DE112007002716T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgasleitung, die ein Reaktionsgas zu der Brennstoffzelle liefert; und einen Injektor, der einen Ventilkörper in einem vorgegebenen Antriebszyklus durch eine elektromagnetische Antriebskraft antreibt, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz zu trennen, und der Bedingungen des Gases auf einer stromaufwärtigen Seite in der Reaktionsgasleitung regelt, um das Gas zur stromabwärtigen Seite zu liefern, wobei eine Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe des durch die Reaktionsgasleitung strömenden Reaktionsgases anspricht, in den Injektor integriert vorgesehen ist.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Injektor in einer Reaktionsgasleitung, die mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, aufweist.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidierungsgas) empfängt, um eine Leistung zu erzeugen, wurde bereits vorgeschlagen und in der Praxis verwirklicht. In einem solchen Brennstoffzellensystem ist eine Reaktionsgasleitung, die die Zufuhr eines Brenngases von einer Brennstoffquelle, wie einem Wasserstofftank, zur Brennstoffzelle ermöglicht, mit einem Strömungsraten-Steuerventil versehen, das Gasbedingungen regelt, und ein offenes Ventil ist stromabwärts von diesem Strömungsraten-Steuerventil vorgesehen (siehe z. B. die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2002-134239 ).
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem, das im Patentdokument 1 offenbart ist, ist jedoch ein Strömungsraten-Regelventil abseits von einem offenen Ventil angeordnet, und beim Öffnen des offenen Ventils könnte es zu einer Verzögerung in Bezug auf Schwankungen eines Gasdrucks, der vom stromaufwärts angeordneten Strömungsraten-Regelventil geregelt wird, kommen. Eine solche Ansprechverzögerung ist ein Problem, das nicht nur im offenen Ventil, sondern auch in verschiedenen Komponenten vorkommen könnte, solange die Komponenten Gaselementkomponenten sind, die auf die physikalische Größe eines Reaktionsgases ansprechen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts einer solchen Situation entwickelt, und ihr Ziel ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das in der Lage ist, die Ansprechempfindlichkeit einer Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe eines Reaktionsgases anspricht, zu verbessern.
  • Um das genannte Ziel zu erreichen, ist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgasleitung, die ein Reaktionsgas zur Brennstoffzelle liefert; und einen Injektor, der einen Ventilkörper von einem Ventilsitz trennt und Bedingungen des Gases auf der stromaufwärtigen Seite in der Reaktionsgasleitung regelt, um das Gas stromabwärts zu liefern, wobei eine Gaselementkomponente auf die physikalische Größe des Reaktionsgases anspricht, das durch die integriert in den Injektor vorgesehene Reaktionsgasleitung zirkuliert.
  • Gemäß einer solchen Konstruktion ist die Gaselementkomponente in den Injektor integriert vorgesehen, so dass sie nahe am Injektor liegt, und somit kann die Ansprechverzögerung der Gaselementkomponente im Hinblick auf die Druckschwankungen, die dazwischen bewirkt werden, unterdrückt werden.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Gaselementkomponente ein offenes Ventil sein, das sich bei einem vorgegebenen Druck öffnet.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil, wenn es sich öffnet, die Seite stromabwärts vom Injektor mit der Außenseite der Reaktionsgasleitung verbinden.
  • Im oben genannten Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil, wenn es sich öffnet, die Seite stromaufwärts vom Injektor mit der Seite verbinden, die stromabwärts von diesem liegt.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem können in einem Fall, wo das offene Ventil in einem Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom In jektors lagert, Kanäle des offenen Ventils, die zur Außenseite der Reaktionsgasleitung offen sind, abwärts gerichtet sein.
  • Gemäß einem solchen Aufbau werden selbst dann, wenn Tröpfchen am offenen Ventil haften, diese Tröpfchen von der unteren Seite ausgeführt und können daran gehindert werden, am Ventilkörper hängen zu bleiben.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann eine Diffusionsplatte an einer Stelle vorgesehen sein, zu der das Gas aus den offenen Kanälen ausgestoßen wird.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem sind in einem Fall, wo das offene Ventil im Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, ein Hauptleitungsabschnitt und ein Zweigleitungsabschnitt, der vom Hauptleitungsabschnitt zum offenen Ventil abzweigt, im Trägerblock vorgesehen, und der Hauptleitungsabschnitt kann unter der Abzweigungsstelle des Zweigleitungsabschnitts verlaufen.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem sind in einem Fall, wo das offene Ventil im Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, der Hauptleitungsabschnitt und der Zweigleitungsabschnitt im Trägerblock vorgesehen, und der Strömungsquerschnitt des Zweigleitungsabschnitts ist größer als der des Hauptleitungsabschnitts.
  • Gemäß einem solchen Aufbau kann auch in einem Fall, wo es zu einem Fehler kommt, der bewirkt, dass der Injektor nicht von einem vollständig geöffneten Zustand in einen vollständig geschlossenen Zustand zurückkehrt (sozusagen im offenen Zustand hängen bleibt), mehr Reaktionsgas durch den Zweigleitungsabschnitt, der einen großen Strömungsquerschnitt aufweist, aus dem offenen Ventil aus der Reaktionsgasleitung ausgeführt werden, und schließlich kann ein Druck, der auf die Brennstoffzelle wirkt, gesenkt werden.
  • Im oben genannten Brennstoffzellensystem sind in einem Fall, wo das offene Ventil im Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, der Hauptleitungsabschnitt und der Zweigleitungsabschnitt, der vom Hauptleitungsabschnitt zum offenen Ventil abzweigt, im Trägerblock vorgesehen, und der Zweigleitungsabschnitt kann in einer Richtung verlaufen, die den Hauptleitungsabschnitt rechtwinklig schneidet.
  • Im oben genannten Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil von einem Trägerblock, der die Seite stromaufwärts vom Injektor lagert, und vom Trägerblock, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, gelagert werden.
  • Im oben genannten Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil den Trägerblock, der die Seite stromaufwärts vom Injektor lagert, mit dem Trägerblock verbinden, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert.
  • Im oben genannten Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil auf der inneren Seite einer Geräusche absorbierenden Abdeckung, die den Injektor bedeckt, angeordnet sein.
  • Im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Gaselementkomponente ein Drucksensor sein, der für die Auf/Zu-Steuerung des Injektors verwendet wird.
  • Da der Drucksensor nahe am Injektor angeordnet ist, kann bei einer solchen Konstruktion die Verzögerung der Injektorsteuerung auf der Basis des Drucks, der vom Drucksensor erfasst wird, verringert werden, und die Ansprechempfindlichkeit des Injektors auf die Auf/Zu-Steuerung kann verbessert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, das in der Lage ist, die Ansprechempfindlichkeit der Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe des Reaktionsgases anspricht, das weiter stromaufwärts vom Injektor reguliert wird, zu verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Konstruktionsschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Injektor des Brennstoffzellensystems von 1 zeigt;
  • 3 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine Steuerungskonfiguration einer Steuereinrichtung des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 4 ist eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems von 1;
  • 5 ist eine Seitenansicht, die schematisch ein Fahrzeug zeigt, in dem das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem eingebaut ist;
  • 6 ist eine teilweise vergrößerte Frontalansicht, die einen Abschnitt eines Teils der Brennstoffzelle des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 7 ist eine Frontansicht, die eine Diffusionsplatte zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem zeigt;
  • 8 ist eine Schnittansicht einer Modifikation, die einen Abschnitt um den Injektor des Brennstoffzellensystems von 1 zeigt;
  • 9 ist eine teilweise vergrößerte Frontansicht eines Abschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 10 ist eine teilweise vergrößerte Frontansicht, die einen Abschnitt eines Teils einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beste Weise der Durchführung der Erfindung
  • Im Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 8 beschrieben.
  • 1 ist ein Konstruktionsschema des Brennstoffzellensystems 1. Dieses Brennstoffzellensystem 1 kann als Onboard-Leistungserzeugungssystem für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, als Leistungserzeugungssystem für irgendeinen mobilen Körper, wie ein Schiff, ein Flugzeug, einen Zug oder einen schreitenden Roboter, ein anderes stationäres Leistungserzeugungssystem zur Verwendung als Leistungserzeugungsanlage für ein Gebäude (ein Wohnhaus, ein gewerbliches Gebäude oder dergleichen) verwendet werden, und das System wird insbesondere für das Fahrzeug verwendet.
  • Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10 auf, die ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Oxidierungsgas und ein Brenngas) empfängt, um Leistung zu erzeugen, und weist außerdem ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 2, das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 10 liefert, ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 3, das ein Wasserstoffgas als Brenngas liefert, eine Steuereinrichtung 4, die das gesamte System generell steuert, usw. auf.
  • Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in der die benötigte Zahl von Einheitszellen für die Aufnahme des zugeführten Reaktionsgases für die Leistungserzeugung gestapelt sind. Die Leistung, die von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, wird einer Leistungssteuereinheit (PCU) 11 zugeführt. Die PCU 11 weist einen Wechselrichter, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und dergleichen auf, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Zugmotor 12 angeordnet sind. Ein Stromsensor 13, der einen Strom erfasst, der während der Leistungserzeugung fließt, ist an der Brennstoffzelle 10 angebracht.
  • Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 2 weist auf: eine Luftzuleitung 21, die das Oxidierungsgas (Luft), das von einem Befeuchter 20 befeuchtet wird, zur Brennstoffzelle 10 liefert, eine Luftableitung 22, die ein verbrauchtes Oxidierungsgas, das aus der Brennstoffzelle 10 ausgeführt wird, zum Befeuchter 20 führt, und eine Abgasleitung 23, die das verbrauchte Oxidierungsgas aus dem Befeuchter 20 nach außen führt. Die Luftzuleitung 21 ist mit einem Kompressor 24 versehen, der das Oxidierungsgas aus der Atmosphäre holt, um das Gas unter Druck zum Befeuchter 20 zu liefern.
  • Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 weist auf: einen Wasserstofftank 30 als Brennstoffquelle, in dem das unter hohem Druck (z. B. 70 MPa) stehende Wasserstoffgas aufgenommen wird, eine Wasserstoffzuleitung (eine Reaktionsgasleitung) 31 als Brennstoffzuleitung für die Lieferung des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 30 zur Brennstoffzelle 10, und eine Umwälzleitung 32 für die Lieferung eines verbrauchten Wasserstoffgases, das aus der Brennstoffzelle ausgeführt wird, zurück in die Wasserstoffzuleitung 31. Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle des Wasserstofftanks 30 ein Reformer, der ein reformiertes wasserstoffreiches Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff bildet, und ein Hochdruck-Gastank, der das von diesem Reformer gebildete reformierte Gas stark verdichtet, um den Druck zu erhöhen, als Brennstoffquelle verwendet werden können. Außerdem kann eine Wasserstoff bindende Legierung als Brennstoffquelle verwendet werden.
  • Die Wasserstoffzuleitung 31 ist mit einem Sperrventil 33, das die Zufuhr von Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 blockiert oder zulässt, mit Reglern 34, die den Druck des Wasserstoffgases regeln, und mit einem Injektor 35 versehen. Außerdem sind stromaufwärts vom Injektor 35 ein Primärdrucksensor 41 und ein Temperatursensor 42 für die Erfassung des Druckes bzw. der Temperatur des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 31 vorgesehen. Darüber hinaus ist stromabwärts vom Injektor 35 und stromaufwärts von einer Mündungsstelle zwischen der Wasserstoffzuleitung 31 und der Umwälzleitung 32 ein Sekundärdrucksensor 43, der den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 31 erfasst, vorgesehen.
  • Jeder Regler 34 ist eine Einrichtung, die einen stromaufwärts herrschenden Druck (den Primärdruck) auf einen vorgegebenen Sekundärdruck regelt. Im Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform wird als Regler 34 ein mechanisches Drucksenkungsventil für die Senkung des Primärdrucks verwendet. Das mechanische Drucksenkungsventil kann auf bekannte Weise mit einem Gehäuse, das mit einer über eine Membran angeordneten Gegendruckkammer und einer Druckregulierungskammer versehen ist, konstruiert sein, und in der Druckregulierungskammer wird der Primärdruck auf einen vorgegebenen Druck gesenkt, um anhand eines Gegendrucks in der Gegendruckkammer den Sekundärdruck zu erhalten.
  • 2 ist eine Schnittdarstellung des Injektors 35. Dieser Injektor 35 regelt die Gasbedingungen in der Wasserstoffzuleitung 31, bildet einen Teil der Wasserstoffzuleitung 31 und weist einen Metallzylinder 54 auf, der mit einer inneren Leitung 53 versehen ist, die in der Wasserstoffzuleitung 31 auf der Seite des Wasserstofftanks 30 in einem Kanalabschnitt 51 angeordnet ist, der innerhalb eines zylindrischen Abschnitts 45 in einer axialen Richtung an einem Ende des Zylinders ausgebildet ist, wobei die innere Leitung in der Wasserstoffzuleitung 31 auf der Seite der Brennstoffzelle 10 in einem Kanalabschnitt 52 angeordnet ist, der innerhalb eines zylindrischen Abschnitts 46 in der axialen Richtung am anderen Ende des Zylinders ausgebildet ist, wobei dieser zylindrische Abschnitt die gleiche Achse aufweist wie der eine zylindrische Abschnitt 45.
  • Der Zylinder 54 weist auf: einen ersten Leitungsabschnitt 56, der mit dem Kanalabschnitt 51 verbunden ist; einen zweiten Leitungsabschnitt 57, der auf der Seite, die dem Kanalabschnitt 51 entgegengesetzt ist, mit dem ersten Leitungsabschnitt 56 verbundenen ist und einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Leitungsabschnitt 56; einen dritten Leitungsabschnitt 58, der auf der Seite, die dem ersten Leitungsabschnitt 56 entgegengesetzt ist, mit diesem zweiten Leitungsabschnitt 57 verbunden ist und einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Leitungsabschnitt 57; und einen vierten Leitungsabschnitt 59, der auf der Seite, die dem zweiten Leitungsabschnitt 57 entgegengesetzt ist, mit diesem dritten Leitungsabschnitt 58 verbunden ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als der zweie Leitungsabschnitt 57 und der dritte Leitungsabschnitt 58, und diese Abschnitten bilden die innere Leitung 53. Es sei darauf hingewiesen, dass der äußere Umfangsabschnitt des zylindrischen Abschnitts 45 mit einer ringförmigen Dichtungsnut 45a versehen ist und der äußere Umfangsabschnitt des zylindrischen Abschnitts 46 auch mit einer ringförmigen Dichtungsnut 46a verbunden ist.
  • Darüber hinaus weist der Injektor 35 auf: einen Ventilsitz 61, der in einem Hauptkörperabschnitt 47 vorgesehen ist, der zwischen den beiden zylindrischen Abschnitten 45 und 46 angeordnet ist und dessen Durchmesser größer ist als der jedes zylindrischen Abschnitts, so dass er eine Öffnung des vierten Leitungsabschnitts 59 auf der Seite des dritten Leitungsabschnitts 58 umgibt, wobei der Ventilsitz aus einem Dichtungselement aus beispielsweise Gummi besteht; einen Ventilkörper 65 aus Metall mit einem zylindrischen Abschnitt 62, der beweglich in den zweiten Leitungsabschnitt 57 eingeführt ist, und einem abgeschrägten Abschnitt 63, der im dritten Leitungsabschnitt 58 angeordnet ist und dessen Durchmesser größer ist als der des zweiten Leitungsabschnitts 57, wobei der abgeschrägte Abschnitt 53 mit einem schräg verlaufenden Verbindungskanal 64 versehen ist; eine Feder 67, deren eines Ende in den zylindrischen Abschnitt 62 des Ventilkörpers 65 eingeführt ist und deren anderes Ende in einen Stopper 66, der im ersten Leitungsabschnitt 56 ausgebildet ist, in Verbindung gebracht wird, damit der Ventilkörper 65 am Ventilsitz 61 anliegen kann, wodurch die innere Leitung 53 blockiert wird; und ein Magnetventil 69, das den Ventilkörper 65 durch eine elektromagnetische Antriebskraft entgegen der Druckkraft der Feder 67 bewegt, bis der Ventilkörper am gestuften Abschnitt 68 des dritten Leitungsabschnitts 58 auf der Seite des zweiten Leitungsabschnitts 57 anliegt, um den Ventilkörper 65 vom Ventilsitz 61 zu lösen und den Verbindungskanal 64 mit der inneren Leitung 53 zu verbinden. Hierbei arbeitet der Ventilkörper 65 in axialer Richtung des Zylinders 54.
