DE102017127790A1 - Brennstoffzellensystem ohne Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems und Steuerungsverfahren davon - Google Patents

Brennstoffzellensystem ohne Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems und Steuerungsverfahren davon Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem ohne eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems, wobei das Brennstoffzellensystem eine Gasbefüllungsleitung (100), welche zwischen einer Gasbefüllungsstation und einem Hochdruckbehälter (10), der durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt wird, ausgebildet ist, und eine Gaszuführleitung (200), welche zwischen dem Hochdruckbehälter (10) und einem Stapel ausgebildet ist, aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: einen Regulator (300), welcher in der Gaszuführleitung (200) bereitgestellt ist, ein Magnetventil (400), welches in der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Hochdruckbehälter (10) bereitgestellt ist, und ein Rückschlagventil (500), welches in einer Bypassleitung bereitgestellt ist, die einen Punkt der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Magnetventil (400) und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung (100) verbindet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur, welche in der Lage ist, eine Hoher-Druck-Leitung (bzw. mit hohem Druck beaufschlagte Leitung bzw. Hochdruckleitung; nachfolgend kurz „Hoher-Druck-Leitung“) in einem Wasserstoffzuführsystem, das eine Gaszuführleitung und eine Gasbefüllungsleitung aufweist, in einem Fahrzeug, in welchem ein Brennstoffzellensystem montiert werden kann, zu minimieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren davon, wobei ein Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems einen Regulator (bzw. Regulierungseinrichtung; hierin kurz „Regulator“), welcher an einer Gaszuführleitung, die sich von einem Hochdruckbehälter aus erstreckt, vorsehbar ist, ein Magnetventil, welches zwischen dem Hochdruckbehälter und dem Regulator vorsehbar ist, und ein Rückschlagventil, welches zwischen dem Regulator und dem Magnetventil die Gaszuführleitung und eine Gasbefüllungsleitung verbindet, aufweist. Wenn die Gasbefüllungsleitung in einem Hoher-Druck-Zustand (bzw. Hochdruckzustand; nachfolgend kurz „Hoher-Druck-Zustand“) war, wird das Rückschlagventil geöffnet, so dass Hoher-Druck-Zustände der Gasbefüllungsleitung und der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Magnetventil beseitigt werden können, wodurch die Leckstellen bzw. Leckpunkte, welche in dem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems erzeugt werden können, verringert werden.
  • Hintergrund
  • Im Allgemeinen ist ein Brennstoffzellensystem aus einem Brennstoffzellenstapel (bzw. Brennstoffzellenstack, Englisch: „fuel cell stack“), welcher elektrische Energie erzeugt, einem Brennstoffzuführsystem, welches Brennstoff (z.B. Wasserstoff, etc.) an den Brennstoffzellenstapel zuführt, einem Luftzuführsystem, welches Luft (z.B. Sauerstoff, etc.), die ein für eine elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel erforderliches Oxidationsmittel ist, zuführt, ein Wärme- und Wassermanagementsystem, welches eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und dergleichen steuert, gebildet. Hochdruckkomprimierter Wasserstoff mit einem hohen Druck von ungefähr 700 Bar wird in einem Hochdruckbehälter (Wasserstoffbehälter), welcher in dem Brennstoffzuführsystem, d.h. einem Wasserstoffzuführsystem, bereitgestellt ist, gespeichert, und der gespeicherte komprimierte Wasserstoff wird an eine Hoher-Druck-Leitung entsprechend einem Ein/Aus-Zustand eines Hochdruckregulators, welcher an einem Einlassteil des Hochdruckbehälters angebracht ist, ausgelassen und dann dekomprimiert bzw. entspannt, während er durch ein Startventil und ein Wasserstoffzufuhrventil hindurchströmt, um dem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden.
