DE112010005129B4

DE112010005129B4 - Gas-Zuführvorrichtung

Info

Publication number: DE112010005129B4
Application number: DE112010005129.1T
Authority: DE
Inventors: Koji Katano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2030-01-16
Also published as: US20130040218A1; JPWO2011086603A1; WO2011086603A1; CN102714327B; JP5278561B2; CN102714327A; DE112010005129T5; US8524407B2

Abstract

Gas-Zuführvorrichtung für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Mehrzahl von ersten Injektoren (200A, 200B), welche derart gestaltet sind, dass diese einen ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzen; einen zweiten Injektor (300), welcher parallel zu den ersten Injektoren (200A, 200B) angeordnet ist und derart gestaltet ist, dass dieser eine geringere Strömungsrate als die ersten Injektoren (200A, 200B) und einen größeren zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck als den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzt; einen ersten Drucksensor (150), welcher stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) angeordnet ist; und eine Steuerung (500), welche derart gestaltet ist, dass diese die Öffnungs-/Schließ-Betätigung der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) steuert, wobei bei einem Start des Brennstoffzellensystems, (i) die Steuerung (500) den zweiten Injektor (300) öffnet, wenn Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) größer als der erste maximale Ventil-Öffnungsdruck, jedoch geringer als oder gleich dem zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist, und die Steuerung (500) zunächst einen ersten Injektor öffnet, welcher aus der Mehrzahl von ersten Injektoren (200A, 200B) den kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor (300) besitzt, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) nach dem Öffnen des zweiten Injektors (300) auf oder unter den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdrucks gefallen ist, und (ii) die Steuerung (500) den ersten Injektor (200A, 200B) öffnet, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) geringer als oder gleich dem ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gas-Zuführvorrichtung, welche für ein Brennstoffzellensystem verwendet wird.
Stand der Technik
Bei einer bekannten Struktur einer Gas-Zuführvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sind zwei Injektoren mit unterschiedlichen Strömungsraten parallel zueinander angeordnet, um die Beträge von Gas, welche durch die entsprechenden Injektoren laufen, zu regulieren (siehe beispielsweise JP 2005-302571 A ). Im Allgemeinen besitzt der große Injektor den großen Hub und die hohe Strömungsrate von Gas, kann jedoch auch bei dem relativ niedrigen stromaufwärtigen Druck nicht geöffnet werden. Andererseits besitzt der kleine Injektor den kleinen Hub und die niedrige Strömungsrate von Gas und kann selbst bei dem relativ hohen stromaufwärtigen Druck geöffnet werden.
Eine weitere gattungsgemäße Gas-Zuführvorrichtung für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem mit einem kleinen Injektor und einem großen Injektor ist in der JP 2009-146675 A offenbart.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn ein Injektor in einem Brenngas-Zuführ-Strömungspfad des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, strömt das Brenngas beispielsweise von einem Brenngastank durch einen Regler, den Injektor und einen Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge. Wenn das Brennstoffzellensystem für eine lange Zeitphase angehalten bleibt, tritt das Brenngas durch den Regler von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite aus, und das ausgetretene Gas kann zwischen dem Regler und dem Injektor angesammelt werden, wodurch der Druck in dem Gas-Strömungspfad zwischen dem Regler und dem Injektor ansteigt. Der ansteigende Druck kann bei einer Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems das Ventilöffnen des großen Injektors auf unerwünschte Art und Weise stören. Häufiges Ventilöffnen des kleinen Injektors kann andererseits die Haltbarkeit des kleinen Injektors auf unerwünschte Art und Weise reduzieren. Der kleine Injektor besitzt die niedrige Gas-Strömungsrate und muss daher für eine lange Zeitphase offen gehalten werden, um den Druck in dem Gas-Strömungspfad zwischen dem Regler und dem Injektor zu senken. Dies kann den Leistungsverbrauch, welcher für das Antreiben des Injektors verwendet wird, auf unerwünschte Art und Weise erhöhen. Die niedrige Strömungsrate der Gaszuführung kann eine Variation der Gas-Konzentration in dem Brennstoffzellenstapel hervorrufen, wodurch auf unerwünschte Art und Weise eine Konzentrationszelle gebildet wird und ein in dem Brennstoffzellenstapel verwendeter Katalysator geschädigt wird.
Infolge dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Energieeinsparung und verbesserte Haltbarkeit eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, um zumindest einen Teil des Vorgenannten zu lösen.
Lösung des Problems
[Aspekt 1]
Eine Gas-Zuführvorrichtung für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Mehrzahl von ersten Injektoren, welche derart gestaltet sind, dass sie einen ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzen; einen zweiten Injektor, welcher parallel zu den ersten Injektoren angeordnet ist und derart gestaltet ist, dass dieser eine geringere Strömungsrate als der erste Injektor und einen größeren zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck als den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzt; einen ersten Drucksensor, welcher stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren angeordnet ist; und eine Steuerung, welche derart gestaltet ist, dass diese die Öffnungs-/Schließ-Betätigung der ersten und zweiten Injektoren steuert, wobei bei einem Start des Brennstoffzellensystems, (i) die Steuerung den zweiten Injektor öffnet, wenn Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren größer als der erste maximale Ventil-Öffnungsdruck, jedoch kleiner als oder gleich dem zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist, und die Steuerung zunächst einen aus der Mehrzahl von ersten Injektoren öffnet, der aus der Mehrzahl von ersten Injektoren den kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor besitzt, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren nach dem Öffnen des zweiten Injektors auf oder unter den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck gefallen ist; und (ii) die Steuerung den ersten Injektor oder den zweiten Injektor öffnet, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren geringer als oder gleich dem ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist.
Wenn der stromaufwärtige Druck größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck des ersten Injektors ist, öffnet die Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts zunächst den zweiten Injektor, um den stromaufwärtigen Druck zu reduzieren, und öffnet anschließend den ersten Injektor. Wenn der stromaufwärtige Druck nicht größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck des ersten Injektors ist, öffnet die Gas-Zuführvorrichtung andererseits entweder den ersten Injektor oder den zweiten Injektor. Dies reduziert die Häufigkeit des Betriebs des zweiten Injektors, wodurch die Haltbarkeit des zweiten Injektors und des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Bei der Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts wird der stromaufwärtige Druck an der Position des ersten Injektors mit dem kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor vor dem stromaufwärtigen Druck an den Positionen der anderen ersten Injektoren gesenkt. Dies erlaubt ein Ventilöffnen des ersten Injektors zu dem früheren Zeitpunkt.
