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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Magnetventil für eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die Hochdruck-Wasserstoff, der in einem Wasserstoffspeicherbehälter bevorratet ist, an einen Stapel zuführt.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem stellt eine Art von Stromerzeugungssystem dar, das mit Luft einschließlich Sauerstoff und Wasserstoff, der als Brennstoff verwendet wird, versorgt wird. Brennstoffzellensysteme erzeugen elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff. Darüber hinaus wird das Brennstoffzellensystem oft bei einem mit einer Brennstoffzelle ausgerüsteten Fahrzeug eingesetzt und ein solches Stromerzeugungssystem treibt das Fahrzeug durch Antreiben eines Antriebsmotors unter Verwendung der zugeführten elektrischen Energie an.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Strom erzeugende Anordnung, die Stapel genannt wird. Ein Stapel umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die Luftelektroden und Brennstoffelektroden aufweisen, eine Luftversorgungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um Luft an die Luftelektrode der Brennstoffzelle zuzuführen, und eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um Wasserstoff an die Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zuzuführen. Im Betrieb ist der Stapel eingerichtet, um Luft, die Feuchtigkeit umfasst, von der Luftelektrode der Brennstoffzelle abzuführen, und um nicht umgesetzten Wasserstoff, der Feuchtigkeit umfasst, von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle abzuführen.
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Ferner umfasst die Wasserstoffversorgungsvorrichtung einen Wasserstoffspeicherbehälter, der Wasserstoff mit einem vorbestimmten Druck bevorratet und den Wasserstoff an die Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zuführt. Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem eine Wasserstoffrückführungseinheit, die als ein Ejektor (auch als eine „Strahlpumpe“ bezeichnet) zum Mischen von Wasserstoff, der von dem Wasserstoffspeicherbehälter zugeführt wird, und von nicht umgesetztem Wasserstoff, der von dem Stapel abgeführt wird, und zum Rückführen des gemischten Wasserstoffs an den Stapel verwendet wird. Die Wasserstoffrückführungseinheit ist eingerichtet, um den von dem Wasserstoffspeicherbehälter zugeführten Wasserstoff unter Verwendung einer Düse zum Erzeugen eines Unterdrucks bereitzustellen, den von dem Stapel abgeführten nicht umgesetzten Wasserstoff unter Verwendung des Unterdrucks zu extrahieren und den Wasserstoff wieder an den Stapel zuzuführen.
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Im Allgemeinen wird ein Druck von etwa 700 bar für den in dem Wasserstoffspeicherbehälter bevorrateten Wasserstoff auf etwa 10 bar eingestellt, während der Wasserstoff durch einen Hochdruckregler strömt. Der Wasserstoff kann in den Stapel über die Wasserstoffrückführungseinheit strömen, wenn der Druck durch ein Wasserstoffzufuhrventil eingestellt/angepasst worden ist. Wenn der Wasserstoff bei übermäßigem Druck in den Stapel aufgrund einer Fehlfunktion von Ventilen, Reglern oder dergleichen strömt, kann eine Membranelektrodenanordnung (MEA) aufgrund einer Druckdifferenz in dem Stapel beschädigt werden. Schäden an der Membranelektrodenanordnung können eine Brandgefahr durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff verursachen.
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Um die oben erwähnten Probleme zu verhindern, werden Sicherheitsvorrichtungen in den Wasserstoffversorgungsweg der Wasserstoffversorgungsvorrichtung in Brennstoffzellensystemen eingebaut. Solche Sicherheitsvorrichtungen können Überdruckventile, Unterdruckventile, Wasserstoff-Absperrventile (z.B. Magnetventile) und dergleichen umfassen. Zum Beispiel, da Wasserstoff bei übermäßigem Druck in den Stapel strömen kann, wenn ein Hochdruckregler nicht funktioniert, blockiert ein Überdruckventil ein Einströmen des Wasserstoffs bei einem Druck, der größer als oder gleich einem bestimmten Druck (z.B. 15 bis 20 bar) ist, in den Stapel. Ferner wird an einer Rückseite des Überdruckventils zusätzlich ein Einströmen des Wasserstoffs bei übermäßigem Druck in den Stapel durch das Wasserstoff-Absperrventil blockiert.