  • Die Struktur von dem Hochdruckbehälter (oder Speichertank) aus zu dem Stapel des Brennstoffzellensystems in diesem Fall wird beschrieben. Ventilkonfigurationen des Regulators, eines Wasserstoffblockierventils und der Wasserstoffzuführventile, eine Leitung, durch welche Wasserstoff strömen kann, und diverse Punkte zum Montieren (z.B. Verschrauben und/oder Einpassen, etc.) der Leitung können ausgebildet sein. Eine Gasdichtheit des Wasserstoffs, der entlang der Leitung strömt, ist eine der wichtigsten Eigenschaften, welche sich auf die Sicherheit des Wasserstoffzuführsystems und ferner des gesamten Brennstoffzellensystems beziehen.
  • Folglich wird der hohe Druck, welcher der gleiche wie der Druck des Behälters ist, im Allgemeinen auf die Gasbefüllungsleitung, welche von einer Anschlusseinrichtung der Gasbefüllungsstation aus zu dem Hochdruckbehälter verbunden ist, oder auf die Gaszuführleitung, welche von dem Hochdruckbehälter aus zu dem Regulator zur Dekompression verbunden ist, sowie auf das Innere des Hochdruckbehälters aufgebracht, und die jeweiligen Leiten sind durch Montieren (Befestigen, z.B. Verschrauben und/oder Einpassen (Englisch: „fitting“), etc.) verbunden, so dass eine Leckstelle durch den auf den Verbindungsabschnitt aufgebrachten hohen Druck gebildet werden kann. Die Hochdruck-Leckstelle muss kontinuierlich die Gasdichtheit aufrechterhalten, sogar obwohl ein hoher Druck kontinuierlich darauf aufgebracht wird, und als ein Ergebnis ist eine Haltbarkeit und Lebensdauer unweigerlich verschlechtert. Wenn das Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems gestaltet wird, gibt es folglich einen Bedarf nach einem robusten Design, das sich auf die Leckstellen der Hochdruck-Gasbefüllungsleitung und/oder der Gaszuführleitung fokussiert. Das Wasserstoffzuführsystem wurde außerdem in eine Richtung des Verringerns der Hochdruck-Leckstellen hin gestaltet.
  • Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich dem Verbessern des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, welche nicht den Stand der Technik, wie er dem Fachmann schon bekannt ist, bilden.
  • Erläuterung der Erfindung
  • Um die obigen Probleme zu lösen, kann ein hoher Druck einer Gaszuführleitung naturbedingt beseitigt werden, wenn ein Regulator im Tank (bzw. In-Tank-Regulator; Englisch: „in-tank regulator“) oder ein Regulator am Tank (bzw. Am-Tank-Regulator; Englisch: „on-tank regulator“), bei welchen ein Hochdruck-Magnetventil und ein Regulator zur Dekompression integriert sind, verwendet wird. Sogar in diesem Fall wird jedoch ein hoher Druck, welcher auf eine Gasbefüllungsleitung, die von einer Gasbefüllungsstation, insbesondere einer Anschlusseinrichtung der Gasbefüllungsstation, aus zu einem Hochdruckbehälter verbunden ist, aufgebracht wird, nicht beseitigt und verbleibt. Die vorliegende Erfindung wurde folglich in einem Bestreben getätigt, die oben beschriebenen, mit dem Stand der Technik in Verbindung stehenden Probleme zu lösen, und schafft eine Struktur, welche sogar einen hohen Druck, der auf eine Gasbefüllungsleitung aufgebracht ist, beseitigt, um Hochdruckbereiche von allen Gaszuführleitungen und/oder der Gasbefüllungsleitungen, die zur Außenseite hin exponierbar sind, zu beseitigen, und ein Steuerungsverfahren davon.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem ohne eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems bereit, wobei das Brennstoffzellensystem eine Gasbefüllungsleitung (z.B. Gasbetankungsleitung), welche zwischen einer Gasbefüllungsstation bzw. Gasladestation bzw. Gasbetankungsstation (nachstehend kurz „Gasbefüllungsstation“) und einem Hochdruckbehälter, der durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt (z.B. druckbetankt) wird, ausgebildet ist, und eine Gaszuführleitung, welche zwischen dem Hochdruckbehälter und einem (Brennstoffzellen-)Stapel bzw. (Brennstoffzellen-)Stack ausgebildet ist, aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: einen Regulator (z.B. Druckregelventil, insbesondere Druckverringerungsventil), welcher in der Gaszuführleitung bereitgestellt ist, ein Magnetventil (z.B. ein Elektromagnetventil, ein Solenoidventil), welches in der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Hochdruckbehälter bereitgestellt ist, und ein Rückschlagventil (z.B. Rückflussverhinderungsventil), welches in einer Bypassleitung, die einen Punkt (z.B. Stelle) der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Magnetventil und einen Punkt (z.B. Stelle) der Gasbefüllungsleitung verbindet, bereitgestellt ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Drucksensor aufweisen, welcher an der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Magnetventil angebracht (z.B. angeschraubt) ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Rückschlagventil ein Ein-Weg-Ventil (z.B. Eine-Richtung-Ventil) sein.