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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Schnittstelle zwischen einer Brennstoffquelle und einem Ventil mit einer Brennstoffleckageentlüftung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Brennstoffzellensystem wird bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen zunehmend als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung in Energieverbrauchern, wie in Fahrzeugen beispielsweise als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Ein derartiges System ist in der Druckschrift
US 2004 / 0 209 150 A1 offenbart. Brennstoffzellen können auch als stationäre elektrische Energieerzeugungsanlagen in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor vorzusehen.
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Der Grundprozess, der von einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist effizient, im Wesentlichen umweltfreundlich, leise, frei von beweglichen Teilen (mit Ausnahme eines Luftkompressors, von Kühlgebläsen, Pumpen und Aktuatoren) und kann so aufgebaut sein, dass als Nebenprodukte nur Wärme und Wasser erhalten werden. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu bezeichnen. Die Vielzahl von Zellen werden typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapeln mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme entworfen werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau zu erzeugen, wodurch eine Konstruktionsflexibilität für verschiedene Anwendungen vorgesehen wird.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, direkt kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Brennstoff wird typischerweise von einer Brennstoffquelle geliefert, wie einem mit hohem Druck beaufschlagten Speicherkessel oder -tank. Das Oxidationsmittel wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert.
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Die Brennstoffquelle kann mit einer Absperreinrichtung, wie beispielsweise einem Absperrventil kommunizieren. Die Schnittstelle zwischen Brennstoffquelle und Ventil ist typischerweise derart ausgelegt, dass eine an der Brennstoffquelle geformte Gewindebuchse mit einem entsprechenden bolzenartigen Gegenteil zusammenpasst, das an dem Ventil zur konstruktiven Integration geformt ist. Zwischen der Gewindebuchse und dem Bolzenelement ist typischerweise eine Flächendichtung oder eine Radialdichtung, wie beispielsweise ein O-Ring, angeordnet, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu erzeugen. Jedoch dichten die Dichtungen die Brennstoffquellen/Ventilschnittstelle nicht vollständig ab, da ein Anteil des Brennstoffs an der Dichtung vorbei lecken kann. Demgemäß ist es erwünscht, ein Austreten von Brennstoff zu steuern, um einer Ansammlung des Brennstoffs in einem Tankfach, das die Brennstoffquelle und das Ventil einschließt, entgegenzuwirken.
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Es wäre erwünscht, eine Brennstoffleckageentlüftung zur Verwendung mit einer Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle in einem Brennstoffzellensystem zu erzeugen, bei der ein Brennstoff an einen gewünschten Ort gelenkt und einer Ansammlung des Brennstoffs in einem Tankfach entgegengewirkt wird.
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Die Druckschrift
US 4 022 236 A offenbart eine Sicherheitsvorrichtung für einen Tank für komprimiertes Gas.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Brennstoffleckageentlüftung bzw. -entlastung zur Verwendung mit einer Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle in einem Brennstoffzellensystem entdeckt worden, bei der ein Brennstoff an einen gewünschten Ort gelenkt und einer Ansammlung des Brennstoffs in einem Tankfach entgegengewirkt wird.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle umfasst eine Brennstoffquelle mit einer Wand und einem an der Wand geformten Gewindebuchsenelement sowie ein Ventil in Fluidkommunikation mit der Brennstoffquelle, wobei das Ventil einen Hauptkörper und ein von dem Hauptkörper wegführendes, hohles Gewindebolzenelement aufweist, das in dem Gewindebuchsenelement aufgenommen ist.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst die Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle weiterhin eine Brennstoffleckageentlüftung, die eine in dem Gewindebolzenelement geformte Ringnut und eine durch das Gewindebolzenelement und den Hauptkörper verlaufende Bohrung aufweist, wobei die Ringnut und die Bohrung in Fluidkommunikation stehen, um eine Fluidkommunikation zwischen der Brennstoffquelle und einem gewünschten Brennstoffverteilungsbereich vorzusehen.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst die Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle eine Brennstoffleckageentlüftung, die eine in dem Gewindebolzenelement geformte Ringnut und eine durch das Gewindebuchsenelement und die Wand verlaufende Bohrung aufweist, wobei die Ringnut und die Bohrung in Fluidkommunikation stehen, um eine Fluidkommunikation zwischen der Brennstoffquelle und einem gewünschten Brennstoffverteilungsbereich vorzusehen.