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Da jedoch die Überdruck- und Unterdruckventile im Stand der Technik durch Federn mechanisch betätigt werden, besteht weiterhin ein Risiko, dass Wasserstoff aufgrund einer mechanischen Fehlfunktion austreten kann. Dieses Problem kann weitere Probleme, die eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs und Gefahren in Bezug auf Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem zur Folge haben, verursachen. Darüber hinaus, obwohl das Überdruckventil an dem Wasserstoffversorgungsweg im Stand der Technik angebracht ist, besteht die Gefahr, dass Wasserstoff mit übermäßig hohen Druck in den Stapel strömen kann, während der Druck des Wasserstoffs die Federkraft der Feder des Wasserstoff-Absperrventils überwindet, wenn Wasserstoff bei überhöhten Druck einströmt. Demzufolge sollte die Magnetkraft des Wasserstoff-Absperrventils erhöht werden, um das oben erwähnte Problem zu verhindern, aber eine solche Lösung kann eine Zunahme des Volumens des gesamten Ventils, sowie unerwünschte Betriebsgeräusche verursachen.
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Im Übrigen kennt man aus der
DE 10 2007 001 650 A1 ein Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, umfassend ein Ventilglied, ein Ventilsitzelement mit wenigstens einer Durchlassöffnung und wenigstens einen Dichtsitz, wobei das Ventilglied zum Freigeben und Verschließen der Durchlassöffnung am Ventilsitzelement angeordnet ist und wobei das Ventilglied einen Flachsitz umfasst und eine Durchströmungsrichtung durch die Durchlassöffnung gleich einer Betätigungsrichtung zum Öffnen des Ventils ist.
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Überdies offenbart die U 3 326 517 A ein Entlastungsventil, umfassend einen Ventilkörper, der eine Einlassöffnung und eine koaxiale Auslassöffnung definiert und eine Trennwand aufweist, die die Einlassöffnung von der Auslassöffnung trennt, wobei die Trennwand einen stromaufwärts gelegenen Durchgang und einen stromabwärts gelegenen Durchgang definiert, die beide im Wesentlichen rechtwinklig zur Einlassöffnung und zur Auslassöffnung verlaufen und beide ein Ende aufweisen, das mit der Einlassöffnung in Verbindung steht, und beide ein anderes Ende aufweisen, das mit der Auslassöffnung in Verbindung steht; einen Kolben, der lose in dem stromaufwärtigen Durchgang angeordnet ist, eine Rollmembran mit einem radial inneren Teil, der an einer der Endflächen des Kolbens befestigt ist, einer Rollwand und einem radial äußeren Teil, der an der Trennwand befestigt ist; ein Ventilelement, das innerhalb des stromabwärts gelegenen Durchgangs angeordnet ist und den Weg des Fluids durch diesen Durchgang steuert; und einen Ausgleichshebel, der schwenkbar von der Trennwand getragen wird, wobei der Ausgleichshebel einen Arm hat, auf den der Kolben wirkt, und einen weiteren gegabelten Arm, der auf das Ventilelement wirkt.
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Das Vorstehende ist lediglich dazu bestimmt, das Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung zu fördern, und soll nicht heißen, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem bereit, das verringern oder verhindern kann, dass ein Wasserstoffstrom bei übermäßigem Druck (z.B. höher als ein vorgegebener Zulaufdruck) zu dem Stapel eines Brennstoffzellensystems an/in einem Wasserstoffversorgungsweg, durch den Wasserstoff an einen Stapel zugeführt wird, strömt.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem bereit, das ein Wasserstoff-Absperrventil ist, das an/in einem Wasserstoffversorgungsweg des Brennstoffzellensystems angebracht ist. Das Magnetventil kann ein Ventilgehäuse und einen innerhalb des Ventilgehäuses angeordneten Ventilkörper umfassen. Der Ventilkörper kann einen Zulaufkanal umfassen, durch den Wasserstoff in den Ventilkörper strömen kann. Das Magnetventil kann ferner umfassen einen Austrittskanal, durch den Wasserstoff abgeführt/ausgetragen werden kann, und einen Ventilkanal, um den Zulaufkanal und den Austrittskanal zu verbinden.
