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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
gemäß dem Oberbegriff des
unabhängigen
Patentanspruches 1 und auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches
14.
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In
einem Brennstoffzellensystem sammelt sich üblicherweise Wasser in der
Nähe der
Elektrolytmembranen eines Brennstoffzellenpaketes während der
Erzeugung der elektrischen Leistung an, blockiert feine Poren der
Elektrolytmembranen und verschlechtert die Arbeitsleistung des Brennstoffzellenpaketes.
Um diese Situation zu meistern wurde vorgeschlagen, die Brennstoffzelle
mit Luft oder Stickstoffgas zu spülen zum Abscheiden von Wasser
von dem Brennstoffzellenpaket.
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Aus
der
DE 697 01 432
T2 sind ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der
eingangs genannten Art bekannt.
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In
der JP 7-235324 wurde vorgeschlagen, den feuchten Zustand der Elektroden
zu ermitteln, nämlich
die Änderung
des elektrischen Widerstandes an den Elektroden zu ermitteln, und
das Brennstoffzellenpaket mit Sauerstoffgas zu spülen, um
dadurch das Wasser nach außen
ausströmen
zu lassen.
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Da
eine solche Brennstoffzelle jedoch nicht so betrieben wird, dass
verschiedene Betriebszustände
eines beweglichen Objekts, das durch das Brennstoffzellenpaket während des
Spülvorganges des
Brennstoffzellenpaketes mit geeigneten Gas, wie z.B. Luft, um Produktwasser
abzuscheiden, angetrieben wird, besteht eine Situation, bei der
elektrische Leistung, die durch das Brennstoffzellenpaket zu erzeugen
ist, begrenzt ist.
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Bei
dem mit der Brennstoffzelle angetriebenen beweglichen Objekt, wie
z.B. einem Elektrokraftfahrzeug, verändert sich die Betriebslast
in einem breiten Bereich, und die Fahrleistung des elektrischen
Fahrzeugs wird aufgrund der ungenügenden Größe der elektrischen Leistungsabgabe,
die durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, verschlechtert.
Um diese Situation zu meistern, ist es erforderlich, dass eine zusätzliche
zweite Batterie unerwünschterweise
erforderlich ist, um die ungenügende
elektrische Leistungsabgabe zu erhöhen, um dadurch den Brennstoffverbrauch
zu senken.
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Aus
der
DE 100 44 407
A1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle
mit einer Anodenpassage vorgeschlagen, wobei die Anodenpassage mit
einer Wasserentfernungseinrichtung und einem Wasserstoffspeicherbehälter über ein
Dreiwegeventil verbunden ist. Hierbei ist das Dreiwegeventil vorgesehen,
um die Anodenpassage direkt mit der Umgebung oder mit der Wasserentfernungseinrichtung
und dem Wasserstoffspeicherbehälter
zu verbinden. Eine Steuerung schaltet das Dreiwegeventil in einer
ersten Position, in der überschüssiger Wasserstoff,
inerte Gase oder Wasser direkt von der Anodenpassage zu der Wasserentfernungseinrichtung
geleitet werden, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb eines
gesetzten Grenzwertes liegt bzw. das Fahrzeug im Stillstand ist,
oder sich in einem geschlossenen Raum befindet. Auf der anderen
Seite, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über dem gesetzten Grenzwert
ist, schaltet die Steuerung das Dreiwegeventil in eine zweite Position,
in der der überschüssige Wasserstoff,
inerte Gase und Wasser direkt in die Atmosphäre durch Saugwirkung freigesetzt
werden. Da das Dreiwegeventil nicht mit der Luftzuführung bzw.
dem Sauerstoffeingang und dem Luftablaß verbunden ist, wird bei der "Spülung" der Brennstoffzelle der
Sauerstoff nicht mit entfernt bzw. nicht zum Spülen verwendet.
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Aus
der
DE 101 07 127
A1 wird ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum
Steuern desselben vorgeschlagen. Hierbei wird die Drehzahl einer
Wasserstoffansaugpumpe auf der Auslassseite eines Brennstoffzellenpakets
erhöht,
wobei ein Steuerventil für
die Wasserstoffleitung zum selben Zeitpunkt geschlossen wird, so
daß ein
Unterdruckbereich auf der Auslassseite des Brennstoffzellenpakets
entsteht. Nach dem Aufbau des Unterdruckbereiches wird das Steuerventil
geöffnet,
so daß Feuchtigkeit
oder überflüssiger Wasserstoff
aus dem Brennstoffzellenpaket ausgesaugt werden kann. Nach dem Entfernen
der Feuchtigkeit bzw. des überflüssigen Wasserstoffes
wird ein Strömungssteuerventil
auf der Einlassseite des Brennstoffzellenpakets geöffnet, um
Wasserstoff mit einer höheren
Flussrate in Verbindung mit dem Unterdruckbereich auf der Auslaßseite in
das Brennstoffzellenpaket einzusaugen. Da die Luftzuführungseinheit
und der Sauerstoffausströmdurchlaß direkt
mit der Brennkammer verbunden sind, ist ein Entfernen von Feuchtigkeit bzw. überflüssigem Wasserstoff
unabhängig
von der Luftzuführung
zu dem Brennstoffzellenpaket durchführbar.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass ein sicheres
Entfernen von Wasser aus einem Brennstoffzellenpaket durchgeführt und
ein mögliches
Absinken der Antriebsleistung bzw. der Arbeitsleistung des Brennstoffzellensystems
ausgeschlossen werden.
