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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. November 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2014-232254 , deren Offenbarungsgehalt hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Fahrzeug mit daran montierter Brennstoffzelle (nachfolgend auch als Brennstoffzellenfahrzeug bezeichnet) und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen werden unter Verwendung von Kühlflüssigkeit gekühlt. Die Druckschrift
JP 2006-164738 A offenbart eine Technologie zum Erfassen einer Umgebungstemperatur mit einem Temperaursensor und zum Starten der Zirkulation der Kühlflüssigkeit basierend auf der gemessenen Umgebungstemperatur.
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Während in der
JP 2006-164738 A unter Verwendung der Umgebungstemperatur bestimmt wird, ob die Zirkulation der Kühlflüssigkeit gestartet werden soll, gibt es einen Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur, einer Temperatur der in einem Radiator verbleibenden Kühlflüssigkeit und einer Temperatur der Kühlflüssigkeit, die der Brennstoffzelle zugeführt wird. Daher besteht das Problem, dass eine genaue Temperatur der Kühlflüssigkeit nicht erfasst werden kann.
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KURZFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um zumindest einen Teil des vorstehend beschriebenen Problems zu lösen, und kann entsprechend der nachfolgend dargestellten Aspekte realisiert werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein an einem Fahrzeug mit daran montierter Brennstoffzelle montierbares Brennstoffzellensystem geschaffen. Das Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle; einen Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad zum Zuführen von Kühlflüssigkeit zu der Brennstoffzelle; einen Radiator zum Kühlen der Kühlflüssigkeit; einen ersten Temperatursensor, der an einem Auslass des Radiators vorgesehen ist, um eine Temperatur der Kühlflüssigkeit zu messen; einen Umgebungstemperatursensor; und einen Controller. Der Controller führt aus: Schätzen einer Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad basierend auf einer von dem Umgebungstemperatursensor gemessenen Umgebungstemperatur; Ermitteln einer Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad basierend auf der vom ersten Temperatursensor gemessenen Temperatur, nachdem bestimmt wurde, dass die Kühlflüssigkeit im Radiator den ersten Temperatursensor erreicht hat; und Einstellen der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit basierend auf der geschätzten Temperatur oder der ermittelten Temperatur der Kühlflüssigkeit. Gemäß diesem Aspekt kann eine genaue Temperatur der Kühlflüssigkeit erfasst werden und die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit kann eingestellt werden.
- (2) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehen genannten Aspekt kann weiter aufweisen: eine Kühlflüssigkeitspumpe, die in dem Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad angeordnet ist; eine Bypassleitung zum Zirkulieren der aus der Brennstoffzelle ausgegebenen Kühlflüssigkeit in den Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad stromab des Radiators durch Umgehung des Radiators; ein Strömungsaufteilungsventil zum Aufteilen der Strömung der aus der Brennstoffzelle ausgegebenen Kühlflüssigkeit zum Radiator und der Bypassleitung; und einen zweiten Temperatursensor, der an einem Auslass der Brennstoffzelle angeordnet ist, um eine Temperatur der Kühlflüssigkeit zu messen. Der Controller kann basierend auf der von dem zweiten Temperatursensor gemessenen Temperatur, einer von der geschätzten Temperatur und der ermittelten Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Radiator und einer Solltemperatur der Brennstoffzelle die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit durch Steuern des Betriebs der Kühlflüssigkeitspumpe und eines Strömungsaufteilungsverhältnisses des Strömungsaufteilungsventils zwischen dem Radiator und der Bypassleitung einstellen. Gemäß diesem Aspekt kann das Strömungsaufteilungsverhältnis durch das genaue Abschätzen der Temperatur der Kühlflüssigkeit innerhalt des Radiators genauer gesteuert werden.
- (3) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann bestimmt werden, dass die im Radiator verbleibende Kühlflüssigkeit den ersten Temperatursensor erreicht hat, wenn die Kühlflüssigkeitspumpe die Förderung von Kühlflüssigkeit mit einem Gesamtvolumen bestehend aus einem Volumen der Kühlflüssigkeit in dem Radiator und einem Volumen der Kühlflüssigkeit zwischen dem Auslass des Radiators und einer Position, an der der erste Temperatursensor angeordnet ist, beendet. Gemäß diesem Aspekt kann der Zeitpunkt, zu dem die im Radiator verbleibende Kühlflüssigkeit den ersten Temperatursensor erreicht, leicht bestimmt werden.
