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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen
Injektor und ein Brennstoffversorgungssystem für die Zufuhr
von Brennstoff zur Brennstoffzelle einschließt, sowie ein
Brennstoffzellenfahrzeug.
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Stand der Technik
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In
den vergangenen Jahren wurde eine Technologie vorgeschlagen, bei
der ein Injektor in einem Brennstoffversorgungskanal eines Brennstoffzellensystems
angeordnet ist und der Betriebszustand dieses Injektors durch Einstellung
des Versorgungsdrucks eines Brenngases im Brennstoffversorgungskanal
gesteuert wird (siehe
japanische
offengelegte Patentanmeldung Nr. 2005-302 563 ). Im Injektor
wird ein Ventilkörper durch eine elektromagnetische Antriebskraft
während einer vorgegebenen Antriebsperiode angetrieben
und von einem Ventilsitz abgehoben, wodurch ein Gaszustand (ein
Gasdurchfluß oder ein Gasdruck) eingestellt werden kann.
Eine Steuervorrichtung treibt den Ventilkörper an, um den
Zeitpunkt für das Ausstoßen des Brenngases oder
die Ausstoßzeit des Brenngases zu steuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem wird ein Injektor angetrieben, wodurch
manchmal eine Pulsation in einem Brenngas im Brennstoffversorgungskanal
erzeugt wird. Dann werden manchmal direkt oder über eine
einen Brennstoffversorgungskanal definierende Rohrleitung auf die
Pulsation zurückgehende Schwingungen, durch den angetriebenen
Injektor selbst erzeugte Schwingungen (z. B. Schwingungen zu dem
Zeitpunkt, an dem der Ventilkörper auf den Ventilsitz auftrifft),
auf solche Schwingungen zurückzuführende Geräusche
und durch den Injektor selbst verursachte Geräusche (z.
B. Geräusche zu dem Zeitpunkt, an dem der Ventilkörper
auf den Ventilsitz auftrifft) zu einem anderen Ort hin fortgepflanzt.
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Ein
solches Phänomen beeinträchtigt manchmal die für
das Wohlbefinden relevanten Eigenschaften insbesondere in einem
Falle, in dem die geforderte, von der Brennstoffzelle zu erzeugende Leistungsmenge
im Vergleich mit einem anderen Betriebszustand gering ist (Betrieb
mit niedriger Last), wie beispielsweise beim Leerlaufbetrieb oder
dergleichen, wenn das System in ein Fahrzeug eingebaut ist, das
heißt, in einer Situation, in der das Betriebsgeräusch
von Hilfsvorrichtungen klein ist, um im Vergleich mit einem anderen
Betriebszustand eine hohe Laufruhe zu schaffen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Situation entwickelt
und es ist eine ihrer Aufgaben, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das
in der Lage ist, die die Betätigung des Injektors begleitende
Pulsation zu verringern, um die Erzeugung von Geräuschen
zu unterbinden und ein Brennstoffzellenfahrzeug zu schaffen.
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Zur
Lösung der obigen Aufgabe umfaßt ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle,
ein Brennstoffversorgungssystem, das der Brennstoffzelle ein Brenngas zuführt,
einen Injektor, der mittels einer elektromagnetischen Antriebskraft
einen Ventilkörper in einer vorgegebenen Betätigungsperiode
betätigt, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz
abzuheben, wodurch ein Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite
des Brennstoffversorgungssystems so eingestellt wird, daß das
Gas auf eine stromab gelegene Seite ausgestoßen wird, und
eine die Aktion des Injektors steuernde Steuervorrichtung, wobei
die Steuervorrichtung dem Injektor gestattet, das Gas mit einem
Düsendurchfluß gemäß einem vorgegebenen oder
einem geringeren Düsendurchfluß auszustoßen,
falls die im Bezug auf die Brennstoffzelle geforderte zu erzeugende
Leistungsmenge die vorgegebene zu erzeugende Leistungsmenge oder
eine geringere ist, und die Steuervorrichtung die Betätigungsfrequenz
des Injektors gemäß dem Düsendurchfluß und
der geforderten zu erzeugendem Leistungsmenge einstellt.
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Entsprechend
einer solchen Gestaltung kann der Düsendurchfluß pro
Düsenstrahl vom Injektor auf den vorgegebenen Düsendurchfluß oder
darunter gedrückt werden, so daß eine Pulsation
und die Erzeugung des Geräusches durch die Pulsation unterbunden
werden kann.
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Überdies
kann zusätzlich zur Absenkung des Düsendurchflusses
auf den vorgegebenen Düsendurchfluß oder darunter
wird die Betätigungsfrequenz des Injektors derart eingestellt
(verändert), daß die Absenkung des Düsendurchflusses
begleitet wird, wodurch der Gesamtdurchfluß des Injektors
pro Zeiteinheit in Einklang mit dem geforderten Düsendurchfluß oder
in dessen Nähe gebracht werden kann, und das Absinken der
Betriebszeit kann verhindert werden.
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Es
sollte beachtet werden, daß der „Gaszustand” ein
durch einen Durchfluß, einen Druck, eine Temperatur, eine
Molarität oder dergleichen angezeigter Gaszustand ist und
insbesondere wenigstens den Gasdurchfluß und/oder den Gasdruck
einschließt.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Düsendurchfluß, der der vorgegebene
Düsendurchfluß oder geringer ist, ein Durchfluß in
der minimalen Ausstoßdauer sein, die beispielsweise auf
der Basis der Öffnungs-/Schließreaktionszeit des
Ventilkörpers eingestellt ist.