Die Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts öffnet zudem den ersten Injektor, um ein Gas zuzuführen. Dies erhöht die Strömungsrate und senkt die Wasserstoff-Verteilung in der Brennstoffzelle, wodurch die Bildung einer Konzentrationszelle verhindert wird.
[Aspekt 2]
Die Gas-Zuführvorrichtung nach Aspekt 1, wobei die Steuerung, wenn zwei oder mehrere erste Injektoren an Positionen mit dem kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor angeordnet sind, zunächst einen der beiden oder mehreren ersten Injektoren öffnet, welcher an der stromabwärtigsten Seite angeordnet ist.
Bei der Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts wird der stromaufwärtige Druck an der Position des ersten Injektors, welcher an der stromabwärtigsten Seite angeordnet ist, vor dem stromaufwärtigen Druck an den Positionen der anderen ersten Injektoren, welche an der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind, gesenkt. Dies erlaubt ein Ventilöffnen des ersten Injektors zu dem früheren Zeitpunkt.
[Aspekt 3]
Die Gas-Zuführvorrichtung nach Aspekt 2, wobei der erste Drucksensor an einer derartigen Position angeordnet ist, dass ein Abstand zwischen dem ersten Drucksensor und dem ersten Injektor, welcher zuerst geöffnet wird, kürzer als ein Abstand zwischen dem ersten Drucksensor und einem anderen nicht-betätigten ersten Injektor ist.
Die Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts kann die Ventil-Öffnungszeit des ersten Injektors auf einfache Weise ermitteln.
[Aspekt 4]
Die Gas-Zuführvorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die Steuerung nach dem Öffnen des ersten Injektors den zweiten Injektor schließt.
Die Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts reduziert den Energieverbrauch für das Ventilöffnen des zweiten Injektors, wodurch eine Energieeinsparung erreicht wird.
[Aspekt 5]
Die Gas-Zuführvorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei der zweite Injektor besitzt: einen Ventilsitz; und ein Metall-Ventilelement.
Bei der Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts besitzt der zweite Injektor das Metall-Ventilelement. Dies verkürzt den Hub für die Strömung des Gases und erreicht eine Energieeinsparung.
[Aspekt 6]
Die Gas-Zuführvorrichtung nach Aspekt 5, ferner aufweisend: einen zweiten Drucksensor, welcher stromabwärts der ersten und zweiten Injektoren angeordnet ist, wobei die Steuerung nach der Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems den zweiten Injektor öffnet und anschließend den zweiten Injektor schließt, wenn eine Abnahmerate des Druckes stromabwärts der ersten und zweiten Injektoren kleiner als ein vorbestimmtes Referenzniveau ist.
Die Gas-Zuführvorrichtung dieses Aspekts erfasst eine Leckage des Injektors und reduziert den Betrag der Gas-Leckage durch die anschließende Öffnungs-/Schließ-Betätigung des Injektors.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Gas-Zuführvorrichtung beschränkt, sondern kann ebenso durch verschiedene andere Anwendungen, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren eines Injektors für eine Brennstoffzelle, implementiert sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Aspekte beschränkt, es können jedoch eine Mehrzahl von Varianten und Modifikationen auf diese Aspekte angewandt werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 stellt ein Brennstoffzellen-Fahrzeug dar.
2A und 2B stellen den Querschnittsabschnitt des großen Injektors schematisch dar.
3 ist eine Nahansicht, welche die Peripherie des Ventilelements und den Ventilsitz des großen Injektors darstellt.
4A und 4B stellen den Querschnittsabschnitt des kleinen Injektors dar.
5 ist eine Nahansicht, welche die Peripherie eines Ventilelements und einen Ventilsitz des kleinen Injektors darstellt.
6 stellt die Ventil-Öffnungs-Charakteristiken der Injektoren dar.
7 ist ein Betriebs-Flussdiagramm beim Start des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (Brennstoffzellensystem).
8 stellt ein Beispiel der Druckvariationen der Gas-Strömungspfade und die Öffnungs-/Schließ-Betätigungen der Injektoren beim Start des Brennstoffzellensystems dar.
9 zeigt eine Druckvariation des Gas-Strömungspfades stromabwärts des Injektors bei einem Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems.
10 stellt ein Beispiel einer Variation eines Leckage-Betrages durch die Öffnungs-/Schließ-Betätigungen des kleinen Injektors dar.
11A bis 11C stellen Variationen des stromaufwärtigen Druckes P_M stromaufwärts der Injektoren bei dem Ventil-Öffnungs-Zeitpunkt des kleinen Injektors relativ zu den Positionen der Injektoren in dem Gas-Strömungspfad dar.
Beschreibung der Ausführungsform
1 stellt ein Brennstoffzellen-Fahrzeug dar. Das Nachstehende beschreibt das Brennstoffzellen-Fahrzeug 10 als das Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug 10 enthält einen Brennstofftank 100, einen großen Injektor (erster Injektor) 200, einen kleinen Injektor (zweiter Injektor) 300, einen Brennstoffzellenstapel 400, und eine Steuerung 500. Der Brennstofftank 100 ist sowohl mit dem großen Injektor 200 als auch dem kleinen Injektor 300 über eine stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 verbunden. Sowohl der große Injektor 200 als auch der kleine Injektor 300 sind mit dem Brennstoffzellenstapel 400 über eine stromabwärtige Gas-Zuführleitung 115 verbunden. Mit anderen Worten, der große Injektor 200 und der kleine Injektor 300 sind parallel angeordnet.