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Ferner kann das Magnetventil umfassen eine Magnetspule, die innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist, und einen Stößel, der innerhalb der Magnetspule durch eine Ventilfeder gelagert ist, und der nach oben und nach unten bewegbar sein kann, wobei er sich an eine Richtung des Ventilkanals anpasst (z.B. nach oben und nach unten entsprechend der Richtung eines vertikal ausgerichteten Ventilkanals). Das Magnetventil kann ferner eine Druckausgleichseinheit umfassen, die außerhalb des Stößels angebracht und eingerichtet ist, um den Stößel mit einer Kraft entsprechend einem übermäßigen Druck zu drücken, wenn ein Druck, der einen bestimmten Zulaufdruck von Wasserstoff überschreitet, durch einen (Ab-)Zweigkanal, der mit dem Zulaufkanal verbunden sein kann, aufgebracht/ausgeübt wird. Ferner umfasst ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem einen innerhalb des Ventilgehäuses gebildeten und mit dem Zweigkanal verbundenen Verbindungskanal, und die Druckausgleichseinheit umfasst: eine Membran, die an einem oberen Ende des Verbindungskanals angeordnet ist und durch einen überhöhten Druck des Wasserstoffs elastisch verformbar ist. Eine Betätigungsstange kann mit einer oberen Fläche (Oberseite) der Membran verbunden sein und ein Hebelelement kann dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule gekoppelt/verbunden sein und kann einen ersten Endabschnitt, der mit der Betätigungsstange verbunden ist, und einen zweiten Endabschnitt, durch den der Stößel gedrückt werden kann, aufweisen. Ist auf der Grundlage eines Drehkupplungselements mit der Magnetspule eine Länge zwischen dem Drehkupplungspunkt und dem ersten Endabschnitt des Hebelelements L1, und eine Länge zwischen dem Drehkupplungselement und dem zweiten Endabschnitt des Hebelelements L2, so ist die Länge L2 größer als die Länge L1.
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Darüber hinaus kann das Hebelelement, das dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule gekoppelt/verbunden sein kann, ein Hebel/Hebelarm sein. Das Hebelelement kann dreh-/schwenkbar mit einem Drehkupplungsvorsprung an/auf der Magnetspule durch eine Welle gekoppelt/verbunden sein.
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Das Magnetventil kann derart angepasst werden, so dass P4+P3>P1 erfüllt ist, wobei P1 einem Wasserstoffdruck entspricht/gleicht, der auf den Stößel durch den Zulaufkanal aufgebracht/ausgeübt wird, P2 einem übermäßigen Druck entspricht, der auf die Betätigungsstange durch den Zweigkanal und den Verbindungskanal aufgebracht wird, P3 einer ersten Kraft entspricht, die auf den Stößel durch den zweiten Endabschnitt des Hebelelements aufgebracht wird, und P4 einer zweiten Kraft entspricht, die auf den Stößel durch die Ventilfeder aufgebracht wird.
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Zusätzlich kann ein Druckvorsprung, der angepasst ist, um eine obere Fläche des Stößels zu drücken, an dem zweiten Endabschnitt des Hebelelements angeformt sein. Das Hebelelement kann einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei der erste Endabschnitt zwischen einem ersten Ende des Hebelelements und einem Drehkupplungspunkt angeordnet ist und ein zweiter Endabschnitt zwischen dem Drehkupplungspunkt und dem zweiten Ende des Hebelelements angeordnet ist. Der erste Abschnitt kann in einer horizontalen Richtung angeordnet sein und der zweite Abschnitt kann an einer Schräge/Neigung relativ zu der horizontalen Richtung angeordnet sein, (z.B. eine nach oben gerichtete Schräge relativ zu der horizontalen Richtung).
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem bereit, das umfassen kann ein Ventilgehäuse, einen innerhalb des Ventilgehäuses angeordneten Ventilkörper, wobei der Ventilkörper einen Zulaufkanal, durch den Reaktionsgas strömen kann, einen Austrittskanal, durch den Reaktionsgas abgeführt werden kann, und einen Ventilkanal zum verbinden des Zulaufkanals und des Austrittskanals umfassen kann. Das Magnetventil kann ferner umfassen eine Magnetspule, die innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist, einen Stößel, der innerhalb der Magnetspule durch eine Ventilfeder gelagert ist und der entsprechend der Richtung des Ventilkanals nach oben und nach unten bewegbar sein kann (z.B. nach oben und unten entsprechend der Richtung des Ventilkanals), einen Zweigkanal, der von dem Zulaufkanal abzweigen kann; eine Membran, die an einem oberen Ende eines Verbindungskanals des Ventilgehäuses angeordnet ist und mit dem Zweigkanal verbunden ist, und durch einen übermäßigen Druck des Reaktionsgases elastisch verformbar ist; eine Betätigungsstange, die mit einer oberen Fläche der Membran verbunden ist; und ein Hebelelement, das dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule gekoppelt ist und eine ersten Endabschnitt, der mit der Betätigungsstange verbunden ist, und einen zweiten Endabschnitt, durch den der Stößel gedrückt werden kann, aufweist. Ein Wasserstoff-Absperrventil kann an einem Wasserstoffversorgungsweg des Brennstoffzellensystems angebracht werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen:
- 1 eine beispielhafte, perspektivische Schnittdarstellung, die schematisch ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung, die schematisch das Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 3A und 3B beispielhafte Ansichten, die ein Hebelelement einer Druckausgleichseinheit darstellt, das bei dem Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet; und
- 4 eine beispielhafte Ansicht, die einen Betrieb des Magnetventils für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beschreibung der Bezugszeichen
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- 10
- Ventilgehäuse
- 17
- Verbindungskanal
- 20
- Ventilkörper
- 21
- Zulaufkanal
- 23
- Austrittskanal
- 25
- Ventilkanal
- 27
- Zweigkanal
- 30
- Magnetspule
- 33
- Drehkupplungsvorsprung
- 40
- Stößel
- 41
- Ventilfeder
- 50
- Druckausgleichseinheit
- 51
- Membran
- 61
- Betätigungsstange
- 71
- Hebelelement
- 73
- (Dreh-) Welle
- 75
- Druckvorsprung
- 77
- erster Abschnitt
- 79
- zweiter Abschnitt
- 100
- Magnetventil
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „etwa/ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Etwa/Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „etwa/ungefähr“ verändert .