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Diese
minimale Ausstoßdauer wird vorab als Minimalwert der Ausstoßzeit
eingestellt, durch den die Genauigkeit des Düsendurchflusses
des Injektors ausreichend sichergestellt wird, entsprechend den Eigenschaften,
die die individuellen Unterschiede beim Injektor, die im Laufe der
Jahre beim Injektor auftretenden Veränderungen und dergleichen
einschließen. Beispielsweise kann der Minimalwert eines
Ausstoßdauerbereichs angewandt werden, in dem der Injektor
eine proportionale (lineare) Beziehung zwischen der Ausstoßzeit
und dem Düsendurchfluß aufweist.
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Gemäß dieser
Gestaltung kann der Injektor stabil betätigt werden, während
der Düsendurchfluß des Injektors minimiert wird,
wodurch die die Betätigung begleitende Pulsation und Geräuscherzeugung minimiert
werden kann.
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Beim
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Steuervorrichtung die Betätigungsfrequenz
erhöhen, falls bezogen auf den Injektor die Notwendigkeit,
den geforderten Düsendurchfluß pro Zeiteinheit
zu erhöhen, zu einem Zeitpunkt auftritt, zu dem dem Injektor
gestattet wird, das Gas mit dem vorgegebenen oder einem geringeren
Düsendurchfluß auszustoßen.
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Gemäß dieser
Gestaltung wird in einem Falle, in dem der Düsendurchfluß des
Injektors geändert wird, beispielsweise falls der geforderte
Düsendurchfluß pro Zeiteinheit nicht sichergestellt
werden kann, während der Düsendurchfluß pro
Ausstoß aus dem Injektor auf den vorgegebenen Durchfluß oder
darunter gedrückt wird, die Betätigungsfrequenz
des Injektors erhöht, wodurch die Zahl der Ausstoßzeiten
pro Zeiteinheit, das heißt eine Betriebszeit (die Ausstoßzeit
pro Ausstoß/Betätigungsperiode) erhöht
werden kann. Der Gesamtdüsendurchfluß kann erhöht
werden, um das Absinken des Ansprechverhaltens zu unterbinden.
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Beim
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Steuervorrichtung eine Beschränkung
der Änderungsgeschwindigkeit der Betätigungsfrequenz
vorsehen.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung ist es möglich, die Pulsation aufgrund der
durch die schnelle Änderung der Betätigungsfrequenz
verursachten irregulären Strahlbildung und die Entstehung
starker Geräusche (z. B. die Erzeugung von Geräuschen
in unbestimmten Intervallen) zu unterbinden.
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Beim
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Steuervorrichtung die Beschränkung der Änderungsgeschwindigkeit der
Betätigungsfrequenz verringern, während das Ausmaß der Änderung
des geforderten Düsendurchflusses pro Zeiteinheit beim
Injektor groß ist.
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Falls
das Ausmaß der Änderung des geforderten Düsendurchflusses
am Injektor pro Zeiteinheit groß ist, werden die durch
die irreguläre Strahlbildung erzeugte Pulsation und die
Entstehung von Geräuschen wirksam unterbunden, wenn die
Beschränkung der Änderungsgeschwindigkeit der
Betätigungsfrequenz gesteigert wird, aber es kann die Absenkung
des Ansprechverhaltens verursacht werden. Andererseits ist es gemäß der
obigen Gestaltung möglich, sowohl die durch die irreguläre
Strahlbildung erzeugte Pulsation und die Entstehung von Geräuschen,
als auch die Unterbindung des Absenkens des Ansprechverhaltens zu
erreichen.
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Beim
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Steuervorrichtung, zur Betätigungsfrequenz
eine Untergrenze der Betätigungsfrequenz einstellen, die
größer als Null ist.
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Gemäß dieser
Gestaltung wird die Zahl der Ausstoßzeiten des Injektors,
das heißt, die Betriebszeit, daran gehindert, übermäßig
abzunehmen, so daß selbst dann, wenn eine Forderung für
die Steigerung des Durchflusses am Injektor pro Zeiteinheit besteht,
die Absenkung des Ansprechverhaltens unterbunden werden kann.
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Beim
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Steuervorrichtung zur Betätigungsfrequenz
eine vorgegebene Obergrenze der Betätigungsfrequenz einstellen,
falls die geforderte, in Bezug auf die Brennstoffzelle zu erzeugende
Leistungsmenge die vorgegebene zu erzeugende Leistungsmenge oder
weniger ist, und die Steuervorrichtung den Düsendurchfluß pro
Düsenstrahl aus dem Injektor erhöht, falls der
geforderte Durchfluß beim Injektor pro Zeiteinheit nicht
durch die Obergrenze der Betätigungsfrequenz realisiert
wird.
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Selbst
in einem Falle, in dem der Düsendurchfluß des
Injektors minimiert ist, steigt das durch die Pulsation und Vibration
entstehende Geräusch in der gleichen Weise an wie in einem
Falle, in dem der Durchfluß erhöht wird, wenn
die Betätigungsfrequenz hoch ist. Jedoch werden gemäß der
obigen Gestaltung die Geräuscherzeugung aufgrund der Erhöhung des
Düsendurchflusses pro Düsenstrahl und die Unterdrückung
der Geräusche durch das Vorsehen der Obergrenze der Betätigungsfrequenz
in einer Richtung ausbalanciert, in der die Geräusche unterdrückt werden,
wodurch die Geräusche insgesamt unterbunden werden können.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt weiter eine Mehrzahl von Brennstoffversorgungsquellen,
wobei die Steuervorrichtung dem Injektor Brenngas aus der Brennstoffversorgungsquelle
der Mehrzahl der Brennstoffversorgungsquellen zuführt,
bei der der Primärdruck des Injektors ein Minimum ist,
falls die von der Brennstoffzelle geforderte, zu erzeugende Leistungsmenge
die vorgegebene Menge der zu erzeugenden Leistung ist oder weniger.