Ein Haupt-Stoppventil 120, ein Regler 130 und ein stromaufwärtiges Druck-Messinstrument (erstes Druck-Messinstrument) 150 sind in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 vorgesehen. Das Haupt-Stoppventil 120 wird betrieben, um zu steuern, ob ein Brenngas (Wasserstoff) von dem Brennstofftank 100 zugeführt werden soll. Der Regler 130 wird betrieben, um den Zuführdruck (oder den Zuführbetrag) des Brenngases anzupassen. Eine Abzweigleitung 140 ist von der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 abgezweigt, und ein Ablassventil 145 ist in der Abzweigleitung 140 vorgesehen. Wenn der Druck in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zu einer voreingestellten oberen Druckgrenze Plimit ansteigt, wird das Ablassventil 145 geöffnet, um das Brenngas in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 in die Atmosphäre zu entlassen und dadurch den Druck in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zu senken. Beim Start des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 10 wird, wenn der Druck in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 größer als ein maximaler Ventil-Öffnungsdruck (dies ist die obere Druckgrenze, oberhalb welcher der Injektor nicht geöffnet werden kann) des kleinen Injektors 300 ist, das Ablassventil 145 durch einen Signalausgang von der Steuerung 500 geöffnet, um das Brenngas in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 in die Atmosphäre zu entlassen und dadurch den Druck in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zu senken. Ein stromabwärtiges Druck-Messinstrument (zweites Druck-Messinstrument) 160 ist in der stromabwärtigen Gas-Zuführleitung 115 vorgesehen.
2A und 2B stellen den Querschnittsabschnitt des großen Injektors schematisch dar. 2A zeigt den großen Injektor 200 in der geschlossenen Position, und 2B zeigt den großen Injektor 200 in der offenen Position. Der große Injektor 200 enthält einen äußeren Zylinder 210, einen Kolben 250 und einen stationären Eisenkern 280. Der äußere Zylinder 210 besitzt die Hohlstruktur, um den Kolben 250 und den stationären Eisenkern 280 darin aufzunehmen. Das von der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zugeführte Brenngas strömt durch einen ersten Gas-Strömungspfad 220, einen zweiten Gas-Strömungspfad 270, einen dritten Gas-Strömungspfad 265, einen vierten Gas-Strömungspfad 275, einen fünften Gas-Strömungspfad 225 und einen sechsten Gas-Strömungspfad 230 in dieser Reihenfolge zu der stromabwärtigen Gas-Zuführleitung 115.
Der äußere Zylinder 210 besitzt eine hohle, säulenartige Gestalt und besitzt den fünften Gas-Strömungspfad 225 und den sechsten Gas-Strömungspfad 230. Der sechste Gas-Strömungspfad 230 ist entlang einer Mittelachse 201 des großen Injektors 200 ausgebildet und ist mit der stromabwärtigen Gas-Zuführleitung 115 verbunden. Der fünfte Gas-Strömungspfad 225 ist entlang der Mittelachse 201 des großen Injektors ausgebildet, um einen größeren Innendurchmesser als diesen des sechsten Gas-Strömungspfades 230 zu besitzen. Ein Ventilsitz 215 ist an einem Stufen-Abschnitt zwischen dem fünften Gas-Strömungspfad 225 und dem sechsten Gas-Strömungspfad 230 vorgesehen.
Die stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 ist mit der stromaufwärtigen Seite des stationären Eisenkerns 280 verbunden. Der stationäre Eisenkern 280 besitzt den ersten Gas-Strömungspfad 220 und den zweiten Gas-Strömungspfad 270. Der zweite Gas-Strömungspfad 220 ist derart ausgebildet, dass dieser durch die Mittelachse 201 des großen Injektors 200 läuft. Der erste Gas-Strömungspfad 220 verbindet die stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 mit dem zweiten Gas-Strömungspfad 270.
Der Kolben 250 ist stromabwärts des stationären Eisenkerns 280 angeordnet. Der Kolben 250 besitzt ein Ventilelement 255, welches auf der gegenüberliegenden Seite des stationären Eisenkerns 280 vorgesehen ist. Der Kolben 250 besitzt den dritten Gas-Strömungspfad 265 und den vierten Gas-Strömungspfad 275. Der Kolben 250 besitzt einen hohlen Abschnitt auf der Seite des stationären Eisenkerns 280 von dem Ventilelement 255, und dieser hohle Abschnitt dient als der dritte Gas-Strömungspfad 265. Der dritte Gas-Strömungspfad 265 steht mit dem zweiten Gas-Strömungspfad 270 in Verbindung. Der Innendurchmesser des dritten Gas-Strömungspfades 265 ist kleiner als der Innendurchmesser des sechsten Gas-Strömungspfades 230, welcher in dem äußeren Zylinder 210 ausgebildet ist. Der vierte Gas-Strömungspfad 275 ist derart ausgebildet, dass dieser durch die Seitenfläche des Kolbens 250 von der stromabwärtigen Seite des dritten Gas-Strömungspfades 265 in Richtung der Außenseite des Kolbens 250 läuft. Das Ventilelement 255 mit einer annähernd zylindrischen Gestalt besitzt ein Gummi-Abdichtelement 260, welches an der Seite des Ventilsitzes 215 des Ventilelements 255 vorgesehen ist. Der vorstehend erwähnte fünfte Gas-Strömungspfad 225 ist zwischen dem Ventilelement 255 und dem äußeren Zylinder 210 ausgebildet. Der fünfte Gas-Strömungspfad 225 ist mit dem dritten Gas-Strömungspfad 265 durch den vierten Gas-Strömungspfad 275 verbunden.
Eine Feder 295 ist in dem zweiten Gas-Strömungspfad 270 des stationären Eisenkerns 280 und in dem dritten Gas-Strömungspfad 265 des Kolbens 250 vorgesehen. Diese Feder 295 drückt den Kolben 250 von dem stationären Eisenkern 280 weg. Der äußere Zylinder 210 besitzt eine Magnetspule 290, welche um den stationären Eisenkern 280 und den Kolben 250 vorgesehen ist.
Wenn auf die Magnetspule 290 kein elektrischer Strom aufgebracht wird, wird das Ventilelement 255 durch die Druckkraft der Feder 295 gegen den Ventilsitz 215 gedrückt, um den großen Injektor 200 zu verschließen. Wenn andererseits elektrischer Strom auf die Magnetspule 290 aufgebracht wird, werden der stationäre Eisenkern 280 und der Kolben 250 magnetisiert, so dass der stationäre Eisenkern 280 den Kolben 250 anzieht. Entsprechend bewegt sich der Kolben 250 in Richtung des stationären Eisenkerns 280, und das Ventilelement 255 wird von dem Ventilsitz 215 getrennt. Dies bewirkt, dass das Brenngas von der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 durch den ersten Gas-Strömungspfad 220, den zweiten Gas-Strömungspfad 270, den dritten Gas-Strömungspfad 265, den vierten Gas-Strömungspfad 275, den fünften Gas-Strömungspfad 225 und den sechsten Gas-Strömungspfad 230 zu der stromabwärtigen Gas-Zuführleitung 115 strömt.