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Spezifische strukturelle und funktionelle Beschreibungen von hierin offenbarten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind nur zur Veranschaulichung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die vorliegende Erfindung kann verschieden Weise ausgeführt werden, ohne von der Lehre und den signifikanten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demzufolge sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nur für veranschaulichende Zwecke offenbart und sollten nicht derart ausgelegt werden, dass sie die vorliegende Erfindung einschränken.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise geändert werden, ohne dabei von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ein für die Beschreibung nicht relevanter Teil wird weggelassen, um die vorliegende Erfindung eindeutig zu beschreiben, und die gleichen oder ähnlichen Bestandteile werden durch die gleichen Bezugszeichen in der gesamten Beschreibung bezeichnet. Die Größe und Dicke von jeder in den Zeichnungen dargestellten Komponente sind für das Verständnis und zur Vereinfachung der Beschreibung willkürlich dargestellt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die Dicken von einigen Abschnitten und Bereichen sind für eine klare Ausdrucksweise vergrößert dargestellt. Ferner werden in der folgenden Beschreibung die Benennungen von Bestandteilen, die in der gleichen Beziehung stehen, in „der/die/das erste“, „der/die/das zweite“ und dergleichen unterteilt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf die Reihenfolge in der folgenden Beschreibung beschränkt.
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Darüber hinaus bedeutet der Ausdruck/Begriff „Einheit“, „Mittel“, „Teil“, „Element“ oder dergleichen, der in der Beschreibung beschrieben wird, eine Einheit einer umfassenden Konfiguration, die zumindest eine Funktion oder Operation durchführt.
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Nachstehend wird ein beispielhaftes Magnetventil für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. 1 zeigt eine beispielhafte, perspektivische Schnittdarstellung, die schematisch ein Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und 2 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung, die schematisch das Magnetventil für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 kann ein Magnetventil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, das elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff als Reaktionsgas und Luft erzeugt. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden, das einen Antriebsmotor unter Verwendung von elektrischer Energie betreibt und die Räder des Fahrzeugs unter Verwendung der Antriebsleistung des Antriebsmotors antreibt.
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Das Brennstoffzellensystem gemäß Ausführungsbeispielen kann einen Stapel, eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung und eine Luftversorgungsvorrichtung umfassen. Der Stapel ist eine Stromerzeugungsanordnung aus Brennstoffzellen mit Luftelektroden und Brennstoffelektroden. Der Stapel kann direkt oder indirekt mit von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zugeführten Wasserstoff und Luft von der Luftversorgungsvorrichtung versorgt werden, um elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Ferner kann die Wasserstoffversorgungsvorrichtung einen Wasserstoffspeicherbehälter umfassen, der eingerichtet ist, um Wasserstoffgas zu bevorraten und um das Wasserstoffgas an den Stapel zuzuführen. Die Luftversorgungsvorrichtung kann einen Luftkompressor oder ein Luftgebläse umfassen, der/das eingerichtet ist, um Luft an den Stapel zuzuführen.