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Während
eines Betriebs mit niedriger Belastung (geringe geforderte, zu erzeugende
Leistungsmenge), wie einem Leerlaufbetrieb eines auf einem Fahrzeug
angebrachten Systems, nimmt das Betriebsgeräusch der Hilfseinrichtungen
ab und es wird möglicherweise das den Betrieb des Injektors
begleitende Geräusch auffällig. Jedoch wird gemäß der obigen
Gestaltung der Primärdruck des Injektors abgesenkt, um
die Aufprallgeschwindigkeit des Ventilkörpers auf den Ventilsitz
zu reduzieren, wodurch das einen derartigen Aufprall begleitende
Geräusch verringert wird.
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Ein
Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem
umfaßt, das jede beliebige der obigen Gestaltungen einschließt. Überdies
ist der Fall, daß die von der Brennstoffzelle geforderte,
zu erzeugende Leistungsmenge die vorgegebene, zu erzeugende Leistungsmenge
oder weniger ist, beispielsweise ein Fall, in dem ein Leerlaufbetrieb
stattfindet.
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Während
eines Betriebs mit niedriger Belastung (geringe geforderte, zu erzeugende
Leistungsmenge), wie einem Leerlaufbetrieb, ist das Betriebsgeräusch
der Hilfseinrichtungen gering. Deshalb wird das die Betätigung
des Injektors begleitende Geräusch für die Insassen
auffällig. Jedoch wird gemäß der obigen
Gestaltung der Durchfluß pro Düsenstrahl aus dem
Injektor auf den vorgegebenen Düsendurchfluß oder
darunter verringert, so daß die Pulsation und die Erzeugung
von Geräuschen durch die Pulsation unterbunden werden kann.
Deshalb tritt selten eine Beeinträchtigung des Wohlbehagens
der Insassen des Brennstoffzellenfahrzeugs auf.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, die durch den Betrieb
des Injektors erzeugte Pulsation und die Erzeugung von Geräuschen
aufgrund der Pulsation zu verhindern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Anordnungsschaubild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Betriebsverfahren des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems zeigt
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3 ist
ein Diagramm, das die minimale Ausstoßzeit eines in 1 gezeigten
Injektors zeigt; und
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4 eine
Zeittafel, die ein Beispiel für den Injektor betreffendes
Steuerungsgrundmuster zeigt, sowie Steuerungsmuster für
den Fall, daß ein geforderter Durchfluß des Düsenstrahls
gegenüber einem Zustand erhöht und abgesenkt wird,
in dem der Injektor entsprechend dem Steuerungsgrundmuster gesteuert
wird.
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Beste Weise, die Erfindung auszuführen.
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme af
die Zeichnungen beschrieben. Mit der vorliegenden Ausführungsform wird
ein Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf ein in
ein Fahrzeug eingebautes Leistungserzeugungssytem für ein
Brennstoffzellenfahrzeugs beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle 10 ein, die
mit einem Reaktionsgas (ein Oxidationsgas und ein Brenngas) versorgt
wird, um durch eine elektrochemische Reaktion eine Leistung zu erzeugen,
ein Rohrleitungssystem 2 für das Oxidationsgas,
das der Brennstoffzelle 10 Luft als Oxidationsgas zuführt,
ein Rohrleitungssystem (Brennstoffversorgungssystem) 3 für
Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 10 Wasserstoffgas als
ein Brenngas zuführt, eine Steuervorrichtung 4, die
allgemein das ganze System steuert, und dergleichen.
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Die
Brennstoffzelle 10 hat eine stapelförmige Struktur,
die durch Laminierung der gewünschten Zahl von Zelleneinheiten
gebildet wird, die das zugeführte Reaktionsgas empfangen,
um die Leistung zu erzeugen. Die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung
wird einer Leistungssteuereinheit (PCU = power control unit) 11 zugeführt.
Die PCU 11 schließt einen Wechselrichter, einen
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und dergleichen ein, die zwischen
der Brennstoffzelle 10 und einem Fahrmotor 12 angeordnet
sind. Zudem ist an der Brennstoffzelle 10 ein Stromsensor 13 angebracht,
der den Strom der erzeugten Leistung feststellt.
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Das
Rohrleitungssystem 2 für das Oxidationsgas schließt
einen Luftversorgungskanal 21 ein, der der Brennstoffzelle 10 Oxidationsgas
(Luft) zuführt, die durch einen Befeuchter 20 befeuchtet
wurde, einen Luftabführkanal 22, der dem Befeuchter 20 ein
aus der Brennstoffzelle 10 abgeführtes Oxidationsabgas
zuführt, und einen Auslaßkanal 23, der
das Oxidationsabgas aus dem Befeuchter 20 nach außen abführt.
Der Luftversorgungskanal 21 ist mit einem Kompressor 24 versehen,
der das Oxidationsgas aus der Atmosphäre einleitet und
das Gas unter Druck dem Befeuchter 20 zuführt.
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Das
Rohrleitungssystem 3 für das Wasserstoffgas schließt
einen Wasserstofftank 30 als Brennstoffversorgungsquelle
ein, in dem das einen hohen Druck aufweisende Wasserstoffgas gespeichert
ist, einen Wasserstoffversorgungskanal 31 als Brennstoffversorgungskanal
für die Zufuhr des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 30 zur
Brennstoffzelle 10, und einen Kreislaufkanal 32 zur
Rückführung eines aus der Brennstoffzelle 10 abgeführten
Wasserstoffabgases in den Wasserstoffversorgungskanal 31.
