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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine Zuführvorrichtung zum Zuführen von Brennstoff für eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Dabei entsteht auf der Kathodenseite Wasser.
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Typischerweise wird der Anode von Brennstoffzellen kontinuierlich gasförmiger Brennstoff im Überschuss zugeführt, das heißt, mehr Brennstoff, als bei einer gegebenen Zufuhrmenge an Sauerstoff an die Kathode stöchiometrisch notwendig wäre. Der Brennstoffüberschuss wird in der Regel rezirkuliert bzw. der Anode erneut zugeführt.
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Die
DE 10 2007 004 590 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Gasfördermodul, welches zwei parallel geschaltete Strahlpumpen aufweist. Jede der Strahlpumpen weist eine an eine Wasserstoffversorgung angeschlossene Treibdüse und einen Sauganschluss auf, an welchen jeweils eine Rezirkulationsleitung angeschlossen ist. Ein Ausgang der Strahlpumpen ist jeweils mit einer Brennstoffzufuhrleitung verbunden, welche an einen anodenseitigen Eingang eines Brennstoffzellenstacks angeschlossen ist. Die Rezirkulationsleitung ist an einen anodenseitigen Ausgang des Brennstoffzellenstacks angeschlossen. Die beiden Strahlpumpen sind einzeln bzw. selektiv betreibbar, um eine präzisere Anpassung der Brennstoffversorgung an den Leistungsbedarf, z.B. in einem Teillastbetrieb, zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Zuführvorrichtung zum Zuführen von Brennstoff für eine Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Zuführvorrichtung zum Zuführen von Brennstoff für eine Brennstoffzelle mit mehreren Strahlpumpen. Jede der Strahlpumpen umfasst einen Zulauf, einen Auslass und einen Rezirkulationsanschluss. Der Zulauf der Strahlpumpen ist jeweils dazu ausgebildet, mit einer Brennstoffquelle verbunden zu werden. Der Auslass der Strahlpumpen ist jeweils dazu ausgelegt, mit der Brennstoffzelle verbunden zu werden. Insbesondere kann der Auslass der Strahlpumpen mit einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzelle verbunden werden. Der Rezirkulationsanschluss jeder Strahlpumpe ist jeweils mittels einer Rezirkulationsleitung mit einem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle verbunden. Hierbei umfasst die Zuführvorrichtung für jede der mehreren Strahlpumpen ein Rückschlagventil. Die Rückschlagventile sind jeweils in den Rezirkulationsleitungen zwischen dem Rezirkulationsanschluss der Strahlpumpen und dem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle angeordnet.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Bennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Zuführvorrichtung, einer Brennstoffzellenanordnung und mehreren Rezirkulationsleitungen. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffauslass. Der Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung ist mit den Auslässen der Strahlpumpen der Zuführvorrichtung verbunden. Jeder der Zirkulationsanschlüsse der mehreren Strahlpumpen ist mittels einer der mehreren Rezirkulationsleitungen mit dem Brennstoffauslass der Brennstoffzellenanordnung verbunden. Hierbei ist in jeder der mehreren Zirkulationsleitungen ein Rückschlagventil angeordnet.
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Vorteile der Erfindung
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Werden bei Brennstoffzellensystemen mehrere Strahlpumpen zur Rezirkulation von Brennstoff eingesetzt, so müssen für den Fall, dass ein Teil der Strahlpumpen temporär deaktiviert wird, geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um ein Rückströmen von Brennstoff durch eine deaktivierte Strahlpumpe zu verhindern. Hierzu sind in der Regel Rückschlagventile zwischen dem Auslass einer Strahlpumpe und dem Brennstoffeinlass in die Brennstoffzelle vorgesehen. Diese Rückschlagventile sind üblicherweise relativ groß zu dimensionieren, um einen ausreichend großen Volumenstrom von Brennstoff für die Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelle zu gewährleisten.
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Es ist nun eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Rückschlagventile nicht in der Brennstoffzufuhr zwischen dem Auslass der Strahlpumpe und dem Brennstoffeinlass der Brennstoffzelle anzuordnen, sondern stattdessen jeweils ein Rückschlagventil in der Rezirkulationsleitung zwischen dem Brennstoffauslass und dem Rezirkulationsanschluss der Strahlpumpe vorzusehen. Da üblicherweise der Volumenstrom für die Rezirkulation von nicht verbrauchtem Brennstoff geringer ist, als der Volumenstrom, welcher der Brennstoffzelle von den Strahlpumpen zugeführt wird, können die Rückschlagventile bei einer solchen Anordnung entsprechend kleiner dimensioniert werden.