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Des
weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass ein sicheres Entfernen
von Wasser aus einem Brennstoffzellenpaket durchgeführt und
ein Verschlechtern der Arbeitsleistung des Brennstoffzellensystems
ausgeschlossen werden.
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Die
oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem,
das für
ein bewegliches Objekt verwendet wird, mit einer Brennstoffzelle;
einer ersten Strömungssteuereinrichtung,
die eine Strömungsgeschwindigkeit
von sauerstoffhaltigem Gas steuert, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist;
einer zweiten Strömungssteuereinrichtung,
die eine Strömungsgeschwindigkeit
von wasserstoffhaltigem Gas steuert, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist;
und einer Spüleinrichtung,
die die erste Strömungssteuereinrichtung
und die zweite Strömungssteuereinrichtung
aktiviert, wobei die erste Strömungssteuereinrichtung
und die zweite Strömungssteuereinrichtung
angepasst sind, zusätzliches
sauerstoffhaltiges Gas und zusätzliches
wasserstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle als Spülfluid zuzuführen, um
Wasser aus der Brennstoffzelle entsprechend eines Lastzustandes
des beweglichen Objektes zu entfernen.
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Des
weiteren wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems für ein bewegliches
Objekt, das durch die Brennstoffzelle angetrieben wird, wobei das
Brennstoffzellensystem eine erste Strömungssteuereinrichtung, die
eine Strömungsgeschwindigkeit
von sauerstoffhaltigem Gas steuert, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, und
eine zweite Strömungssteuereinrichtung,
die eine Strömungsgeschwindigkeit
von wasserstoffhaltigem Gas steuert, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist,
aufweist, mit dem folgenden Verfahrensschritt Ermitteln eines Lastzustandes
des beweglichen Objektes, wobei die Verfahrensschritte vorgesehen
sind Zuführen
zusätzliches
sauerstoffhaltiges Gases und zusätzliches
wasserstoffhaltiges Gases in die Brennstoffzelle als ein Spülfluid,
um Wasser aus der Brennstoffzelle entsprechend eines Lastzustandes
des beweglichen Objektes zu entfernen.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den
Unteransprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. In
diesen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge
des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform
darstellt;
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3 Zeitablaufdiagramme,
die die Arbeitsweise der Strömungssteuerventile
gemäß der Ausführungsform
darstellen;
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4 ein
allgemeines Flussdiagramm, das die Operationsfolge einer zweiten
Ausführungsform eines
Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge
einer dritten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge
einer vierten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
Blockdiagramm einer fünften
Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge
des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform;
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9 ein
Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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10 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge
des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform.
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Eine
Beschreibung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens
in Übereinstimmung mit
jeder der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird nun im einzelnen nachstehend auf
geeignete Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben durch
Veranschaulichung eines Aufbaus, der für ein Fahrzeug angewendet wird.
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Zuerst
wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben
entsprechend der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung bei einem beweglichen Objekt, wie z.B.
einem Fahrzeug 2, darstellt. 2 zeigt
ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge der
Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems, das in 1 gezeigt
ist, und 3 zeigt Zeitablaufdiagramme,
die die Arbeitsweise der Strömungssteuerventile
der Ausführungsform
von 1 darstellen.
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In
dieser Ausführungsform
schließt
das Brennstoffzellensystem 1, welches in dem Fahrzeug 2 eingebaut
ist, ein Brennstoffzellenpaket 11 ein, das eine Vielzahl
von Gruppen eines Elektrolyts und sich gegenüberliegenden Elektroden, nämlich einer
Anode und einer Kathode, die sich gegenüberliegen, und auf beiden Seiten
des Elektrolyts angeordnet sind, aufweisen. Eine Anode des Brennstoffzellenpakets 11 wird
mit wasserstoffhaltigem Gas versorgt, welches über ein Wasserstoffgas-Zuführrohr 15 von
einem Reformer 14 gefördert
wird, und eine Kathodenkammer des Brennstoffzellenpakets 11 wird
mit Druckluft aus sauerstoffhaltigem Gas versorgt, das von einem
Kompressor 12 über
ein Luft-Zuführrohr 13 gefördert wird.
