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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 23. August 2019 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr.
10-2019-0103760 .
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Auslassvorrichtung für eine Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung ist eine Vorrichtung, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, der durch Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstoff erhalten wird, und Luftsauerstoff in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) eines Stapels erzeugt. Während des Betriebs werden Wasser und Wärme erzeugt.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Reformer, der den zugeführten Brennstoff reformiert, einen Brenner, der die für die Reformierungsreaktion erforderliche Wärme liefert, einen Wärmetauscher und ein Kühlwasserrohr zum Kühlen des Stapels und Rückgewinnen von Wärme, einen Leistungsumsetzer, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umsetzt, und dergleichen.
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In dem Gehäuse der Brennstoffzellenvorrichtung sind mehrere einzelne Vorrichtungen und ein Rohr zum Ermöglichen des Flusses von Fluiden (z. B. Luft, Brennstoff, Wasser) zwischen diesen auf komplizierte Weise installiert.
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Die koreanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-2012-0071288 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Stapelmodul 10, die einen Stapel 10A, der durch Stapeln von Brennstoffzellen ausgebildet ist und elektrische Leistung erzeugt; einen Leistungsumsetzer 10B, der Gleichstrom, der von dem Stapel 10A erzeugt wird, in Wechselstrom umsetzt; und einen Reinstwasser-Wärmetauscher 10C, der Reinstwasser zum Kühlen des Stapels 10A umwälzt, umfasst.
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Ein Brennstoffumwandlungsmodul 20 umfasst einen Reformer 20A, der Brennstoffgas empfängt und in Wasserstoffgas umwandelt, und einen Brenner 20B, der Wärme, die für eine Reformierungsreaktion erforderlich ist, an den Reformer 20A liefert.
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Ein BOP-Modul 30 umfasst: einen ersten Wärmetauscher 30A zum Rückgewinnen von Wärme aus einem Abgas des Stapels 10A; einen zweiten Wärmetauscher 30B zum Rückgewinnen von Wärme aus einem Abgas des Brenners 20B; und einen dritten Wärmetauscher 30C zum Rückgewinnen von Wärme aus dem von dem Reformer 20A abgegebenen Wasserstoffgas.
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Ein Wärmespeichermodul 40 umfasst einen Warmwassertank 40A zum Rückgewinnen und Speichern von Wärme, indem gespeichertes Wasser durch den Reinstwasser-Wärmetauscher 10C, den ersten Wärmetauscher 30A, den zweiten Wärmetauscher 30B und den dritten Wärmetauscher 30C des Stapelmoduls umgewälzt wird. Das heißt, der Warmwasserspeicher 40A führt eine Wärmespeicherfunktion aus.
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Ein Stapelabgaseinlassrohr 83 ist zwischen einem Abgasauslass des Stapels 10A und einem Kerneinlass des ersten Wärmetauschers 30A angeschlossen und ein Stapelabgasauslassrohr 84 ist mit einem Kernauslass des ersten Wärmetauschers 30A verbunden.
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Ein Wasserstoffgaseinlassrohr 87 ist zwischen einem Wasserstoffgasauslass des Reformers 20A und einem Kerneinlass des dritten Wärmetauschers 30A angeschlossen und ein Wasserstoffgasauslassrohr 88 ist zwischen einem Kernauslass des dritten Wärmetauschers 30A und einem Wasserstoffgaseinlass des Stapels 10A angeschlossen.
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Die Komplexität des Systems einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung steigt jedoch durch separates Ausbilden der Ablässe des Stapels und der Reformerverbrennung und bei Zusammenlegen dieser als einzelner Auslass ist die Ausgabe aufgrund der Störung eines Strömungsweges nicht gleichmäßig und es wird parasitäre Leistung aufgrund der Ventilsteuerung zum Ablassen von Kondenswasser erzeugt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme ersonnen und schafft eine Auslassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit verbesserter Strömungswegstörung.
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Die vorliegende Offenbarung schafft ferner eine Abgasvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, die eine gleichmäßige Ausgabe liefert.
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Die vorliegende Offenbarung schafft ferner eine Abgasvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, die in der Lage ist, parasitäre Leistung, die während der Ventilsteuerung auftreten kann, zu verbessern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Brennstoffzellenauslassvorrichtung: ein Rohr, bei dem eine Seite offen ist und die andere Seite geschlossen ist; einen Wassertank, bei dem eine Seite offen ist und die andere Seite geschlossen ist, wobei die geschlossene andere Seite des Rohrs in die offene eine Seite des Wassertanks eingesetzt wird, um einen Teil einer Außenumfangsfläche des Rohrs abzudecken; ein Reformerauslassrohr, das mit dem Rohr zwischen einer Seite und der anderen Seite des Rohrs in Verbindung steht; ein Stapelauslassrohr, das von dem Reformerauslassrohr beabstandet ist und mit dem Rohr zwischen einer Seite und der anderen Seite des Rohrs in Verbindung steht; ein Abflussrohr, das benachbart zu dem Reformerauslassrohr oder dem Stapelauslassrohr positioniert ist und so an einer Außenumfangsfläche des Wassertanks ausgebildet ist, dass es mit dem Inneren des Wassertanks in Verbindung steht; und ein Loch, das auf der geschlossenen anderen Seite des Rohrs ausgebildet ist und von der geschlossenen anderen Seite des Wassertanks beabstandet ist.