- (4) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Controller eine Obergrenze einer Änderungsrate einer Öffnung des Strömungsaufteilungsventils einstellen, wenn der vom Controller zur Ermittlung der Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad verwendete Temperatursensor vom Umgebungstemperatursensor auf den ersten Temperatursensor gewechselt wird, falls eine Differenz zwischen der geschätzten Temperatur der Kühlflüssigkeit und der von dem ersten Temperatursensor ermittelten Temperatur gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert vor dem Schalten ist. Gemäß diesem Aspekt wird die Öffnung des Strömungsaufteilungsventils langsam verändert, so dass ein Unterschreiten oder Überschießen des Strömungsaufteilungsventils verhindert werden kann.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Erfindung statt als Brennstoffzellensystem auch als Fahrzeug mit daran montierter Brennstoffzelle (nachfolgend auch als Brennstoffzellenfahrzeug bezeichnet) und als Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine Ansicht, die ein Brennstoffzellenfahrzeug, an dem eine Brennstoffzelle montiert ist, zeigt;
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2 zeigt eine Ansicht der Brennstoffzelle und eines Kühlung-Subsystems der Brennstoffzelle zeigt;
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3 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerung des Kühlung-Subsystems des Brennstoffzellensystems, das gestartet wird, wenn das Kühlung-Subsystem aktiviert wird;
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4 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Kühlflüssigkeitstemperatur und der Viskosität der Kühlflüssigkeit veranschaulicht;
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5 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen Einstellwerten des Strömungsaufteilungsverhältnisses r vor und nach der Korrektur zeigt; und
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6 zeigt ein Steuerflussdiagramm der dritten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt eine Ansicht, die ein Fahrzeug mit daran montierter Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenfahrzeug 10 zeigt, an dem eine Brennstoffzelle montiert ist (nachfolgend auch einfach als „Fahrzeug 10” bezeichnet). Das Fahrzeug 10 hat die Brennstoffzelle 100, einen Controller 110 (ECU: elektronische Steuereinheit), eine Sekundärbatterie 130, einen Controller 140 für die Verteilung elektrischer Leistung, einen Antriebsmotor 150, eine Antriebswelle 160, Antriebskraftverteilungsgetriebe 170, linke und rechte Räder 180 sowie einen Umgebungstemperatursensor 190.
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Die Brennstoffzelle 100 ist eine Stromerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen elektrischer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Brenngas und Oxidationsgas. Der Controller 110 steuert den Betrieb der Brennstoffzelle 100, der Sekundärbatterie 130 und des Controllers 140 zum Verteilen der elektrischen Leistung. Der Controller 110 nutzt die Brennstoffzelle 100 als Hauptantriebskraftquelle des Fahrzeugs 10; in einem Fall jedoch, in dem die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Leistung gering ist, beispielsweise unmittelbar nachdem das Fahrzeug 10 gestartet wurde, kann die Sekundärbatterie 130 als Stromquelle zum Betreiben des Fahrzeugs 10 verwendet werden. Eine Nickel-Hydrid-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle können beispielsweise als Sekundärbatterie 130 verwendet werden. Die Sekundärbatterie 130 kann direkt unter Verwendung von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 ausgegeben wird, geladen werden, oder durch die Rückgewinnung kinetischer Energie des Fahrzeugs 10 mit dem Antriebsmotor 150 geladen werden, wenn das Fahrzeug 10 verzögert. Ansprechend auf eine Anweisung vom Controller 110 steuert der Controller 140 zum Verteilen der elektrischen Leistung die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 an den Antriebsmotor 150 ausgegeben wird, und die elektrische Leistung, die von der Sekundärbatterie 130 an den Antriebsmotor 150 ausgegeben wird. Wenn das Fahrzeug 10 verzögert, überträgt der Controller 140 für die Verteilung elektrischer Leistung ferner ansprechend auf eine Anweisung vom Controller 110 die elektrische Leistung, die vom Antriebsmotor 150 erzeugt wird, an die Sekundärbatterie 130. Der Antriebsmotor 150 fungiert als Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Wenn das Fahrzeug 10 verzögert, fungiert der Antriebsmotor 150 als Stromgenerator, der die kinetische Energie des Fahrzeugs 10 als elektrische Energie zurückgewinnt. Die Antriebswelle 160 überträgt ferner die Antriebskraft, die vom Antriebsmotor 150 erzeugt wird, an die Antriebskraftverteilungsgetriebe 170. Die Antriebskraftverteilungsgetriebe 170 verteilen die Antriebskraft auf linke und rechte Räder 180. Der Umgebungstemperatursensor 190 misst eine Temperatur der Umgebungsluft.
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2 ist eine Ansicht, die die Brennstoffzelle 100 und ein Kühlung-Subsystem 300 der Brennstoffzelle 100 zeigt. Ein an dem Fahrzeug 10 montiertes Brennstoffzellensystem umfasst das Kühlung-Subsystem 300, ein Oxidationsgaszufuhr- und -austrag-Subsystem sowie ein Brenngaszufuhr- und -austrag-Subsystem. Bei dieser Ausgestaltung wird von den Subsystemen nur das Kühlung-Subsystem 300 beschrieben, und auf die Beschreibung des Oxidationsgaszufuhr- und -austrag-Subsystems sowie des Brenngaszufuhr- und -austrag-Subsystems wird verzichtet.