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Durch die Verwendung der kleineren Rückschlagventile im Bereich des rezirkulierenden Brennstoffes ist es somit möglich, das erforderliche Bauraumvolumen zu verringern. Darüber hinaus sinkt auch entsprechend das Gewicht für die kleineren Rückschlagventile. Schließlich können durch die Verwendung kleinerer Rückschlagventile somit auch die Kosten des Gesamtsystems gesenkt werden.
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Sind die einzelnen Strahlpumpen für unterschiedliche Volumenströme ausgelegt, so können auch die Rückschlagventile in den Rezirkulationsleitungen entsprechend den Dimensionierungen der Strahlpumpen für die zu erwartenden Volumenströme in den entsprechenden Rezirkulationskreisläufen dimensioniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Rückschlagventile in den Rezirkulationsleitungen dazu ausgelegt, eine Rückströmung von Brennstoff von den jeweiligen Strahlpumpen zu dem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle zu unterbinden. Mit anderen Worten, die Rückschlagventile ermöglichen lediglich einen Brennstofffluss von dem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle zu den jeweiligen Rezirkulationsanschlüssen der Strahlpumpen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Brennstoff über den Rezirkulationsanschluss einer Strahlpumpe in Richtung des Brennstoffauslasses der Brennstoffzelle oder zu Rezirkulationsanschlüssen weiterer Strahlpumpen fließt.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Rückschlagventile jeweils als passiv betätigbare Ventile ausgeführt sein. Demnach kann das Rückschlagventil alleine durch den Druckunterschied zwischen dem Rezirkulationsanschluss der Strahlpumpe und dem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle zwischen einer Dichtposition und einer Freigabeposition wechseln. In der Freigabeposition kann somit Brennstoff vom Brennstoffauslass der Brennstoffzelle in Richtung der Strahlpumpe fließen. In der Dichtposition wird ein Brennstoffstrom in umgekehrter Richtung verhindert.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die mehreren Strahlpumpen in einem gemeinsamen Gehäuseblock integriert. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Aufbau der Zuführvorrichtung realisiert werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die mehreren Strahlpumpen zumindest teilweise in separaten Gehäuseblöcken angeordnet. Die Verwendung von mehreren separaten Strahlpumpen oder mehreren Einheiten, in denen jeweils ein Teil der erforderlichen Strahlpumpen angeordnet sind, ermöglicht eine flexible Konfiguration des Gesamtaufbaus. Insbesondere können je nach erforderlichen Volumenströmen und Brennstoffbedarf der verwendeten Brennstoffzelle eine geeignete Anzahl von Strahlpumpen zusammengefasst werden. Darüber hinaus werden auch die Wartung und insbesondere der Austausch einer defekten Strahlpumpe vereinfacht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jeweils eine Strahlpumpe und ein Rückschlagventil in einem gemeinsamen Gehäuseblock integriert. Insbesondere kann das Rückschlagventil in dem gemeinsamen Gehäuseblock unmittelbar vor dem Rezirkulationsanschluss der Strahlpumpe angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung mit geringem Volumenbedarf realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest ein Teil der mehreren Strahlpumpen oder gegebenenfalls alle Strahlpumpen für gleiche Gasmassenströme ausgelegt. Die Verwendung von mehreren gleichen oder gleichartigen Strahlpumpen ermöglicht dabei eine besonders einfache Auslegung des Gesamtsystems mit Standardkomponenten. Insbesondere muss bei der Verwendung von gleichen oder gleichartigen Strahlpumpen für Wartungs- und Servicezwecke auch eine geringere Anzahl von Ersatzteilen vorgehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der der mehreren Strahlpumpen für unterschiedliche Gasmassenströme ausgelegt. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Strahlpumpen, welche für unterschiedliche Gasmassenströme ausgelegt sind, kann eine besonders flexible Gesamtkonfiguration erreicht werden. Insbesondere kann durch das variable Aktivieren bzw. Deaktivieren von Strahlpumpen in einer Anordnung mit mehreren Strahlpumpen, die für unterschiedliche Gasmassenströme ausgelegt sind, eine dynamische Anpassung der Volumenströme erreicht werden, die jeweils sehr gut an den Brennstoffbedarf der Brennstoffzelle angepasst ist.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems mit einer Zuführvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strahlpumpe für eine Zuführvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strahlpumpe für eine Zuführvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strahlpumpenanordnung für eine Zuführvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In den folgenden Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems 2 mit einer Zuführvorrichtung 1 zum Zuführen von Brennstoff für eine Brennstoffzelle 20. Der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, kann von einer Brennstoffquelle 30, zum Beispiel einem Tank, bereitgestellt werden und gelangt über die Zuführvorrichtung 1 zu einer Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Brennstoffzellen 20. Hierbei kann die Brennstoffmenge über die Dosierventile 12-1 und 12-2 geregelt werden. Die Brennstoffzelle 20 kann eine Anode 20a, eine Kathode 20b und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 20c in Form einer Elektrolytmembran aufweisen.
