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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Tankvorrichtung mindestens zwei Tankbehälter zur Speicherung von Wasserstoff, ein rahmenförmiges Gehäuseelement und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zufuhrleitung umfasst, wobei das rahmenförmige Gehäuseelement die mindestens zwei Tankbehälter und eine Zuführleitung umgibt, wobei die mindestens zwei Tankbehälter parallel zu einer Längsachse verlaufen.
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Die
DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankbehälter und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankbehälter aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden.
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Zwar sind die jeweiligen Tankbehälter im Falle eines Unfalls gegen mechanische und/oder thermische Belastungen geschützt, jedoch ist es bei einer Beschädigung eines der Tankbehälter und/oder der integrierten Regel- und Sicherheitstechnik und/oder des Hochdruckkraftstoffzuteilers, bei dem es sich insbesondere um die Zuführleitung oder eine Verbindungsleitung handelt, nicht möglich, ein Entweichen des Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, zu verhindern, da alle rohrförmigen Tankbehälter über die integrierte Regel- und Sicherheitstechnik und/oder den Hochdruckkraftstoffzuteiler miteinander verbunden sind. Bei der in der
DE 10 2017 212 485 A1 gezeigten Tankvorrichtung ist es zudem im Falle eines Feuers, beispielsweise nach einem Unfall des Gesamtfahrzeugs, und einem gleichzeitigen Stromausfall nicht möglich, den Kraftstoff kontrolliert aus den Tankbehälter abzulassen, um eine mögliche Explosionsgefahr zu verringern.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Tankvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, wobei die Tankvorrichtung mindestens zwei Tankbehälter zur Speicherung von Wasserstoff, ein rahmenförmiges Gehäuseelement und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zufuhrleitung umfasst, wobei das rahmenförmige Gehäuseelement die mindestens zwei Tankbehälter und eine Zuführleitung umgibt und wobei die mindestens zwei Tankbehälter parallel zu einer Längsachse verlaufen.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird eine Ausführungsform der Tankvorrichtung vorgeschlagen, bei der jeder der mindestens zwei Tankbehälter mindestens ein Ventil aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei einem Unfall des Gesamtfahrzeugs, bei dem eine Beschädigung eines der Tankbehälter und/oder der integrierten Regel- und Sicherheitstechnik und/oder des Hochdruckkraftstoffzuteilers mittels des jeweiligen Ventils an dem jeweiligen Tankbehälter dieser vom Rest der Tankvorrichtung zumindest fluidisch getrennt werden können. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass aus zumindest mehr als einem Tankbehälter der Kraftstoff entweichen kann, wodurch die Unfallgefahr und Explosionsgefahr nach einem erfolgten Unfall des Gesamtfahrzeugs durch austretenden Kraftstoff verhindert oder zumindest verringert werden kann.
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Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Tankvorrichtung handelt es sich bei dem mindestens einen Ventil um ein Absperrventil und/oder um ein Sicherheitsventil. Dadurch ist sichergestellt, dass der jeweilige Tankbehälter von der restlichen Tankvorrichtung fluidisch getrennt werden kann und/oder dass bei einem Notfall wie beispielsweise einem Unfall mit ausgebrochenem Feuer, der Kraftstoff, bei dem es sich insbesondere um gasförmigen Wasserstoff handelt, aus den Tankbehältern abzulassen und so einem Bersten der Tankbehälter entgegenzuwirken. Somit lässt sich die Sicherheit der Tankvorrichtung und des Gesamtfahrzeugs durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Tankvorrichtung erhöhen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter jeweils an einem ersten Ende das Absperrventil und an einem zweiten Ende das Sicherheitsventil aufweisen. Auf diese Weise kann zum einen eine schnelle Verbindung oder Trennung eines jeden einzelnen Tankbehälter von der Tankvorrichtung und/oder der Zuführleitung und/oder dem Brennstoffzellensystem herbeigeführt werden. Zum anderen kann im Falle eines Notfalls, wie beispielsweise einem Unfall mit ausgebrochenem Feuer, der Wasserstoff über das Sicherheitsventil auf der entgegengesetzten Seite von der Zuführleitung und/oder einer Brennstoffzelle aus der Tankvorrichtung und/oder dem Gesamtfahrzeug abgeleitet werden, insbesondere in einen Bereich, in dem die Schadenswahrscheinlichkeit oder die Größe des Schadens durch sich entzündenden Wasserstoff verringert werden kann. Somit lässt sich die Sicherheit der Tankvorrichtung und des Gesamtfahrzeugs durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Tankvorrichtung erhöhen.