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Das Kühlung-Subsystem 300 hat eine Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310, eine Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320, eine Bypassleitung 330, ein Strömungsaufteilungsventil 340, einen Radiator 350, ein Radiatorgebläse 360 (nachfolgend vereinfacht als „Gebläse 360” bezeichnet), eine Kühlflüssigkeitspumpe 370 und Temperatursensoren 380 und 390. Bei dieser Ausführungsform wird Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet. Die Kühlflüssigkeit kann daher als „Kühlwasser” bezeichnet werden, und die Kühlflüssigkeitspumpe 370 kann als „Kühlwasserpumpe 370” oder „Wasserpumpe 370 (W/P)” bezeichnet werden. In den Zeichnungen dieser Ausführungsform ist die Kühlflüssigkeitspumpe 370 als „W/P” bezeichnet.
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Die Kühlflüssigkeit wird der Brennstoffzelle 100 von der Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 zugeführt und zur Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 ausgegeben. Die Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 entspricht dem Kühlflüssigkeit-Zufuhrströmungspfad in den Ansprüchen. Der Radiator 350 ist mit der Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 und der Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 verbunden. Die Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 und die Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 sind mit der Bypassleitung 330 verbunden, die verursacht, dass Kühlflüssigkeit den Radiator 350 umgeht und die Kühlflüssigkeit zur Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 zirkuliert. Das Strömungsaufteilungsventil 340 ist an einem Verbindungsabschnitt der Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 und der Bypassleitung 330 angeordnet. Das Strömungsaufteilungsventil 340 teilt die Strömung derart auf, um die Kühlflüssigkeit dem Radiator 350 und der Bypassleitung 330 zuzuführen. Der Radiator 350 hat das Radiatorgebläse 360. Das Radiatorgebläse 360 kühlt die Kühlflüssigkeit, die durch den Radiator 350 strömt, indem Luft auf den Radiator 350 geblasen wird. Die Kühlflüssigkeitspumpe 370 führt die Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle 100 zu. In 2 ist die Kühlflüssigkeitspumpe 370 stromab bzw. unterhalb des Radiators 350 angeordnet; die Kühlflüssigkeitspumpe 370 kann jedoch auch stromaufwärts bzw. oberhalb des Radiators 350 angeordnet sein. Der erste Temperatursensor 380 ist im Wesentlichen an einem Auslass des Radiators 350 außerhalb des Radiators 350 angeordnet (wobei der Begriff „im Wesentlichen” nachfolgend weggelassen wird). Der zweite Temperatursensor 390 ist im Wesentlichen an einem Kühlflüssigkeitsauslass der Brennstoffzelle 100 außerhalb der Brennstoffzelle 100 angeordnet (wobei der Begriff „im Wesentlichen” nachfolgend weggelassen wird). Der erste Temperatursensor 380 misst eine Temperatur der Kühlflüssigkeit, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt werden soll. Der zweite Temperatursensor 390 misst eine Temperatur der Kühlflüssigkeit, die aus der Brennstoffzelle 100 ausgetragen wird (d. h. eine Temperatur der Kühlflüssigkeit, die dem Radiator 350 zugeführt werden soll). Die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die aus der Brennstoffzelle 100 ausgetragen wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie die der Brennstoffzelle 100. Es sei angemerkt, dass, da die Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 100 aufgewärmt wird, diese als Wärmequelle verwendet werden kann, wenn eine Klimaanlage des Fahrzeugs 10 in einem Heizmodus ist. Das Kühlwasser kann zusätzlich zur Kühlflüssigkeit für die Brennstoffzelle 100 auch als Kühlflüssigkeit für einen Zwischenkühler verwendet werden, der für das Brenngas verwendet wird. In dieser Beschreibung wird auf eine Beschreibung der Anwendung als Wärmequelle und als Kühlflüssigkeit für den Zwischenkühler verzichtet.
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In dieser Ausführungsform wird die Kühlflüssigkeit von der Kühlflüssigkeit-Zufuhrleitung 310 der Brennstoffzelle 100 durch die Kühlflüssigkeitspumpe 370 zugeführt, fließt durch die Brennstoffzelle 100 während sie die Brennstoffzelle 100 kühlt und wird dann zur Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 ausgetragen. Die Kühlflüssigkeit wird durch das Strömungsaufteilungsventil 340 in eine Strömung zum Radiator 350 und zur Bypassleitung 330 aufgeteilt. Die in Richtung zum Radiator 350 aufgeteilte Kühlflüssigkeit wird durch den Radiator 350 gekühlt, wohingegen die in Richtung zur Bypassleitung 330 aufgeteilte Kühlflüssigkeit nicht gekühlt wird (nachfolgend wird die Kühlflüssigkeit, die aufgrund der Aufteilung nicht durch den Radiator 350 fließt, als „Bypass-Kühlflüssigkeit” bezeichnet). Der Controller 110 steuert die Temperatur der Kühlflüssigkeit und die Kühlung der Brennstoffzelle 100 durch Einstellen des Durchflussmengenverhältnisses (Strömungsaufteilungsverhältnisses) zwischen der Kühlflüssigkeit, die zum Radiator 350 fließt, und der Kühlflüssigkeit, die zur Bypassleitung 330 fließt, einer Drehzahl des Radiatorgebläses 360 sowie einer Durchflussmenge an der Kühlmittelpumpe 370.