  • Der Ventilkörper 65 des Injektors 35 wird durch eine Erregungssteuerung des Magnetventils 69 als einer elektromagnetischen Antriebseinrichtung angetrieben, und ein impulsartiger Erregungsstrom, der diesem Magnetventil 69 zugeführt wird, kann an- und abgeschaltet werden, um den Öffnungszustand der inneren Leitung 53 zu ändern (in dieser Ausführungsform in zwei Graden, d. h. einem vollständig geöffneten Grad und einem vollständig geschlossenen Grad). Darüber hinaus werden die Gaseinspritzzeit und der Gaseinspritzzeitpunkt des Injektors 35 von einem Steuersignal gesteuert, das von der Steuereinrichtung 4 ausgegeben wird, so dass die Strömungsrate und der Druck des Wasserstoffgases exakt gesteuert werden.
  • Um der Seite stromabwärts vom Injektor 35 Gas mit einer geforderten Strömungsrate zuzuführen, werden der Öffnungszustand (der Öffnungsgrad) und/oder die Öffnungszeit vom Ventilkörper 65, der in der inneren Leitung 53 des Injektors 35 vorgesehen ist, geändert, um die Strömungsrate (oder eine Wasserstoff-Molkonzentration) des Gases, das stromabwärts (zur Seite der Brennstoffzelle 10) geliefert wird, zu regeln.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Gasströmungsrate durch das Öffnen/Schließen des Ventilkörpers 65 des Injektors 35 geregelt wird und dass außerdem der Druck des Gases, das zur Seite stromabwärts vom Injektor 35 geliefert wird, im Vergleich zum Gasdruck auf der Seite stromaufwärts vom Injektor 35 gesenkt wird, und dass somit der Injektor 35 als Druckregelventil (als Drucksenkungsventil, als Regler) betrachtet werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Injektor außerdem als variables Druckregelventil betrachtet werden, das in der Lage ist, den Umfang der Druckregelung (den Umfang der Drucksenkung) des Gasdrucks stromaufwärts vom Injektor 35 so zu ändern, dass der Druck mit dem geforderten Druck in einem vorgegebenen Druckbereich entsprechend einer Gasforderung übereinstimmt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass in der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, der Injektor 35 stromaufwärts von einer Mündungsstelle A1 zwischen der Wasserstoffzuleitung 31 und der Umwälzleitung 32 angeordnet ist. Hierbei wird eine Vielzahl von Wasserstofftanks 30 als Brennstoffquellen verwendet, und somit ist der Injektor 35 stromabwärts von einer Stelle (einer Wasserstoffgas-Mündungsstelle A2), wo die von den Wasserstofftanks 30 zugeführten Wasserstoffgasströme sich vereinigen, angeordnet.
  • Die Umwälzleitung 32 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 36 und ein Gas/Wasser-Auslassventil 37 mit einer Auslassleitung 38 verbunden. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 36 fängt Wasser auf, das im verbrauchten Wasserstoffgas enthalten ist. Das Gas/Wasser-Auslassventil 37 arbeitet gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 4, um das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 36 aufgenommene enthaltene Wasser und das Verunreinigungen enthaltende verbrauchte Wasserstoffgas in der Umwälzleitung 32 nach außen zu leiten.
  • Außerdem ist die Umwälzleitung 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen, die das verbrauchte Wasserstoffgas in der Umwälzleitung 32 unter Druck setzt, um das Gas zur Wasserstoffzuleitung 31 zu liefern. Es sei darauf hingewiesen, dass das verbrauchte Wasserstoffgas, das durch das Gas/Wasser-Auslassventil 37 und die Auslassleitung 38 ausgeführt wird, von einer Verdünnungseinheit 40 verdünnt wird, bevor es sich mit dem verbrauchten Oxidierungsgas in der Abgasleitung 23 vereinigt.
  • Die Steuereinrichtung 4 erfasst den Betätigungsumfang einer Beschleunigungs-Betätigungseinrichtung (eines Gaspedals oder dergleichen), die in dem Fahrzeug vorgesehen ist, und empfängt Informationen, wie einen geforderten Beschleunigungswert (einen geforderten Leistungserzeugungsumfang von einem Verbraucher, wie einem Fahrmotor 12), um die Betätigung der verschiedenen Einrichtungen des Systems zu steuern.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass Verbraucher im Allgemeinen für Leistungsverbraucher steht, die außer dem Fahrmotor 12 Folgendes einschließen: Hilfseinrichtungen, die notwendig sind, um die Brennstoffzelle 10 zu betätigen (z. B. Motoren des Kompressors 24, der Wasserstoffpumpe 39, einer Kühlmittelpumpe und dergleichen), Stellglieder, die in verschiedenen Einrichtungen verwendet werden, die mit dem Fahren des Fahrzeugs im Zusammenhang stehen (eine Gangschaltung, eine Radsteuereinrichtung, eine Lenkeinrichtung, eine Aufhängung usw.), und eine Klimatisierungseinrichtung (eine Klimaanlage), eine Beleuchtung und eine Audioanlage in einem Insassenraum und so weiter.
  • Die Steuereinrichtung 4 besteht aus einem (nicht dargestellten) Computersystem. Ein solches Computersystem weist eine CPU, einen ROM, einen RAM, ein HDD, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, eine Anzeige und dergleichen auf, und die CPU liest und führt verschiedene Steuerprogramme, die im ROM gespeichert sind, aus, um verschiedene Steueroperationen durchzuführen.
  • Genauer berechnet die Steuereinrichtung 4, wie in 3 dargestellt, die Menge des Wasserstoffgases, das von der Brennstoffzelle 10 verbraucht wird (im Folgenden als „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet), auf der Basis des Betriebszustands der Brennstoffzelle (einem Wert, der vom Stromsensor 13 während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 erfasst wird) (Berechnungsfunktion für den Brennstoffverbrauch: B1). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwendung einer speziellen Rechenformel, die eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 und dem Wasserstoffverbrauch anzeigt, berechnet und aktualisiert.
  • Darüber hinaus berechnet die Steuereinrichtung 4 einen Solldruckwert (einen Soll-Gaszufuhrdruck in Bezug auf die Brennstoffzelle 10) des Wasserstoffgases an einer Stelle stromabwärts vom Injektor 35 auf der Basis des Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 (des Stromwerts der Brennstoffzelle 10 während der Leistungserzeugung, der vom Stromsensor 13 erfasst wird) (Berechnungsfunktion für den Solldruckwert: B2). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Solldruckwert an einer Stelle, wo der Sekundärdrucksensor 43 angeordnet ist (an einer Druckregulierungsstelle als Stelle, wo eine Druckregelung gefordert ist), für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwendung eines speziellen Kennfelds, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 und dem Solldruckwert anzeigt, berechnet und aktualisiert.
  • Ferner berechnet die Steuereinrichtung 4 eine Rückwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate auf der Basis einer Abweichung zwischen dem errechneten Solldruckwert und einem erfassten Druckwert an der stromabwärts vom Injektor 35 gelegenen Stelle (der Druckregulierungsstelle), der vom Sekundärdrucksensor 43 erfasst wird (Be rechnungsfunktion für die Rückwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate: B3). Die Rückwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate ist eine Wasserstoffgas-Strömungsrate (eine den Druckunterschied verringernde Korrekturströmungsrate), die zum Wasserstoffverbrauch addiert wird, um die Abweichung zwischen dem Solldruckwert und dem erfassten Druckwert zu verringern. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Rückwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwendung einer Steuerregel für die Sollwert-Verfolgungssteuerung PI oder dergleichen berechnet und aktualisiert.