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann Gas, welches durch das Rückschlagventil strömt, nur in eine Richtung von der Gaszuführleitung zu der Gasbefüllungsleitung bewegbar bzw. beweglich sein.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Rückschlagventil, nachdem der Hochdruckbehälter mit Gas befüllt wird, geöffnet werden und dann in der Folge (bzw. als Nächstes) geschlossen werden (z.B. sich druckabhängig Öffnen und wieder Schließen), bevor das Magnetventil geöffnet wird.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner Leckstellen (bzw. Undichtheitsstellen), an welchen ein Leck auftreten kann, in einem Strömungsweg der Gaszuführleitung zwischen dem Stapel und dem Regulator aufweisen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner Leckstellen, an welchen ein Leck auftreten kann, in einem Strömungsweg der Gasbefüllungsleitung zwischen der Gasbefüllungsstation und dem Rückschlagventil aufweisen.
  • In einem weiteren Aspekt kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems ohne eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems bereitstellen, wobei das Brennstoffzellensystem eine Gasbefüllungsleitung (z.B. Gasbetankungsleitung), welche zwischen einer Gasbefüllungsstation und einem Hochdruckbehälter, der durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt wird, ausgebildet ist, eine Gaszuführleitung, welche zwischen dem Hochdruckbehälter und einem (Brennstoffzellen-)Stapel ausgebildet ist, einen Regulator, welcher in der Gaszuführleitung bereitgestellt ist, ein Magnetventil (z.B. ein Elektromagnetventil, ein Solenoidventil), welches in der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Hochdruckbehälter bereitgestellt ist, und ein Rückschlagventil (z.B. Rückflussverhinderungsventil), welches in einer Bypassleitung, die einen Punkt (z.B. Stelle) der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Magnetventil und einen Punkt (z.B. Stelle) der Gasbefüllungsleitung verbindet, bereitgestellt ist, aufweist, wobei das Verfahren aufweist: einen Schritt S100 eines Ermittelns, ob eine Zündeinrichtung (z.B. Zündschlosseinrichtung, auch nur Zündung genannt; Englisch „ignition“) eines Fahrzeugs, an welches das Brennstoffzellensystem montierbar ist, in einem „Ein“-Zustand („ON“-Zustand) ist, einen Schritt S200 eines Ermittelns, ob der Hochdruckbehälter des Brennstoffzellensystems durch die Gasbefüllungsstation befüllt wird, bevor das Fahrzeug startet (z.B. das Fahrzeug von dem „Ein“-Zustand der Zündeinrichtung ausgehend angelassen wird und/oder anfährt), einen Schritt S300 eines Messens eines Drucks der Gaszuführleitung mit einem Drucksensor, welcher an der Gaszuführleitung zwischen dem Regulator und dem Magnetventil angebracht (z.B. angeschraubt) ist, einen Schritt S400 eines Ermittelns, ob gemäß dem Druck der Gaszuführleitung das Rückschlagventil geöffnet wird, und einen Schritt S500 eines Öffnens des Magnetventils, wenn das Rückschlagventil in dem Schritt S400 geöffnet wurde und dann in der Folge geschlossen wurde.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann, wenn in Schritt S400 der Druck der Gaszuführleitung größer als ein vorbestimmter Druck ist, das Rückschlagventil geöffnet werden (z.B. sich das Rückschlagventil öffnen).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren ferner aufweisen: wenn das Rückschlagventil in Schritt S400 geöffnet wird, Messen einer Zeit, welche der Druck der Gaszuführleitung zum Erreichen eines vorbestimmten Drucks braucht, in Schritt S410 zwischen Schritt S400 und Schritt S500.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ermittelt werden, dass Gas aus der Gaszuführleitung entweicht, wenn die Zeit, welche der Druck der Gaszuführleitung braucht, um den vorbestimmten Druck zu erreichen, in Schritt S410 länger als eine vorbestimmte Zeit ist.