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Es
ist anzumerken, daß als Brennstoffversorgungsquelle statt
des Wasserstofftanks 30 ein Reformer eingesetzt werden
kann, der ein wasserstoffreiches, behandeltes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff
bildet, sowie ein Hochdruckgastank, in dem das von diesem Reformer
gebildete, behandelte Gas in einen Hochdruckzustand gebracht und gespeichert
wird. Überdies kann als Brennstoffversorgungsquelle ein
eine wasserstoffabsorbierende Legierung aufweisender Tank eingesetzt
werden.
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Der
Wasserstoffversorgungskanal 31 ist mit einem Trennventil 33 versehen,
das die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 30 sperrt oder
zuläßt, mit Regelventilen 34 zur Einstellung
des Drucks der Wasserstoffgases, und mit einem Injektor 35.
Außerdem sind auf der stromauf vom Injektor gelegenen Seite
ein Primärdruckfühler 41 und ein Temperaturfühler 42 vorgesehen,
die den Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases im Wasserstoffversorgungskanal 31 feststellen.
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Überdies
ist ein den Druck des Wasserstoffgases im Wasserstoffversorgungskanal 31 feststellender
Sekundärdrucksensor 43 auf der stromab vom Injektor 35 gelegenen
Seite vorgesehenen, die die stromauf gelegene Seite in Bezug auf
ein Verbindungsteil zwischen dem Wasserstoffversorgungskanal 31 und
dem Kreislaufkanal 32 ist.
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Die
Regelventile 34 sind Vorrichtungen, die einen Druck (den
Primärdruck) auf der stromauf gelegenen Seite der Regelventile
auf einen vorgegebenen Sekundärdruck einstellen. Bei der
vorliegenden Ausführungsform werden als mechanische Druckminderventile
zur Reduzierung des Primärdrucks als Regelventile 34 eingesetzt.
Als Bauform der mechanischen Druckregelventile wird eine bekannte
Konstruktion eingesetzt, Die Konstruktion weist ein Gehäuse
auf, in dem mittels einer Membran getrennt eine Rückdruckkammer
und eine Regelkammer ausgebildet sind und in der Regelkammer der
Primärdruck durch Anwendung des Rückdrucks in
der Rückdruckkammer auf einen vorgegebenen Druck reduziert
wird, um den Sekundärdruck zu erhalten.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in 1 gezeigt,
zwei Regelventile 34 auf der stromauf vom Injektor 35 gelegenen
Seite angeordnet, wodurch der Druck stromauf vom Injektor wirksam
reduziert werden kann. Dadurch kann verhindert werden, daß der
Ventilkörper des Injektors sich aufgrund der Zunahme des
Differenzdrucks zwischen dem Druck stromauf und einem Druck stromab
vom Injektor 35 nicht leicht bewegt.
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Der
Injektor 35 ist ein sich öffnendes und schließendes
Ventil einer Bauform mit elektromagnetischem Antrieb, bei dem während
einer vorbestimmten Antriebsperiode ein Ventilkörper durch
eine elektromagnetische Antriebskraft betätigt wird und
vom Ventilsitz abgehoben wird, wodurch ein Gasdurchfluß und
ein Gasdruck eingestellt werden kann. Der Injektor 35 schließt
den Ventilsitz ein, der ein Düsenloch besitzt, durch das
ein gasförmiger Brennstoff, wie das Wasserstoffgas, als
Düsenstrahl ausströmt, einen Düsenkörper,
der den gasförmigen Brennstoff dem Düsenloch zuführt
und leitet, und den Ventilkörper, der beweglich aufgenommen
und in Bezug auf diesen Düsenkörper in einer axialen
Richtung (der Richtung der Gasströmung) gehalten wird,
um das Düsenloch zu öffnen und zu schließen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper
des Injektors 35 durch ein Solenoid betätigt,
das eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ist,
und ein impulsartiger, diesem Solenoid zuzuführender Erregerstrom
kann ein- oder abgeschaltet werden, um den Öffnungsbereich
(den geöffneten Zustand) des Düsenlochs in einer
mehrschrittigen, zwei oder mehr Schritte umfassenden oder stufenlosen
Weise zu schalten. Zudem wird die Dauer des Düsenstrahls
aus dem Injektor 35 und der Zeitpunkt des Düsenstrahls
aus dem Injektor auf der Basis eines Steuersignals aus der Steuervorrichtung 4 gesteuert.
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Es
ist zu beachten, daß sich bei der vorliegenden Ausführungsform,
wie sie in 1 gezeigt ist, der Injektor 35 stromauf
von einem Anschlußteil A1 zwischen dem Wasserstoffversorgungskanal 31 und
dem Zirkulationskanal 32 befindet. Überdies ist dann,
wenn, wie in 1 durch eine unterbrochene Line
angezeigt, eine Mehrzahl von Wasserstofftanks 30 als Brennstoffversorgungsquelle
eingesetzt werden, der Injektor 35 auf einer stromab von
einem Teil (einem Wasserstoffgasverbindungsteil A2) angeordnet it,
wo von den jeweiligen Wasserstofftanks 30 zugeführte
Wasserstoffgase miteinander vereinigt werden.
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Der
Zirkulationskanal 32 ist über eine Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 36 und
ein Ablaßventil 37 mit einem Ableitungskanal 38 verbunden.