3 ist eine Nahansicht, welche die Peripherie des Ventilelements und den Ventilsitz des großen Injektors darstellt. Bei dem dargestellten Zustand von 3 wird elektrischer Strom auf die Magnetspule 290 (2) aufgebracht, um das Ventilelement 255 von dem Ventilsitz 215 zu trennen. Das Ventilelement 255 besitzt das Gummi-Abdichtelement 260 auf der Seite des Ventilsitzes 215. Das Gas strömt durch den Raum zwischen dem Abdichtelement 260 und dem Ventilsitz 215. Die Strömungsrate des Gases steigt mit einer Zunahme der Differenz, welche durch Subtrahieren des Kompressions-Betrages (Quetsch-Gummi) des Abdichtelements 260 in der geschlossenen Ventilposition von dem Verfahrweg-Abstand (Hub) des Ventilelements 255 erhalten wird. Wenn der Magnetspule 290 kein Strom zugeführt wird, wird der Kolben 250 durch die Feder 295 nach unten gedrückt, so dass das Abdichtelement 260 gegen den Ventilsitz 215 gedrückt wird. Der große Injektor 200 beendet entsprechend die Gasströmung. Der größere Quetsch-Gummi reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Leckage in der geschlossenen Ventilposition, während der kleine Quetsch-Gummi die Strömungsrate in der offenen Ventilposition erhöht.
4A und 4B stellen den Querschnittsabschnitt des kleinen Injektors schematisch dar. 4A zeigt den kleinen Injektor 300 in der geschlossenen Position und 4B zeigt den kleinen Injektor 300 in der offenen Position. 5 ist eine Nahansicht, welche die Peripherie eines Ventilelements und eines Ventilsitzes des kleinen Injektors darstellt. Die Struktur des kleinen Injektors 300 ist im Wesentlichen ähnlich zu der Struktur des großen Injektors 200. Die gleichen funktionellen Elemente des kleinen Injektors 300 werden durch Hinzufügen von 100 zu den Bezugszeichen, welche den entsprechenden Elementen des großen Injektors zugeordnet sind, ausgedrückt. Das Nachstehende beschreibt die Unterschiede des kleinen Injektors 300 von dem großen Injektor.
Während das Ventilelement 255 des großen Injektors 200 eine annähernd zylindrische Gestalt und das Gummi-Abdichtelement 260 besitzt, welches an der Seite des Ventilsitzes 215 vorgesehen ist, besitzt das Ventilelement 355 des kleinen Injektors 300 eine kugelförmige Gestalt und ist aus Metall hergestellt. Das Metall-Ventilelement 355 wird im Gegensatz zu dem Gummi-Ventilelement nicht wesentlich verformt und erfordert entsprechend den kleineren Hub für die Strömung des Brenngases. Mit anderen Worten, der kleine Injektor kann gegen die größere Druckdifferenz geöffnet werden.
Der Druck-Aufnahmebereich des Ventilelements 255 (im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des sechsten Gas-Strömungspfades 230 des äußeren Zylinders 210) in dem großen Injektor 200 ist größer als der Druck-Aufnahmebereich des Ventilelements 355 (im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche eines sechsten Gas-Strömungspfades 330 eines äußeren Zylinders 310). In der geschlossenen Ventilposition besitzt der große Injektor entsprechend die größere Kraft, welche durch die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite auf das Ventilelement aufgebracht wird. Das Öffnen des Injektors erfordert es, dass die Ventil-Öffnungskraft diese Druckdifferenz übersteigt, so dass der große Injektor 200 den geringeren maximalen Ventil-Öffnungsdruck als der kleine Injektor 300 besitzt. In der Beschreibung der Ausführungsform steht der maximale Ventil-Öffnungsdruck für den maximalen Wert (obere Grenze) des stromaufwärtigen Druckes, um das Ventil des Injektors zu öffnen.
6 stellt die Ventil-Öffnungs-Charakteristiken der Injektoren dar. Die Ordinate zeigt den Druck P_M stromaufwärts der Injektoren 200 und 300 (nachfolgend als „stromaufwärtiger Druck P_M” bezeichnet). Der große Injektor 200 kann bei dem Druck gleich oder unterhalb eines maximalen Ventil-Öffnungsdruckes Pmaxl geöffnet werden, während der kleine Injektor 300 bei dem Druck gleich oder unterhalb eines maximalen Ventil-Öffnungsdruckes Pmaxs geöffnet werden kann, wobei Pmaxs > Pmaxl. Gemäß dieser Ausführungsform ist der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 kleiner als der Ablassventil-Druck Plimit zum Öffnen des Ablassventils 145 (1). Alternativ kann der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 derart eingestellt sein, dass dieser größer als der Ablassventil-Druck Plimit ist. Der stromaufwärtige Druck P_M, welcher während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 10 aufgebracht wird, befindet sich in einem Bereich (schraffierte Fläche) unterhalb des maximalen Ventil-Öffnungsdrucks Pmaxl des großen Injektors 200.
7 ist ein Betriebs-Flussdiagramm bei einem Start des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (Brennstoffzellensystems). Vor dem Start befinden sich sowohl der große Injektor 200 als auch der kleine Injektor 300 in der geschlossenen Ventilposition. Bei Schritt S700 ermittelt die Steuerung 500, ob der stromaufwärtige Druck P_M größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors ist. Wenn der stromaufwärtige Druck P_M größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors 200 ist, ermittelt die Steuerung 500 anschließend bei Schritt S710, ob der stromaufwärtige Druck P_M gleich oder kleiner als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 ist. Wenn der stromaufwärtige Druck P_M gleich oder kleiner als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 ist, öffnet die Steuerung 500 bei Schritt S720 den kleinen Injektor 300. Zu diesem Zeitpunkt wird der große Injektor 200 in der geschlossenen Position gehalten.