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3 ist ein Flussdiagramm einer Steuerung des Kühlung-Subsystems 300 des Brennstoffzellensystems, das startet, wenn das Kühlung-Subsystem 300 aktiviert wird. Die folgenden Parameter werden in dem Prozess von 3 verwendet:
- – Tt1: Steuersollwert für die Kühlflüssigkeitstemperatur am Einlass der Brennstoffzelle.
- – Tto1, Tto2: Steuersollwerte für die Kühlflüssigkeitstemperatur am Auslass der Brennstoffzelle.
- – To: Kühlflüssigkeitstemperatur am Auslass der Brennstoffzelle (Messwert des zweiten Temperatursensors 390).
- – Tm: Kühlflüssigkeitstemperatur am Auslass des Radiators (Messwert des ersten Temperatursensors 380).
- – Te: Schätzwert der Kühlflüssigkeitstemperatur im Radiator (Schätzwert der Kühlflüssigkeitstemperatur am Auslass des Radiators im Radiator).
- – r: Strömungsaufteilungsverhältnis des Strömungsaufteilungsventils 340.
- – r = (Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge am Radiator)/(Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge am Radiator + Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge in der Bypassleitung).
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Es sei angemerkt, dass eine Summe der Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge am Radiator und der Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge der Bypassleitung der gesamten Durchflussmenge der Kühlflüssigkeitspumpe 370 entspricht.
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In S100 wird das Brennstoffzellensystem aktiviert. In einem Fall, bei dem das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug 10 montiert ist, wird diese Aktivierung durch das Einschalten eines Startschalters (nicht dargestellt) für das Fahrzeug 10 ausgelöst. Der Controller 110 steuert das Radiatorgebläse 360 und die Kühlflüssigkeitspumpe 370 an. Unmittelbar nach dem Aktivieren des Brennstoffzellensystems ist das Strömungsaufteilungsverhältnis r des Strömungsaufteilungsventils 340 null und die gesamte Kühlflüssigkeit, die aus der Brennstoffzelle 100 ausgetragen wird, fließt in die Bypassleitung 330 und kein Kühlmittel fließt in den Radiator 350. In diesem Zustand gibt der Radiator 350 keine Wärme ab, so dass die Temperatur der Bypass-Kühlflüssigkeit allmählich ansteigt. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit innerhalb des Radiators 350 wird dagegen niedriger gehalten als die Temperatur der Bypass-Kühlflüssigkeit. Es sei angemerkt, dass, obgleich hier das Strömungsaufteilungsverhältnis r null ist, dies einen anderen Wert als null haben kann, beispielsweise in einem Fall, bei dem der Startschalter ausgeschalten wird und dann umgehend wieder eingeschalten wird, da die Kühlwassertemperatur hoch ist.
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In S110 misst der Controller 110 eine Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100 unter Verwendung des zweiten Temperatursensors 390 und bestimmt, ob die Auslasskühlflüssigkeitstemperatur To über einen Steuersollwert Tto1 derselben ist. Wenn To ≤ Tto1, ist die Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100 ausreichend niedrig, so dass der Controller 110 Schritt S110 wiederholt. Wenn dagegen Tto1 < To, führt der Controller 110 den Prozess aus Schritt S120 aus, um die Kühlflüssigkeit mit dem Radiator 350 zu kühlen.
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In S120 schätzt der Controller 110 einen augenblicklichen Wert der Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350 unter Verwendung der Kühlflüssigkeitstemperatur Tm am Auslass des Radiators 350 bevor das Strömungsaufteilungsventil 340 vollständig geschlossen ist und der Umgebungstemperatur Tot. Der Begriff „das Strömungsaufteilungsventil 340 ist vollständig geschlossen” bezeichnet die Einstellung des Strömungsaufleilungsverhältnisses r auf null in S190, wie später beschrieben wird. Es sei angemerkt, dass, wenn die Routine der Schritte S120 bis S190 in 3 erstmalig nach dem Aktivieren des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird, da „die Kühlflüssigkeitstemperatur Tm am Auslass des Radiators 350 bevor das Strömungsaufteilungsventil 340 vollständig geschlossen ist” nicht existiert, in S120 der Controller 110 die Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350 als äquivalent zur Umgebungstemperatur Tot schätzt. Die Prozessinhalte von S120, nachdem die Routine von S120 bis S190 zumindest einmal ausgeführt wurde (d. h. wenn die Routine wiederholt wird), werden später beschrieben.