Die Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 36 sammelt
den Wasserinhalt aus dem Wasserstoffabgas. Das Ablaßventil 37 tritt
in Übereinstimmung mit einem Befehl aus der Steuervorrichtung 4 in
Aktion, um den durch die Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 36 gesammelten
Wasserinhalt und das Verunreinigungen enthaltende Wasserstoffabgas
(das Brennstoffabgas) im Zirkulationskanal 32 abzuleiten.
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Zudem
ist der Zirkulationskanal 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen,
die das Wasserstoffabgas im Zirkulationskanal 32 unter
Druck setzt, um es dem Wasserstoffversorgungskanal 31 zuzuführen.
Es ist zu beachten, daß das über das Ablaßventil 37 und
den Ableitungskanal 38 abgeführte Wasserstoffabgas
durch einen Dilutor 40 verdünnt wird, um mit dem
Oxidationsabgas im Auslaßkanal 23 zusammengeführt
zu werden.
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Die
Steuervorrichtung 4 ermittelt das Ausmaß der Betätigung
eines in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehenen Beschleunigungssteuerelements
(eines Fahrpedals oder dergleichen) und empfängt Steuerungsinformationen,
wie einen geforderten Beschleunigungswert (beispielsweise die von
einer Lastvorrichtung, wie einem Fahrmotor 12, angeforderte
Leistungsmenge), um Aktionen der die verschiedenen Vorrichtungen
im System zu steuern.
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Es
ist zu beachten, daß zusätzlich zum Fahrmotor 12 Beispiele
einer allgemein angesprochenen Lastvorrichtung Hilfsvorrichtungen
(beispielsweise den Kompressor 24, die Wasserstoffpumpe 39,
einen Kühlerpumpenmotor, usw.) einschließen, die
für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 erforderlich
sind, Betätigungsvorrichtungen für den Gebrauch
in verschiedenen Vorrichtungen (ein Wechselgetriebe, eine Radsteuervorrichtung,
eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung, usw.) in Verbindung mit
der Fortbewegung des Brennstoffzellenfahrzeugs S, und Leistungsverbraucher
einschließlich einer Klimaanlage für den Insassenbereich,
Beleuchtung, Audio und dergleichen.
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Die
Steuervorrichtung 4 wird von einem (nicht gezeigten) Computersystem
gebildet. Ein solches Computersystem schließt eine CPU,
ein ROM, ein RAM, ein Festplattenlaufwerk (HDD), eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle,
ein Display und dergleichen. Die CPU liest verschiedene im ROM gespeicherte
Programme aus und führt sie aus, um verschiedene Steueraktivitäten
durchzuführen.
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Nun
wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm der 2 das
Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 beschrieben.
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Beim
Schritt S1, der ein Schritt zur Berechnung eines angeforderten Düsendurchflusses
ist, berechnet die Steuervorrichtung 4 des Brennstoffzellensystems 1 den
geforderten Durchfluß beim Injektor 35 ist. Insbesondere
stellt die Steuervorrichtung mittels des Stromsensors 13 während
der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 zunächst
einen Stromwert fest und berechnet auf der Basis dieses Stromwerts
die Menge des von der Brennstoffzelle 10 zu verbrauchenden
Wasserstoffgases (Wasserstoffverbrauch).
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Nachfolgend
berechnet die Steuervorrichtung auf der Basis des durch den Stromsensor 13 festgestellten
Stromwerts den Zieldruckwert des Wasserstoffgases in der stromab
vom Injektor 35 gelegenen Position (Druckeinstellposition),
und berechnet eine Korrekturdurchfluß-Aufschaltung, die
einer Abweichung zwischen dem bereits berechneten Zieldruckwert
und dem aktuell berechneten Zieldruckwert entspricht. Diese Korrekturdurchfluß-Aufschaltung
ist eine Schwankung (ein einer Druckdifferenz entsprechender Korrekturdurchfluß)
des Durchflusses des Wasserstoffgases aufgrund der Schwankung des
Zieldruckwertes.
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Außerdem
stellt die Steuervorrichtung durch Gebrauch des Sekundärdrucksensors 43 einen Druckwert
in der stromab vom Injektor 35 gelegenen Position (Druckeinstellposition)
fest, um auf der Basis einer Abweichung zwischen dem festgestellten Druckwert
und dem Zieldruckwert eine Korrekturdurchfluß-Rückführung
zu berechnen. Diese Korrekturdurchfluß-Rückführung
ist ein Wasserstoffgasdurchfluß (Druckdifferenzabnahme-Korrekturdurchfluß),
der dem Wasserstoffverbrauch hinzugefügt wird, um eine
Abweichung zwischen dem Zieldruckwert und dem festgestellten Druckwert
zu verringern.
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Dann
werden der Wasserstoffverbrauch und die auf der Basis des vom Stromsensor 13 festgestellten
Stromwertes berechnete Korrekturdurchfluß-Aufschaltung
und die auf der Basis des vom Sekundärdrucksensors 43 festgestellten
Druckwertes berechnete Korrekturdurchfluß-Rückführung
zusammenaddiert, um in Bezug auf den Injektor 35 den geforderten
Düsendurchfluß zu berechnen.
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Dabei
wird ein statischer Durchfluß auf der stromauf gelegenen
Seite des Injektors 35 auf der Basis des vom Primärdrucksensor 41 festgesellten Drucks
des Wasserstoffgases auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors 35 und
der durch den Temperatursensor 42 festgestellten Temperatur
des Wasserstoffgases auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors 35 berechnet.
Danach kann der geforderte Düsendurchfluß durch
diesen statischen Durchfluß geteilt werden, um den geforderten
Düsendurchfluß in Übereinstimmung mit
Temperatur und Druck zu korrigieren.