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Figurenliste
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik ist;
- 2 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
- 3 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden.
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1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 mit einer Kathodenseite 9 und einer Anodenseite 11. Die Brennstoffzelle 10 steht in Fluidkommunikation mit einer Brennstoffquelle 37 und einer Oxidationsmittelquelle 39. Graphitblöcke 18, 20, die mehrere, jeweils darin geformte Öffnungen 22, 24 aufweisen, um eine Fluidverteilung zu ermöglichen, sind benachbart von Isolationsendplatten 14, 16 angeordnet. Es sei zu verstehen, dass anstelle der Graphitblöcke 18, 20 gegebenenfalls elektrisch leitende Elektrodenplatten (nicht gezeigt) verwendet werden können. Dichtungselemente 26, 28 und Gasdiffusionsmedien (GDM) 30, 32, wie beispielsweise Kohlefaserpapier, die jeweilige Anoden- und Kathodenverbindungen 31, 33 besitzen, sind jeweils zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 und den Graphitblöcken 18, 20 angeordnet. Ein Oxidationsmittel- und Stromtransportmittel 36 besteht aus dem Graphitblock 18, dem Dichtungselement 26 und dem GDM 30. Ein Brennstoff- und Stromtransportmittel 38 besteht aus dem Graphitblock 20, dem Dichtungselement 28 und dem GDM 32. Die Anodenverbindung 31 und die Kathodenverbindung 33 verbinden die Brennstoffzelle 10 mit einer externen Schaltung 34 und können gegebenenfalls andere Brennstoffzellen (nicht gezeigt) enthalten.
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Ein Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) ist aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 10 aufgebaut. Sobald eine gewünschte Anzahl von Brennstoffzellen 10 miteinander verbunden ist, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden, wird ein Kühlmittelsystem (nicht gezeigt) vorgesehen, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen. Der illustrative Brennstoffzellenstapel, der hier beschrieben ist, wird üblicherweise als eine Energieerzeugungsanlage beispielsweise für die Erzeugung elektrischer Energie in einem Fahrzeug verwendet.
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Im Gebrauch wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, von der Brennstoffquelle 37 geliefert, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, wird von der Oxidationsmittelquelle 39 geliefert. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel von den jeweiligen Quellen 37, 39 diffundieren durch jeweilige Fluid- und Stromtransportmittel 36, 38 an entgegengesetzte Seite der MEA 12. Poröse Elektroden (nicht gezeigt) bilden eine Anode (nicht gezeigt) an der Anodenseite 11 und eine Kathode (nicht gezeigt) an der Kathodenseite 9 und sind durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) 35 getrennt. Die PEM 35 sorgt für einen Ionentransport, um eine chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 zu ermöglichen. Typischerweise wird die PEM 35 aus Copolymeren geeigneter Monomere hergestellt. Derartige Protonenaustauschmembranen können durch Monomere der folgenden Strukturen gekennzeichnet sein:
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Eine derartige Monomerstruktur ist detailliert in der Druckschrift
US 5 316 871 A offenbart.