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist das Absperrventil zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und der Zuführleitung angeordnet. So wird in einfacher Weise ermöglicht, jeden einzelnen Tankbehälter von der Zuführleitung und somit vom Gesamtsystem zumindest fluidisch trennen zu können. Dies bietet Vorteile bei der Betankung der Tankvorrichtung mittels eines hohen Drucks und verhindert zudem bei einer Beschädigung der Zuführleitung, dass der gesamte Wasserstoffvorrat aus allen Tankbehältern entweichen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Sicherheitsventil zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und einer Verbindungsleitung angeordnet ist. Somit kann sichergestellt werden, dass jeder Tankbehälter über ein eigenes Sicherheitsventil verfügt, wodurch im Falle einer Fehlfunktion des Sicherheitsventils zumindest noch der Wasserstoff aus den anderen Tankbehältern abgelassen werden kann.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Tankvorrichtung sind die mindestens zwei Tankbehälter zumindest annähernd röhrenförmig ausgeführt sind. Auf diese Weise lässt sich eine platzsparende Anordnung der Tankbehälter, insbesondere in einer modularen Bauweise der Tankvorrichtung, herbeiführen.
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Zudem lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Tankbehälter aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung einem hohen Innendruck standhält und des Weiteren eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische äußere Belastungen aufweist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das rahmenförmige Gehäuseelement eine Umfangswand und eine Bodenwand aufweist, wobei sich die Bodenwand an der geodätisch tiefsten Stelle in der Tankvorrichtung befindet. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte und platzsparende Bauform der Tankvorrichtung erzielen, die wenig Bauraum im Gesamtfahrzeug benötigt. Des Weiteren können die Tankbehälter mittels der Bodenwand gegen schädigende Umwelteinflüsse, wie beispielsweise mechanische Einflüsse, beispielsweise heraufgeschleuderte Steine oder Fahrbahnunebenheiten sowie Spritzwasser und Salzsprühnebel, geschützt werden. Somit lässt sich die Lebensdauer der Tankvorrichtung erhöhen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Tankvorrichtung weist die Bodenwand mindestens eine Rippe, insbesondere mindestens eine Versteifungsrippe, auf, wobei die mindestens eine Rippe parallel zur Längsachse in Richtung der Tankbehälter und über zumindest nahezu die gesamte Länge der Bodenwand verlaufen, insbesondere im Bereich eines Zwischenraums zwischen den mindestens zwei Tankbehältern. Auf diese Weise lässt sich die mechanische Stabilität der Tankvorrichtung und des rahmenförmigen Gehäuseelements erhöhen. Somit kann die Lebensdauer der Tankvorrichtung bei mechanischer Beanspruchung erhöht werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist die mindestens eine Rippe mit mindestens zwei Tankbehältern in Anlage steht, insbesondere zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität der modularen Anordnung der Tankbehälter zueinander, insbesondere orthogonal zur Längsachse, verbessert werden. Somit kann die Lebensdauer der Tankvorrichtung bei mechanischer Beanspruchung erhöht werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung sind die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Sicherungsventil ein temperaturempfindliches Element umfasst. So wird bei einem Wärmeeintrag auf das Sicherungsventil ein Öffnen des Sicherungsventils bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur sichergestellt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist in der Zufuhrleitung mindestens ein weiteres Ventil angeordnet, durch welches die mindestens zwei Tankbehälter mit einem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems verbindbar sind.