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Das Magnetventil 100 kann eingerichtet sein, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen, und kann an einem Wasserstoffversorgungsweg angeordnet sein, durch den ein Wasserstoffdruck (z.B. das in dem Wasserstoffspeicherbehälter bevorratete Hochdruck-Reaktionsgas) auf einen vorgegebenen Druck eingestellt werden kann, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen. Eine Hochdruckregler, der eingerichtet ist, um den Wasserstoffdruck einzustellen und auszuwählen, ein Hochdruck-Absperrventil, ein Überdruck-/Unterdruckventil, ein Wasserstoffversorgungsventil und dergleichen können ebenfalls an dem Wasserstoffversorgungsweg angeordnet sein. Ferner kann eine Wasserstoffrückführungseinheit an dem Wasserstoffversorgungsweg angeordnet sein. Die Wasserstoffrückführungseinheit kann eingerichtet sein, um von dem Wasserstoffspeicherbehälter zugeführten Wasserstoff mit nicht umgesetztem Wasserstoff, der von dem Stapel abgeführt wird, zu mischen und um das Gemisch an den Stapel wieder zuzuführen.
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Das Magnetventil 100 kann ein Wasserstoff-Absperrventil sein, das eingerichtet ist, um ein Einströmen von Wasserstoff bei überhöhtem Druck in den Stapel zusätzlich zu blockieren, wenn es eine Fehlfunktion in einem oder mehreren aus dem Hochdruckregler, den Ventilen oder dergleichen an/auf dem Wasserstoffversorgungsweg gibt.
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Außerdem kann das Magnetventil 100 in einem gewöhnlichen Fahrzeug, einem Hybridfahrzeug und einem Elektrofahrzeug verwendet werden. Nachstehend wird ein Magnetventil 100, das an/in einem Wasserstoffversorgungsweg in einem Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist, als ein Beispiel beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt ist und die technische Lehre der vorliegenden Erfindung bei jedem anderen Magnetventil eine Anwendung finden kann, das für verschiedene Arten von Anordnungen zum Zuführen von Flüssigkeit für verschiedene Anwendungen geeignet ist.
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Das Magnetventil 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann einen Aufbau aufweisen, der die Luftdichtheit (z.B. eine Luftabdichtung) unter Verwendung eines vereinfachten Aufbaus aufrechterhalten kann und verhindern kann, dass Wasserstoff bei überhöhtem Druck (z.B. ein Druck, der größer als ein vorgegebener Druck ist) in den Stapel strömt, selbst wenn Wasserstoff bei zu hohem Druck einströmen kann, wenn der Wasserstoffversorgungsweg abgesperrt ist, wenn eines oder alle aus dem Hochdruckregler, den Ventilen und dergleichen nicht funktionieren. Demzufolge kann das Magnetventil 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Ventilgehäuse 10, einen Ventilkörper 20, eine Magnetspule 30, einen Stößel 40 und eine Druckausgleichseinheit 50 umfassen. Das Ventilgehäuse 10 kann ein Ventilgehäuse sein, das ein äußeres Erscheinungsbild des Ventils begrenzen kann. Der Ventilkörper 20 kann einen Zulauf- und einen Ablaufkanal für Wasserstoff umfassen und kann innerhalb des Ventilgehäuses 10 angebracht sein. Die Magnetspule 30 kann innerhalb des Ventilgehäuses 10 angebracht sein. Elektrizität kann innerhalb der Magneteinheit 30 verwendet werden, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um die Magneteinheit 30 zu betreiben.
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Ferner kann der Stößel 40 innerhalb der Magnetspule 30 durch eine Ventilfeder 41 elastisch gelagert sein und kann derart angebracht sein, so dass er wechselseitig nach oben und nach unten bewegbar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die wechselseitige Bewegung der Ventilfeder 41 in jeder beliebigen Richtung auftreten kann; nach oben und nach unten stellen lediglich veranschaulichende Beispiele dar und werden nur zum Zwecke der Erläuterung verwendet. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erwägen eine Bewegung, die von einer Seite zu der anderen oder unter schiefen Winkeln relativ zu einem Horizont verlaufen kann und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Der Stößel 40 kann durch eine elektromagnetische Kraft nach oben bewegt werden, während er eine Federkraft der Ventilfeder 41 überwindet, wenn elektrischer Strom an die Magnetspule 30 angelegt wird, und kann durch eine elastische Rückstellkraft der Ventilfeder 41 nach unten bewegt werden, wenn der an die Magnetspule 30 zugeführte elektrische Strom abgeschaltet wird.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, kann der Ventilkörper 20 einen Zulaufkanal 21, durch den Wasserstoff in den Ventilkörper 20 strömt, einen Austrittskanal 23, durch den Wasserstoff von dem Körper 20 abgeführt wird, und einen Ventilkanal 25, der den Zulaufkanal 21 und den Austrittskanal 23 verbindet, umfassen. Insbesondere wenn elektrischer Strom an die Magnetspule 30 angelegt wird, kann der Stößel 40 eingerichtet sein, um den Ventilkanal 25 zu öffnen, während er durch eine elektromagnetische Kraft nach oben bewegt wird, und wenn der an die Magnetspule 30 angelegte elektrische Strom abgeschaltet wird, kann der Stößel 40 eingerichtet sein, um den Ventilkanal 25 zu schließen, während er durch die Ventilfeder 41 nach unten bewegt wird.