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Nachfolgend
wählt gemäß der vorliegenden Erfindung
in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 die
Steuervorrichtung 4, wenn beim Schritt S3 festgestellt
wird, daß ein Niedriglastbetrieb vorliegt, eines von zwei
vorbereiteten Mustern für die Steuerung des Injektors 35 aus.
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Insbesondere
wird bei einem Betriebszustand mit niedriger Last, bei dem die in
Bezug auf die Brennstoffzelle 10 angeforderte, zu erzeugende
Leistungsmenge die vorbestimmte, zu erzeugende Leistungsmenge oder,
wie im Leerlaufbetrieb, geringer ist, das heißt in einem
Falle, in dem die beim Schritt S3 erfolgende Beurteilung „JA” lautet,
gemäß der vorliegenden Erfindung beim Schritt 55,
der ein Schritt zur Berechnung der Betätigungsfrequenz
ist, zunächst die Ausstoßdauer pro Ausstoßvorgang
derart eingestellt (fixiert), daß der Düsendurchfluß pro Ausstoßvorgang
des Injektors 35 konstant der Düsendurchfluß für
die minimale Ausstoßdauer ist.
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Dann
wird in einem Falle, in dem der Injektor 35 das Gas nur
während der minimalen Ausstoßdauer ausstößt,
der Betätigungsquotient (= minimale Ausstoßdauer
pro Betätigungsperiode des Injektors), die in der Lage
ist, den beim Schritt S1 erhaltenen geforderten Düsendurchfluß zu
realisieren, berechnet und die veränderlich einzustellende
Betätigungsfrequenz wird auf der Basis dieses Betätigungsquotienten
berechnet.
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Die
minimale Ausstoßdauer wird vorab als der Minimalwert der
Ausstoßdauer eingestellt, bei dem die Genauigkeit des Düsendurchflusses
des Injektors 35 ausreichend sichergestellt ist, in Übereinstimmung
mit den Eigenschaften des Injektors 35. die die individuellen
Unterschiede, im Laufe der Jahre eintretende Veränderungen
und dergleichen einschließen. Beispielsweise kann, wie
in 3 gezeigt, ein Minimalwert tmin des Bereichs der
Ausstoßdauer, in dem der Injektor 35 eine proportionale
(lineare) Beziehung zwischen der Ausstoßdauer t und einem
Düsendurchfluß Q aufweist, angewandt werden.
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Es
sollte beachtet werden, daß die Zeit von t0 bis t1 eine
unwirksame Ausstoßdauer ist, weil es die Zeitspanne zwischen
dem Eingang des Steuersignals von der Steuervorrichtung 4 und
dem Zeitpunkt ist, zu dem das Ausstoßen aktuell beginnt.
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Überdies
kann diese minimale Ausstoßdauer vorab eingestellt werden,
indem man die Zeitspanne von dem Zeitpunkt, zu dem die Steuervorrichtung 4 einen Öffnungsbefehl
an den Injektor 35 ausgibt, bis zu einem Zeitpunkt, zu
dem der Ventilkörper einen vollständig geöffneten
Zustand erreicht hat, und die Zeitspanne bis zu einem Zeitpunkt,
zu dem der Düsendurchfluß in diesem vollständig
geöffneten Zustand stabilisiert ist, zusammenaddiert. Zusätzlich kann
diese Zeit experimentell, durch Simulation oder dergleichen eingestellt
werden.
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Andererseits
berechnet die Steuervorrichtung in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle 10 einen
anderen Betriebszustand aufweist als den oben vorbestimmten Betriebszustand
mit niedriger Last, das heißt, in einem Falle, in dem das
Beurteilungsergebnis beim Schritt S3 „NEIN” lautet,
beim Schritt S11, der ein Schritt zur Berechnung der Ausstoßdauer
ist, die gesamte Ausstoßdauer des Injektors 35, die
den beim Schritt S1 erhaltenen Düsendurchfluß befriedigt,
und die Steuervorrichtung berechnet die Ausstoßdauer pro
Ausstoßvorgang aus dieser gesamten Ausstoßdauer
und einer unveränderlichen, vorab auf einen konstanten
Wert eingestellten Betätigungsfrequenz.
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Danach
gibt beim Schritt S7 die Steuervorrichtung 4 an den Injektor 35 ein
Steuersignal aus, das von der beim Schritt S5 als Schritt zur Berechnung
der Betätigungsfrequenz berechneten Betätigungsfrequenz
und der vorher auf den konstanten Wert eingestellten minimalen Ausstoßdauer
abhängt. Alternativ gibt die Steuervorrichtung beim Schritt
S13 an den Injektor 35 ein Steuersignal aus, das von der beim
Schritt S11 als dem Berechnungsschritt für die Ausstoßdauer
pro Ausstoßvorgang und der vorab eingestellten unveränderlichen
Betätigungsfrequenz abhängig ist, wodurch die
Ausstoßdauer des Gases am Injektor 35 und der
Zeitpunkt des Ausstoßens des Gases aus dem Injektor gesteuert
werden, um den Durchfluß und den Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden
Wasserstoffgases einzugestellen.
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Wie
oben beschrieben, ist in Übereinstimmung mit dem Brennstoffzellenfahrzeug
S, das mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, während eines
Betriebs mit niedriger Last (bei dem die kleine geforderte Leistungsmenge
erzeugt wird), wie dem Leerlaufbetrieb, das Betriebsgeräusch
von Hilfsvorrichtungen, wie dem Kompressor 24 und der Wasserstoffpumpe 39,
klein, und deshalb wird das Geräusch für die Insassen
auffällig. Jedoch wird der Düsendurchfluß pro
Düsenstrahl des Injektors 35 auf den Durchfluß eingestellt,
der der minimalen Ausstoßdauer entspricht und wird dadurch
minimiert, wodurch die Pulsation des Injektors 35 und die
Geräuscherzeugung durch die Pulsation verhindert werden
kann, und Unannehmlichkeiten für die Insassen beseitigt
oder reduziert werden.