  • Durch die vorgenannten technischen Lösungen stellt die vorliegende Erfindung die nachstehenden Effekte bereit.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen hohen Druck, welcher auf die Gasbefüllungsleitung und/oder die Gaszuführleitung aufgebracht sein kann, zu beseitigen, wodurch ein Leck, das in der Gasbefüllungsleitung und/oder der Gaszuführleitung hervorgerufen werden kann, verhindert wird. Das heißt, dass es bei der vorliegenden Erfindung möglich ist, von einem Effekt dahingehend auszugehen, dass es, abgesehen von einer inneren Seite des Hochdruckbehälters, keine Leitung gibt, in welcher ein hoher Druck (z.B. ein ein Leck hervorrufender Druck) gebildet wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hoher Druck der Gaszuführleitung, welche mit dem Magnetventil verbunden ist, unmittelbar nach dem Befüllen für jeden Start beseitigt, so dass ein Druckunterschied zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende des Magnetventils erzeugt werden kann, wodurch naturbedingt ein Leck innerhalb des Magnetventils korrigiert werden kann. Folglich ist es möglich, die Stabilität und Haltbarkeit des Magnetventils zu verbessern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zeit, welche es braucht, um den hohen Druck in der Gasbefüllungsleitung und/oder der Gaszuführleitung zu beseitigen, gemessen, so dass es möglich ist, zu ermitteln, ob Gas aus der Gasbefüllungsleitung und/oder der Gaszuführleitung, welche mit dem Hochdruckbehälter verbunden sind, entweicht. Folglich ist es möglich, von einem Effekt hinsichtlich einer Diagnose eines inneren Lecks und einer Fehlfunktion der mit dem Hochdruckbehälter verbundenen Leitungen auszugehen.
  • Der Effekt der vorliegenden Erfindung/Offenbarung ist nicht auf die vorgenannten Effekte beschränkt. Es ist zu verstehen, dass der Effekt der vorliegenden Erfindung/Offenbarung alle Effekte einschließt, welche aus der nachstehenden Beschreibung ableitbar sind.
  • Andere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend diskutiert.
  • Es ist zu verstehen, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-...“ oder irgendein ähnlicher Begriff, welcher hier verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie z.B. Personenkraftfahrzeuge, einschließlich sogenannter Sportnutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, zahlreiche kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen einschließt und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternative Treibstoffe (z.B. Treibstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl hergestellt werden) einschließt. Ein Hybridfahrzeug, auf welches hier Bezug genommen wird, ist ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen hat, z.B. Fahrzeuge, welche sowohl mit Benzin als auch elektrisch betrieben werden.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachstehend lediglich zur Veranschaulichung angegeben sind und folglich nicht beschränkend für die Erfindung sind, und wobei:
    • 1 ein Diagramm ist, welches eine Konfiguration einer allgemeinen Regulator-am-Tank-Technik darstellt,
    • 2 ein Diagramm ist, welches eine Konfiguration einer allgemeinen Regulator-am-Tank-Technik gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
    • 3 ein Diagramm ist, welches eine Verbindungsbeziehung zwischen Strukturen eines Wasserstoffzuführsystems und eine Verbindungsbeziehung von Rückschlagventilen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
    • 4 ein Flussdiagramm ist, welches eine Befüllungsdetektionslogik entsprechend der Zündeinrichtung eines Fahrzeugs in der bezogenen Technik darstellt,
    • 5 ein Flussdiagramm ist, welches eine Logik zum Detektieren eines Befüllens entsprechend der Zündeinrichtung eines Fahrzeugs und zum Ermitteln, ob ein Rückschlagventil geöffnet wird, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
    • 6 ein Diagramm ist, welches den Fall, in welchem ein hoher Druck oder ein niedrigerer Druck in jeder Leitung gebildet ist, und eine Konfiguration, unmittelbar nachdem ein mit dem Brennstoffzellensystem versehenes Fahrzeug befüllt wurde, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