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Ein Ventil 50 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in einem eingeschlossenen Tankfach 51 angeordnet, wie in 2 gezeigt ist, wobei ein ähnlicher Aufbau, wie vorher in 1 beschrieben wurde, dieselben Bezugszeichen, gefolgt durch ein Strichindex-(')-Symbol aufweist. Das Ventil 50 umfasst einen Hauptkörper 52 und ein axial wegführendes, hohles, Gewindebolzenelement 54, das in einem an einer Wand 35 einer Brennstoffquelle 37' geformten Gewindebuchsenelement 56 aufgenommen ist. Eine Schnittstelle zwischen dem Bolzenelement 54 und dem Buchsenelement 56 wird als eine Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle 55 bezeichnet. Es sei zu verstehen, dass das Buchsenelement 56 gegebenenfalls getrennt von der Wand 35 der Brennstoffquelle 37' geformt sein kann, ohne von dem Schutzumfang und der Grundidee der Erfindung abzuweichen, wie beispielsweise, wenn das Buchsenelement 56 an der Wand 35 befestigt ist. Es sei auch zu verstehen, dass das Ventil 50 ein Buchsenelement (nicht gezeigt) aufweisen kann, wobei die Wand 35 der Brennstoffquelle 37' gegebenenfalls ein entsprechendes Bolzenelement (nicht gezeigt) aufweist.
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Ein erster Dichtaufbau 57, wie beispielsweise ein O-Ring, ist zwischen dem Bolzenelement 54 und dem Buchsenelement 56 in einem ersten Ringkanal 58, der in dem Bolzenelement 54 geformt ist, angeordnet. Optional dazu ist ein erster Stützdichtaufbau 59 in dem ersten Ringkanal 58 benachbart dem ersten Dichtaufbau 57 angeordnet.
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Das Bolzenelement 54 des Ventils 50 umfasst eine Ringnut 60, die mit einem ersten Ende 62 einer Bohrung 64 in Fluidkommunikation steht, die axial durch das Bolzenelement 54 und den Hauptkörper 52 des Ventils 50 verläuft. Es sei zu verstehen, dass die Ringnut 60 gegebenenfalls in dem Buchsenelement 56 geformt sein kann. Die Ringnut 60 und die Bohrung 64 werden gemeinsam als eine Brennstoffleckageentlüftung 65 bezeichnet.
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Ein zweites Ende 69 der Bohrung 64 steht in Fluidkommunikation mit einem gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 71, wie beispielsweise einem Entlüftungsdurchgang in Kommunikation mit der Atmosphäre oder einem Brenner. Es sei zu verstehen, dass das zweite Ende 69 der Bohrung 64 gegebenenfalls in Kommunikation mit einem anderen Aufbau (nicht gezeigt) stehen kann, wie beispielsweise einem hohlen Rohr, bei dem der Brennstoff gegebenenfalls durch das hohle Rohr an den gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 71 strömt.
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Optional dazu kann ein zweiter Dichtaufbau 66, wie beispielsweise ein O-Ring, zwischen dem Bolzenelement 54 des Ventils 50 und dem Buchsenelement 56 angeordnet sein. Der zweite Dichtaufbau 66 ist in einem zweiten Ringkanal 67 angeordnet, der in dem Bolzenelement 54 auf einer dem ersten Ringkanal 58 entgegengesetzten Seite der Ringnut 60 geformt ist. Zusätzlich kann ein zweiter Stützdichtaufbau 68 in dem zweiten Ringkanal 67 benachbart dem zweiten Dichtaufbau 66 angeordnet sein.
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Im Gebrauch wird das Ventil 50 geöffnet und geschlossen, um eine Strömung von Brennstoff durch das Ventil 50 von der Brennstoffquelle 37' zu einem Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) selektiv zuzulassen und zu verhindern. Ein Controller (nicht gezeigt) kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein geeignetes Signal zu senden, um das Ventil 50 beispielsweise auf Grundlage einer Brennstoffanforderung des Brennstoffzellenstapels zu öffnen und zu schließen. Wenn der Brennstoff von der Brennstoffquelle 37' an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, kann eine Brennstoffmenge durch die durch den ersten Dichtaufbau 57 und den ersten Stützdichtaufbau 59 erzeugte Dichtung lecken. Es sei zu verstehen, dass eine Brennstoffmenge auch durch die durch den ersten Dichtaufbau 57 und den ersten Stützdichtaufbau 59 erzeugte, im Wesentlichen fluiddichte Dichtung lecken kann, wenn sich das Ventil 50 in einer geschlossenen Position befindet. Eine Druckdifferenz zwischen einem hohen Druck in der Brennstoffquelle 37' und einem geringen Druck des gewünschten Fluidverteilungsbereichs 71 erzeugt eine Brennstoffströmung in die in dem Bolzenelement 54 des Ventils 50 geformte Ringnut 60 in Richtung des gewünschten Brennstoffverteilungsbereichs 71. Anschließend strömt der Brennstoff durch die in dem Ventil 50 geformte Bohrung 64, aus dem zweiten Ende 69 derselben heraus und an den gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 71.