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Da die oben genannten Ausgestaltungen des Ventilgehäuses 10, des Ventilkörpers 20, der Magnetspule 30 und des Stößels 40 Grundkonfigurationen des Magnetventils darstellen, die in dem entsprechenden industriellen Gebiet weitläufig bekannt gewesen sind, werden ausführlichere Beschreibungen von Detailstrukturen und Kupplungsstrukturen in der vorliegenden Beschreibung weggelassen.
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Darüber hinaus kann die Druckausgleichseinheit 50 eine Struktur aufweisen, die eine zusätzliche Druckkraft auf den Stö-ßel 40 zusätzlich zur Federkraft der Ventilfeder 41 aufbringt, wenn der Hochdruckregler, die Ventile und dergleichen kaputtgehen oder nicht funktionieren, und Wasserstoff mit übermäßigen Druck, der größer als ein vorgegebener Zulaufdruck ist, kann durch den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 selbst dann einströmen, wenn der Wasserstoffversorgungsweg abgesperrt ist.
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Der Ventilkörper 20 kann einen Zweigkanal 27, der von dem Zulaufkanal 21 abzweigt, und einen Verbindungskanal 17, der mit dem Zweigkanal 27 verbunden ist, der in dem Ventilgehäuse 10 gebildet ist, umfassen. Wie in 1 und 2 gezeigt, kann der Verbindungskanal 17 das Ventilgehäuse 10 in einer vertikalen Richtung (z.B. nach oben und nach unten) durchdringen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Druckausgleichseinheit 50 außerhalb des Stößels 40 angeordnet sein, und wenn übermäßiger Druck, der größer als ein vorgegebener Zulaufdruck von Wasserstoff sein kann, durch den Zweigkanal 27 und den Verbindungskanal 17 aufgebracht wird, kann die Druckausgleichseinheit 50 eingerichtet sein, um den Stößel 40 mit einer Kraft, die dem übermäßigen Druck entspricht, zu drücken. Die Druckausgleichseinheit 50 kann eine Membran 51, eine Betätigungsstange 61 und ein Hebelelement 71 umfassen. Die Membran 51 kann an einem oberen Endabschnitt des vorher genannten Verbindungskanals 17 angeordnet sein. Die Membran 51 kann durch einen übermäßigen Druck von Wasserstoff, der in den Verbindungskanal 17 durch den Zweigkanal 27 strömt, elastisch verformt werden. Da die Membran 51 derart gebildet sein kann, wie es einem Durchschnittsfachmann bekannt ist, wird eine ausführlichere Beschreibung des Aufbaus in der vorliegenden Beschreibung der Kürze halber weggelassen.
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Die Betätigungsstange 61 kann nach oben und unten (beispielsweise in vertikalen Richtungen) an der oberen Endabschnittsseite des Verbindungskanals 17 durch die Membran 51, die durch übermäßigen Wasserstoffdruck elastisch verformt wird, bewegt (z.B. betätigt) werden. Die Betätigungsstange 61 kann mit einer oberen Fläche der Membran 51 verbunden sein. Ferner kann das Hebelelement 71 dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule 30 außerhalb des Stößels 40 gekoppelt sein. Das Hebelelement 71 kann ein Hebel sein und kann dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule 30 gekoppelt sein.
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3A und 3B zeigen beispielhafte Ansichten, die das Hebelelement 71 der Druckausgleichseinheit 50 darstellen, das bei dem Magnetventil 10 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung finden kann. Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 kann das Hebelelement 71 an der Magnetspule 30 über (Dreh-)Wellen 73 dreh-/schwenkbar gekoppelt sein. Die Wellen 73 können Drehkupplungspunkte des Hebelelements 71 zu der Magnetspule 30 bilden und können derart gebildet sein, um an beiden Seiten des Hebelelements 71 hervorzuragen. Die Wellen 73 können dreh-/schwenkbar mit einem Paar Drehkupplungsvorsprüngen 33, die von der Magnetspule 30 hervorragen, gekoppelt sein.