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In S130 berechnet der Controller 110 eine Öffnung r des Strömungsaufteilungsventils 340 unter Verwendung der Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100, dem Steuersollwert Tt1 der Kühlflüssigkeitstemperatur am Einlass der Brennstoffzelle 100 und der Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350. Hierbei werden die folgenden Beziehungen zwischen den genannten Elementen eingestellt. Tt1 = (1 – r) × To + r × Te (1) r = (Tt1 – To)/(Te – To) (2)
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In S140 bestimmt der Controller 110, ob ein Gesamtvolumen der Kühlflüssigkeit, das in den Radiator 350 fließt, über einem vorgegebenen Volumen ist. Das „Gesamtvolumen” kann ein Volumen Vr des Kühlmittels im Radiator 350 alleine sein, oder kann eine Summe des Volumens Vr des Kühlmittels im Radiator 350 und eines Volumens der Kühlflüssigkeit zwischen dem Auslass des Radiators 350 und der Befestigungsposition des ersten Temperatursensors 380 sein. Alternativ kann es eine Summe des Volumens Vr der Kühlflüssigkeit im Radiator 350 und eines Volumens Vo der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeit-Austragleitung 320 sein (das Gesamtvolumen des Volumens Vr und des Volumens Vo). Wenn eine derartige Menge an Kühlflüssigkeit in den Radiator 350 fließt, strömt die Kühlflüssigkeit im Radiator 350 durch den ersten Temperatursensor 380, in anderen Worten, die durch den Radiator 350 gekühlte Kühlflüssigkeit erreicht den ersten Temperatursensor 380. Daher kann ein Zeitpunkt zum Ändern von der geschätzten Temperatur Te hin zur tatsächlich gemessenen Temperatur Tm, wobei diese Temperatur als Kühlflüssigkeitstemperatur im Radiator 350 verwendet wird, leicht bestimmt werden. Wenn das Gesamtvolumen der in den Radiator 350 fließenden Kühlflüssigkeit in S140 über dem vorgegebenen Volumen ist, fährt der Controller 110 mit S150 fort. Der Controller 110 kann die Bestimmung in Schritt S140 basierend auf der Zeit anstelle der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit ausführen. Der Controller 110 kann bestimmen, dass das Gesamtvolumen über dem vorgegebenen Volumen liegt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist.
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In S150 veranlasst der Controller 110 den ersten Temperatursensor 380, die Kühlflüssigkeitstemperatur Tm zu messen. In S160 bestimmt der Controller 110, ob eine Differenz zwischen dem aktuellen Messwert Tm der Kühlflüssigkeitstemperatur, die vom ersten Temperatursensor 380 gemessen wurde, und dem Schätzwert Te der Kühlflüssigkeitstemperatur, die in S120 geschätzt wurde, ein vorgegebener Wert Th oder größer ist. Wenn die Differenz |Tm – Te| in S165 gleich Th oder darüber ist, stellt der Controller 110 eine Obergrenze für eine Änderungsrate der Öffnung des Strömungsaufteilungsventils 340 ein und fährt mit S170 fort. Wenn dagegen die Differenz |Tm – Te| unter Th liegt, wechselt der Controller 110 direkt von S160 zu S170.
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In S170 berechnet der Controller 110 die Öffnung r des Strömungsaufteilungsventils 340 basierend auf der nachfolgenden Gleichung unter Verwendung der Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100, des Steuersollwerts Tt1 der Kühlflüssigkeitstemperatur am Einlass der Brennstoffzelle 100 und der in S150 gemessenen Kühlflüssigkeitstemperatur Tm. Dann verändert der Controller 110 die Öffnung r. r = (Tt1 – To)/(Tm – To) (3)
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Es sei angemerkt, dass, wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen Messwert Tm und dem Schätzwert Te der Kühlflüssigkeitstemperatur in S160 Th oder mehr ist, das Strömungsverteilungsverhältnis r langsamer verändert wird, als wenn die Differenz unter Th ist, da die Obergrenze der Änderungsrate für die Öffnung des Strömungsaufteilungsventils 340 eingestellt wurde. Daher kann das Auftreten eines Unterschreitens (Verringerung der Öffnung über einen übermäßigen Betrag im Vergleich zu einer Sollöffnung) und ein Überschießen (Erhöhung der Öffnung über einem Betrag der Sollöffnung) des Strömungsaufteilungsventils 340 verhindert werden. Die Prozesse der Schritte S160 bis S170 können ausgelassen werden. Es sei angemerkt, dass, wenn die Kühlflüssigkeitstemperatur vom Schätzwert Te auf den tatsächlichen Messwert Tm verändert wird, eine zeitkonstante Bearbeitung ausgeführt werden kann, so dass der Schätzwert Te allmählich auf den tatsächlichen Messwert Tm verändert wird. In anderen Worten: der Schätzwert Te kann langsam in Richtung des aktuellen Messwerts Tm verändert werden, in dem eine Obergrenze der Änderungsrate eingestellt wird. Wenn der Schätzwert Te ferner allmählich zum tatsächlichen Messwert Tm verändert wird, kann die Änderungsrate nach einer vorgegebenen Zeitspanne erhöht werden.