Bei Schritt S730 ermittelt die Steuerung 500, ob der stromaufwärtige Druck P_M auf oder unterhalb den maximalen Ventil-Öffnungsdrucks Pmaxl des großen Injektors 200 gefallen ist. Wenn der stromaufwärtige Druck P_M auf oder unterhalb den maximalen Ventil-Öffnungsdrucks Pmaxl des großen Injektors 200 gefallen ist, öffnet die Steuerung 500 bei Schritt S740 den großen Injektor 200. Die Steuerung 500 schließt anschließend bei Schritt S750 den kleinen Injektor 300. Die Steuerung 500 führt dann bei Schritt S760 eine Öffnungs-/Schließ-Steuerung des großen Injektors 200 durch, um den Betrag des Brenngases, welches dem Brennstoffzellenstapel 400 zugeführt wird, zu regulieren.
Wenn der stromaufwärtige Druck P_M bei Schritt S700 nicht größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors ist, schreitet die Steuerung 500 andererseits zu Schritt S770, um den großen Injektor 200 zu öffnen. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit den kleinen Injektor 300 zu öffnen, da der große Injektor 200 geöffnet ist. Dies reduziert die Häufigkeit des Betriebs des kleinen Injektors 300. Der kleine Injektor 300 besitzt das Metall-Ventilelement 355 und besitzt entsprechend die höhere Wahrscheinlichkeit einer abriebverursachten Verschlechterung als der große Injektor 200. Die auf dem Fluss von 7 basierende Steuerung reduziert die Häufigkeit des Betriebs des kleinen Injektors 300. Dies verhindert eine frühzeitige Verschlechterung des kleinen Injektors 300 und verbessert daher die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems.
Wenn der stromaufwärtige Druck P_M bei Schritt S710 größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 ist, schreitet die Steuerung 500 zu Schritt S780, um das Ablassventil 145 zu öffnen und dadurch den stromaufwärtigen Druck P_M zu senken. Ein Absenken des stromaufwärtigen Druckes P_M ist erforderlich, um den kleinen Injektor 300 zu öffnen. Wenn ein mechanisches Ablassventil als das Ablassventil 145 eingesetzt wird, kann die Steuerung 500 das Ventilöffnen des Ablassventils nicht steuern. Bei der Anwendung eines solchen mechanischen Ablassventils sind der kleine Injektor 300 und das Ablassventil 145 vorzugsweise derart ausgewählt, dass der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 größer als der Ablassventil-Druck Plimit ist. Bei dieser Anwendung wird das Ablassventil 145 geöffnet, um den stromaufwärtigen Druck P_M zu senken, bevor der stromaufwärtige Druck P_M den maximalen Ventil-Öffnungsdruck Pmaxs des kleinen Injektors 300 erreicht. Dies ermöglicht, dass der kleine Injektor 300 geöffnet wird.
8 stellt ein Beispiel der Druckvariationen der Gas-Strömungspfade und der Öffnungs-/Schließ-Betätigungen der Injektoren beim Start des Brennstoffzellensystems dar. Hierbei wird angenommen, dass der stromaufwärtige Druck P_M beim Start des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 10 (Brennstoffzellensystems) größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors 200 ist. Nach dem Start des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 10 zum Zeitpunkt t1 öffnet die Steuerung 500 (1) den kleinen Injektor 300 (Schritt S720 in 7). Das Brenngas stromaufwärts der Injektoren 200 und 300 läuft durch den kleinen Injektor 300 und strömt stromabwärts. Der stromaufwärtige Druck P_M wird entsprechend gesenkt, während der Druck P_L stromabwärts der Injektoren 200 und 300 (nachfolgend als „stromabwärtiger Druck P_L” bezeichnet) ansteigt. Stromabwärts der Injektoren 200 und 300 wird das Brenngas jedoch durch den Brennstoffzellenstapel 400 (1) verbraucht, so dass der stromabwärtige Druck P_L mit einer niedrigeren Rate als der Abnahmerate des stromaufwärtigen Druckes P_M ansteigt.
Zum Zeitpunkt t2 fällt der stromaufwärtige Druck P_M auf oder unterhalb den maximalen Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors 200. Nach dem Zeitpunkt t2 kann die Steuerung 500 daher den großen Injektor 200 öffnen. Gemäß dieser Ausführungsform öffnet die Steuerung 500 zum Zeitpunkt t3, nach dem Zeitpunkt t2, den großen Injektor 200.
Bei der offenen Ventilposition des großen Injektors 200 läuft das Brenngas durch den großen Injektor 200 zusätzlich zu dem kleinen Injektor 300 und strömt stromabwärts. Der Betrag des Brenngases, welches durch den großen Injektor 200 läuft, ist größer als der Betrag des Brenngases, welches durch den kleinen Injektor 300 läuft. Der stromaufwärtige Druck P_M nimmt entsprechend bis zum Zeitpunkt t3 mit einer höheren Rate als der Abnahmerate ab, während der stromabwärtige Druck P_L mit der höheren Rate als der Zunahmerate bis zum Zeitpunkt t3 ansteigt.
Zum Zeitpunkt t4 wird der kleine Injektor 300 bei Schritt S750 in dem Fluss von 7 geschlossen, nachdem der große Injektor 200 geöffnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Betrag des Brenngases, welches durch den großen Injektor 200 läuft, größer als der Betrag des Brenngases, welches durch den kleinen Injektor 300 läuft. Ein Schließen des Ventils des kleinen Injektors 300 verändert entsprechend den Betrag des Brenngases, welches von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite der Injektoren 200 und 300 strömt, nicht wesentlich. In der geschlossenen Ventilposition des kleinen Injektors 300 wird für das Ventilöffnen des kleinen Injektors 300 keine Energie benötigt. Somit wird eine Energieeinsparung erreicht.
Zum Zeitpunkt t5 öffnet die Steuerung 500 den Regler 130 (1). Dies führt das Brenngas nach stromaufwärts der Injektoren 200 und 300, so dass der stromaufwärtige Druck P_M ansteigt und im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Zum Zeitpunkt t6 schließt die Steuerung 500 den großen Injektor 200. Dies beendet die Strömung von Brenngas nach stromabwärts der Injektoren 200 und 300, um den stromaufwärtigen Druck P_M zu erhöhen. Das Brenngas wird durch den Brennstoffzellenstapel 400 verbraucht, so dass der stromabwärtige Druck P_L abfällt. Nach diesem Zeitpunkt führt die Steuerung 500 eine Öffnungs-/Schließ-Steuerung des großen Injektors 200 durch, um den Betrag des Brenngases, welches zu dem Brennstoffzellenstapel 400 geführt wird, zu regulieren.