Obwohl in der Ausführungsform das
Brennstoffzellensystem so beschrieben wird, dass es den Reformer 14 aufweist,
der ein Zulaufstoff (feedstock) z.B. Methanol mit Dampf umwandelt,
um dadurch ein Brennstoffgas (wasserstoffhaltiges Gas) zu erzeugen,
das eine große
Menge an Wasserstoff enthält,
ist eine Zuführquelle
für das
wasserstoffhaltige Gas nicht auf den Reformer begrenzt, sondern kann
durch einen Wasserstofftank oder eine Wasserstoffabsorptionslegierung
ersetzt werden.
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Das
Brennstoffzellenpaket 11 weist ein Luft-Abgasrohr 16 und
ein Wasserstoffgas-Abgasrohr 17 auf.
Das Luft-Abgasrohr 16 weist ein Luft-Strömungssteuerventil
(air flow control valve) 18, das einem ersten Strömungssteuerventil
gemäß der Erfindung
ent spricht, auf, und das Wasserstoffgas-Abgasrohr 17 weist
ein Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil
(hydrogen gas flow control valve) 19 auf, das einem zweiten
Strömungssteuerventil
gemäß der vorliegenden
Erfindung entsprich. Das Luft-Strömungssteuerventil 18 und
das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 funktionieren
so, dass sie die jeweiligen Ventilöffnungen steuern zum Regulieren
der Luft und des Wasserstoffgases mit jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten,
die dem Brennstoffzellenpaket 11 solcherart zuzuführen sind,
dass es eine elektrische Leistungsabgabe erzeugt, die durch die
Betriebszustände
der beweglichen Objekte, wie z.B. Fahrzeuge, erfordert werden. Das Luft-Zuführrohr 13 weist
einen Luftdrucksensor 20 auf, der den Luftdruck ermittelt,
um ein Luftdruck-Ermittlungssignal PA zu erzeugen, und das Wasserstoffgas-Zuführrohr 15 weist
einen Wasserstoffgasdrucksensor 21 auf, der den Druck des
Wasserstoffgases ermittelt, um ein Wasserstoffgasdruck-Ermittlungssignal
PH zu erzeugen, so dass die Luft und das Wasserstoffgas, die der
Brennstoffzelle 11 zugeführt werden, auf jeweiligen
vorbestimmten Drücken
auf eine Weise beibehalten werden, die nachstehend beschrieben werden
wird.
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Ferner
weist das Brennstoffzellensystem 1 auch einen Wassertemperatursensor 22 auf,
der die Temperatur von Kühlwasser
(water coolant) ermittelt, das dem Brennstoffzellenpaket 11 zuzuführen ist,
um ein Kühlwassertemperatur-Ermittlungssignal
TW zu erzeugen, das zum Unterscheiden des Aufwärm-Betriebszustandes des Brennstoffzellenpaketes 11 verwendet
wird.
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Auch
werden die Ermittlungssignale PA, PH, TW, die durch den jeweiligen
Luftdrucksensor 20, den Wasserstoffgasdrucksensor 21 und
den Kühlwassertemperatursensor 22 abgegeben
werden, einer Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 eingegeben. Die
Brennstoffzellen-Steuereinheit reagiert auf diese Ermittlungssignale
und erzeugt Befehlssignale 23a, 23b, 23c, 23d,
die an den Kompressor 12, den Reformer 14, das
Luft-Strömungssteuerventil 18 und
das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 jeweils angelegt
werden.
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Andererseits
schließt
das Brennstoffzellensystem 1 ferner eine Fahrzeugsteuereinheit 24 ein, schließt einen
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 25 ein, der die Fahrzeuggeschwindigkeit
ermittelt und ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignal 25a erzeugt,
und schließt
einen Gaspedalöffnungssensor 26 ein,
der eine Gaspedalöffnung
ermittelt, um ein Gaspedalöffnungs-Ermittlungssignal 26a zu
erzeugen. Die Fahrzeugsteuereinheit 24 reagiert auf das Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignal 25a und
das Gaspedalöffnungs-Ermittlungssignal 26a und
erzeugt ein Befehlswert-Ausgabesignal 24a, welches
einem Antriebsbefehlswert D entspricht, das an einen Antriebsmotor 3 angelegt
wird, während
der Antriebsmotor 3 gesteuert wird.
