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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Mediums. Des Weiteren zeigt die Erfindung den Einsatz des Ventils, beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung.
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Im Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung entsteht als Abfallprodukt Wasser und Abgas, welches nach außen abgeleitet werden muss. Dabei werden zum Absperren dichte Ventile benötigt, die den entsprechenden Anforderungen genügen. Es ist insbesondere zu beachten, dass solche Ventile mit Feuchtigkeit und Schmutz beaufschlagt werden. Aber auch bei anderen Anwendungsfällen bedarf es Ventile zum Steuern eines Mediums, um das Medium dosiert zuzuführen oder abzulassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil wird zum Steuern eines Mediums eingesetzt. Dabei handelt es sich insbesondere um flüssiges Wasser und/oder Gas. Unter „flüssigem Wasser“ ist auch ein wasserhaltiges Gemisch zu verstehen. Das erfindungsgemäße Ventil zeigt eine klare Trennung zwischen einem Ankerraum und einem Arbeitsraum, so dass das Medium lediglich in den Arbeitsraum eintritt, jedoch vom Ankerraum und auch vom umliegenden Aktor vollständig getrennt ist. Das Medium fließt aufgrund dieser Abtrennung nicht über den Ankerraum und nicht seitlich am Ankerraum, beispielsweise außerhalb des Aktors, vorbei. Vielmehr ist bei dem erfindungsgemäßen Ventil vorgesehen, dass beide Öffnungen, also die Öffnung für den Zulauf und die Öffnung für den Ablauf, unmittelbar am Gehäuse im Bereich des Arbeitsraumes positioniert sind. Der Großteil des Ventils, insbesondere der Ankerraum und der umliegende Raum, in dem sich der Aktor befindet, werden von dem Medium nicht durchströmt. Dadurch erfolgt in diesem Bereich keine Belastung (z.B. Korrosion) der Materialien durch das Medium. Des Weiteren befindet sich dadurch im gesamten Ventil eine möglichst geringe Menge des Mediums, was sich positiv bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Frost, auswirkt. Dies wird erreicht, indem das Ventil eine Gehäuseanordnung mit einem Ankerraum und einem Arbeitsraum aufweist. Wie noch im Detail erläutert wird, kann diese Gehäuseanordnung mehrteilig ausgebildet sein. Des Weiteren umfasst das Ventil einen Aktor und ein Schließelement mit Anker. Der Aktor ist insbesondere eine Magnetspule. Das Schließelement steckt mit seinem Anker in dieser Spule, so dass mittels des Aktors das Schließelement entlang einer Längsachse des Ventils bewegbar ist. Eine vorteilhaft zu verwendende Schließfeder drückt dabei das Schließelement in eine Schließstellung. Des Weiteren ist ein Ventilsitz vorgesehen. Dieser Ventilsitz weist zumindest einen Durchlass auf, so dass er vom Medium durchströmbar ist. Der Ventilsitz teilt den Arbeitsraum in eine erste Kammer und in eine zweite Kammer. Das Schließelement ist so ausgebildet, dass es den Ventilsitz verschließen und öffnen kann. Insbesondere bewegt sich das Schließelement entlang der Längsachse und drückt mit einem Dichtelement auf den Ventilsitz. Des Weiteren weist das Ventil zumindest eine Schließelementdichtung auf. Diese ist angeordnet und positioniert, um den Ankerraum gegen eindringendes Medium aus dem Arbeitsraum abzudichten. Auf einer dem Arbeitsraum zugewandten Seite des Aktors umfasst die Gehäuseanordnung eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung. Die erste Öffnung führt von außerhalb der Gehäuseanordnung in die erste Kammer. Die zweite Öffnung führt von außerhalb der Gehäuseöffnung in die zweite Kammer. Das Gehäuse ist also so ausgebildet, dass es auf der dem Arbeitsraum zugewandten Seite des Aktors die beiden Öffnungen für den Einlauf und den Ablauf aufweist. Das Medium kann somit direkt in den Arbeitsraum ein- und ausfließen. Es bedarf keiner Führung des Mediums entlang oder parallel der Längsachse, beispielsweise über den Ankerraum oder seitlich am Aktor vorbei.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Gehäuseanordnung weist vorzugsweise ein Rohr auf. Dieses Rohr steckt vorzugsweise in einem Grundgehäuse. Der Aktor, insbesondere die Spule, ist radial außerhalb des Rohrs positioniert. Insbesondere befindet sich der Aktor zwischen dem Rohr und dem äußeren Grundgehäuse. Das Schließelement ist vorzugsweise im Rohr linear beweglich angeordnet. Das Rohr erstreckt sich vorzugsweise bis in den Arbeitsraum. Vorzugsweise ist der Arbeitsraum durch das Rohr gebildet. Vorzugsweise ist der Ventilsitz im Inneren des Rohrs angeordnet.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass als weiterer Bestandteil der Gehäuseanordnung auf dem Rohr ein Adapterstück steckt. Dieses Adapterstück ist von den beiden Öffnungen durchdrungen.