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Wie in 1 weiter schematisch dargestellt ist, kann die Brennstoffzelle 20 ferner einen Brennstoffeinlass 28 aufweisen, über welchen der Anode 20a gasförmiger Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, zugeführt werden kann. Ferner kann ein Brennstoffauslass 29 vorgesehen sein, über welchen unverbrauchter bzw. nicht reagierter Brennstoff von der Anode 20a abgeführt werden kann. Der unverbrauchte Brennstoff, welcher über den Brennstoffauslass 19 abgeführt wird, kann auch als Brennstoffüberschuss bezeichnet werden.
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Ferner kann der Brennstoffzelle 20 über einen Sauerstoffeinlass 26 an der Kathode 20b gasförmiger Sauerstoff zugeführt werden. Über einen Produktauslass 27 kann darüber hinaus unverbrauchter bzw. nicht reagierter Sauerstoff sowie chemische Reaktionsprodukte, beispielsweise Wasser von der Kathode 20b abgeführt werden.
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Wie in 1 weiter zu erkennen ist, wird der Brennstoff von der Brennstoffquelle 30 über die Dosierventile 12-1 und 12-2 und jeweils weiter über eine Strahlpumpe 10-1 bzw. 10-2 an dem Brennstoffeinlass 18 der Anode 20a der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Ferner ist der Brennstoffauslass 29 der Anode 20a der Brennstoffzelle 20 über Rezirkulationsleitungen 13, 13-1 und 13-2 mit den Rezirkulationsanschlüssen der Strahlpumpe 10-1 bzw. 10-2 verbunden. Auf diese Weise können die Strahlpumpen 10-1 bzw. 10-2 den am Brennstoffauslass 29 verfügbaren unverbrauchten Brennstoff fördern und gemeinsam mit dem Brennstoff von der Brennstoffquelle 30 erneut am Brennstoffeinlass 28 der Brennstoffzelle 20 bereitstellen.
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Ist beispielsweise eine der beiden Strahlpumpen 10-1 oder 10-2 nicht aktiv, weil zum Beispiel das entsprechende Dosierventil 12-1 oder 12-2 vollständig geschlossen ist, so besteht die Gefahr, dass Brennstoff von der noch aktiven Strahlpumpe 10-1 oder 10-2 in umgekehrter Flussrichtung über den Rezirkulationsanschluss der inaktiven Strahlpumpe 10-1 oder 10-2 in Richtung des Brennstoffauslasses 29 strömen könnte. Um dies zu verhindern, ist in den Rezirkulationsleitungen 13, 13-1 und 13-2 jeweils ein Rückschlagventil 11-1 bzw. 11-2 angeordnet. Da der Volumenstrom vom Brennstoffauslass 29 zu den Rezirkulationsanschlüssen der Strahlpumpen 10-1 und 10-2 in der Regel deutlich geringer ist, als der Volumenstrom von den Strahlpumpen zum Brennstoffeinlass 28 der Brennstoffzelle 20, können die Rückschlagventile 11-1 und 11-2 relativ gering dimensioniert werden. Insbesondere können die Rückschlagventile 11-1, 11-2 deutlich geringer dimensioniert werden, als dies der Fall wäre, wenn die Rückschlagventile zwischen den Ausgängen der Strahlpumpen 10-1 bzw. 10-2 und dem Brennstoffeinlass 28 der Brennstoffzelle 20 vorgesehen wären.
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Es versteht sich, dass die hier dargestellte Ausführungsform mit lediglich zwei Strahlpumpen 10-1 und 10-2 nur als exemplarisches Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung zu verstehen ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehr als zwei Strahlpumpen 10-1 und 10-2, beispielsweise drei, vier oder gegebenenfalls noch mehr Strahlpumpen vorzusehen.