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Der zweite Dichtaufbau 66 und der zweite Stützdichtaufbau 68 verhindern die Strömung des Brennstoffs hindurch in das Tankfach 51. Demgemäß ist eine Leckage von Brennstoff in das Tankfach 51 minimiert. Optional dazu kann ein Sensor (nicht gezeigt) auf einer dem ersten Ringkanal 58 und der Ringnut 60 entgegengesetzten Seite des zweiten Stützrings 68 enthalten sein. Der Sensor kann eine in das Tankfach 51 strömende Brennstoffmenge erfassen und kann derart ausgebildet sein, um ein Signal an eine geeignete Ausgabevorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Anzeigelicht, zu senden, wenn die in das Tankfach 51 strömende Brennstoffmenge ein vorbestimmtes Niveau erreicht.
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Die Verwendung der Brennstoffleckageentlüftung 65 mit der Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle 55 minimiert eine in das Tankfach 51 leckende Brennstoffmenge. Demgemäß wird einer Ansammlung von Brennstoff in dem Tankfach 51 entgegengewirkt.
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3 zeigt ein Ventil 150, das in einem Tankfach 51'' angeordnet ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein ähnlicher Aufbau, wie vorher in den 1 oder 2 beschrieben ist, dieselben Bezugszeichen, gefolgt durch ein Doppelstrich-(")-Symbol aufweist. Das Ventil 150 umfasst einen Hauptkörper 152 sowie ein axial wegführendes hohles Gewindebolzenelement 154, das in einem an einer Wand 135 einer Brennstoffquelle 37" geformten Gewindebuchsenelement 156 aufgenommen ist. Eine Schnittstelle zwischen dem Bolzenelement 154 und dem Buchsenelement 156 wird als eine Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle 155 bezeichnet. Es sei zu verstehen, dass das Buchsenelement 156 gegebenenfalls getrennt von der Wand 135 der Brennstoffquelle 37" geformt sein kann, ohne von dem Schutzumfang und der Grundidee der Erfindung abzuweichen, wie beispielsweise, wenn das Buchsenelement 156 an der Wand 135 befestigt ist. Es sei auch zu verstehen, dass das Ventil 150 ein Buchsenelement (nicht gezeigt) aufweisen kann, bei dem die Wand 135 der Brennstoffquelle 37" gegebenenfalls ein entsprechendes Bolzenelement (nicht gezeigt) aufweist.
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Ein erster Dichtaufbau 157, wie beispielsweise ein O-Ring, ist zwischen dem Bolzenelement 154 und dem Buchsenelement 156 in einem ersten Ringkanal 158, der in dem Bolzenelement 154 geformt ist, angeordnet. Optional dazu ist ein erster Stützdichtaufbau 159 in dem ersten Ringkanal 158 benachbart dem ersten Dichtaufbau 157 angeordnet.
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Das Bolzenelement 154 des Ventils 150 umfasst eine Ringnut 160, die mit einem ersten Ende 162 einer Bohrung 164 in Fluidkommunikation steht, die durch das Buchsenelement 156 und die Wand 135 der Brennstoffquelle 37" verläuft. Es sei zu verstehen, dass die Ringnut 160 gegebenenfalls in dem Bolzenelement 154 geformt sein kann. Die Ringnut 160 und die Bohrung 164 werden gemeinsam als eine Brennstoffleckageentlüftung 165 bezeichnet. Ein zweites Ende 169 der Bohrung 164 steht in Fluidkommunikation mit einem gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 171, wie beispielsweise einem Entlüftungsdurchgang in Kommunikation mit der Atmosphäre oder einem Brenner. Es sei zu verstehen, dass das zweite Ende 169 der Bohrung 164 gegebenenfalls in Kommunikation mit einem anderen Aufbau (nicht gezeigt) stehen kann, wie beispielsweise einem hohlen Rohr, bei dem der Brennstoff gegebenenfalls durch das hohle Rohr an den gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 171 strömt.