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Der Ventilsitz weist vorzugsweise eine hydrophobe Beschichtung auf. Dadurch kann das Ventil schnellstmöglich trotz Anwesenheit von Wasser geöffnet werden. Die hydrophobe Beschichtung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass auch die Zumessquerschnitte mitbeschichtet sind. Die Beschichtung umfasst beispielsweise PTFE, Siliziumdioxid, LIPOCER®, diamantähnliche Kohlenwasserstoffschichten und/oder fluorierten Polymerschaum mit z.B. Fluropor.
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Die beschriebene Schließelementdichtung, die den Arbeitsraum vom Ankerraum trennt, ist vorzugsweise zwischen dem Schließelement und dem umgebenden Bereich der Gehäuseanordnung, insbesondere dem Rohr der Gehäuseanordnung, positioniert. Bei der Schließelementdichtung handelt es sich insbesondere um einen vollumfänglich geschlossenen Ring aus Elastomer.
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Das Schließelement selbst kann im Wesentlichen durch den Anker gebildet sein, der aus dem Bereich des Aktors bis in den Arbeitsraum ragt. Am ventilsitzseitigen Ende des Schließelements befindet sich vorzugsweise ein Dichtelement, dass die Durchbrüche im Ventilsitz abdichten kann. Dieses Dichtelement kann unmittelbar an den Anker oder über Zwischenelemente mit dem Anker verbunden sind.
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In besonders bevorzugter Ausführung befindet sich die Schließelementdichtung auf dem Schließelement, insbesondere dem Anker, und ist somit zusammen mit dem Schließelement linear beweglich. Dabei bewegt sich die Schließelementdichtung beim Auf- und Zumachen des Ventils relativ zur Gehäuseanordnung.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schließelementdichtung bei einem Überdruck im Ankerraum relativ zum Arbeitsraum öffnet. Dieses zerstörungsfreie Öffnen der Schließelementdichtung erfolgt durch den Überdruck im Ankerraum, so dass sich dieser Überdruck im Ankerraum durch die Schließelementdichtung hindurch in den Arbeitsraum abbaut. Dies hat z.B. den Vorteil, dass entsprechende Medien, die sich ungewollt im Ankerraum ansammeln, nicht gegenüber der Umgebung abgelassen werden müssen, sondern durch die Schließelementdichtung hindurch in den Arbeitsraum abgeführt werden können.
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Für diese Funktion der Schließelementdichtung ist insbesondere vorgesehen, dass diese einen Basisring und zumindest eine Dichtlippe umfasst. Basisring und Dichtlippe sind insbesondere einteilig gefertigt. Mit dem Basisring ist die Schließelementdichtung vorzugsweise an einer entsprechenden Nut oder einem Absatz des Schließelements positioniert. Die Dichtlippe ist dabei so ausgerichtet, dass sie sich vom Basisring in Richtung des Arbeitsraums erstreckt. Dadurch ist es möglich, dass der Überdruck im Ankerraum gegen die Dichtlippe drückt und die Dichtlippe zum Basisring hindrückt, wodurch - eine entsprechende Druckdifferenz zwischen Ankerraum und Arbeitsraum vorausgesetzt - die Dichtlippe in Richtung des Basisrings verformt wird und somit die Schließelementdichtung öffnet.
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Am Schließelement und/oder an der Gehäuseanordnung, insbesondere Rohr, ist vorzugsweise eine Beschichtung mit Kohlenstoff und/oder Nickelphosphor mit hexagonalem Bornitrid oder Wolfram vorgesehen.