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Wie in 1 dargestellt, können die Strahlpumpen 10-1 und 10-2, die Rückschlagventile 11-1 und 11-2 sowie die Dosierventile 12-1 und 12-2 jeweils als einzelne, separate Komponenten ausgeführt sein.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, die Strahlpumpen 10-1 bzw. 10-2, die Rückschlagventile 11-1 und 11-2 sowie die Dosierventile 12-1 und 12-2 vollständig oder zumindest teilweise in einem gemeinsamen Bauelement zu realisieren. Insbesondere können Strahlpumpe 10, Rückschlagventil 11 und/oder Dosierventil 12 in einem gemeinsamen Gehäuseblock implementiert werden.
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2 zeigt exemplarisch einen Querschnitt durch eine Strahlpumpe 10 mit integriertem Rückschlagventil 11 und Dosierventil 12. Wie in dieser Darstellung zu erkennen ist, erfolgt der Zufluss des Brennstoffs von der Brennstoffquelle 30 über ein Dosierventil 12, welches sich radial zu einem Ansaugraum 14 und einem sich darauf anschließenden Ablaufbereich befindet. Der Brennstoff wird hierbei über eine Treibdüse 15 eingeströmt, wodurch aufgrund einer Sogwirkung der Brennstoffüberschuss angesaugt wird, welcher über die Rezirkulationsleitung 13 und das axial angeordnete Rückschlagventil 11 angesaugt wird. Für einen kompakten Aufbau kann dabei das Rückschlagventil 11 und/oder das Dosierventil 12 zusammen mit der Strahlpumpe 10 in einem gemeinsamen Gehäuseblock realisiert werden.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Strahlpumpe 10 . Die Strahlpumpe 10 gemäß 3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Strahlpumpe 10 gemäß 2 darin, dass hierbei das Dosierventil 12 axial angeordnet ist, während das Rückschlagventil 11 radial angeordnet ist.
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Sowohl in Ausführungsform gemäß 2 als auch gemäß 3 kann das Rückschlagventil 11 beispielsweise als passives Rückschlagventil ausgeführt sein.
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Bei der Verwendung mehrerer Strahlpumpen 10 für die Zuführvorrichtung 1 des Brennstoffzellensystems 2 können die einzelnen Strahlpumpen 10 jeweils für einen gleichen oder zumindest annähernd gleichen Volumenstrom ausgelegt sein. In diesem Fall können beispielsweise mehrere gleiche oder gleichartige Strahlpumpen 10 verwendet werden. Je nach erforderlicher Brennstoffmenge können dabei einzelne Strahlpumpen 10 deaktiviert werden, das heißt die Zufuhr von Brennstoff von der Brennstoffquelle 30 kann unterbunden werden.
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Alternativ ist es auch möglich, mehrere Strahlpumpen 10 zu verwenden, die für unterschiedlich hohe Volumenströme ausgelegt sind. In diesem Fall können je nach Brennstoffbedarf für die Brennstoffzelle 20 eine oder mehrere der unterschiedlich dimensionierten Strahlpumpen 10-i aktiviert oder deaktiviert werden.
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In den oben beschriebenen Beispielen sind die einzelnen Strahlpumpen 10, gegebenenfalls zusammen mit dem korrespondierenden Rückschlagventil 11 und/oder dem entsprechenden Dosierventil 12 einzeln ausgeführt. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere Strahlpumpen 10 in einem gemeinsamen Gehäuseblock zu integrieren, wie dies zum Beispiel in 3 dargestellt ist. Die dabei dargestellte Kombination von zwei Strahlpumpen ist hierbei nur beispielhaft zu verstehen. Darüber hinaus können auch mehr als zwei Strahlpumpen 10 in einem gemeinsamen Gehäuseblock integriert werden.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die Dosierventile 12-1 und 12-2 axial zur Strömungsrichtung in den Strahlpumpen angeordnet, während die Rezirkulationsanschlüsse radial angeordnet sind. Selbstverständlich ist auch eine davon abweichende Anordnung, beispielsweise entsprechend der Ausführung nach 2 möglich.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem sowie eine Zuführvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Strahlpumpen zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff. Hierbei ist in den Rezirkulationsleitungen zwischen dem Brennstoffauslass für unverbrauchten Brennstoff der Brennstoffzelle und den Rezirkulationsanschlüssen der Strahlpumpen zur Förderung des unverbrauchten Brennstoffs jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004590 A1 [0004]