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2 ist
ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen der Basis-Operationsfolge,
welche wiederholt durch einen Mikrocomputer (nicht gezeigt) der
Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 ausgeführt wird,
die mit der Fahrzeugsteuereinheit 24 in Übereinstimmung
mit einem Programm zum Steuern der ersten und zweiten Strömungssteuerventile 18, 19 zusammenarbeitet,
solcherart, dass das Brennstoffzellensystem 11 mit Luft
und Wasserstoffgas mit jeweiligen gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten versorgt
wird, um die Betriebszustände
des Fahrzeugs zu erfüllen.
Beim Start, d.h., wenn ein Startschlüssel auf EIN gedreht wird,
wird die Kühlwassertemperatur
in Stufe S10 ermittelt, um ein Kühlwasser-Ermittlungssignal
TW zu erzeugen, und das Kühlwasser-Ermittlungssignal
TW wird in ein Register der Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 eingelesen. In
den Ausführungsstufen
S10 und S20 wird ermittelt, ob die Anwärmtemperatur (warm-up temperatur)
des Brennstoffzellenpaketes 11 den vorgegebenen Wert erreicht
oder unterhalb des vorhandenen Wertes ist. Das heißt, die
Steuerung der Auslassoperation des Kühlwassers beginnt ausgeführt zu werden,
wenn die Anwärmtemperatur
den vorgegebenen Wert erreicht. Mehr im einzelnen, in der Ausführungsstufe S20
wird das Kühlwassertemperatursignal
TW, das die laufende Temperatur, die durch den Kühlwassertemperatursensor 22 ermittelt
wurde, mit einem Referenzvorgabetemperatursignal TWO verglichen,
das repräsentiert,
dass der Aufwärmbetrieb
des Brennstoffzellenpakets 11 abgeschlossen ist, und die
Operation wartet, bis das Kühlwassertemperatursignal TW
den Vorgabewert TWO erreicht hat. Somit wird ermittelt, ob die Aufwärmtemperatur
des Brennstoffzellenpaketes 11 den vorgegebenen Wert erreicht hat
oder unterhalb des vorhandenen Wertes ist. Das wird aufgrund der
Tatsache vorgenommen, dass die Steuerung der Auslassoperation für das Kühlwasser beginnt
ausgeführt
zu werden, wenn die Aufwärmoperation
des Brennstoffzellenpaketes 11 abgeschlossen ist.
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In
der nächsten
Ausführungsstufe
S30 werden das Luftdruck-Ermittlungssignal PA und das Wasserstoffgasdruck-Ermittlungssignal
PH durch den Luftdrucksensor 20 und den Wasserstoffgasdrucksensor 21 jeweils
ermittelt, wobei die Drucksignale in ein Register der Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 eingelesen
werden. Die Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 reagiert
auf diese Eingangssignale und steuert die Drehzahl des Kompressors 12, des
Reformers 14, das Luft-Strömungssteuerventil 18 und
das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 solcherart,
dass die Drücke
an der Seite der Anode und der Seite der Kathode des Brennstoffzellenpaketes 11 und
die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite
nicht jeweilige zulässige
Grenzwerte überschreiten,
um zu verhindern, dass eine Elektrolytmembran zerreißt. Diese
Steuerung wird wiederholt bei aufeinanderfolgenden Abtastintervallen
ausgeführt.
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In
den Stufen S40 bis S80 werden aufeinanderfolgende Operationen ausgeführt, um
den Verzögerungszustand
des Fahrzeuges zu erfüllen.
Mehr im einzelnen, wenn das Fahrzeug auf die Verzögerung während der
Fahrt trifft, wird der Antriebsbefehlswert D, der an den Antriebsmotor 3 von
der Fahrzeugsteuereinheit 24 angelegt wird, Null, d.h.,
das Fahrzeug wird nicht angetrieben. In der Stufe S40 wird das Befehlswert-Ausgabesignal 24a,
das dem Antriebsbefehlswert entspricht, das an den Antriebsmotor 3 von der
Fahrzeugsteuereinheit 24 angelegt wird, in ein Register
der Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 eingelesen. In der
Stufe S40 wird das Befehlswert-Ausgabesignal 24a mit den
vorgegebenen Daten verglichen, und wenn das Befehlswert-Ausgabesignal 24a die
vorgegebenen Daten erreicht, repräsentiert eine Ausgabe von Stufe
S50, dass ein Lastzustand des Fahrzeugs als in einem Verzögerungszustand
befindlich ermittelt wird.
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Der
Verzögerungszustand
des Fahrzeugs kann nicht nur einen Fall einschließen, wo
das Fahrzeug einer negativen Beschleunigung begegnet, sondern auch
einen Fall, bei dem das Fahrzeug in eine geringe Last aufgrund des
Loslassens des Gaspedals gebracht wird. Unter diesen Bedingungen
ist es möglich,
das Brennstoffzellenpaket 11 zu spülen.