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Bei dem Ventil handelt es vorzugsweise um einen Sidefeed-Ventil. Bei solch einer Ventilbauart befindet sich eine Öffnung, also entweder der Zulauf oder der Ablauf, seitlich an der Gehäuseanordnung. Bevorzugt ist somit vorgesehen, dass die erste Öffnung bezüglich der Längsachse seitlich an der Gehäuseanordnung, insbesondere dem Adapterstück, positioniert ist. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Öffnung stirnseitig an der Gehäuseanordnung, insbesondere dem Adapterstück, positioniert ist. Die Mittelachse der ersten Öffnung erstreckt sich somit vorzugsweise geneigt, insbesondere senkrecht, zur Längsachse. Die Mittelachse der zweiten Öffnung steht vorzugsweise parallel, insbesondere koaxial, zur Längsachse.
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Vorzugsweise weist die Gehäuseanordnung, insbesondere das Adapterstück, an der ersten Öffnung einen ersten Anschluss auf. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gehäuseanordnung, insbesondere das Adapterstück, an der zweiten Öffnung einen zweiten Anschluss aufweist. Der Anschluss ist insbesondere durch die Geometrie des Materials, welches die jeweilige Öffnung umgibt, gegeben. Der jeweilige Anschluss ist insbesondere zum Anschließen eines Anschlusselements ausgebildet. Dieses Anschlusselement wird insbesondere angesteckt oder angeschraubt.
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Insbesondere bei der zweiten Öffnung, die sich vorzugsweise stirnseitig an der Gehäuseanordnung befindet, ist es auch möglich, den zugehörigen zweiten Anschluss nicht im Adapterstück auszubilden, sondern das Rohr der Gehäuseanordnung mit seinem stirnseitigen Ende entsprechend als zweiten Anschluss auszubilden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die beiden Anschlüsse geometrisch gleich sind, so dass das selbe Anschlusselement am ersten Anschluss und am zweiten Anschluss anschließbar ist. Hierzu wird insbesondere das Adapterstück zur Ausgestaltung beider Anschlüsse verwendet, da bei so einem aufgesteckten Adapterstück eine sehr flexible Geometrie an beiden Anschlüssen gestaltet werden kann.
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Durch die geometrisch gleiche Ausgestaltung der beiden Anschlüsse wird sichergestellt, dass Anschlusselemente, je nach Anwendungsfall, an beiden Anschlüssen angeschlossen werden können. Es bedarf somit für unterschiedliche Anwendungsfälle nur ein und dasselbe Ventil bzw. Ventile mit baugleichen Gehäuseanordnungen.
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Bei dem Anschlusselement, dass am ersten oder zweiten Anschluss angeschlossen wird, kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Bauteil, beispielsweise einen Schlauch oder ein Rohr handeln. Besonders bevorzugt umfasst das Ventil jedoch in Filterelement. Dieses Filterelement wiederum umfasst ein Filtergehäuse an dem ein Filter positioniert ist. Das Filtergehäuse ist so ausgebildet, dass es an einem der beiden Anschlüsse, vorzugsweise wahlweise an beiden Anschlüssen, anschließbar ist. Dabei wird das Filtergehäuse nicht etwa über ein Rohrstück oder einen Schlauch mit der Gehäuseanordnung verbunden, sondern es erfolgt ein direktes Anschließen des Filtergehäuses an dem jeweiligen Anschluss. Hierzu ist das Filtergehäuse insbesondere in den Anschluss einsteckbar.
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Zwischen dem Adapterstück und der restlichen Gehäuseanordnung, insbesondere dem Rohr, ist vorzugsweise zumindest eine Adapterdichtung positioniert. Die Adapterdichtung ist beispielsweise ein O-Ring.
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Das beschriebene Filterelement wird insbesondere an der Einlaufseite des Ventils positioniert, so dass etwaiger Schmutz außerhalb des Arbeitsraumes des Ventils abgefangen wird.