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Die Brennstoffzellenauslassvorrichtung kann ferner ein Ventil aufweisen, das in dem Abflussrohr installiert ist.
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Das Ventil kann das Abflussrohr schließen, wenn Leistung angelegt wird, und öffnet das Abflussrohr, wenn Leistung abgeschaltet wird.
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Die Brennstoffzellenauslassvorrichtung kann ferner einen Sensor aufweisen, der in dem Wassertank installiert ist und einen in dem Wassertank angesammelten Wasserpegel von Kondenswasser detektiert.
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Die Brennstoffzellenauslassvorrichtung kann ferner einen Controller zum Erhalten von Wasserpegelinformationen des Kondenswassers aus dem Sensor und zum Anlegen oder Abschalten von Leistung an das Ventil aufweisen. Der Controller kann Leistung an das Ventil anlegen, wenn der Wasserpegel des Kondenswassers niedriger als eine Höhe des Lochs des Rohrs von der geschlossenen anderen Seite des Wassertanks aus ist, und Leistung für das Ventil abschalten, wenn der Wasserpegel des Kondenswassers höher als die Höhe des Lochs des Rohrs von der geschlossenen anderen Seite des Wassertanks aus ist.
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Ein Durchmesser des Rohrs kann kleiner sein als ein Durchmesser des Wassertanks. Ein Durchmesser des Stapelauslassrohrs oder des Reformerauslassrohrs kann kleiner sein als der Durchmesser des Rohrs.
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Das Abflussrohr kann benachbart zu der offenen einen Seite des Wassertanks sein. Das Abflussrohr kann mit dem Wassertank in Verbindung stehen.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher verständlich; es zeigen:
- 1 eine Ansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems zeigt, das mit der vorliegenden Offenbarung verwandt ist;
- 2 eine Ansicht, die ein Beispiel einer Auslassvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 3 eine Ansicht, die ein Beispiel einer Ventilstruktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 4 bis 6 Ansichten, die Beispiele einer Kondenswasserabgabestruktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen; und
- 7 eine Ansicht, die ein Beispiel einer Ventilsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Beschreibung wird nun im Einzelnen gemäß den hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben. Um die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen kurz zu halten, können dieselben oder äquivalente Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet werden und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. Im Allgemeinen können Suffixe wie „Modul“ und „Einheit“ verwendet werden, um auf Elemente oder Komponenten zu verweisen. Die Verwendung solcher Suffixe hierin soll lediglich die Beschreibung der Offenbarung erleichtern und die Suffixe haben keine besondere Bedeutung oder Funktion. In der vorliegenden Offenbarung wurde das, was Fachleuten auf dem relevanten Gebiet wohlbekannt ist, der Kürze halber im Allgemeinen weggelassen. Die beigefügten Zeichnungen werden verwendet, um das leichte Verständnis verschiedener technischer Merkmale zu erleichtern, und es versteht sich, dass die hier dargestellten Ausführungsformen nicht durch die beigefügten Zeichnungen beschränkt sind. Insofern sollte die vorliegende Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie sich auf alle Änderungen, Äquivalente und Ersetzungen zusätzlich zu denen, die insbesondere in den beigefügten Zeichnungen dargelegt sind, erstreckt. Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe erste/r/s, zweite/r/s usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe beschränkt werden sollen. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Es versteht sich, dass dann, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ bezeichnet wird, möglicherweise dazwischenliegende Elemente vorhanden sind. Im Gegensatz dazu versteht es sich, dass, wenn ein Element als „direkt mit einem anderen Element verbunden“ bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind. Eine Singulardarstellung kann eine Pluraldarstellung umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Begriffe wie „umfassen“ oder „aufweisen“, die hier verwendet werden, sollten als Hinweis auf das Vorhandensein mehrerer Komponenten, Funktionen oder Schritte, die in der Beschreibung offenbart sind, angesehen werden und es versteht sich auch, dass auch mehr oder weniger Komponenten, Funktionen oder Schritte verwendet werden können.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann ein Rohr 110 einen ersten Teil 111, einen zweiten Teil 113 und einen dritten Teil 115 aufweisen. Ein Reformerauslassrohr 120 und ein Stapelauslassrohr 130 können mit dem Rohr 110 in Verbindung stehen. Der erste Teil 111 kann ein Rohr sein, das oben und unten offen ist. Das Reformerauslassrohr 120 kann mit dem ersten Teil 111 des Rohrs 110 in Verbindung stehen und das Stapelauslassrohr 130 kann mit dem ersten Teil 111 des Rohrs 110 in Verbindung stehen. Das Reformerauslassrohr 120 und das Stapelauslassrohr 130 können vertikal auf dem ersten Teil 111 des Rohres 110 angeordnet sein und können voneinander beabstandet sein.