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Des
weiteren wird zusätzlich zur Einstellung und Minimierung
des Düsendurchflusses des Injektors 35 auf den
der minimalen Ausstoßdauer entsprechenden Düsendurchfluß die
Betätigungsfrequenz des Injektors 35 derart variabel
gesteuert, daß sie die Abnahme des Düsendurchflusses
begleitet, so daß der gesamte Düsendurchfluß des
Injektors 35 pro Zeiteinheit in Übereinstimmung
mit dem geforderten Düsendurchfluß gebracht oder
diesem angenähert wird und die Absenkung des Ansprechverhaltens
(response) verhindert werden kann.
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Es
sollte beachtet werden, daß bei der obigen Ausführungsform
in dem Falle, in welchem die Notwendigkeit, den geforderten Düsendurchfluß pro Zeiteinheit
am Injektor zu erhöhen, zu einem Zeitpunkt auftritt, zu
dem der Injektor 35 das Ausstoßen mit der minimalen
Ausstoßdauer ausführt, wie in 4 gezeigt,
die veränderlich eingestellte Betätigungsfrequenz
weiter erhöht werden kann.
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Das
bedeutet, daß, wie im oberen Abschnitt des Zeitdiagramms
der 4 gezeigt, in einem Falle, in dem die Aktion des
Injektors 35 nach einem Steuerungs-Grundmuster gesteuert
wird, nach welchem das Ausstoßen mit der minimalen Ausstoßdauer
t0 (= t2 – t1 = t6 – t4) mit einer vorgegebenen
Betätigungsfrequenz (= 1/Betätigungsperiode T0
= 1/(t4 – t1)) wiederholt wird, und die Notwendigkeit auftritt,
den geforderten Durchfluß zu erhöhen, wie im mittleren Abschnitt
des Zeitdiagramms gezeigt, die Betätigungsfrequenz (= 1/Betätigungsperiode
T1 = 1/(t3 – t1)) ausgehend von der aktuellen Betätigungsfrequenz
erhöht wird (die Betätigungsperiode wird verkürzt).
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Folglich
wird der Betätigungsquotient (= t0/T1) nach dem Ändern
der Betätigungsfrequenz größer als der
aktuelle Betätigungsquotient (= t0/T0) beim Steuerungs-Grundmuster.
Mit anderen Worten, die Anzahl der Ausstoßzeiten pro Zeiteinheit,
beispielsweise die Zeitspanne von t1 bis t4, nimmt zu und deshalb
steigt der Durchfluß an.
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Deshalb
kann selbst in einem Falle, in dem der Düsendurchfluß des
Injektors 35 geändert werden muß, weil
ein neu geforderter Düsendurchfluß durch den aktuellen
Düsendurchfluß während der minimalen
Ausstoßdauer, beispielsweise, selbst in einem Falle, in
dem während des Leerlaufbetriebs eine Anforderung zur Beschleunigung
vom Fahrer vorliegt, der gesamte Düsendurchfluß pro
Zeiteinheit erhöht werden. Folglich kann das Absinken des
Ansprechverhaltens verhindert werden.
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Andererseits
wird in einem Falle, in welchem der Injektor 35 im Steuerungs-Grundmuster
gesteuert wird, im Gegensatz zum obigen Falle, wenn die Notwendigkeit
zur Absenkung des geforderten Düsendurchflusses auftritt,
wie im unteren Abschnitt des Zeitdiagramms gezeigt, die Betätigungsfrequenz
(= 1/Betätigungsperiode T2 = 1/(t7 – t1)) auf
eine Betätigungsfrequenz eingestellt, die niedriger ist
als die aktuelle Betätigungsfrequenz (die Betätigungsperiode
T2 wird verlängert), wodurch der Betätigungsquotient
(= t0/T2) nach der Änderung der Betätigungsfrequenz
auf einen Betätigungsquotienten kleiner als der aktuelle
Betätigungsquotient (= to/T0) beim Steuerungs-Grundmuster
eingestellt werden kann.
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Überdies
kann die Steuervorrichtung 4 eine Beschränkung
der Änderungsgeschwindigkeit der veränderlich
gesteuerten Betätigungsfrequenz zu einem Zeitpunkt vorsehen,
wenn dem Injektor 35 gestattet wird, das Ausstoßen
mit minimaler Ausstoßdauer vorzunehmen. Gemäß dieser
Ausgestaltung kann die Pulsation aufgrund eines irregulären
Ausstoßens, das durch die rasche Änderung der
Betätigungsfrequenz verursacht wird, und die Erzeugung starker
Geräusche (z. B. die Erzeugung von Geräuschen
in unbestimmten Intervallen) verhindert werden.
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Des
weiteren kann in diesem Falle die Beschränkung bei der Änderungsgeschwindigkeit
der Betätigungsfrequenz klein sein, nachdem die Änderungsmenge
des geforderten Düsendurchflusses pro Zeiteinheit in Bezug
auf den Injektor 35 groß ist.
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Das
heißt, in einem Falle, in welchem die Änderungsmenge
des geforderten Düsendurchflusses hinsichtlich des Injektors 35 groß ist,
wenn die Beschränkung der Änderungsgeschwindigkeit
der Betätigungsfrequenz erhöht wird, werden die
Pulsation aufgrund des irregulären Ausstoßens
und die Erzeugung von Geräuschen wirkungsvoll verhindert,
jedoch kann das Ansprechverhalten gesenkt werden. Dennoch ist es
gemäß der obigen Gestaltung möglich,
sowohl die Unterbindung der Pulsation aufgrund eines irregulären
Ausstoßens und der Erzeugung der Geräusche, wie
auch die Unterbindung einer Absenkung des Ansprechverhaltens zu
erreichen.