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Optional dazu kann ein zweiter Dichtaufbau 166, wie beispielsweise ein O-Ring, zwischen dem Bolzenelement 154 des Ventils 150 und dem Buchsenelement 156 angeordnet sein. Der zweite Dichtaufbau 166 ist in einem zweiten Ringkanal 167 angeordnet, der in dem Bolzenelement 154 auf einer dem ersten Ringkanal 158 entgegengesetzten Seite der Ringnut 160 geformt ist. Zusätzlich kann ein zweiter Stützdichtaufbau 168 in dem zweiten Ringkanal 167 benachbart dem zweiten Dichtaufbau 166 angeordnet sein.
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Im Gebrauch wird das Ventil 150 geöffnet und geschlossen, um eine Strömung von Brennstoff durch das Ventil 150 von der Brennstoffquelle 37" zu einem Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) selektiv zuzulassen und zu verhindern. Ein Controller (nicht gezeigt) kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein geeignetes Signal zu senden, um das Ventil 150 beispielsweise auf Grundlage einer Brennstoffanforderung des Brennstoffzellenstapels zu öffnen und zu schließen. Wenn der Brennstoff von der Brennstoffquelle 37" an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, kann eine Brennstoffmenge durch die durch den ersten Dichtaufbau 157 und den ersten Stützdichtaufbau 159 erzeugte Dichtung lecken. Es sei zu verstehen, dass eine Brennstoffmenge auch durch die durch den ersten Dichtaufbau 157 und den ersten Stützdichtaufbau 159 erzeugte, im Wesentlichen fluiddichte Dichtung lecken kann, wenn sich das Ventil 150 in einer geschlossenen Position befindet. Eine Druckdifferenz zwischen einem hohen Druck in der Brennstoffquelle 37" und einem geringen Druck des gewünschten Fluidverteilungsbereichs 171 erzeugt eine Brennstoffströmung in die in dem Bolzenelement 154 des Ventils 150 geformte Ringnut 160 in Richtung des gewünschten Brennstoffverteilungsbereichs 171. Anschließend strömt der Brennstoff durch die in dem Buchsenelement 156 und der Wand 153 der Brennstoffquelle 37" geformte Bohrung 164, aus dem zweiten Ende 69 derselben heraus und an den gewünschten Brennstoffverteilungsbereich 171.
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Der zweite Dichtaufbau 166 und der zweite Stützdichtaufbau 168 verhindern die Strömung des Brennstoffs hindurch in das Tankfach 51". Demgemäß ist eine Leckage von Brennstoff in das Tankfach 51" minimiert. Optional dazu kann ein Sensor (nicht gezeigt) auf einer dem ersten Ringkanal 158 und der Ringnut 160 entgegengesetzten Seite des zweiten Stützrings 168 enthalten sein. Der Sensor kann eine in das Tankfach 51" strömende Brennstoffmenge erfassen und kann derart ausgebildet sein, um ein Signal an eine geeignete Ausgabevorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Anzeigelicht, zu senden, wenn die in das Tankfach 51" strömende Brennstoffmenge ein vorbestimmtes Niveau erreicht.
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Die Verwendung der Brennstoffleckageentlüftung 165 mit der Brennstoffquellen- und Ventilschnittstelle 155 minimiert eine in das Tankfach 51 leckende Brennstoffmenge 51". Demgemäß wird einer Ansammlung von Brennstoff in dem Tankfach 51" entgegengewirkt.