Gemäß dieser Ausführungsform steigt der stromabwärtige Druck P_L aufgrund des kleinen Betrages von Brenngas, welches durch den kleinen Injektor 300 läuft, lediglich mit der niedrigen Rate, wenn die Steuerung 500 den großen Injektor 200 nicht öffnet, sondern lediglich den kleinen Injektor 300 öffnet. Um den stromabwärtigen Druck P_L ausreichend zu erhöhen, muss die Steuerung 500 den kleinen Injektor 300 für eine lange Zeitphase in der offenen Ventilposition halten. Dies erhöht den Energieverbrauch auf unerwünschte Art und Weise. Daher ist es vorzuziehen, dass die Steuerung 500 unmittelbar nach dem Ventilöffnen des kleinen Injektors 300 den großen Injektor 200 öffnet und den kleinen Injektor 300 schließt, wodurch der stromaufwärtige Druck P_M auf oder unterhalb den maximalen Ventil-Öffnungsdrucks Pmaxl des großen Injektors 200 gesenkt wird.
Wenn die Steuerung 500 den großen Injektor 200 nicht öffnet, sondern lediglich den kleinen Injektor 300 öffnet, kann die Verteilung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 400 (1) aufgrund des kleinen Betrages von Brenngas, welches durch den kleinen Injektor 300 läuft, eine Konzentrations-Variation (Ungleichmäßigkeit) aufweisen. Diese Konzentration-Variation bildet eine Konzentrationszelle, welche einen Katalysator (nicht gezeigt) in dem Brennstoffzellenstapel 400 schädigen kann. Gemäß dieser Ausführungsform öffnet die Steuerung 500 jedoch unmittelbar nachdem der stromaufwärtige Druck P_M auf oder unterhalb den maximalen Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors 200 abnimmt, den großen Injektor 200, um das Brenngas dem Brennstoffzellenstapel 400 zuzuführen. Eine solche Steuerung verhindert wirkungsvoll das Auftreten einer Konzentrations-Variation in der Verteilung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 400 und verhindert dadurch die Ausbildung einer Konzentrationszelle. Dies verhindert auf vorteilhafte Art und Weise eine Schädigung des Katalysators und verbessert die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems.
* Modifikation 1:
9 zeigt eine Druckvariation des Gas-Strömungspfades stromabwärts des Injektors bei einem Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems. Bei dem Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems schließt die Steuerung 500 die Injektoren 200 und 300. Das Brenngas stromabwärts der Injektoren 200 und 300 wird durch die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 400 verbraucht, so dass der stromabwärtige Druck P_L allmählich abfällt. Wenn jedoch irgendeine Leckage in den Injektoren 200 oder 300 vorliegt, nimmt der stromabwärtige Druck P_L stark ab. Die Steuerung 500 kann daher den stromabwärtigen Druck P_L (Abnahmerate des stromabwärtigen Drucks P_L) überwachen, um das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein irgendeiner Leckage in den Injektoren 200 oder 300 zu erfassen.
Der Injektor mit einem Metall-Ventilelement besitzt im Vergleich mit dem Injektor mit einem Gummi-Abdichtelement im Allgemeinen die etwas schlechtere Reproduzierbarkeit für die Abdichtung. Dies hat die nachfolgende Ursache. Bei dem Injektor mit dem Gummi-Abdichtelement wird das Gummi-Abdichtelement auf dem Ventilsitz festgehalten, so dass eine geringe Wahrscheinlichkeit einer Leckage vorliegt. Bei dem Injektor mit dem Metall-Ventilelement wird das Ventilelement hingegen nicht auf dem Ventilsitz festgehalten, so dass eine Variation des Leckagebetrages durch den Kontakt des Ventilelements mit dem Ventilsitz vorliegen kann. Bei dem Injektor mit dem Metall-Ventilelement können Ventil-Öffnungs- und anschließende Ventil-Schließ-Betätigungen den Leckagebetrag reduzieren, selbst wenn eine Leckage eines bestimmten Niveaus oder darüber in der geschlossenen Ventilposition vorliegt.
Eine Variation ΔP_L des stromabwärtigen Druckes P_L kann durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt werden ΔP_L = (Betrag von Ventil-Leckage im Injektor – Verbrauch durch den Brennstoffzellenstapel)/(Volumen des stromabwärtigen Abschnittes)
Wenn eine große Druck-Veränderungsrate ΔP_L/Δt (Variation pro Zeiteinheit) vorliegt, kann die Steuerung 500 das Vorhandensein einer Leckage in dem Injektor erfassen. Wie vorstehend erläutert ist, besitzt der Injektor mit dem Metall-Ventilelement die höhere Wahrscheinlichkeit einer Leckage als der Injektor mit dem Gummi-Abdichtelement. Im Ansprechen auf die Erfassung einer Leckage kann die Steuerung 500 daher ermitteln, dass der kleine Injektor 300 eine Leckage aufweist.
10 stellt ein Beispiel einer Betrag-Variation von Leckage durch die Öffnungs-/Schließ-Betätigungen des kleinen Injektors dar. Die Abszisse von 10 zeigt die Ordinalzahl einer Öffnungs-/Schließ-Betätigung des kleinen Injektors 300, und die Ordinate zeigt den Leckagebetrag nach jeder Öffnungs-/Schließ-Betätigung. In dem dargestellten Beispiel von 10 übersteigt der Leckagebetrag nach der ersten bis zu der vierten Betätigung ein Referenzniveau (zulässiges Niveau) nicht. Nach der fünften Betätigung steigt der Leckagebetrag jedoch wesentlich an und überschreitet das Referenzniveau. Die anschließenden Ventil-Öffnungs-/Schließ-Betätigungen des kleinen Injektors 300 senken den Leckagebetrag und der Leckagebetrag überschreitet nach der sechsten bis zu der achten Betätigung das Referenzniveau nicht. Bei dem kleinen Injektor 300 mit dem Metall-Ventilelement 355 (4) können die anschließenden Öffnungs-/Schließ-Betätigungen den Leckagebetrag senken, auch wenn der Leckagebetrag den Referenzwert überschreitet. Die Steuerung 500 kann den stromabwärtigen Druck P_L (Abnahmerate des stromabwärtigen Drucks P_L) nach dem Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems überwachen, um den Leckagebetrag in dem kleinen Injektor 300 abzuschätzen bzw. zu bestimmen. Wenn ein großer Leckagebetrag vorliegt, können die anschließenden Öffnungs-/Schließ-Betätigungen des kleinen Injektors 300 den Leckagebetrag senken.