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Die Erfindung umfasst ferner eine Brennstoffzellenanordnung. Diese Brennstoffzellenanordnung weist einen Anodenkreislauf auf, an dem zumindest ein Ventil eingesetzt ist, wie es vorab beschrieben wird. Das Ventil ist dabei insbesondere zum Abführen von Wasser und/oder Abgas aus dem Anodenkreislauf angeordnet.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Wassereinspritzanordnung eines Verbrennungsmotors. Dabei ist das vorab beschriebene Ventil insbesondere dazu angeordnet, um Wasser in der Wassereinspritzanordnung zu dosieren und/oder abzulassen.
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Des Weiteren kann das hier beschriebene Ventil für beliebige Flüssigkeiten und/oder beliebige Gase verwendet werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein Detail von 1,
- 3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Ventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Haltebügel,
- 4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 5 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit erfindungsgemäßem Ventil gemäß allen Ausführungsbeispielen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden wird anhand der 1 bis 3 ein Ventil 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail erläutert. Anhand von 4 werden Unterschiede zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel des Ventils 1 erläutert. 5 zeigt rein schematisch den Einsatz des Ventils 1 gemäß den beiden Ausführungsbeispielen in einer Brennstoffzellenanordnung 100.
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Das Ventil 1 umfasst eine Gehäuseanordnung 2. Die Gehäuseanordnung 2 ist mehrteilig zusammengesetzt. So umfasst die Gehäuseanordnung 2 ein Grundgehäuse 3, in dem auch ein Anschlussstecker 20 für die Steuerung des Ventils 1 vorgesehen ist. In dem Grundgehäuse 3 steckt ein Rohr 4, dass sich entlang einer Längsachse 30 erstreckt. Auf dem Rohr 4 wiederum steht ein Adapterstück 5, das ebenfalls Bestandteil der Gehäuseanordnung 2 ist.
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Innerhalb der Gehäuseanordnung 2, insbesondere im Rohr 4, ist ein Ankerraum 6 ausgebildet. Des Weiteren ist in der Gehäuseanordnung 2, insbesondere im Rohr 4, ein Arbeitsraum 7 definiert. Dieser Arbeitsraum 7 wird durch einen Ventilsitz 10, der sich fest im Rohr 4 befindet, in eine erste Kammer 8 und eine zweite Kammer 9 unterteilt. Die erste Kammer 8 befindet sich auf einer dem Ankerraum 6 zugewandten Seite des Ventilsitzes 10. Die zweite Kammer 9 befindet sich auf einer vom Ankerraum 6 abgewandten Seite des Ventilsitzes 10.
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Zwischen dem Rohr 4 und dem Grundgehäuse 3 befindet sich ein Aktor 11 mit einer Spule. Im Inneren des Rohres 4 ist ein Schließelement 12 entlang der Längsachse 30 linear beweglich geführt.
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Das Schließelement 12 umfasst einen Anker 13 und ein Dichtelement 14, das stirnseitig am Anker 13 angeordnet ist. Der Anker 13 des Schließelements 12 erstreckt sich vom Ankerraum 6 bis in den Arbeitsraum 7. Im Arbeitsraum 7 liegt das Dichtelement 14, im geschlossenen Zustand des Ventils 1, auf dem Ventilsitz 10 auf und dichtet dabei die entsprechenden Durchlässe im Ventilsitz 10 ab.
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Mittels einer Schließerfeder 15 ist das Schließelement 12 in Richtung seiner Schließstellung belastet. Die Federkraft kann mittels einer Einstellhülse 16 eingestellt werden. Auf einer dem Arbeitsraum 7 abgewandten Seite des Ankerraums 6 ist das Rohr 4 mittels eines Verschlusses 17 verschlossen.
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Auf dem Schließelement 12, im gezeigten Beispiel auf dem Anker 13, sitzt eine Schließelementdichtung 18. Diese Schließelementdichtung 18 dichtet den Arbeitsraum 7 gegenüber dem Ankerraum 6 ab, so dass sich das Medium ausschließlich im Arbeitsraum 7 und somit ausschließlich auf der dem Arbeitsraum 7 zugewandten Seite des Aktors 11 befindet. Die genaue Ausgestaltung der Schließelementdichtung 18 zeigt die Detaildarstellung in 2. Zu sehen ist, dass die Schließelementdichtung 18 einen Basisring 28 integral gefertigt mit einer Dichtlippe 29 umfasst. Die Dichtlippe 29 erstreckt sich vom Basisring 28 in Richtung des Arbeitsraums 7. Dadurch ist es möglich, dass bei einem Überdruck im Ankerraum 6 relativ zum Arbeitsraum 7 durch diesen Überdruck die Schließelementdichtung 18 geöffnet wird. Dabei wird die Dichtlippe 29 radial nach Innen verformt.