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In S180 misst der Controller 110 die Kühlflüssigkeitstemperatur To, die von der Brennstoffzelle 100 ausgetragen wird, unter Verwendung des zweiten Temperatursensors 390. Der Controller 110 bestimmt, ob die Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100 unter dem Steuersollwert Tto2 der Kühlflüssigkeitstemperatur ist. Der Steuersollwert Tto2, der in S180 verwendet wird, kann gleich dem Steuersollwert Tto1 sein, der in S110 verwendet wird; jedoch ist bevorzugt, dass der Steuersollwert Tto2 niedriger als der Steuersollwert Tto1 ist, um ein Nachlaufen zu verhindern. Es sei angemerkt, dass S180 ausgelassen werden kann. Die Kühlflüssigkeitstemperatur am Einlass der Brennstoffzelle 100 kann zudem anstelle der Kühlflüssigkeitstemperatur am Auslass der Brennstoffzelle 100 verwendet werden. Wenn die Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle unter dem Steuersollwert Tto2 liegt, ist eine Kühlung der Kühlflüssigkeit durch den Radiator 350 nicht erforderlich, so dass der Controller 110 das Strömungsaufteilungsventil 340 in S190 vollständig schließt (das Strömungsaufteilungsverhältnis r auf null einstellt). Somit fließt die Kühlflüssigkeit nicht in den Radiator 350, so dass die Temperatur der Bypass-Kühlflüssigkeit steigt. Dagegen wird die im Radiator 350 verbleibende Kühlflüssigkeit durch Umgebungsluft gekühlt, so dass die Temperatur dieser Kühlflüssigkeit in Richtung zur Umgebungstemperatur sinkt. Jedoch verändert sich die Geschwindigkeit, mit welcher der tatsächliche Messwert Tm sich allmählich der Umgebungstemperatur nähert, entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Nach S190 wechselt der Controller 110 erneut zu S110 um die Routine zu wiederholen, und wenn die Bedingung in S110 erfüllt ist, wechselt er zu S120. In S120 ist, nachdem die Routine wiederholt wird, die Kühlflüssigkeitstemperatur Tm am Auslass des Radiators, die durch den ersten Temperatursensor 380 gemessen wird, bevor das Strömungsaufteilungsventil 340 vollständig geschlossen ist, von der Umgebungstemperatur Tot verschieden. Eine Wärmeabgaberate Q des Radiators 350 ist proportional zu (Tm – Tot) × (Durchflussmenge an Luft in Kontakt mit dem Radiator). Daher kann der Controller 110 eine Änderung der Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350 unter Verwendung der Wärmeabgaberate Q, einem Wärmevolumen, das durch die Kühlflüssigkeit getragen wird, dem Volumen der Kühlflüssigkeit im Radiator 350 und der Kühlflüssigkeitstemperatur Tm bevor das Strömungsaufteilungsventil 340 geschlossen ist schätzen. Die Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350 nimmt normalerweise von der Kühlflüssigkeitstemperatur Tm am Auslass des Radiators, die durch den ersten Temperatursensor 380 gemessen wird, bevor das Strömungsaufteilungsventil 340 vollständig geschlossen ist, allmählich ab, und die Abnahmerate verändert sich entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Kühlflüssigkeitstemperatur Te wird zum Einstellen des Strömungsaufteilungsverhältnisses r basierend auf Gleichung 2 verwendet. In S130 wird das Strömungsaufteilungsventil 340 erneut entsprechend dem Strömungsaufteilungsverhältnis r, das wie vorstehend beschrieben erhalten wurde, geöffnet. Die Beschreibung der Prozessinhalte nach S130 wird weggelassen, da diese ähnlich zu der vorstehend beschriebenen ist. Es sei angemerkt, dass in dieser Ausführungsform S180 und S190 wiederholt werden; da jedoch die gleiche Bestimmung wie bei S110 in S180 ausgeführt wird, können S180 und S190 weggelassen werden, und S110 kann anschließend an S170 ausgeführt werden. Darüber hinaus kann der Prozess bei S110 weggelassen werden.
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In der vorstehenden Beschreibung wird als Beispiel der Start der Steuerung wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wird beschrieben. Hierbei wird die zweite Routine nach der Rückkehr zu S110 und die daran anschließende Routine ausgeführt, nachdem der Betriebszustand des Fahrzeugs ein Normalzustand wird. Daher ist der Ablauf des Flussdiagramms aus 3 nicht darauf begrenzt, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wird.