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In
Stufe S60 werden sowohl das Luft-Strömungssteuerventil 18 als
auch das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 für ein kurzes
Zeitintervall geschlossen bei jeder vorgegebenen Zykluszeit, solcherart,
dass die Innendrücke
des Brennstoffzellenpaketes 11 ansteigen. In der folgenden
Stufe S70 werden dann das Luft-Strömungssteuerventil 18 und
das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 in ihren
geöffneten
Zuständen
gehalten, bis der Verzögerungszustand
des Fahrzeugs abgeschlossen ist (Stufe S80). In diesem Fall ist
es jedoch erforderlich, die Druckdifferenz zwischen der Anodenkammer, und
der Kathodenkammer solcherart zu überwachen, dass die Druckdifferenz
nicht einen vorbestimmten zulässigen
Wert überschreitet.
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Während jedes
Verzögerungszustandes
des Fahrzeuges wird Produktwasser (product water), das in dem Brennstoffzellenpaket 11 verbleibt,
wirksam durch das Luft-Abgasrohr 16 und das Wasserstoffgas-Abgasrohr 17 abgelassen.
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Übrigens,
wenn das Luft-Strömungssteuerventil 18 und
das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil 19 in
ihren jeweilig vollständig
geschlossenen Positionen in der Stufe S60 geschlossen sind, werden
die Innendrücke
des Brennstoffzellenpaketes 11 durch den Luftdrucksensor 20 und
dem Wasserstoffdrucksensor 21 überwacht, und die Strömungssteuerventile 18, 19 werden
sofort wieder geöffnet,
bevor die Druckdifferenz den zulässigen
Grenzwert erreicht.
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3 zeigt
Zeitablaufdiagramme, die die Beziehungen zwischen Änderungen
der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeuglast und den Öffnungen
und der Strömungssteuerventile 18, 19 und
den Betriebszustand des Fahrzeugs, das durch das Brennstoffzellensystem 1 von 1 angetrieben wird,
darstellt. Wie durch die Zeitablaufdiagramme von 3 gezeigt
ist, ist, wenn sich das Fahrzeug von einem Verzögerungsstartpunkt P1 zu einem
Beschleunigungsstartpunkt P2 bewegt, die Beschleunigung des Fahrzeugs
Minus oder Null, und während dieses
Zeitintervalls ist die Fahrzeuglast Null. In diesem Fall sind die
Strömungssteuerventile 18, 19 gleichzeitig
an dem Verzögerungsstartpunkt
P1 geschlossen, denn danach werden diese Steuerventile 18, 19 augenblicklich
wieder geöffnet.
Wenn die Beschleunigung an dem Punkt P2 begonnen hat, kehrt das
Brennstoffzellen-Steuersystem 1 in seine normale Steuerbetriebsart
zurück.
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Als
nächstes
werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
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4 zeigt
ein allgemeines Flussdiagramm, das die Basis-Operationsfolge der
zweiten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt, vorausgesetzt, dass das Brennstoffzellensystem die gleichen
Komponenten hat, wie in 1 gezeigt ist. In der zweiten
Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung arbeitet
das Brennstoffzellensystem in der gleichen Basisfolge, wie in 2 gezeigt
ist, außer
der folgenden Abfolge. Das heißt,
obwohl der Verzögerungszustand
des Fahrzeugs durch Verwendung der Befehlswert-Steuersignale ermittelt wurde,
die an die Brennstoffzellen-Steuereinheit 23 des Fahrzeugs
in Stufe S40 von 2 angelegt wurde, wird die Verzögerung des
Fahrzeugs in der Stufe S41 von 4 in der
zweiten Ausführungsform
unter Verwendung des Gaspedalöffnungs-Ermittlungssignals 26a und
des Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignals 25a ermittelt
(siehe 1). Es ist anzumerken, dass das Gaspedalöffnungs-Ermittlungssignal 26a entweder
einem Vollständig-Geschlossen-Signal
oder einem Zeitänderungssignal vom Öffnungszustand
zum Schließzustand
des Gaspedals entsprechen. Das heißt, um den Lastzustand des
Fahrzeugs zu ermitteln, wird ein Gaspedalöffnungsgrad ermittelt, und
wenn der Gaspedalöffnungsgrad
in seinem Vollständig-Geschlossen-Zustand
oder die Zeitänderungsgröße des Gaspedalöffnungsgrades
vom Öffnungszustand
zum Schließzustand
gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, wird ein Lastzustand des Fahrzeugs als
in einem Verzögerungszustand
befindlich ermittelt. Das Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignal 25a,
das einer Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, die gleich oder kleiner
als ein vorbestimmter Wert ist, wird zusätzlich verwendet, um auf sichere
Weise den Verzögerungszustand zu
ermitteln. Bevorzugterweise wird durch Verwendung eines solchen
Gaspedalöffnungs-Ermittlungssignals 26a und
des Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignals 25a der
Verzögerungszustand
des Fahrzeugs ermittelt.