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Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung,
- 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit zwei Tankbehältern, zwei Absperrventilen und einem rahmenförmigen Gehäuseelement,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer aus Tankbehältern bestehenden Einrichtung zum Speichern von einem gasförmigen Medium
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung, des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Grö-ßenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31. Die Tankvorrichtung 1 weist dabei mindestens zwei Tankbehälter 2 zur Speicherung von Wasserstoff auf, sowie ein rahmenförmiges Gehäuseelement 24 und eine mit den Tankbehältern 2 verbindbare Zuführleitung 4. Dabei umgibt das rahmenförmige Gehäuseelement 24 die mindestens zwei Tankbehälter 2 und die Zuführleitung 4, wobei die mindestens zwei Tankbehälter 2 parallel zu einer Längsachse 9 verlaufen. Dabei weist jeder der mindestens zwei Tankbehälter 2, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind, mindestens ein Ventil 8, 10 auf. Bei diesem mindestens einen Ventil 8, 10 handelt es sich um ein Absperrventil 8 und/oder um ein Sicherheitsventil 10.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Tankvorrichtung 1 weisen die mindestens zwei Tankbehälter 2 jeweils an einem ersten Ende 20 das Absperrventil 8 und an einem zweiten Ende 21 das Sicherheitsventil 10 aufweisen, wobei sich die jeweiligen Enden 20, 21 in Richtung der Längsachse 9 am jeweiligen Tankbehälter 2 befinden. Die beiden Tankbehälter 2 sind dabei zumindest annähernd röhrenförmig ausgeführt.
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Weiterhin ist in 1 dargestellt, dass das Absperrventil 8 zwischen dem jeweiligen Tankbehälter 2 und der Zuführleitung 4 angeordnet ist, wobei die Zuführleitung 4 die jeweiligen Tankbehälter 2 mit dem Brennstoffzellensystem 31, insbesondere einer Brennstoffzelle 29 befindet. In einer beispielhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 31 kann der Wasserstoff aus der Tankvorrichtung 1, der insbesondere unter einem hohen Druck von zumindest nahezu 700 bar steht, über die Zuführleitung 4 zu einer Düse und/oder einem Ansaugbereich einer Strahlpumpe des Brennstoffzellensystem 31 gelangen. Zudem kann sich ein Ventil 5 im Bereich der Zuführleitung 4 befinden, insbesondere zwischen dem Absperrventil 8 und dem Brennstoffzellensystem 31, insbesondere einem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems 31 und/oder zumindest mittelbar mit der Brennstoffzelle 29. Dabei kann sich das Ventil 5 innerhalb oder außerhalb des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 befinden.
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Im Bereich des zweiten Endes 21 des jeweiligen Tankbehälters 2, auf der der Tankbehälter 2 das Sicherheitsventil 10 aufweist, ist der Tankbehälter 2 über das das Sicherheitsventil 10 mit einer Verbindungsleitung 11 verbunden. Die Verbindungsleitung 11 dient dazu Im Falle eines Unfalls und/oder eines Feuers, Wasserstoff aus dem jeweiligen Tankbehälter 2 aus der Tankvorrichtung 1 herauszuleiten und so einem Bersten des jeweiligen Tankbehälters 2 entgegenzuwirken. Am dem Sicherheitsventil 10 und/oder dem Tankbehälter 2 abgewandten Ende der Verbindungsleitung 11, insbesondere ihrem stromabwärtigen Ende kann sich ein Ablassventil 12 befinden, über den, im Falle eines Unfalls oder Brandes, der Wasserstoff in eine Umgebung 33 des Fahrzeugs abgelassen werden kann, insbesondere in einen Bereich, in dem sich entzündender Wasserstoff das Gesamtfahrzeug und die Insassen nicht mehr schädigen oder verletzen kann.
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Bei dem Sicherungsventil 10 kann es sich in einer beispielhaften Ausführungsform um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventil 10, welches ein schmelzendes Medium wie beispielsweise Wachs aufweist, handeln, um im Ernstfall bei Wärmeeinträgen auf die Tankbehälter 2 ein Öffnen des Sicherungsventils 10 durch das Schmelzen des Wachses auszulösen. Somit ist der jeweilige Tankbehälter 2 in dieser beispielhaften Ausführungsform mit seinem ersten Ende 20 über das Absperrventil 8 mit der Zuführleitung 4 verbunden und/oder mit seinem zweiten Ende 21 über das Sicherheitsventil 10, das insbesondere als ein Schmelzsicherheitsventil 10 ausgeführt ist, mit der Verbindungsleitung 11 verbunden.
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Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11, insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.