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Beispielsweise kann der Durchmesser des ersten Teils 111 dreimal oder mehrmals größer sein als der Durchmesser des Reformerauslassrohrs 120. In einem weiteren Beispiel kann der Durchmesser des ersten Teils 111 dreimal oder mehrmals größer sein als der Durchmesser des Stapelauslassrohrs 130.
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Dementsprechend kann es nicht zu Störungen in einem Abgasstrom kommen, der aus dem Reformerauslassrohr 120 und dem Stapelauslassrohr 130 in dem Rohr 110 kombiniert wird.
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Der zweite Teil 113 des Rohrs 110 kann mit dem ersten Teil 111 in einem unteren Abschnitt des ersten Teils 111 in Verbindung stehen. Der zweite Teil 113 kann ein Rohr mit einer geschlossenen Unterseite und einer offenen Oberseite sein. Der Durchmesser des zweiten Teils 113 kann im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des ersten Teils 111. Ein Loch 117 kann in einer unteren Oberfläche des zweiten Teils 113 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Durchmesser des Lochs 117 1/3 oder weniger des Durchmessers des zweiten Teils 113 betragen.
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Der dritte Teil 115 des Rohrs 110 kann mit dem ersten Teil 111 im oberen Teil des ersten Teils 111 in Verbindung stehen. Der dritte Teil 115 kann ein Rohr mit offener Oberseite und Unterseite sein. Der dritte Teil 115 kann so ausgebildet sein, dass er von dem ersten Teil 111 aus gebogen ist. Beispielsweise kann der Durchmesser des dritten Teils 115 im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des ersten Teils 111 sein.
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Ein Wassertank 140 kann den Außendurchmesser des unteren Abschnitts des Rohrs 110 abdecken. Der Wassertank 140 kann eine Rohrform mit einer geschlossenen unteren Oberfläche und einer offenen oberen Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann die Höhe des Wassertanks 140 gleich der Höhe des zweiten Teils 113 sein. Die untere Oberfläche des Wassertanks 140 kann von der unteren Oberfläche des zweiten Teils 113 beabstandet sein. Die Innenumfangsfläche des Wassertanks 140 kann von der Außenumfangsfläche des zweiten Rohrs 113 beabstandet sein.
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Ein Abflussrohr 150 kann über die Außenumfangsfläche des Wassertanks 140 mit dem Inneren des Wassertanks 140 in Verbindung stehen. Das Abflussrohr 150 kann benachbart zu der oberen Oberfläche des geöffneten Wassertanks 140 angeordnet sein.
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Unter Bezugnahme auf 3 kann der Sensor 160 in dem Wassertank 140 installiert sein. Der Sensor 160 kann ein Wasserpegelsensor sein. Beispielsweise kann der Sensor 160 ein kapazitiver Sensor sein. Das Ventil 170 kann in dem Abflussrohr 150 installiert sein. Das Ventil 170 kann ein Ventil sein, das elektrisch geöffnet und geschlossen wird 172. Beispielsweise kann das Ventil 170 ein Ventil sein, das geschlossen wird, wenn ein Strom angelegt wird, und geöffnet wird, wenn der Strom abgeschaltet wird. Das Ventil 170 kann durch den vom Sensor 160 detektierten Wasserpegel eingestellt werden.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann in dem Abgas GS kondensiertes Wasser (nachstehend Kondenswasser W) durch das Loch 117 des zweiten Teils 113 des Rohrs 110 in dem Wassertank 140 gesammelt werden. Kondenswasser W kann einen konstanten Wasserpegel H1 in dem Wassertank 140 bilden. Wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W niedriger als die Höhe des Lochs 117 des zweiten Teils 113 ist (wenn die Brennstoffzelle angefahren wird), kann das Abgas GS durch das Loch 117 des zweiten Teils 113 zu dem Ablassrohr 150 strömen. Um dies zu verhindern, kann das Ventil 170 (siehe 3) geschlossen werden. Beispielsweise kann das Ventil 170 das Ablassrohr 150 schließen, indem ein Strom an das Ventil 170 angelegt wird.