Die Steuerung 500 kann ein Erlernen der Abnahmerate des stromabwärtigen Druckes P_L durchführen, um das Referenzniveau als das Kriterium für die Ermittlung, ob die anschließende Öffnungs-/Schließ-Betätigung des kleinen Injektors 300 erforderlich ist, zu verändern. Wie in 9 gezeigt ist, kann eine Leckage des kleinen Injektors 300 durch Subtrahieren der tatsächlich beobachteten Abnahmerate des stromabwärtigen Druckes P_L von der abgeschätzten bzw. bestimmten Abnahmerate des stromabwärtigen Druckes P_L, welche aus dem Verbrauch durch den Brennstoffzellenstapel berechnet wird, erhalten werden. Die Steuerung 500 kann ein Erlernen eines Leckagebetrages L_K (mol/s) pro Zeiteinheit des kleinen Injektors 300 durchführen, um einen Leckagebetrag L_M (mol/s) pro Zeiteinheit des Haupt-Stoppventils 120 aus einer Variation ΔP_M des stromaufwärtigen Drucks P_M und einem Volumen V_M der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 gemäß der nachfolgenden Gleichung abzuschätzen bzw. zu bestimmen: L_M = (ΔP_M × V_M)/(R·T) + L_K wobei R die Gaskonstante darstellt und T die Temperatur darstellt.
* Modifikation 2:
Die 11A bis 11C stellen Variationen des stromaufwärtigen Drucks P_M stromaufwärts der Injektoren zu der Ventil-Öffnungszeit des kleinen Injektors relativ zu den Positionen der Injektoren in dem Gas-Strömungspfad dar. Die Struktur dieser Modifikation besitzt zwei große Injektoren 200A und 200B und einen kleinen Injektor 300. In dem dargestellten Beispiel von 11B sind der große Injektor 200A, der kleine Injektor 300 und der andere große Injektor 200B in dieser Reihenfolge von der stromabwärtigen Seite der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 vorgesehen. In dem dargestellten Beispiel von 11C sind der kleine Injektor 300, der große Injektor 200A und der andere große Injektor 200B in dieser Reihenfolge von der stromabwärtigen Seite der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 vorgesehen. 11A zeigt die Druck-Verteilungen in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zu den Zeitpunkten nach dem Ventilöffnen des kleinen Injektors 300 in der Anordnung von 11B und in der Anordnung von 11C.
Wie vorstehend mit Bezug auf 7 beschrieben ist, wird zunächst der kleine Injektor 300 geöffnet, wenn der stromaufwärtige Druck P_M größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck Pmaxl des großen Injektors ist. Dies senkt den Druck in dem Verbindungs-Abschnitt der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110, welche mit dem kleinen Injektor 300 verbunden ist. In dem dargestellten Beispiel von 11B ist der kleine Injektor 300 an einer Position angeordnet, welche durch einen Abstand y von einem Ende 110a der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 (nachfolgend als „Position y” bezeichnet) entfernt ist. Wie durch die durchgehende Kurve von 11A gezeigt ist, erreicht der Druck sein Minimum an der Position y. In dem dargestellten Beispiel von 11C ist der kleine Injektor andererseits an einer Position angeordnet, welche durch einen Abstand x (x < y) von dem Ende 110a der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 (nachfolgend als „Position x” bezeichnet) entfernt ist. Wie durch die gestrichelte Kurve von 11A gezeigt ist, erreicht der Druck sein Minimum an der Position x.
Das Nachstehende diskutiert den Druck in den Verbindungs-Abschnitten, welche mit den beiden großen Injektoren 200A und 200B verbunden sind. In dem dargestellten Beispiel von 11B ist der große Injektor 200A an der Position angeordnet, welche durch den Abstand x von dem Ende 110a der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 entfernt ist, und der große Injektor 200B ist an einer Position angeordnet, welche durch einen Abstand z (x < y < z) von dem Ende 110a der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 entfernt ist (nachfolgend als „Position z” bezeichnet). In diesem Zustand ist der Druck Px an der Position x der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 geringer als der Druck Pz an der Position z der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110. Dies liegt daran, da das Brenngas, welches durch die stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 strömt, der Position z in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 zugeführt wird, während die stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 stromabwärts der Position x geschlossen ist und entsprechend eine geringe Zuführung von Brenngas erfährt. In ähnlicher Weise ist in dem dargestellten Beispiel von 11C der Druck Py an der Position y in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 kleiner als der Druck Pz an der Position z in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110.
Das Nachstehende diskutiert den Vergleich zwischen dem Druck Px in 11B und dem Druck Py in 11C. Der Druck Px an der Position x von 11B ist aufgrund des nachstehenden Grundes kleiner als der Druck Py an der Position y von 11C. In dem dargestellten Beispiel von 11B wird das Brenngas, welches von der stromaufwärtigen Seite zugeführt wird, durch den kleinen Injektor 300 dem stromabwärtigen Gas-Strömungspfad zugeführt, so dass stromabwärts der Position y in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 eine geringe Zuführung von Brenngas vorliegt. Der Druck Px wird daher nicht wesentlich erhöht. In dem dargestellten Beispiel von 11C wird andererseits das Brenngas, welches von der stromaufwärtigen Seite zugeführt wird, zunächst zu der Position y in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 und dann zu der stromabwärtigen Position x in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 geführt. Der Druck an der Position y in der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 wird daher nicht wesentlich gesenkt.
Wie vorstehend beschrieben ist, ermöglicht es das Anordnen des großen Injektors 200A stromabwärts des kleinen Injektors 300, dass der Druck an dem Verbindungs-Abschnitt, wo die stromaufwärtige Gas-Zuführleitung 110 mit dem großen Injektor 200A verbunden ist, schlagartig abnimmt. Eine solch schlagartige Druckabnahme führt zu einem Ventilöffnen des großen Injektors 200A zu dem früheren Zeitpunkt und zu einem Ventilschließen des kleinen Injektors 300 zu dem früheren Zeitpunkt. Dies reduziert den Energieverbrauch durch den kleinen Injektor 300 und erreicht eine Energieeinsparung, während die Ausbildung einer Konzentrationszelle verhindert wird.