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2 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 mit zwei Tankbehältern 2, zwei Absperrventilen 8 und dem rahmenförmigen Gehäuseelement 24. Die Tankbehälter 2, die in dieser Ansicht im Bereich ihres ersten Endes 20 geschnitten sind, insbesondere kurz bevor sich dies verjüngen, ist dargestellt, dass sich das jeweilige Absperrventil 8 direkt am jeweiligen Tankbehälter 2 befindet.
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In Vorteilhafterweise wird für die Herstellung der rohrförmigen Tankmodule 2 Stahl verwendet. Stahl ist einerseits sehr robust und andererseits sehr kostengünstig. Vorteilhaft ist, dass Stahl sehr einfach zu verarbeiten ist. Aufgrund der hohen Duktilität von Stahl ergibt sich eine verbesserte Crash-Sicherheit von Fahrzeugen mit rohrförmigen Tankmodulen.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Tankvorrichtung 1 weist dabei mehrere Tankbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Tankbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf.
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Dabei ist in 3 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24, in das die Tankbehälter 2 eingebaut werden, eine Umfangswand 26 und eine Bodenwand 25 aufweist, wobei sich die Bodenwand 25 an der geodätisch tiefsten Stelle in der Tankvorrichtung 1 und/oder im Fahrzeug befindet. Die Umfangswand 26 des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 weist dabei eine Vorderwand 28, einer linke Wand 32, eine rechte Wand 34 und eine Rückwand 30 auf. Des Weiteren sind die Tankbehälter 2 vor der Montage als ein Tankbehältermodul, das aus mindestens zwei Tankbehältern 2 samt Ventilen 8, 10 und weiteren Bauteilen bestehen kann, vormontiert. Die Bodenwand 25 weist dabei mindestens eine Rippe 27, insbesondere mindestens eine Versteifungsrippe 27, auf, wobei die mindestens eine Rippe 27 parallel zur Längsachse 9 und/oder den Tankbehältern 2 und über zumindest nahezu die gesamte Länge der Bodenwand 25 verlaufen, insbesondere im Bereich eines Zwischenraums 14 zwischen den mindestens zwei Tankbehältern 2. Dabei steht die mindestens eine Rippe 27 mit mindestens zwei Tankbehältern 2 in Anlage, insbesondere zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse 9, wobei auf diese Weise die Stabilität und die Crash-Sicherheit der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 verbessert werden kann. Zudem kann derart eine Fixierung der einzelnen Röhren im Gehäuse und eine Positionierung zueinander erzielt werden.
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Zudem ist in 3 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24 auf der der Bodenwand 25 abgewandten Seite der Umfangswand 26 einen umlaufenden Absatz 15 aufweist, wobei der Absatz 15 parallel zur Bodenwand 25 verläuft und mindestens zwei Bohrungen 17 aufweist. Diese Bohrungen 17 verlaufen zumindest nahezu orthogonal zur Ebene der Bodenwand 25 und/oder der Ebene des Absatzes 15, wobei sich das rahmenförmige Gehäuseelement 24 mittels der Bohrungen 17 und beispielsweise Verschraubungen an dem Gesamtfahrzeug montieren lässt.
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Das rahmenförmige Gehäuseelement 24 umschließt dabei die Tankbehälter 2 und oder das Tankbehältermodul mit Anbauteilen zumindest nahezu vollständig und schützt diese somit vor:
- ■ Umwelteinflüssen, wie beispielsweise korrosiven Medien, Feuchte,
- ■ Mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Kontakt mit der Fahrbahn oder Steinschlag,
- ■ Thermischen Belastungen, wie beispielsweise Feuer, Heißluft, Strahlung oder Konvektion.
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Das rahmenförmige Gehäuseelement 24 kann dabei beispielsweise so ausgeführt sein, dass es zusätzlich eine versteifende Funktion für die Karosserie des Fahrzeugs übernimmt. Des Weiteren kann mittels des rahmenförmige Gehäuseelements 24 ein Anschluss der Tankvorrichtung 1 an ein externes Betankungssystem verbessert werden, da die Zugänglichkeit zur Tankvorrichtung 1 verbessert wird. Zudem kann mittels des rahmenförmige Gehäuseelements 24 eine einfachere Integration von Sensorik und/oder Ventilen und/oder Leitungssystemen und/oder weiteren Bauteilen gewährleistet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212485 A1 [0002, 0003]