  • Außerdem berechnet die Steuereinrichtung 4 eine Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate, die einer Abweichung zwischen dem zuvor berechneten Solldruckwert und dem aktuell berechneten Solldruckwert entspricht (Berechnungsfunktion für die Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate: B4). Die Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate ist eine Variation (ein der Korrekturströmungsrate entsprechender Druckunterschied) der Wasserstoffgas-Strömungsrate aufgrund der Variation des Solldruckwerts.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Vielzahl von Kennfeldern (z. B. zwei Kennfelder für einen hohen Druck und für einen niedrigen Druck auf der Basis eines vorgegebenen Schwellenwerts), die eine Beziehung zwischen der Abweichung des Solldruckwerts und der Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate gemäß dem Primärdruck anzeigen, vorgesehen, und die Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate wird für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwendung dieser Kennfelder berechnet und aktualisiert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vielzahl der Kennfelder gemäß dem Druckwert des Primärdrucksensors 41 geändert wird.
  • Darüber hinaus berechnet die Steuereinrichtung 4 die statische Strömungsrate des Injektors 35 auf der Basis des Gaszustands stromaufwärts vom Injektor 35 (eines vom Primärdrucksensor 41 erfassten Drucks des Wasserstoffgases und einer vom Temperatursensor 42 erfassten Temperatur des Wasserstoffgases) (Berechnungsfunktion für die statische Strömungsrate: B5). In der vorliegenden Ausführungsform wird eine statische Strömungsrate für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwen dung einer speziellen Rechenformel, die eine Beziehung zwischen Druck und Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts vom Injektor 35 und der statischen Strömungsrate anzeigt, berechnet und aktualisiert.
  • Ferner berechnet die Steuereinrichtung 4 die ungültige Einspritzzeit des Injektors 35 auf der Basis des Gaszustands (des Drucks und der Temperatur des Wasserstoffgases) stromaufwärts vom Injektor 35 und der angelegten Spannung (Berechnungsfunktion für die ungültige Einspritzzeit: B6). Hierbei ist die ungültige Einspritzzeit eine Zeit, die es dauert, bis nach dem Empfang eines Steuersignals von der Steuereinrichtung 4 durch den Injektor 35 das Einspritzen tatsächlich beginnt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die ungültige Einspritzzeit für jeden Berechnungszeitraum der Steuereinrichtung 4 unter Verwendung eines speziellen Kennfelds, das eine Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts vom Injektor 35, der angelegten Spannung und der ungültigen Einspritzzeit anzeigt, berechnet und aktualisiert.
  • Außerdem addiert die Steuereinrichtung 4 den Wasserstoffverbrauch, die Rückwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate und die Vorwärtskopplungs-Korrekturströmungsrate, um die Einspritzungsströmungsrate des Injektors 35 zu berechnen (Berechnungsfunktion für die Einspritzungsströmungsrate: B7). Dann multipliziert die Steuereinrichtung 4 einen Wert, der durch Teilen der Einspritzungsströmungsrate des Injektors 35 durch die statische Strömungsrate erhalten wird, mit dem Antriebszeitraum des Injektors 35, um die grundsätzliche Einspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen, und addiert diese grundsätzliche Einspritzzeit und die ungültige Einspritzzeit, um die Gesamteinspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen (Berechnungsfunktion für die Gesamteinspritzzeit: B8). Hierbei ist der Antriebszeitraum ein gestufter (Ein/Aus-)wellenartiger Zeitraum, der den Auf/Zu-Zustand des Spritzkanals des Injektors 35 anzeigt. In der vorliegenden Ausführungsform setzt die Steuereinrichtung 4 den Antriebszeitraum auf einen konstanten Wert.
  • Dann gibt die Steuereinrichtung 4 ein Steuersignal aus, um die Gesamteinspritzzeit des Injektors 35, die anhand des oben beschriebenen Verfahrens errechnet wurde, zu verwirklichen, wodurch die Gaseinspritzzeit und der Gaseinspritzzeitpunkt des Injektors 35 gesteuert werden, um die Strömungsrate und den Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, zu regeln.
  • Während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird das Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 über die Wasserstoffzuleitung 31 zu einem Brennstoffzellenpol der Brennstoffzelle 10 geliefert, und die befeuchtete und geregelte Luft wird über die Luftzuleitung 21 zu einem Oxidierungspol der Brennstoffzelle 10 geliefert, um Leistung zu erzeugen. In diesem Fall wird durch die Steuereinrichtung 4 eine Leistung (eine geforderte Leistung) berechnet, die aus der Brennstoffzelle 10 entnommen werden soll, und das Wasserstoffgas und die Luft werden der Brennstoffzelle 10 in Mengen zugeführt, die der Menge der erzeugten Leistung entsprechen.
  • Wie in 4 dargestellt, sind in der Brennstoffzelle 10 zwei ein Paar bildende Brennstoffzellenstapel 10A, 10B, die jeweils aus Stapeln der erforderlichen Anzahl von rechtwinkligen Einheitszellen 71 bestehen, die das zugeführte Reaktionsgas für die Leistungserzeugung empfangen, so angeordnet, dass die Laminierungsrichtungen der Einheitszellen 71 parallel zueinander sind, und die Stapel sind zwischen einem Paar aus gemeinsamen Endplatten 72 und 73 angeordnet, die in Laminierungsrichtung an beiden Enden der Zelle angeordnet sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass diese Endplatten 72, 73 über ein Paar Spannplatten 74, 75, die in einer Richtung, die die Anordnungsrichtung der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B rechtwinklig schneidet, zu beiden Seiten angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Wie in 5 dargestellt, wird diese Brennstoffzelle 10 in einem im Wesentlichen rechtwinkligen Parallelflach-Stapelgehäuse 76 untergebracht und in einem Fahrzeug V eingebaut.
  • In diesem eingebauten Zustand wird die Brennstoffzelle 10, die so positioniert ist, dass die Brennstoffzellenstapel 10A, 10B in horizontaler Richtung angeordnet sind, in einem Motorraum EC eingebaut, der auf der Frontseite des Fahrzeugs V vorgesehen ist. Dabei wird das Paar aus den Endplatten 72, 73 in einer Front-Heck-Richtung eines Fahrzeugs an beiden Enden angeordnet, und das Paar aus den Spannplatten 74, 75 wird vertikal angeordnet. Im Folgenden wird die Brennstoffzelle in dieser Position während des Einbaus beschrieben.
  • Der Injektor 35 ist an der einen Endplatte 72 auf der in Front-Heck-Richtung eines Fahrzeugs hinteren Seite der Brennstoffzelle 10 integriert vorgesehen. Dagegen ist die Fläche des Stapelgehäuses 76, das die Brennstoffzelle 10 aufnimmt, d. h. die Fläche, bei der es sich nicht um eine hintere Fläche 76a handelt, die auf den Injektor 35 gerichtet ist, wobei die Fläche nicht zwischen dem Injektor 35 und einem Insassenraum C angeordnet ist, genauer eine vordere Fläche 76b, mit einem Lüftungskanal 78 versehen, der die Innenseite mit der Außenseite verbindet.
  • Dieser Lüftungskanal 78 ist mit einem Filter 79 versehen, der den Durchtritt von Dampf zulässt, während er den Durchtritt von Wasserstoff begrenzt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Lüftungskanal 78 in einer anderen Fläche vorgesehen werden kann, wie einer oberen Fläche 76c, solange die Fläche eine Fläche ist, bei der es sich nicht um die Fläche handelt, die auf den Injektor 35 gerichtet ist, und die Fläche nicht zwischen dem Injektor 35 und dem Insassenraum C angeordnet ist.
  • Wie in 4 dargestellt, ist das Paar aus Endplatten 72, 73 gemeinsam mit der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln 10A, 10B angeordnet und weist somit eine im Wesentlichen rechtwinklige Form in Fahrzeug-Breitenrichtung auf, und der Injektor 35 ist in der Mitte zwischen den Brennstoffzellenstapeln 10A und 10B einer Vielzahl von Reihen (in 4 zwei Reihen) integriert in die eine Endplatte 72 auf der in Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs hinteren Seite vorgesehen.