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Unter Bezugnahme auf 5 kann dann, wenn das Kondenswasser W einen Wasserpegel H1, der höher als das Loch 117 des zweiten Teils 113 ist, in dem Wassertank 140 bildet, das Abgas GS nicht durch das Loch 117 in den Tank 140 strömen. Das Kondenswasser W kann als ein Sperrwasser für das Abgas GS dienen. Das Abgas GS, das durch das Loch 117 aus dem zweiten Teil 113 heraus strömen kann, kann zu dem ersten Teil 111 und/oder zu dem dritten Teil 115 des Rohrs 110 strömen (siehe 2). Zu dieser Zeit kann das Ventil 170 (siehe 3) geöffnet werden.
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Selbst dann, wenn das Ventil 170 geöffnet ist, dient das Kondensat (W) als Sperrwasser, um zu verhindern, dass das Abgas GS durch das Loch 117 zu dem Wassertank 140 strömt. Daher ist es möglich zu verhindern, dass das Abgas GS in das Auslassrohr 150 abgelassen wird, selbst wenn das Ventil 170 das Auslassrohr 150 öffnet. Beispielsweise kann das Ventil 170 das Auslassrohr 150 öffnen, indem der Strom zu dem Ventil 170 abgeschaltet wird. Zu dieser Zeit kann der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W. höher als die Höhe des Lochs 117 des zweiten Teils 113 und niedriger als die Höhe H2 des Ablassrohrs 150 sein.
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Unter Bezugnahme auf 6 kann dann, wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W höher als die Höhe H2 des Ablassrohrs 150 wird, das Kondenswasser W durch das Ablassrohr 150 nach außen abgelassen werden. Beispielsweise kann sich das Ventil 170 noch in einem Zustand ohne Strom befinden. Das Kondenswasser W kann abgelassen werden, bis der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W gleich der Höhe H2 des Ablassrohrs 150 wird und dann, wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W kleiner als die Höhe H2 des Ablassrohrs 150 ist, wird das Kondenswasser W möglicherweise nicht abgelassen werden. Wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W größer als die Höhe des Lochs 117 des zweiten Teils 113 ist, kann das Ventil 170 außerdem einen offenen Zustand ohne Strom aufrechterhalten.
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Unter Bezugnahme auf 3 bis 7 kann der Sensor 160 den Wasserpegel H1 des Kondenswassers W detektieren (S10). Ein Controller kann das Ventil 170 gemäß dem vom Sensor 160 detektierten Wasserpegel H1 des Kondenswassers W betreiben (S20). Wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W kleiner als die Höhe des Lochs 117 des zweiten Teils 113 ist, kann das Ventil 170 einen verriegelten Zustand aufrechterhalten, der gebildet wird, wenn Strom angelegt wird (S30). Wenn der Wasserpegel H1 des Kondenswassers W höher als die Höhe des Lochs 117 des zweiten Teils 113 ist, kann das Ventil 170 einen offenen Zustand aufrechterhalten, der gebildet wird, wenn kein Strom angelegt wird (S40, S50). Dementsprechend kann eine parasitäre Leistungsaufnahme zum Betreiben des Ventils 170 verhindert werden.
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Wie es oben beschrieben ist, ist es gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung möglich, eine Auslassvorrichtung mit verbesserter Strömungswegstörung für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Auslassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das eine gleichmäßige Ausgabe liefert.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Auslassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, die in der Lage ist, die parasitäre Leistung zu verbessern, die während der Ventilsteuerung auftreten kann.
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Bestimmte Ausführungsformen oder andere Ausführungsformen der oben beschriebenen Offenbarung schließen sich nicht gegenseitig aus oder unterscheiden sich voneinander. Jegliche Elemente der oben beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung können in Konfiguration oder Funktion miteinander kombiniert werden.
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Beispielsweise können eine Konfiguration „A“, die in einer Ausführungsform der Offenbarung und den Zeichnungen beschrieben ist, und eine Konfiguration „B“, die in einer anderen Ausführungsform der Offenbarung und den Zeichnungen beschrieben ist, miteinander kombiniert werden. Obwohl die Kombination zwischen den Konfigurationen nicht direkt beschrieben ist, ist die Kombination möglich, außer in dem Fall, in dem beschrieben wird, dass die Kombination unmöglich ist.
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Obwohl Ausführungsformen unter Bezugnahme auf eine Reihe von veranschaulichenden Ausführungsformen davon beschrieben wurden, versteht es sich, dass zahlreiche andere Abwandlungen und Ausführungsformen von Fachleuten entwickelt werden können, die unter den Umfang der Prinzipien dieser Offenbarung fallen. Insbesondere sind verschiedene Variationen und Abwandlungen in den Bauteilen und/oder Anordnungen der gegenständlichen Kombinationsanordnung im Rahmen der Offenbarung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche möglich. Zusätzlich zu Variationen und Abwandlungen in den Bauteilen und/oder Anordnungen sind für Fachleute auch alternative Anwendungen ersichtlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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