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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen
Injektor in einer Reaktionsgasleitung, die mit einer Brennstoffzelle
verbunden ist, aufweist.
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Technischer Hintergrund
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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 ).
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Gaselementkomponente
ein offenes Ventil sein, das sich bei einem vorgegebenen Druck öffnet.
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Im
oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil,
wenn es sich öffnet, die Seite stromabwärts vom
Injektor mit der Außenseite der Reaktionsgasleitung verbinden.
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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.
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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.
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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.
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Im
oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann eine Diffusionsplatte
an einer Stelle vorgesehen sein, zu der das Gas aus den offenen
Kanälen ausgestoßen wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
oben genannten Brennstoffzellensystem kann das offene Ventil auf
der inneren Seite einer Geräusche absorbierenden Abdeckung,
die den Injektor bedeckt, angeordnet sein.
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Im
oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Gaselementkomponente
ein Drucksensor sein, der für die Auf/Zu-Steuerung des
Injektors verwendet wird.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Konstruktionsschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung, die einen Injektor des Brennstoffzellensystems
von 1 zeigt;
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3 ist
ein Steuerblockdiagramm, das eine Steuerungskonfiguration einer
Steuereinrichtung des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems
zeigt;
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4 ist
eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems
von 1;
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5 ist
eine Seitenansicht, die schematisch ein Fahrzeug zeigt, in dem das
in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem eingebaut
ist;
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6 ist
eine teilweise vergrößerte Frontalansicht, die
einen Abschnitt eines Teils der Brennstoffzelle des in 1 dargestellten
Brennstoffzellensystems zeigt;
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7 ist
eine Frontansicht, die eine Diffusionsplatte zur Verwendung in dem
in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem zeigt;
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8 ist
eine Schnittansicht einer Modifikation, die einen Abschnitt um den
Injektor des Brennstoffzellensystems von 1 zeigt;
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9 ist
eine teilweise vergrößerte Frontansicht eines
Abschnitts eines Teils einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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10 ist
eine teilweise vergrößerte Frontansicht, die einen
Abschnitt eines Teils einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beste Weise der Durchführung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug
auf 1 bis 8 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nun
werden hauptsächlich Unterschiede eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Gegensatz
zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nun
werden in erster Linie Unterschiede eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Gegensatz
zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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