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Da
in Übereinstimmung
mit den obigen Ausführungsformen
das Produktwasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, während des
Verzögerungszustandes
des beweglichen Objektes, das keine elektrische Leistung erfordert,
ausströmt,
kann das Produktwasser ohne Verschlechterung der Antriebsleistung
des beweglichen Objektes abgelassen werden, und die Verschlechterung
der Arbeitsleistung der Brennstoffzelle aufgrund des Blockierens der
feinen Poren der Elektrolytmembranen kann wirksam verhindert werden.
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Das
Produktwasser wird von dem Brennstoffzellenpaket in einer besonders
zuverlässigen Weise
in Reaktion auf das Lastermittlungssignal des beweglichen Objektes
ohne Verschlechterung der Arbeitsleistung des Brennstoffzellenpaketes
abgeschieden. Das erste und zweite Strömungssteuerventil wird verwendet,
und die Brennstoffzellen-Steuereinheit öffnet das
erste und zweite Strömungssteuerventil
solcherart, dass das sauerstoffhaltige Gas und das wasserstoffhaltige
Gas in das Brennstoffzellenpaket als Spülgas geführt werden, um Wasser von dem
Brennstoffzellenpaket abzuscheiden. Dieses offensichtliche Ergebnis
besteht in der Vermeidung von kostspieligen neuen ersten und zweiten
Strömungssteuerventilen
und zugehörigen
Komponenten.
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Das
sauerstoffhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas werden während dem
Verzögerungszustand
des beweglichen Objektes dem Brennstoffzellenpaket zugeführt. Demzufolge
wird dem Brennstoffzellenpaket kein Spülgas während eines normalen Betriebszustandes
des beweglichen Objektes zugeführt,
bei dem eine maximale Leistungsabgabe während des Beschleunigungszustandes
des beweglichen Objektes erforderlich ist.
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Das
bewegliche Objekt, wie z.B. Fahrzeuge, wird einem häufigen Beschleunigen
oder Verzögern während der
Fahrt unterworfen, und eine große
Menge an Wasser wird in dem Brennstoffzellenpaket gebildet, besonders
wenn das bewegliche Objekt unter einer hohen Last fährt, nämlich während der
Beschleunigung. Nach der Beschleunigung des beweglichen Objekts
geht das bewegliche Objekt zweifellos in einen Verzögerungszustand über. Während der Verzögerung des
beweglichen Objektes ist eine elektrische Leistung zum Antreiben
des beweglichen Objektes auf einem minimalen Niveau und dementsprechenderweise
wird dem Brennstoffzellenpaket Spülgas zugeführt, um Wasser während der
Verzögerung des
beweglichen Objektes abzuscheiden.
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Der
Verzögerungszustand
des beweglichen Objektes wird durch Ermitteln der Fahrzeuglast unterschieden,
und das erste und zweite Strömungssteuerventil
wird geöffnet,
um das sauerstoffhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas dem
Brennstoffzellenpaket als Spülgas
zuzuführen,
um Wasser von dem Brennstoffzellenpaket ohne Verschlechterung der
Arbeitsleistung des Brennstoffzellensystems abzuscheiden.
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Auch
ist die Steuereinheit dazu angeordnet, augenblicklich das erste
und zweite Strömungssteuerventil
zum Erhöhen
des Innendrucks des Brennstoffzellenpaketes zu schließen und
darauffolgend das erste und zweite Strömungssteuerventil zu öffnen. Entsprechenderweise
wird die Spülleistung
von Wasser stark verbessert.
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Die
Steuereinheit funktioniert außerdem
so, dass Spülfluid
in das Brennstoffzellenpaket in vorbestimmten Spülzykluszeiten zugeführt wird,
und daher ist die Spülsteuerung
außergewöhnlich einfach
bei sich ergebenden geringen Kosten.
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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5 zeigt
ein allgemeines Flussdiagramm, das die Basis-Arbeitsfolge der dritten
Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt, wobei vorausgesetzt wird, dass das Brennstoffzellen-Steuersystem
die gleichen Komponenten hat, wie in 1 gezeigt
ist. In der dritten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung arbeitet
das Brennstoffzellensystem in der gleichen Basisfolge der zweiten
Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, außer der folgenden Abfolge.