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Ferner kann ein Endabschnitt (z.B. ein erstes Ende) des Hebelelements 71 mit einem oberen Endabschnitt der zuvor genannten Betätigungsstange 61 verbunden sein und der andere Endabschnitt (z.B. ein zweites Ende) des Hebelelements 71 kann eingerichtet sein, um eine obere Fläche des Stößels 40 zu drücken. Ein Druckvorsprung 75, der die obere Fläche des Stößels 40 im Wesentlichen drücken kann, kann an dem anderen Endabschnitt des Hebelelements 71 angeformt sein.
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Das zuvor genannte Hebelelement 71 kann dreh-/schwenkbar mit den Drehkupplungsvorsprüngen 33 der Magnetspule 30 in einer Hebelausführung gekoppelt sein. Demzufolge, wenn die Membran 51 durch übermäßigen Wasserstoffdruck von Wasserstoff, der in den Verbindungskanal 17 durch den Zweigkanal 27 einströmt, elastisch verformt wird, kann eine in Richtung der oberen Seite gerichtete Kraft auf einen Endabschnitt des Hebelelements 71 durch die Betätigungsstange 61 aufgebracht werden, und eine in Richtung des Stößels 40 gerichtete Kraft kann auf den anderen Endabschnitt des Hebelelements 71 aufgebracht werden.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn basierend auf dem Drehkupplungspunkt mit der Magnetspule 30 eine Länge zwischen dem Drehkupplungspunkt und einem ersten Endabschnitt L1 ist und eine Länge zwischen dem Drehkupplungspunkt und einem zweiten Endabschnitt L2 ist, kann das Hebelelement 71 dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule 30 gekoppelt sein, während L2 > L1 erfüllt wird. Demzufolge kann das Hebelelement 71 unter der Bedingung L2 > L1 dreh-/schwenkbar mit der Magnetspule 30 gekoppelt sein, um eine Drehkraft, die größer als eine Drehkraft auf den ersten Endabschnitt des Hebelelements 71 sein kann, an dem zweiten Endabschnitt des Hebelelements 71 bereitzustellen.
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Die vorher genannten Längen L1 und L2 des Hebelelements 71 können auf der Grundlage einer Position des Drehkupplungspunktes zwischen dem Hebelelement 71 und der Magnetspule 30 variiert werden und die Längen L1 und L2 können auf der Grundlage der Federkraft der Ventilfeder 41 bestimmt werden. Der erste Abschnitt 77 des Hebelelements 71 und der zweite Abschnitt 79 des Hebelelements 71 können durch eine Anordnung eines Drehkupplungspunktes für das Hebelelement 71 festgelegt werden, das innerhalb des Drehkupplungsvorsprungs 33 angeordnet werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der erste Abschnitt 77 in einer horizontalen Richtung angeordnet sein und der zweite Abschnitt 79 kann derart angeordnet sein, so dass er relativ zu der horizontalen Richtung nach oben geneigt ist. Eine solche Konfiguration kann eine auf den Stößel 40 durch den zweiten Endabschnitt 79 des Hebelelements 71 aufgebrachte/ausgeübte mechanische Hebekraft erhöhen, indem eine Länge des zuvor genannten Druckvorsprungs 75 erhöht wird.
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Nachstehend wird ein Betrieb des Magnetventils 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, unter Bezugnahme auf die zuvor offenbarten Zeichnungen und die beigefügte Zeichnung ausführlich beschrieben. 4 zeigt eine beispielhafte Ansicht der vorliegenden Erfindung, die einen Betrieb des Magnetventils 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wenn in dem Wasserstoffspeicherbehälter bevorrateter Wasserstoff an den Stapel durch den Wasserstoffversorgungsweg zugeführt wird, wenn der Hochdruckregler, die Ventile und dergleichen ohne Fehlfunktionen arbeiten, kann elektrische Energie an die Magnetspule 30 angelegt werden. Dann kann der Stößel 40 durch eine elektromagnetische Kraft, die durch die Magnetspule 30 während eines Überwindens einer Federkraft der Ventilfeder 41 erzeugt wird, nach oben bewegt werden, wodurch der Ventilkanal 25 des Ventilkörpers 20 geöffnet wird. Demzufolge kann Wasserstoff, der in den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 strömt, an den Austrittskanal 23 durch den Ventilkanal 25 abgeführt werden und kann an den Stapel durch die Wasserstoffrückführungseinheit zugeführt werden.