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Gemäß der ersten Ausführungsform schätzt der Controller 110 die Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator 350 basierend auf dem Umgebungstemperatursensor 190, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wird. Wenn die Kühlflüssigkeit, die im Radiator 350 verbleibt, bevor das Brennstoffzellensystem aktiviert wird, den ersten Temperatursensor 380 erreicht, nachdem das Brennstoffzellensystem aktiviert wurde, ermittelt der Controller 110 zudem die Kühlflüssigkeitstemperatur Tm unter Verwendung des Messwerts des ersten Temperatursensors 380. Der Controller 110 steuert das Strömungsaufteilungsverhältnis r unter Verwendung der Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100, der geschätzten Kühlflüssigkeitstemperatur Te im Radiator oder der gemessenen Kühlflüssigkeitstemperatur Tm und der Solltemperatur Tt1 der Brennstoffzelle 100. Als Ergebnis kann, selbst wenn der erste Temperatursensor 380 keine genaue Kühlmitteltemperatur unmittelbar nach dem Öffnen des Strömungsaufteilungsventils 340 anzeigt, eine genaue Kühlflüssigkeitstemperatur geschätzt oder ermittelt werden, und das Strömungsaufteilungsventil 340 kann gesteuert werden.
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Zweite Ausführungsform
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In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform stellt der Controller 110 das Strömungsaufteilungsverhältnis r basierend auf Gleichungen 2 und 3 ein. Wenn die Kühlflüssigkeit in den Radiator 350 fließt, wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit durch das Kühlen gesenkt, eine Viskosität der Kühlflüssigkeit steigt an und ein Druckverlust im Radiator 350 nimmt zu, so dass sich das eingestellte Strömungsaufteilungsverhältnis vom tatsächlichen Strömungsaufteilungsverhältnis unterscheiden kann. Ein kleiner Unterschied bedeutet hierbei kein Problem; wenn jedoch der Unterschied übermäßig groß wird, kann die für die Brennstoffzelle 100 bestimmte Kühlflüssigkeitsmenge deutlich anders sein. Daher wird bei der zweiten Ausführungsform das Strömungsaufteilungsverhältnis r korrigiert, um den Unterschied aufzuheben, indem die Viskosität der Kühlflüssigkeit berücksichtigt wird.
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4 ist eine Darstellung, die ein Verhältnis zwischen der Kühlflüssigkeitstemperatur und der Viskosität der Kühlflüssigkeit zeigt. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit abnimmt, nimmt die Viskosität der Kühlflüssigkeit zu. Der Controller 110 korrigiert das Strömungsaufteilungsverhältnis r vorzugsweise wie folgt. Der Controller 110 schätzt die Viskosität der Kühlflüssigkeit basierend auf der Kühlflüssigkeitstemperatur am Radiator 350. Der Controller 110 schätzt ferner eine Anstiegsmenge oder Zunahmemenge des Druckverlusts am Radiator 350, die durch die Zunahme der Viskosität verursacht wird, und korrigiert den Einstellwert bzw. eingestellten Wert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r basierend auf der Zunahmemenge des Druckverlusts. Es sei angemerkt, dass der Druckverlust der Kühlflüssigkeitspumpe 370 sich neben der Viskosität der Kühlflüssigkeit entsprechend der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit verändern kann. Daher kann der eingestellte Wert des Durchflussmengenverhältnisses r unter Verwendung nicht nur der Temperatur und Viskosität sondern auch der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit und/oder der Drehzahl der Kühlflüssigkeitspumpe korrigiert werden.
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5 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen den Einstellwerten des Strömungsaufteilungsverhältnisses r vor und nach der Korrektur zeigt. In der zweiten Ausführungsform wird basierend auf einem Druckverlustkoeffizientenverhältnis entsprechend der Änderung der Viskosität eine Feineinstellung des Einstellwerts des Strömungsaufteilungsverhältnisses r ausgeführt. Der Begriff „Druckverlustkoeffizientenverhältnis” bezeichnet hierbei einen Relativwert eines Koeffizienten des Druckverlusts im Radiator 350. Wenn die Viskosität der Kühlflüssigkeit vergleichsweise niedrig ist, und das Druckverlustkoeffizientenverhältnis vergleichsweise gering ist (z. B. wenn das Druckverlustkoeffizientenverhältnis a1 über eins und nahe an eins ist), kann der Controller 110 die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit, die durch den Radiator 350 fließt, auf einen gewünschten Wert einstellen, indem der Einstellwert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r geringfügig erhöht wird. Wenn dagegen die Viskosität der Kühlflüssigkeit vergleichsweise hoch ist, und das Druckverlustkoeffizientenverhältnis vergleichsweise hoch ist (z. B. wenn es einen Wert über a1 annimmt, beispielsweise einen Druckverlustkoeffizienten a2 oder a3) kann der Controller 110 die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit, die in den Radiator 350 fließt, auf den gewünschten Wert einstellen, indem der Einstellwert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r entsprechend dem Druckverlustkoeffizientenverhältnis derart korrigiert wird, dass er zunimmt. Es sei angemerkt, dass ein Maximalwert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r eins ist (die gesamte Kühlflüssigkeit fließt zum Radiator 350), und ein Minimalwert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r null ist (die gesamte Kühlflüssigkeit fließt zur Bypassleitung 330). Ein Korrekturkoeffizient, der die Beziehung zwischen den Einstellwerten des Strömungsaufteilungsverhältnisses r vor und nach der Korrektur anzeigt, kann beispielsweise experimentell ermittelt werden.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Einstellwert für das Strömungsaufteilungsverhältnis r unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Viskosität der Kühlflüssigkeit, die durch den Radiator 350 fließt, sich entsprechend der Temperatur verändert, korrigiert. Daher kann die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit am Radiator 350 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, und die Brennstoffzelle 100 kann zufriedenstellend gekühlt werden. Es sei angemerkt, dass auch der Druckverlust der Kühlflüssigkeitspumpe 370 entsprechend der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit verändern kann. Daher kann der Einstellwert des Strömungsaufteilungsverhältnisses r nicht nur unter Verwendung der Temperatur und Viskosität sondern auch der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit (Kühlflüssigkeit-Durchflussmenge) und der Drehzahl der Kühlflüssigkeitspumpe eingestellt werden.