  • Hierbei weisen die Brennstoffzellenstapel 10A, 10B auf der Seite der Endplatte 72 einander entgegengesetzte Polaritäten auf, und somit sind Wasserstoff-Zufuhröffnungen 80A, 80B, die die Wasserstoff-Gasströme auf kürzestem Weg zu den jeweilige Stapeln liefern, in Längsrichtung der Endplatte 72 symmetrisch angeordnet. Da der Injektor 35 wie oben beschrieben angeordnet ist, können infolgedessen die Längen der Leitungsabschnitte 81A, 81B, die von einer Leitung 81 abzweigen, die vom Injektor 35 in der Wasserstoffzuleitung 31 ausgeht, und die mit den jeweiligen Wasserstoff-Zufuhrkanälen 80A, 80B verbunden sind, gleich lang eingestellt werden.
  • Genauer ist, wie in 6 dargestellt, der zylindrische Abschnitt 45 des Injektors 35 auf einer Einlassseite über einen O-Ring 86 als elastisches Element, das in der Dichtungsnut 45a angeordnet ist, in einen Bohrungsabschnitt 85 eines aus Metall bestehenden Trägerblocks 84 eingepasst, und der zylindrische Abschnitt 46 auf einer Auslassseite ist über einen O-Ring 89 als elastisches Element, das in der Dichtungsnut 46a angeordnet ist, in einen Bohrungsabschnitt 88 eines aus Metall bestehenden Trägerblocks eingepasst.
  • Darüber hinaus ist der eine Trägerblock 84, der stromaufwärts angeordnet ist, in einem Befestigungsabschnitt 90 mit einem Bolzen an der Endplatte 72 befestigt, und der andere Trägerblock 87, der stromabwärts angeordnet ist, ist in zwei Befestigungsabschnitten 91, 92 auf beiden Seiten mittels Bolzen an der Endplatte 72 befestigt. Die beiden Befestigungsabschnitte 91, 92, die diesen Trägerblock 87 mit der Endplatte 72 verbinden, sind entlang einer horizontalen Linie miteinander verbunden.
  • Wie oben beschrieben, ist der Injektor 35 in der Endplatte 72 vorgesehen, wobei die axiale Richtung des Injektors, d. h. eine Ventilkörper-Antriebsrichtung (die Bewegungsrichtung des Ventilkörpers 65) eine vertikale Richtung ist, und beide Seiten des Injektors werden von den Trägerblöcken 84, 87 über die O-Ringe 86, 89 als elastische Elemente gelagert. Infolgedessen sind der zylindrische Abschnitt 45 stromaufwärts vom Injektor 35 und der zylindrische Abschnitt 46 stromabwärts davon über das Paar aus Trägerblöcken 84, 87 mit der Brennstoffzelle 10 verbunden, und diese zylindrischen Abschnitte 45, 46 werden durch die Wärme, die von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, erwärmt. Darüber hinaus ist der Kanalabschnitt 51 des Injektors 35 als Gaseinlass in der vertikalen Richtung über dem Kanalabschnitt 52 als Gasauslass angeordnet.
  • Ferner sind die Trägerböcke 84, 87 insgesamt durch die drei Befestigungsabschnitte 90, 91 und 92 mit der Endplatte 72 verbunden, und die beiden Befestigungsabschnitte 91, 92, die den unteren Trägerblock 87 mit der Endplatte 72 verbinden, sind in der Verlaufsrichtung des Verbindungsabschnitte 74a, 75a der Spannplatten 74, 75 parallel zur Endplatte 72 angeordnet, wie in 4 dargestellt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Trägerblöcke 84, 87 nicht an insgesamt drei Punkten, sondern an vier Punkten mit der Endplatte 72 verbunden sein können. Mit zwei Punkten oder weniger kann der Injektor jedoch nicht stabil gelagert werden. Mit fünf oder mehr Punkten ist die Zahl der Auflagepunkte zu hoch, und somit besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Befestigungsabschnitte sich aufgrund der Verformung der Endplatte 2 oder dergleichen locker, und jeder Fall ist ungünstig.
  • Hierbei verläuft, wie in 5 dargestellt, die Wasserstoffzuleitung 31, die von den Wasserstofftanks 30 ausgeht, die im hinteren Teil des Fahrzeugs V vorgesehen sind, unter einem Boden des Insassenraums C des Fahrzeugs V, wird in den Motorraum EC geführt und wird durch einen Öffnungsabschnitt 94, der in einer unteren Seite 76d des Stapelgehäuses ausgebildet ist, in dass Stapelgehäuse eingeführt. Ferner verläuft die Wasserstoffzuleitung, wie in 6 dargestellt, am Injektor 35 vorbei und ist mit dem oberen Trägerblock 84 verbunden. Somit steht die Wasserstoffzuleitung 31, die mit dem Trägerblock 84 verbunden ist, mit dem Öffnungsabschnitt 85 in Verbindung und steht über diesen Öffnungsabschnitt 85 mit dem Kanalabschnitt 51 des Injektors 35 in Verbindung.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Wasserstoffzuleitung 31 auf der Seite, die mit dem Trägerblock 84 verbunden ist, in einen U-förmigen Metallrohrabschnitt 95, der mit dem Trägerblock 84 verbunden ist, einen Isolierrohrabschnitt 96, der aus einem mit diesem Rohrabschnitt 95 verbundenen elastischen Element besteht, und einen mit diesem Isolierrohrabschnitt 96 verbundenen Metallrohrabschnitt (ein einlassseitiges Rohr) 97 aufgeteilt ist. Darüber hinaus isoliert der Isolierrohrabschnitt 96 die Wasserstoffzuleitung 31, welche die ein hohes Potential aufweisende Brennstoffzelle 10 mit einem geerdeten Körper jedes Wasserstofftanks 30 verbindet, elektrisch, und dieser Isolierrohrabschnitt 96 ist im Stapelgehäuse 76 angeordnet.
  • Darüber hinaus ist der mittlere Abschnitt des Rohrabschnitts 97, der durch den Öffnungsabschnitt 94 der Unterseite 76d des Stapelgehäuses 76 eingeführt wird, an einer Halterung bzw. Klammer 98 fixiert, die am Befestigungsabschnitt 91, der den Trägerblock 87 an der Endplatte 72 fixiert, zusammen befestigt ist. Dadurch wird die Position des Rohrabschnitts 97 stabilisiert, da die Position des Isolierrohrabschnitts 96 als elastischem Element an sich nicht stabilisiert ist.
  • Ferner ist in der erste Ausführungsform ein offenes Ventil 110 als Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe des durch die Wasserstoffzuleitung 31 strömenden Wasserstoffgases anspricht, im Injektor integriert vorgesehen.
  • Das heißt, wie in 6 dargestellt, ist der Trägerblock 87, der den zylindrischen Abschnitt 46 stromabwärts vom Injektor 35 lagert, mit einem Verbindungskanal 111 versehen, der von der in der vertikalen Richtung mittleren Position des Öffnungsabschnitts 88, der innerhalb des Blocks angeordnet ist, abwärts verläuft, ist eine inneren Leitung 112 in einem Abschnitt angeordnet, der vom Verbindungskanal 111 ausgeht, und ist das offene Ventil 110 an der inneren Leitung angebracht.
  • Die innere Leitung 112 des offenen Ventils 110 besteht aus Bohrungsabschnitten, die in dieser Reihenfolge von der Verbindungsbohrung 111 aus angeordnet sind: einem Bohrungsabschnitt 113 mit kleinem Durchmesser, einem konischen Bohrungsabschnitt 114 mit einem großen Durchmesser abseits vom Bohrungsabschnitt 113 mit dem kleinen Durchmesser und einem Bohrungsabschnitt 115 mit großem Durchmesser, dessen Durchmesser größer ist als der des Bohrungsabschnitts 113 mit dem kleinen Durchmesser, und ein Deckelelement 116 ist auf einer Seite, die dem Bohrungsabschnitt 113 mit dem kleinen Durchmesser entgegengesetzt ist, in den Bohrungsabschnitt 115 mit dem großen Durchmesser eingepasst.