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Ferner kann der in dem Wasserstoffspeicherbehälter bevorratete Wasserstoff an den Stapel durch die Wasserstoffrückführungseinheit zugeführt werden, wenn der Wasserstoffdruck auf einen vorgegebenen Druck durch den Hochdruckregler, die Ventile und dergleichen eingestellt wird. Indessen kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn der Hochdruckregler, die Ventile und dergleichen Fehlfunktionen (z.B. eine Störung haben) während eines Prozesses aufweisen, in dem Wasserstoff, der in einem Wasserstoffspeicherbehälter bevorratet ist, an den Stapel durch den Wasserstoffversorgungsweg zugeführt wird, die an die Magnetspule 30 angelegte elektrische Energie abgeschaltet werden. Dann kann der Stößel 40 durch eine elastische Rückstellkraft der Ventilfeder 41 nach unten bewegt werden, um den Ventilkanal 25 zu schließen. Demzufolge wird Wasserstoff, der in den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 strömt, nicht an den Austrittskanal 23 durch den Stößel 40 abgeführt.
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Zusätzlich kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn Wasserstoff bei einem übermäßigen Druck P1 in den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 strömt, der Druck P1 auf den Stößel 40 aufgebracht werden, und Wasserstoff mit übermäßigem Druck, der in den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 strömt, strömt in den Zweigkanal 27 und verformt elastisch die Membran 51 in der Richtung nach oben (Aufwärtsrichtung). Unter dieser Bedingung kann die Membran 51 eingerichtet sein, um die Betätigungsstange 61 nach oben zu bewegen. Dann kann die Betätigungsstange 61 eingerichtet sein, um einen nach oben aufgebrachten übermäßigen Druck P2 auf einen ersten Endabschnitt des Hebelelements 71 aufzubringen. Ferner, da das Hebelelement 71 dreh-/schwenkbar an/auf der Magnetspule 30 gekoppelt sein kann, kann das Hebelelement 71 eingerichtet sein, um sich um den Drehkupplungspunkt mit der Magnetspule 30 zu drehen, und der zweite Endabschnitt 79 des Hebelelements 71 kann eingerichtet sein, um eine Druckkraft P3 auf den Stößel 40 durch den Druckvorsprung 75 aufzubringen/auszuüben.
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Demzufolge kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn Wasserstoff mit einem übermäßigen Druck, der größer als ein vorgegebener Zulaufdruck ist, in den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 einströmt, eine zusätzliche Druckkraft P3, die durch das Hebelelement 71 aufgebracht wird, auf den Stößel 40 zusätzlich zur Federkraft P4 der Ventilfeder 41 aufgebracht werden. Mit anderen Worten, da eine Kraft, die durch Addieren der Druckkraft P3 des Hebelelements 71 und der Federkraft P4 der Ventilfeder 41 erzeugt wird, auf den Stößel 40 aufgebracht werden kann, kann der Stößel 40 durch den Druck P1 von Wasserstoff nicht nach oben bewegt werden, sondern kann die Luftdichtheit (z.B. eine Luftabdichtung) des Ventilkanals 25 aufrechterhalten, auch wenn der übermäßige Druck P1 von Wasserstoff auf den Stößel 40 aufgebracht wird.
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Demzufolge kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, auch wenn Wasserstoff bei einem übermäßigen Druck, der größer als ein vorgegebener Zulaufdruck ist, durch den Zulaufkanal 21 des Ventilkörpers 20 einströmt, die Luftdichtheit des Ventilkanals 25 durch die Druckausgleichseinheit 50 mit dem Hebelelement 71 aufrechterhalten werden, wodurch verhindert wird, dass Wasserstoff mit übermäßigem Druck in den Stapel strömt.
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Wie oben beschrieben, kann durch die Verwendung des Magnetventils 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Risiko verringert werden, dass nach einer Fehlfunktion eines Hochdruckreglers, der Ventile und dergleichen Wasserstoff mit übermäßigem Druck in den Stapel strömt, wodurch die Gefahr einer Beschädigung einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die durch eine Druckdifferenz in dem Stapel verursacht wird, verhindert oder vermindert wird. Demzufolge können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dazu beitragen, die Gefahr eines Brandes aufgrund solcher Schäden zu verhindern. Außerdem ist in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da verhindert werden kann, dass Wasserstoff mit übermäßigen Druck in den Stapel strömt, indem die Druckausgleichseinheit 50 mit einem vereinfachten Aufbau verwendet wird, ein Überdruckventil oder eine andere Sicherheitsvorrichtung, das/die im Stand der Technik verwendet werden, nicht unbedingt erforderlich und kann entfernt werden.
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Demzufolge kann die Verwendung eines Magnetventils gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit für manche der Sicherheitsvorrichtungen, wie beispielsweise das Überdruckventil beseitigen, wodurch eine Packungsgröße und ein Volumen des gesamten Brennstoffzellensystems verringert werden, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.
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Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