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Zur Abdichtung des Adapterstücks 5 sind zwei Adapterdichtungen 19, insbesondere als O-Ringe, vorgesehen. Diese Adapterdichtungen 19 dichten zwischen dem aufgesteckten Adapterstück 5 und der Außenfläche des Rohres 4.
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Die Gehäuseanordnung 2 weist eine erste Öffnung 21 auf, die bezüglich der Längsachse 30 seitlich angeordnet ist und vom äußeren der Gehäuseanordnung 2 in die erste Kammer 8 führt. Diese erste Öffnung 21 durchdringt das Adapterstück 5 und das Rohr 4. An der ersten Öffnung 21 ist ein erster Anschluss 23 ausgebildet. Des Weiteren ist eine zweite Öffnung 22 vorgesehen, die stirnseitig, also parallel zur Längsachse 30, das Adapterstück 5 durchdringt und in das stirnseitige Ende des Rohrs 4 und somit in die zweite Kammer 9 führt. An der zweiten Öffnung 22 ist ein zweiter Anschluss 24 vorgesehen.
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Die beiden Anschlüsse 23, 24 sind im ersten Ausführungsbeispiel geometrisch gleich ausgebildet, so dass dasselbe Anschlusselement 25, hier gezeigt als Filterelement, an beiden Anschlüssen 23, 24 anschließbar, insbesondere einsteckbar, ist.
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Dieses als Filterelement ausgebildete Anschlussstück 25 umfasst ein Filtergehäuse 26. In dem Filtergehäuse 26 sitzt ein Filter 27. Das Filtergehäuse 26 wird direkt am jeweiligen Anschluss 23, 24 angeschlossen.
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3 zeigt in perspektivischer Ansicht, dass das Ventil 1 einen Haltebügel 31 umfassen kann. Dieser Haltebügel 31 umfasst zwei gegenüberliegende Befestigungslaschen 32. Zwischen diesen beiden Befestigungslaschen 32 erstreckt sich der Haltebügel 31 hutförmig über die Gehäuseanordnung 2 hinweg, so dass mittels des Haltebügels 31 das Ventil 1 auf einem weiteren Bauteil befestigt werden kann.
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4 zeigt das Ventil 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Grundsätzlich zeigt diese Darstellung, dass der Filter auch am ersten Anschluss 23 angeordnet werden kann, so dass der erste Anschluss 23 als Einlauf und der zweite Anschluss 24 als Auslauf fungiert.
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Des Weiteren verdeutlicht das zweite Ausführungsbeispiel, dass die beiden Anschlüsse 23, 24 nicht zwangsläufig geometrisch gleich ausgebildet sein müssen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Anschluss 24 zum Aufstecken eines Rohrs oder Schlauches ausgebildet.
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Des Weiteren erstreckt sich im zweiten Ausführungsbeispiel das Rohr 4 bis in den Bereich des zweiten Anschlusses 24 und überragt dabei das Adapterstück 5. Das Rohr 4 und das Adapterstück 5 sind im Bereich des zweiten Anschlusses 24 verschweißt, so dass die untere Adapterdichtung 19 im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel entfallen kann.
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5 zeigt rein schematisch eine Brennstoffzellenanordnung 100 mit einem Brennstoffzellen-Stack 101, an dem sich ein Anodenkreislauf 103 befindet. In dem Anodenkreislauf 103 befindet sich ein Kreislaufgebläse 104. Von einem Brennstoff-Tank 102 führt eine Brennstoffleitung in den Anodenkreislauf 103. In der Brennstoffleitung befindet sich ein Dosierventil 105.
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Des Weiteren zeigt die schematische Darstellung in 5, dass sich im Anodenkreislauf 103 das Ventil 1 gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel befindet.
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Allerdings kann das Ventil 1 gemäß aller Ausführungsbeispiele auch in anderen Anordnungen und für andere Anwendungsfälle eingesetzt werden, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert wurde.