  • Das Deckelelement 116 ist mit einer Vielzahl offener Kanäle 117, die außerhalb der Wasserstoffzuleitung 31 zur inneren Leitung 112 hin offen sind, ausgestattet, ein kugeliger Ventilkörper 118 ist auf der Seite des konischen Bohrungsabschnitts 114 zwischen dem Deckelelement 116 und dem konischen Bohrungsabschnitt 114 angeord net, und eine Feder 119 ist zwischen dem Ventilkörper 118 und dem Deckelement 116 angeordnet.
  • Da der Bohrungsabschnitt 88 und die Verbindungsbohrung 111 vorgesehen sind, ist der Trägerblock 87 mit einem Hauptleitungsabschnitt 122, der in dem in der vertikalen Richtung verlaufenden Bohrungsabschnitt 88 vorgesehen ist, und einem vom Hauptleitungsabschnitt 122 abzweigenden Zweigleitungsabschnitt 123, der in der Verbindungsbohrung 111 ausgebildet ist und zum offenen Ventil 110 abzweigt, versehen, und der Zweigleitungsabschnitt 123 verläuft in einer Richtung, die den Hauptleitungsabschnitt 122 im Wesentlichen rechtwinklig schneidet, leicht abwärts zur Vorderseite. Darüber hinaus verläuft der Hauptleitungsabschnitt 122 unter der Verzweigungsstelle des Zweigleitungsabschnitts 123.
  • Ferner verlaufen die offenen Kanäle 117 des Deckelelements 116 abwärts zur Vorderseite entlang der Verbindungsbohrung 111 und werden unter eine horizontale Richtung gelenkt. Außerdem ist ein Durchmesser ∅A der Verbindungsbohrung 111 größer als ein minimaler Durchmesser ∅B des Bohrungsabschnitts 88. Das heißt, der Leitungsquerschnitt der Verbindungsbohrung 111 ist größer als der des Hauptleitungsabschnitts 122 im Bohrungsabschnitt 88.
  • Wenn der Druck der Wasserstoffzuleitung 31 im offenen Ventil 110 bei oder unter einem vorgegebenen Druck liegt und kleiner ist als die Druckkraft der Feder 119, liegt daher der Ventilkörper 118 aufgrund der Druckkraft der Feder 119 am konischen Bohrungsabschnitt 114 an und öffnet die Wasserstoffzuleitung 31 nicht. Wenn der Druck der Wasserstoffzuleitung 31 größer ist als der vorgegebene Druck, löst sich der Ventilkörper 118 gegen die Druckkraft von der Feder 119 vom konischen Bohrungsabschnitt 114, um die Wasserstoffzuleitung 31 zur Außenluft zu öffnen.
  • Ein Abschnitt, zu dem das Gas aus den offenen Kanälen 117 des offenen Ventils 110 ausgestoßen wird, ist mit einer Diffusionsplatte 125 versehen, die das aus den offenen Kanälen 117 ausgestoßene Gas abbremst und verteilt. Diese Diffusionsplatte 125 ist an der Endplatte 72 fixiert, die Höhe der Mitte der Endplatte bildet einen bergähnlichen Gipfel, und die Platte ist mit einer Vielzahl von Flügelabschnitten 126 versehen, die radial von der Mitte aus in der gleichen Richtung gekrümmt sind, wie in 7 dargestellt.
  • Da das offene Ventil 110 als die Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe des durch die Wasserstoffzuleitung 31 strömenden Reaktionsgases anspricht, mit einem darin integrierten Injektor 35 ausgestattet ist, so dass es dem Injektor 35 nahe ist, kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform die Ansprechverzögerung des offenen Ventils 110 in Bezug auf Druckvariationen, die vom Injektor 35 bewirkt werden, unterdrückt werden. Wenn der Wasserstoffgasdruck, der vom Injektor 35 geregelt wird, stromaufwärts vom offenen Ventil 110 in der Wasserstoffzuleitung 31 der vorgegebene Druck ist, kann daher das offene Ventil 110 schnell ansprechen, d. h. sich öffnen, um den Druck der Wasserstoffzuleitung 31 nach außen abzulassen, und es ist möglich, einen Fehler, der in einem Fall auftritt, wo dieser Druck den vorgegebenen Druck übertrifft, zu unterdrücken.
  • Darüber hinaus ist das offene Ventil 110 im Trägerblock 87 vorgesehen, um die Seite stromabwärts vom Injektor 35 zu lagern, so dass die offenen Kanäle 117 unter die horizontale Richtung geführt werden. Auch wenn Tröpfchen auf der Seite der offenen Kanäle 117 am offenen Ventil 110 haften bleiben, fallen die Tröpfchen wegen ihres eigenen Gewichts herunter und die Haftung der Tröpfchen am Ventilkörper 118 wird unterdrückt.
  • Außerdem ist in dem offenen Ventil 110 der Trägerblock 87, der die Seite stromabwärts vom Injektor 35 lagert, mit dem Hauptleitungsabschnitt 122 und dem Zweigleitungsabschnitt 123, der vom Hauptleitungsabschnitt 122 zum offenen Ventil 110 abzweigt, versehen, und der Hauptleitungsabschnitt 122 verläuft unter der Verzweigungsstelle des Zweigleitungsabschnitts 123. Auch wenn das feuchte verbrauchte Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle 10 in die Umwälzleitung 32 eingeführt wird, die stromabwärts vom Hauptleitungsabschnitt 122 vorgesehen ist, kann daher verhindert werden, dass kondensierte Wassertröpfchen, die durch den Dampf des Gases erzeugt werden, in das offene Ventil 110 gelangen. Daher kann ein Blockieren/Festlegen, das in dem offenen Ventil 110 bewirkt wird, unterdrückt werden.
  • Ferner ist die Diffusionsplatte 125 an dem Abschnitt, zu dem das Gas aus den offenen Kanälen 117 des offenen Ventils 110 ausgestoßen wird, vorgesehen. Wenn das offene Ventil 110 geöffnet wird, wird daher das Wasserstoffgas von der Diffusionsplatte 125 abgebremst und verteilt. Daher kann eine Zerstörung der anderen Teile aufgrund einer hohen Strahlgeschwindigkeit des Wasserstoffgases und dergleichen unterdrückt werden.
  • Außerdem ist der Leitungsquerschnitt des Zweigleitungsabschnitts 123, der vom Hauptleitungsabschnitt 122 zum offenen Ventil 110 abzweigt, größer als der des Hauptleitungsabschnitts 122, der im Trägerblock 87 vorgesehen ist. Wenn das Wasserstoffgas mit einer hohen Strömungsrate vom Injektor 35 strömt, weil der Injektor 35 in seinem offenen Zustand hängt, kann mehr Gas durch das offene Ventil 110 strömen und aus der Wasserstoffzuleitung 31 ausgeführt werden, und der Druck, der auf die Brennstoffzelle 10 wirkt, kann gesenkt werden.
  • Da der Zweigleitungsabschnitt 123 in der Richtung verläuft, die den Hauptleitungsabschnitt 122 im Wesentlichen rechtwinklig schneidet, empfängt das offene Ventil 110, das mit dem Zweigleitungsabschnitt 123 verbunden ist, während des Öffnens/Schließens des Injektors 35 nicht ohne Weiteres den dynamischen Druck des Wasserstoffgases, und schließlich kann der Ventilöffnungsdruck des offenen Ventils 110 weiter gesenkt werden. Daher kann die Beschädigung eines Teils mit einem geringen Widerstandsdruck, beispielsweise der Brennstoffzelle 10 oder dergleichen, unterdrückt werden. Alternativ dazu kann der Widerstandsdruck der Brennstoffzelle 10 gesenkt werden, um die Brennstoffzelle zu erleichtern.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, das in 8 dargestellt ist, die Endplatte 72, in der der Injektor 35 angeordnet ist, mit einem Aussparungsabschnitt 100 versehen ist, in den ein Teil des Hauptkörperabschnitts 47 des Injektors 35 passt, ein gekrümmter plattenähnlicher harter Schallisolator 101 so angeordnet ist, dass er den Injektor 35 bedeckt, und eine Lücke zwischen dem Aussparungsabschnitt 100 und dem Schallisolator 101 und dem Injektor 35 mit einem weichen elastischen Material (einer weichen Schicht) 102 gefüllt sein kann.