Das heißt,
die Stufe S70 in 4 wird durch Stufe S71 in 5 ersetzt, und
in der Stufe S71, wie in 5 gezeigt ist, wird, wenn die
Strömungssteuerventile 18, 19 vollständig geöffnet sind,
der Kompressor 12 mit einer erhöhten Drehzahl angetrieben.
Durch diese Erhöhung
der Drehzahl des Kompressors 12 kann Wasser in dem Brennstoffzellenpaket 11 mit
einer erhöhten
Strömungsrate
abgeschieden werden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform
verwendet das Brennstoffzellensystem einen Kompressor, der die sauerstoffhaltige Luft
unter Druck in das Brennstoffzellenpaket führt, und die Steuereinheit
funktioniert so, dass sofort die Drehzahl des Kompressors während des
Spülens von
Wasser aus dem Brennstoffzellenpaket erhöht wird. Somit wird dem Brennstoffzellenpaket
unter erhöhtem
Druck die sauerstoffhaltige Luft zugeführt, solcherart, dass die Spülwirksamkeit
erhöht
wird.
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Im übrigen ist
es unnötig
zu erwähnen,
dass in der Ausführungsform,
obwohl die Basisfolge der zweiten Ausführungsform, die in 4 gezeigt
ist, verwendet wird, die Basisfolge der ersten Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist, verwendet werden kann.
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der vierten Ausführungsform der
Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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6 zeigt
ein allgemeines Flussdiagramm, das eine Basis-Operationsfolge der
vierten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden Erfindung
darstellt, wobei vorausgesetzt wird, dass das Brennstoffzellensystem die
gleichen Komponenten hat, wie in 1 gezeigt ist.
In der Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung arbeitet
das Brennstoffzellensystem in der gleichen Basisfolge der dritten
Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, außer dass die Stufen S35 und
S36 zugefügt
sind. Das heißt,
dem Brennstoffzellenpaket 11 wird wiederholt ein Spülgas bei
vorbestimmten Spülzykluszeiten
zugeführt,
und eine verstrichene Zeit TMP zwischen den vorhergehenden und darauffolgenden
(fore and aft) Zuführungen
des Spülgases
wird gemessen und in einem Register in der Stufe S35 von 6 gespeichert.
In der Stufe S36 wird die verstrichene Zeit TMP mit Referenzzeitdaten
TMP0 verglichen. Wenn in diesem Fall die verstrichene Zeit TMP nicht
den Wert von TMP0 erreicht hat, kehrt die Abfolge zur Stufe S30
zurück,
und der Spülvorgang
wird nicht ausgeführt.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform
wird eine sogenannte Spülhistorie (purge
history) einbezogen. Das heißt,
wenn die verstrichene Zeit nicht einen vorbestimmten Wert überschreitet,
wird angenommen, dass das Produktwasser nicht in dem Brennstoffzellenpaket 11 zurückbleibt,
und in diesem Fall wird ein Korrekturablauf hinzugefügt, um einen
Spülvorgang
in dem Brennstoffzellenpaket 11 zu verhindern.
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Übrigens,
obwohl in der Ausführungsform die
Basisabfolge der dritten Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, verwendet wird, ist es unnötig zu sagen,
dass die Basisfolge der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt
ist, oder der zweiten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, verwendet werden kann.
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem und Verfahren der fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.
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7 zeigt
ein Blockdiagramm der fünften Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
und 8 zeigt ein Flussdiagramm, das Operationsfolgen
derselben darstellt. Der Aufbau der fünften Ausführungsform, die in 7 gezeigt
ist, ist grundlegend mit der ersten Ausführungsform von 1 identisch,
außer
dass der Gaspedalöffnungssensor
durch einen Beschleunigungssensor 27 ersetzt wird, der
ursprünglicherweise
für ABS
(ein Antiblockiersystem) verwendet wird und ein Beschleunigungs-Ermittlungssignal 27a erzeugt.
In der Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung arbeitet
das Brennstoffzellensystem in der gleichen Basisfolge der dritten
Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, außer dass die Stufe S42 verwendet
wird, d.h., die Stufe S41 in 5 wird durch
die Stufe S42 in 8 ersetzt.
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In
Stufe S42 des allgemeinen Flussdiagramms, das in 8 gezeigt
ist, werden das Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignal 25a und
das Beschleunigungs-Ermittlungssignal 27a in
einem Register gespeichert, und in Stufe S50 wird ein Verzögerungszustand
durch Vergleich des Fahrzeuggeschwindigkeits-Ermittlungssignals
und des Beschleunigungs-Ermittlungssignals mit jeweiligen Daten
ermittelt.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform
schließt
das Brennstoffzellensystem die Fahrzeugsteuereinheit ein, die auf
das Beschleunigungs-Ermittlungssignal anspricht, das von dem Beschleunigungssensor
abgegeben wird. Die Fahrzeugsteuereinheit unterscheidet, dass das
bewegliche Objekt in dem Verzögerungszustand
befindlich ist, wenn die Beschleunigung einen negativen Wert hat.