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Dritte Ausführungsform
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Im Allgemeinen stoppt bei dem Brennstoffzellensystem der Controller 110 die Rotation der Kühlflüssigkeitspumpe 370, wenn die Erzeugung elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird. Wenn jedoch die Stromerzeugung gestoppt wird, gelangt Wasserstoff durch eine Elektrolytschicht, reagiert mit Sauerstoff und erzeugt Wärme. Daher wird bei der dritten Ausführungsform die Brennstoffzelle 100 unter Berücksichtigung der durch ein derartiges Durchsickern erzeugten Wärmeerzeugung gekühlt.
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6 ist ein Steuerflussdiagramm der dritten Ausführungsform. In S300 stoppt der Controller 110 die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 100. Es sei angemerkt, dass die Brennstoffzelle 100 nach wie vor Wärme führt, die vor dem Stoppen der Stromerzeugung erzeugt wurde, und daher die Kühlflüssigkeitspumpe 370 kontinuierlich angetrieben wird, um die Brennstoffzelle 100 zu kühlen.
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In S310 misst der Controller 110 die Kühlflüssigkeitstemperatur To am Auslass der Brennstoffzelle 100, und wenn die Kühlflüssigkeitstemperatur To unter einen vorgegebenen Wert Tb fällt, wechselt der Controller 110 zu S320, um die Kühlflüssigkeitspumpe 370 zu stoppen. In der Brennstoffzelle 100 wird, selbst wenn die Stromerzeugung gestoppt ist, Wärme dadurch erzeugt, dass Wasserstoff durch eine Elektrolytschicht gelangt und mit Sauerstoff reagiert. In S330 schätzt der Controller 110 die Durchsickermenge von Wasserstoff und berechnet die Wärmeerzeugungsmenge. Die Durchsichermenge und die Wärmeerzeugungsmenge werden vorzugsweise vorab experimentell ermittelt.
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In S340 bestimmt der Controller 110, ob ein integrierter Wert der Wärmerzeugungsmenge über der vorgegebenen Wärmemenge Qt liegt. Wenn der integrierte Wert über der vorgegebenen Wärmemenge Qt liegt, wechselt der Controller 110 zu S350, um die Kühlflüssigkeitspumpe 370 wieder anzutreiben, und wechselt zu S310. Es sei angemerkt, dass das Umschalten von S350 auf S310 vorzugsweise ausgeführt wird, nachdem die Kühlflüssigkeitspumpe 370 Kühlflüssigkeit für eine vorgegebene Zeitspanne oder in einem vorgegebenen Volumen gefördert hat. Durch Fördern der Kühlflüssigkeit, wie vorstehend beschrieben, kann, auch wenn die Kühlflüssigkeit eine Temperaturverteilung aufweist, die Temperatur der Kühlflüssigkeit vereinheitlicht werden. Wenn der integrierte Wert der Wärmeerzeugungsmenge nicht über der vorgegebenen Wärmemenge Qt liegt, wechselt der Controller zu S360, wo der Controller 110 bestimmt, ob eine vorgegebene Zeitspanne seit dem Stopp der Stromerzeugung verstrichen ist. Wenn die vorgegebene Zeitspanne nicht verstrichen ist, wechselt der Controller 110 zu S330. Wenn die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, beendet der Controller 110 den Prozess, da, wenn die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, angenommen werden kann, dass keine weitere Wärmeerzeugung aufgrund des Durchsickerns von Wasserstoff auftritt.
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Gemäß der dritten Ausführungsform kann der Controller 110 die Brennstoffzelle ausreichend kühlen, ohne die Temperatur in der Brennstoffzelle zu messen, selbst wenn die Brennstoffzelle aufgrund des Durchsickerns von Wasserstoff Wärme erzeugt.
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Vorstehend wurden einige Aspekte der Erfindung Bezug nehmend auf einige Ausführungsformen und Beispiele beschrieben. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele dienen nur zum leichteren Verständnis der Erfindung und sind nicht dazu gedacht, die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Die Erfindung kann verändert, modifiziert und abgewandelt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wobei derlei Äquivalente von der Erfindung umfasst sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-232254 [0001]
- JP 2006-164738 A [0003, 0004]