  • Infolgedessen ist das elastische Material 102 zwischen dem Injektor 35 und der Brennstoffzelle 10 vorgesehen, und ein Teil des Injektors 35 ist in die Brennstoffzelle 10 eingebettet. Es sei darauf hingewiesen, dass der Schallisolator 102 und das elastische Material 102 eine Schall absorbierende Abdeckung 103 bilden, die den Injektor 35 bedeckt.
  • Darüber hinaus ist ein Signalleitungs-Verbindungsanschluss 104 für eine Steuersignalübertragung, der im Injektor 35 vorgesehen ist, parallel zu einer Anordnungsfläche 72a für den Injektor 35 in der Endplatte 72 angeordnet, so dass ein Kanalabschnitt 105 als Verbindungsabschnitt zwischen dem Signalleitungs-Verbindungsanschluss 104 und einer Signalleitung parallel zur Anordnungsfläche 72a angeordnet sein kann. Daher kann im Schallisolator 101 eine Öffnung 106, die den Signalleitungs-Verbindungsanschluss 104 mit der Außenseite verbindet, auf der Seite der Endplatte 72 ausgebildet sein.
  • Ferner kann die Schall absorbierende Abdeckung 103, die aus dem Schallisolator 101 und dem elastischen Material 102 besteht, vorgesehen sein, um das offene Ventil 110 zusammen mit dem Injektor 35 abzudecken, und bei dieser Konstruktion kann ein Gaseinspritzgeräusch während des Öffnens des offenen Ventils 110 unterdrückt werden.
  • Nun werden hauptsächlich Unterschiede eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • In dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist, wie in 9 dargestellt, kein offenes Ventil der ersten Ausführungsform vorgesehen, eine Wasserstoffzuleitung 31 weist eine Umgehungsleitung 130 auf, die einen Injektor 35 umgeht, diese Umgehungsleitung 130 ist mit einem offenen Ventil 131 als Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe eines durch die Wasserstoffzuleitung 31 strömenden Reaktionsgases anspricht, versehen, und dieses offene Ventil 131 ist in den Injektor 35 integriert vorgesehen.
  • Dieses offene Ventil 35 ist ein Entlastungsventil, das bei einem vorgegebenen Druck aufmacht und das während des Betriebs die Seite stromaufwärts vom Injektor 35 mit der Seite stromabwärts von diesem verbindet, ohne den Injektor 35 dazwischen zu schalten. Darüber hinaus wird in der zweiten Ausführungsform das offene Ventil 131 von einem Trägerblock 84 gelagert, der einen zylindrischen Abschnitt 45 stromaufwärts vom Injektor 35 lagert, und von einem Trägerblock 87, der einen zylindrischen Abschnitt 46 stromabwärts davon lagert, und das offene Ventil verbindet diese Trägerblöcke 84, 87 miteinander.
  • Das heißt, der obere Trägerblock 84 der zweiten Ausführungsform ist breiter ausgebildet als derjenige der ersten Ausführungsform, entlang einer Endplatte 72 ist eine zusätzliche Einpassbohrung 133 parallel zu einem Bohrungsabschnitt 85 ausgebildet, um den zylindrischen Abschnitt 45 zu lagern, und die Einpassbohrung 133 ist über eine Verbindungsbohrung 134, die die Einpassbohrung und den Bohrungsabschnitt 85 rechtwinklig schneidet, mit dem Bohrungsabschnitt verbunden.
  • Darüber hinaus ist auch der untere Trägerblock 87 breiter ausgebildet als derjenige der ersten Ausführungsform, entlang der Endplatte 72 ist eine zusätzliche Einpassbohrung 136 parallel zu einem Bohrungsabschnitt 88 ausgebildet, um den zylindrischen Abschnitt 46 zu lagern, und die Einpassbohrung 136 ist über eine Verbindungsbohrung 137, die die Einpassbohrung und den Bohrungsabschnitt rechtwinklig schneidet, mit dem Bohrungsabschnitt 88 verbunden. Diese Verbindungsbohrung 137 verläuft schräg abwärts zum Bohrungsabschnitt 88.
  • Ferner ist das offene Ventil 131 mit Flanschabschnitten 141, 142 an beiden Enden eines Gehäuses 140 des offenen Ventils versehen. Während das Ende des offenen Ventils von dem einen Flanschabschnitt 141 in die Einpassbohrung 133 des Trägerblocks 84 eingepasst wird, wird das offene Ventil durch Bolzen im Flanschabschnitt 141 am Trägerblock 84 fixiert. Während das Ende des offenen Ventils von dem anderen Flanschabschnitt 142 in die Einpassbohrung 136 des Trägerblocks 87 eingepasst wird, wird das offene Ventil durch Bolzen im Flanschabschnitt 142 am Trägerblock 87 fixiert. Es sei darauf hingewiesen, dass O-Ringe 143 für die Abdichtung von Lücken an den Anlageflächen der Trägerblöcke 84, 87 an den Flanschabschnitten 141, 142 vorgesehen sind.
  • Außerdem ist zwischen den oben beschriebenen Trägerblöcken 84 und 87 ein Schallisolator 101 vorgesehen, um sowohl den Injektor 35 als auch das offene Ventil 131 abzudecken. Dieser Schallisolator 101 ist an der Endplatte 72 befestigt, und ein Abschnitt zwischen diesem Schallisolator 101 und der Endplatte ist mit einem elastischen Material 102 gefüllt. Das heißt, der Injektor 35 und das offene Ventil 131 sind mit einer Schall absorbierenden Abdeckung 103, die aus dem Schallisolator 101 und dem elastischen Material 102 besteht, bedeckt.
  • Da das offene Ventil 131 gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der zweiten Ausführungsform als Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe eines Reaktionsgases anspricht, das durch die Wasserstoffzuleitung 31 zirkuliert, in den Injektor 35 integriert vorgesehen ist, so dass es sich nahe am Injektor befindet, wie oben beschrieben, kann die Ansprechverzögerung des offenen Ventils 31 in Bezug auf Druckschwankungen, die vom Injektor 35 bewirkt werden, unterdrückt werden.
  • Wenn ein Wasserstoffgasdruck stromaufwärts vom Injektor 35 aufgrund des Injektors 35 ein vorgegebener Druck ist, kann deshalb das offene Ventil 131 rasch ansprechen, d. h. sich öffnen, um das Wasserstoffgas zur Seite stromabwärts vom Injektor 35 in der Wasserstoffzuleitung 31 zu entlassen, und ein Fehler, der in einem Fall auftritt, wo dieser Druck den vorgegebenen Druck überschreitet, kann verhindert werden.
  • Da das offene Ventil 131 vom Trägerblock 84, der die Seite stromaufwärts vom Injektor 35 lagert, und vom Trägerblock 87, der die Seite stromabwärts von diesem lagert, gelagert wird, kann ein Lagermechanismus des offenen Ventils 131 integriert werden und Bauteile können vereinfacht werden.
  • Da das offene Ventil 131 den Trägerblock 84, der die Seite stromaufwärts vom Injektor 35 lagert, mit dem Trägerblock 87, der die Seite stromabwärts von diesem lagert, verbindet, dient das offene Ventil 101 auch als Verbindungsmechanismus der Trägerblöcke 84, 87 auf beiden Seiten, und die Bauteile können vereinfacht werden.
  • Darüber hinaus ist das offene Ventil 131 innerhalb der Schall absorbierenden Abdeckung 103 angeordnet, die aus dem Schallisolator 101 und dem den Injektor 35 bedeckenden elastischen Material 102 besteht, so dass nicht leicht ein Temperaturunterschied zwischen dem offenen Ventil und dem Injektor 35 entsteht, sich nicht leicht Kondensationströpfchen bilden und ein Schaden verhindert wird.