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Übrigens,
obwohl in der Ausführungsform die
Basisfolge der dritten Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, verwendet wird, ist es unnötig zu erwähnen, dass
die Basisfolge der ersten Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist, der zweiten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, oder der vierten Ausführungsform,
die in 6 gezeigt ist, verwendet werden kann.
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In
den oben erläuterten
Ausführungsformen verwendet
das Brennstoffzellensystem den Antriebsbefehlswert, der an den Antriebsmotor
des beweglichen Objekts anzulegen ist, den Beschleunigungsöffnungsgrad
und die Beschleunigung des beweglichen Objekts, und dann werden
alle Sensoren, zum Ermitteln dieser Parameter verwendet, die grundlegend auch
schon als notwendige Komponenten in dem beweglichen Objekt verwendet
werden. Somit ist es möglich,
Wasser aus der Brennstoffzelle zu spülen ohne neues Hinzufügen irgendwelcher
besonderer Sensoren in dem beweglichen Objekt.
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem und Verfahren der sechsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben.
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9 zeigt
ein Blockdiagramm, das die sechste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt und 10 zeigt
ein allgemeines Flussdiagramm, das die Basis-Operationsfolge desselben
darstellt. Das Brennstoffzellensystem 1 der sechsten Ausführungsform
von 9 und 10 ist im Aufbau zu dem von 1 identisch,
außer
dass ein Stromstärkesensor 28 mit
dem Brennstoffzellenpaket 11 gekoppelt ist, um ein Stromstärkesignal 28a zu
erzeugen. Der Stromstärkesensor 28 wird
verwendet zur Annahme, dass eine Menge an Wasser in dem Brennstoffzellenpaket 11 angesammelt
ist, und die Wassermenge wird berechnet und abgeschätzt auf
der Basis der Gesamtgröße des elektrischen
Stromes, der in dem Brennstoffzellenpaket 11 fließt.
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In
der Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung arbeitet
das Brennstoffzellensystem in der gleichen Basisfolge der dritten
Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, außer dass die Stufen S37 bis
S39 hinzugefügt
sind. Das heißt,
wie in einem allgemeinen Flussdiagramm gezeigt ist, das die Basis-Operationsfolge
in 10 darstellt, wird ein Stromstärke-Ermittlungssignal in einem
Register in Stufe S37 gespeichert. In Stufe S36 wird eine Menge
an Wasser, die sich in dem Brennstoffzellenpa ket 11 angesammelt
hat, angenommen, um einen Vermutungs-Ausgang zu schaffen, der die Menge
an Wasser repräsentiert,
der sich in dem Brennstoffzellenpaket 11 angesammelt hat.
In der darauffolgenden Stufe S39 wird der Vermutungs-Ausgang (presumed
output) unterschieden, um zu entscheiden, ob die Gasspülung erforderlich ist.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform
ist der Stromstärkesensor
vorgesehen, um die Stromstärke
zu ermitteln, wobei die Brennstoffzellen-Steuereinheit auf die Stromstärke reagiert,
d.h. die sogenannte Stromstärkeerzeugungshistorie
erzeugt das Ausgangssignal, das die vermutete Menge an Wasser, das
sich in der Brennstoffzelle angesammelt hat, repräsentiert.
Die Brennstoffzellen-Steuereinheit spricht auf das Ausgangssignal
zum Öffnen
des ersten und zweiten Strömungssteuerventil
an, um das sauerstoffhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas
als Spülfluid
der Brennstoffzelle zuzuführen,
um Wasser abzuscheiden.
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Übrigens
kann bei der vorliegenden Ausführungsform
der Stromstärkesensor 28 durch
einen Elektroleistungs-Ausgangssensor ersetzt werden.
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Obwohl
auch die Basisfolge der dritten Ausführungsform, die in 5 gezeigt
wird, verwendet wird, ist es unnötig
zu erwähnen,
dass die Basisfolge der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt
ist, der zweiten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, der vierten Ausführungsform,
die in 6 gezeigt ist, oder der fünften Ausführungsform, die in den 7 und 8 gezeigt
ist, verwendet werden kann.
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Obwohl
die Erfindung obig unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben
beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt. Modifikationen und Veränderungen
der Ausführungsformen,
die oben beschrieben wurden, können
für einen
Fachmann im Sinne der Lehre auftreten. Der Schutzumfang der Erfindung
wird unter Bezugnahme auf die folgenden Patentansprüche definiert.