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Überdies
kann die Steuervorrichtung 4 zur Betätigungsfrequenz
die Untergrenze der Betätigungsfrequenz größer
als Null einstellen. Gemäß dieser Gestaltung wird
die Zahl der Ausstoßzeiten des Injektors 35, das
heißt die Betriebszeit, gehindert, übermäßig
abzunehmen. Deshalb kann, selbst wenn es eine Forderung zur Erhöhung
des Düsendurchflusses pro Zeiteinheit am Injektor 35 gibt,
das Absinken des Ansprechverhaltens unterbunden werden.
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Die
Steuervorrichtung 4 kann eine vorgegebene Obergrenze der
Betätigungsfrequenz zur Betätigungsfrequenz des
Injektors 35 in einem Falle einstellen, in dem die geforderte,
zu erzeugende Leistungsmenge in Bezug auf die Brennstoffzelle 10 die vorgegebene,
zu erzeugende Leistungsmenge oder weniger ist, und die Steuervorrichtung
den Düsendurchfluß pro Ausstoßvorgang
in einem Falle erhöhen kann, in welchem der geforderte
Düsendurchfluß pro Zeiteinheit in Bezug auf den
Injektor 35 nicht durch diese Obergrenze der Betätigungsfrequenz realisiert
werden kann.
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Das
heißt, selbst in einem Falle, in dem der Düsendurchfluß des
Injektors 35 minimiert ist, nimmt, wenn die Betätigungsfrequenz
hoch ist, das durch die Pulsation und Vibration verursachte Geräusch
in der gleichen Weise zunimmt, wie in dem Falle, in dem der Düsendurchfluß erhöht
wird. Jedoch wird gemäß der obigen Gestaltung
die Geräuscherzeugung durch die Zunahme des Düsendurchflusses
pro Düsenstrahl und die Unterdrückung des Geräuschs
durch das Vorsehen der Obergrenze der Betätigungsfrequenz in
der Richtung ausgeglichen, in der das Geräusch unterdrückt
wird, wodurch das Geräusch insgesamt unterdrückt
werden kann.
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Des
weiteren kann in einem Falle, in dem eine Mehrzahl von Wasserstofftanks 30 angeordnet ist,
wie beim Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Erfindung,
wenn in Bezug auf die Brennstoffzelle 10 die geforderte
zu erzeugende Leistungsmenge die vorgegebene zu erzeugende Leistungsmenge oder
weniger ist, die Steuervorrichtung 4 das Brenngas dem Injektor 35 von
dem Wasserstofftank 30 zuführen, in dem der Primärdruck
des Injektors 35 der geringste unter der Mehrzahl der Wasserstofftanks 30 ist.
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Während
eines Betriebs mit geringer Last (es muß die kleine angeforderte
Leistungsmenge erzeugt werden), wie beim Leerlaufbetrieb des auf
dem Fahrzeug angebrachten Systems, ist das Betriebsgeräusch
der Hilfsvorrichtungen gering, und deshalb wird das die Betätigung
des Injektors begleitende Geräusch für die Insassen
auffällig. Jedoch wird gemäß der obigen
Gestaltung der Primärdruck am Injektor 35 verringert,
wodurch die Aufprallgeschwindigkeit des Ventilkörpers am
Ventilsitz gesenkt wird und das den Aufprall begleitende Geräusch
verringert werden kann. Deshalb wird die Unannehmlichkeit für
die Insassen beseitigt oder reduziert.
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Überdies
wurde bei den obigen Ausführungsformen das Beispiel beschrieben,
bei dem das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung auf dem Brennstoffzellenfahrzeug S angebracht ist, es
kann aber das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
zusätzlich zum Brennstoffzellenfahrzeug S auch auf verschiedenen
beweglichen Körpern, (einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug,
usw.) angebracht sein. Des weiteren kann das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem stationären
Leistungserzeugungssystem zum Gebrauch als Leistungserzeugungsinstallation
für ein Bauwerk (eine Behausung, ein Gebäude,
oder dergleichen) eingesetzt werden.
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND
BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung schließt eine Brennstoffzelle (10) ein,
ein Brennstoffversorgungssystem (3) zur Versorgung der
Brennstoffzelle (10) mit einem Brenngas, einen Injektor
(35), der mittels einer elektromagnetischen Antriebskraft
einen Ventilkörper in einer vorgegebenen Betätigungsperiode
betätigt, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz
abzuheben, wodurch ein Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite
des Brennstoffversorgungssystems (3) so eingestellt wird,
daß das Gas auf eine stromab gelegene Seite ausgestoßen
wird, und eine die Aktion des Injektors (35) steuernde
Steuervorrichtung (4). Die Steuervorrichtung (4)
gestattet dem Injektor (35), das Gas mit einem Düsendurchfluß gemäß einem
vorgegebenen oder einem geringeren Düsendurchfluß auszustoßen,
falls die im Bezug auf die Brennstoffzelle (10) geforderte
zu erzeugende Leistungsmenge die vorgegebene zu erzeugende Leistungsmenge oder
eine geringere ist, und die Steuervorrichtung stellt die Betätigungsfrequenz
des Injektors (35) gemäß dem Düsendurchfluß und
der geforderten, zu erzeugendem Leistungsmenge ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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