  • Es sei auch darauf hingewiesen, dass anstelle der Flanschabschnitte 141, 142 im offenen Ventil 131 ein Außengewinde an der Außenumfangsfläche des offenen Ventils 131 ausgebildet sein kann, während die Trägerblöcke 84, 87 mit Innengewinden versehen sind, und diese Gewinde können miteinander verschraubt werden. In diesem Fall kann ein Kragen, in den das offene Ventil 131 eingefügt wird, zwischen den Trägerblöcken 84 und 87 vorgesehen werden, und dieser Kragen kann zwischen den Trägerblöcken 84 und 87 gehalten werden, um eine Befestigungskraft durch das offene Ventil 131 zu erzeugen.
  • Nun werden in erster Linie Unterschiede eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • In der dritten Ausführungsform ist das offene Ventil der ersten Ausführungsform nicht vorgesehen. Wie in 10 dargestellt, sind als Gaselementkomponenten, die auf die physikalische Größe eines durch eine Wasserstoffzuleitung 31 strömenden Reaktionsgases ansprechen, die bei der Auf/Zu-Steuerung eines Injektors 35 verwendet werden, ein Primärdrucksensor 41, der einen Vorwärtskopplungsterm der Auf/Zu- Steuerung bestimmt, und ein Sekundärdrucksensor 43, der einen Rückwärtskopplungsterm bestimmt, im Injektor 35 integriert vorgesehen. Natürlich kann die dritte Ausführungsform mit dem offenen Ventil der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform ausgestattet sein.
  • Ein Trägerblock 84, der einen zylindrischen Abschnitt 45 stromaufwärts vom Injektor 35 lagert, ist mit einer Gewindeöffnung 145 parallel zu einer Endplatte 72 in einer Richtung (einer rechtwinklig kreuzenden Richtung), die einen Bohrungsabschnitt 85, der entlang einer vertikalen Richtung in dem Trägerblock verläuft, versehen, und der Drucksensor 41 wird von außen in diese Gewindeöffnung 145 eingeschraubt.
  • Hierbei steht die Gewindeöffnung 145 mit einem Raum in Verbindung, der einen Teil der Wasserstoffzuleitung 31 bildet und der von einem O-Ring 86 des Bohrungsabschnitts 85 und vom Injektor 35 definiert wird, und ein Erfassungsabschnitt 41a am vorderen Ende des Primärdrucksensors 41 erfasst einen Druck unmittelbar stromaufwärts vom Injektor 35 in der Wasserstoffzuleitung 31 über diese Gewindeöffnung 145.
  • Darüber hinaus ist ein Trägerblock 87, der einen zylindrischen Abschnitt 46 stromabwärts vom Injektor 35 lagert, mit einer Gewindeöffnung 146 parallel zur Endplatte 72 in einer Richtung (einer rechtwinklig kreuzenden Richtung), die einen Bohrungsabschnitt 88, der in einer vertikalen Richtung im Trägerblock verläuft, vorgesehen, und der Drucksensor 43 wird von außen in diese Gewindeöffnung 146 eingeschraubt.
  • Hierbei steht die Gewindeöffnung 146 mit einem Raum in Verbindung, der einen Teil der Wasserstoffzuleitung 31 bildet und der von einem O-Ring 89 des Bohrungsabschnitts 88 und vom Injektor 35 definiert wird, und ein Erfassungsabschnitt 43a am vorderen Ende des Drucksensors 43 erfasst einen Druck unmittelbar stromabwärts vom Injektor 35 in der Wasserstoffzuleitung 31 über die Gewindeöffnung 146.
  • Da die Drucksensoren 41, 43 als Gaselementkomponenten, die auf die physikalische Größe des durch die Wasserstoffzuleitung 31 zirkulierenden Reaktionsgases an sprechen, gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der oben beschriebenen dritten Ausführungsform integriert im Injektor 35 vorgesehen sind, so dass sie dem Injektor nahe sind, kann die Ansprechverzögerung der Drucksensoren 41, 43 in Bezug auf Druckschwankungen, die vom Injektor 35 bewirkt werden, d. h. die Verzögerung der Druckerfassung durch den Primärdrucksensor 41 und den Sekundärdrucksensor 43, verhindert werden.
  • Infolgedessen können wie oben beschrieben die Steuerverzögerung des Injektors 35, der auf der Basis der vom Primärdrucksensor erfassten Druckwerts, des vom Sekundärdrucksensor 43 erfassten Druckwerts und dergleichen gesteuert wird, verhindert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
  • Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 10, einer Reaktionsgasleitung 31, die ein Reaktionsgas zur Brennstoffzelle 10 liefert, und einem Injektor 35, der einen Ventilkörper in einem vorgegebenen Antriebszyklus durch eine elektromagnetische Kraft antreibt, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz zu trennen, Bedingungen des Gases auf der Seite stromaufwärts in der Reaktionsgasleitung 31 zu regeln und das Gas stromabwärts zu liefern. Eine Gaselementkomponente 110, die auf die physikalische Größe des Reaktionsgases anspricht, das in der Reaktionsgasleitung 31 zirkuliert, ist integriert in den Injektor 35 vorgesehen, so dass sie dem Injektor nahe ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2002-134239 [0002]

Claims (13)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgasleitung, die ein Reaktionsgas zu der Brennstoffzelle liefert; und einen Injektor, der einen Ventilkörper in einem vorgegebenen Antriebszyklus durch eine elektromagnetische Antriebskraft antreibt, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz zu trennen, und der Bedingungen des Gases auf einer stromaufwärtigen Seite in der Reaktionsgasleitung regelt, um das Gas zur stromabwärtigen Seite zu liefern, wobei eine Gaselementkomponente, die auf die physikalische Größe des durch die Reaktionsgasleitung strömenden Reaktionsgases anspricht, in den Injektor integriert vorgesehen ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Gaselementkomponente ein offenes Ventil ist, das sich bei einem vorgegebenen Druck öffnet.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das offene Ventil die Seite stromabwärts vom Injektor mit der Außenseite der Reaktionsgasleitung verbindet, wenn es sich öffnet.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das offene Ventil die Seite stromaufwärts vom Injektor mit der Seite stromabwärts von demselben verbindet, wenn es sich öffnet.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das offene Ventil in einem Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, und offene Kanäle, die zur Außenseite der Reaktionsgasleitung offen sind, abwärts gerichtet sind.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei eine Diffusionsplatte an einem Abschnitt vorgesehen ist, auf den das Gas aus den offenen Kanälen ausgestoßen wird.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das offene Ventil in einem Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, wobei ein Hauptleitungsabschnitt und ein Zweigleitungsabschnitt, der vom Hauptleitungsabschnitt zum offenen Ventil abzweigt, im Trägerblock vorgesehen sind, und der Hauptleitungsabschnitt unter der Abzweigungsstelle des Zweigleitungsabschnitts verläuft.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das offene Ventil in einem Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, wobei ein Hauptleitungsabschnitt und ein Zweigleitungsabschnitt, der vom Hauptleitungsabschnitt zum offenen Ventil abzweigt, im Trägerblock vorgesehen sind, und der Strömungsquerschnitt des Zweigleitungsabschnitts größer ist als der des Hauptleitungsabschnitts.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das offene Ventil in einem Trägerblock vorgesehen ist, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, wobei ein Hauptleitungsabschnitt und ein Zweigleitungsabschnitt, der vom Hauptleitungsabschnitt zum offenen Ventil abzweigt, im Trägerblock vorgesehen sind, wobei der Zweigleitungsabschnitt in einer Richtung verläuft, die den Hauptleitungsabschnitt rechtwinklig schneidet.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das offene Ventil von einem Trägerblock, der die Seite stromaufwärts vom Injektor lagert, und von einem Trägerblock, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, gelagert wird.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das offene Ventil einen Trägerblock, der die Seite stromaufwärts vom Injektor lagert, mit einem Trägerblock, der die Seite stromabwärts vom Injektor lagert, verbindet.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das offene Ventil auf der Innenseite einer Schall absorbierenden Abdeckung angeordnet ist, die den Injektor abdeckt.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Gaselementkomponente ein Drucksensor zur Verwendung bei der Auf/Zu-Steuerung des Injektors ist.
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