Wie aus dem Graphen von 11A klar hervorgeht, steigt der Druck innerhalb der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung 110 mit dem Abstand von dem kleinen Injektor 300 an. Bei der Struktur mit den zwei großen Injektoren 200 kann ein großer Injektor 200, welcher näher zu dem kleinen Injektor 300 angeordnet ist, vor dem anderen Injektor 200, welcher weiter von dem kleinen Injektor 300 entfernt angeordnet ist, geöffnet werden.
Bei der Struktur der Ausführungsform ist das stromaufwärtige Druck-Messinstrument 150 in der Nähe des großen Injektors 200A angeordnet, welcher zuerst geöffnet werden soll. Die Steuerung 500 kann daher den stromaufwärtigen Druck in der Nähe des großen Injektors 200A erhalten und dadurch die Ventil-Öffnungszeit des großen Injektors 200A auf einfache Weise ermitteln.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform verwendet den kleinen Injektor 300 mit dem Metall-Ventilelement 355, jedoch kann der kleine Injektor, wie der große Injektor 200, mit einem Gummi-Abdichtelement vorgesehen sein. Das Gummi-Abdichtelement wird an dem Ventilsitz 315 festgehalten und verhindert eine Leckage des kleinen Injektors 300 wirkungsvoller. Das Metall-Ventilelement 355 besitzt andererseits keine Quetsch-Gummi und ermöglicht entsprechend die größere Strömungsrate in Bezug auf den Hub.
Das Vorstehende hat die Erfindung mit Bezug auf einige Ausführungsformen detailliert beschrieben. Die Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Erfindung sind lediglich darstellend zum Zwecke des besseren Verständnisses der Erfindung, und die Erfindung ist in keinster Weise auf diese Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Varianten und Modifikationen können bei den Ausführungsformen angewandt werden, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung enthält solche Varianten, Modifikationen und Äquivalente.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellen-Fahrzeug
100: Brennstofftank
110: stromaufwärtige Gas-Zuführleitung
110a: Ende der stromaufwärtigen Gas-Zuführleitung
115: stromabwärtige Gas-Zuführleitung
120: Haupt-Stoppventil
130: Regler
140: Abzweigleitung
145: Ablassventil
150: stromaufwärtiges Druck-Messinstrument
160: stromabwärtiges Druck-Messinstrument
200, 200A, 200B: großer Injektor
201: Mittelachse
210: äußerer Zylinder
215: Ventilsitz
220: erster Gas-Strömungspfad
225: fünfter Gas-Strömungspfad
230: sechster Gas-Strömungspfad
250: Kolben
255: Ventilelement
260: Abdichtelement
265: dritter Gas-Strömungspfad
270: zweiter Gas-Strömungspfad
275: vierter Gas-Strömungspfad
280: stationärer Eisenkern
290: Magnetspule
295: Feder
300: kleiner Injektor
310: äußerer Zylinder
330: sechster Gas-Strömungspfad
355: Ventilelement
365: dritter Gas-Strömungspfad
390: Magnetspule
400: Brennstoffzellenstapel
500: Steuerung

Claims

Gas-Zuführvorrichtung für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Mehrzahl von ersten Injektoren (200A, 200B), welche derart gestaltet sind, dass diese einen ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzen; einen zweiten Injektor (300), welcher parallel zu den ersten Injektoren (200A, 200B) angeordnet ist und derart gestaltet ist, dass dieser eine geringere Strömungsrate als die ersten Injektoren (200A, 200B) und einen größeren zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck als den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck besitzt; einen ersten Drucksensor (150), welcher stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) angeordnet ist; und eine Steuerung (500), welche derart gestaltet ist, dass diese die Öffnungs-/Schließ-Betätigung der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) steuert, wobei bei einem Start des Brennstoffzellensystems, (i) die Steuerung (500) den zweiten Injektor (300) öffnet, wenn Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) größer als der erste maximale Ventil-Öffnungsdruck, jedoch geringer als oder gleich dem zweiten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist, und die Steuerung (500) zunächst einen ersten Injektor öffnet, welcher aus der Mehrzahl von ersten Injektoren (200A, 200B) den kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor (300) besitzt, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) nach dem Öffnen des zweiten Injektors (300) auf oder unter den ersten maximalen Ventil-Öffnungsdrucks gefallen ist, und (ii) die Steuerung (500) den ersten Injektor (200A, 200B) öffnet, wenn der Druck stromaufwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) geringer als oder gleich dem ersten maximalen Ventil-Öffnungsdruck ist.
Gas-Zuführvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (500), wenn zwei oder mehrere erste Injektoren (200A, 200B) an Positionen mit dem kürzesten Abstand von dem zweiten Injektor (300) angeordnet sind, zunächst einen der beiden oder mehreren ersten Injektoren (200A, 200B) öffnet, welcher an der stromabwärtigsten Seite angeordnet ist.
Gas-Zuführvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Drucksensor (150) an einer derartigen Position angeordnet ist, dass ein Abstand zwischen dem ersten Drucksensor (150) und dem ersten Injektor (200A, 200B), welcher zuerst geöffnet wird, kürzer als ein Abstand zwischen dem ersten Drucksensor (150) und einem anderen nicht-betätigten ersten Injektor (200A, 200B) ist.
Gas-Zuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung (500) nach dem Öffnen des ersten Injektors (200A, 200B) den zweiten Injektor (300) schließt.
Gas-Zuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Injektor (300) besitzt: einen Ventilsitz (315); und ein Metall-Ventilelement (355).
Gas-Zuführvorrichtung nach Anspruch 5, ferner aufweisend: einen zweiten Drucksensor (160), welcher stromabwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) angeordnet ist, wobei die Steuerung (500) nach der Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems den zweiten Injektor (300) öffnet und anschließend den zweiten Injektor (300) schließt, wenn eine Abnahmerate des Druckes stromabwärts der ersten und zweiten Injektoren (200A, 200B; 300) kleiner als ein vorbestimmtes Referenzniveau ist.