinander übergehend konzipiert.
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Das
Füllmaterial 10 ist unterschiedlich zum Material
des Mittelstücks 4', welches im Ausführungsbeispiel
Edelstahl ist.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines rohrförmigen
Hohlkörpers 1' gezeigt, bei dem im Unterschied
zur Ausgestaltung gemäß 2 die Ausbuchtungen 5 bis 9 lediglich
teilweise mit dem Füllmaterial 10 gefüllt
sind.
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In
den Ausführungen gemäß 2 und 3 ist
die wellenförmige Querschnittform der Innenwand 41' des
Mittelstücks 4' eckenfrei ausgebildet.
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In 4 ist
in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem 12 mit
Teilkomponenten gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 12 ist als
mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und zur Verwendung in
einem Fahrzeug vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst
zumindest eine Brennstoffzelle 13, welche vorzugsweise
aus PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die
Brennstoffzelle 13 einen Brennstoffzellenstapel mit einer
Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen 13. Die Brennstoffzelle 13 weist
einen Anodenraum 14 und einen Kathodenraum 15 auf,
welche durch eine Membran 16 voneinander separiert sind. Darüber
hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Anodenzweig 17,
welcher zumindest eine Zuführleitung 18 zur Zuführung
von Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen
Gas, zum Anodenraum 14 aufweist. Der Anodenzweig 17 umfasst
des Weiteren zumindest eine Abführleitung 19,
welche zur Abführung des Anodenabgases vorgesehen ist.
Darüber hinaus kann auch eine Rezirkulationsvorrichtung 20 vorgesehen
sein, mit welcher Anodenabgas in die Zuführleitung 18 rückgeführt
werden kann.
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Darüber
hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Kathodenzweig 21,
welcher zumindest eine Zuführleitung 22 zur Zuführung
von Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges
Gas, zum Kathodenraum 15 aufweist. Der Kathodenzweig 21 umfasst
des Weiteren eine Abführleitung 23, über
welche Kathodenabgas abgeführt werden kann. Neben den hier
gezeigten und erläuterten Komponenten des Brennstoffzellensystems 12 kann
dieses darüber hinaus eine Vielzahl weiterer Komponenten
aufweisen, welche hier nicht im Einzelnen erläutert werden
und üblicherweise bekannt sind.
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Das
Brennstoffzellensystem 12 umfasst des Weiteren eine Vorrichtung
24 zum Ansaugen und Verdichten eines gasförmigen Mediums,
insbesondere von Luft.
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Die
Vorrichtung 24 umfasst einen Verdichter 25 und
zumindest einen damit verbundenen rohrförmigen Hohlkörper.
Rohrförmige Hohlkörper gemäß der
Erfindung, können beispielsweise gemäß einer Ausgestaltung
entsprechend den 2 oder 3 auf der
Anodenseite in der Zuführleitung 18, der Abführleitung 19 oder
auf der Kathodenseite in der Zuführleitung 22,
der Abführleitung 23 angeordnet sein.
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- 1,
1'
- Hohlkörper
- 2,
2', 3, 3'
- Anschlussstücke
- 4,
4'
- Mittelstück
- 5,
6, 7, 8, 9
- Ausbuchtungen
- 10
- schalldämpfendes
Material
- 11
- Oberflächen
- 12
- Brennstoffzellensystem
- 13
- Brennstoffzelle
- 14
- Anodenraum
- 15
- Kathodenraum
- 16
- Membran
- 17
- Anodenzweig
- 18,
22
- Zuführleitung
- 19,
23
- Abführleitung
- 20
- Rezirkulationsvorrichtung
- 21
- Kathodenzweig
- 24
- Vorrichtung
- 25
- Verdichter
- 41'
- Innenwand
- A
- Längsrichtung
- d
- Innenmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10227771
A1 [0002]
- - DE 3505401 A1 [0003]