    • 7 ein Diagramm ist, welches den Fall, in welchem ein hoher Druck oder ein niedrigerer Druck in jeder Leitung gebildet ist, und eine Konfiguration, nachdem ein Rückschlagventil geöffnet wurde, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
    • 8 ein Diagramm ist, welches den Fall, in welchem ein hoher Druck oder ein niedrigerer Druck in jeder Leitung gebildet ist, und eine Konfiguration, nachdem ein Rückschlagventil wieder geschlossen wurde und dann ein Magnetventil geöffnet wurde, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und
    • 9 ein Diagramm ist, welches einen Vergleich der Anzahl von Leckstellen und der Anzahl von Leitungen mit hohem Druck zwischen der Regulator-am-Tank-Technik gemäß der vorliegenden Erfindung und der bezogenen Technik darstellt.
  • Es ist zu verstehen, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellungsweise von verschiedenen Eigenschaften darstellen, um die Grundprinzipien der Erfindung aufzuzeigen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, einschließlich z.B. konkrete Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, wie sie hierin offenbart sind, werden (zumindest) teilweise von der jeweiligen geplanten Anwendung und Nutzungsumgebung vorgegeben.
  • In den Figuren beziehen sich durchgehend durch diverse Figuren der Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen auf gleiche oder gleichwertige Bauteile der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird nun im Detail Bezug auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und im Folgenden beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es klar, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Die Erfindung ist im Gegenteil dazu gedacht, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern auch diverse Alternativen, Änderungen, Abwandlungen und andere Ausführungsformen, die im Umfang der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüchen definiert, enthalten sein können.
  • Nachstehend wird eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die beispielhafte Ausführungsform der der vorliegenden Erfindung kann auf zahlreiche Weisen modifiziert werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht als auf die nachstehend beschriebene beispielhafte Ausführungsform beschränkt zu interpretierten. Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform wird zum vollständigeren Erläutern der vorliegenden Erfindung/Offenbarung an die Fachmänner bereitgestellt.
  • Die Begriffe „..Teil“, „...Einheit“, „...Modul“ und dergleichen, welche in dieser Beschreibung beschrieben sind, meinen Einheiten zum Verarbeiten von wenigstens einer Funktion und einem Vorgang und können diese mittels Hardwarekomponenten oder Softwarekomponenten und Kombinationen davon realisiert sein.
  • Ein Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug verbaut ist, kann im Allgemeinen einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, eine Brennstoffzuführvorrichtung, welche Brennstoff (Wasserstoff) an den Brennstoffzellenstapel zuführt, eine Luftzuführvorrichtung, welche Sauerstoff, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel in der Luft ist, an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Kühlungssystem, welches eine Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels zur Außenseite/Umgebung des Systems abführt und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert, eine Steuereinrichtung, welche ein Öffnen/Schließen einer Vielzahl von Ventilen, die in dem Brennstoffzellensystem vorhanden sind, und dergleichen aufweisen.
  • In dem Brennstoffzellensystem ist ein Hochdruckbehälter zum Speichern eines Hochdruckgas (bzw. Gases hohen Drucks), vorzugsweise Wasserstoffs, eine allgemein bekannte Struktur, so dass eine detaillierte Beschreibung dazu nachstehend weggelassen wird. Ferner kann ein Regulator, welcher mit dem Hochdruckbehälter verbindbar ist, ein Bauteil (z.B. ein Druckregelventil, insbesondere ein Druckverringerungsventil), welches ein Hochdruckgas innerhalb des Hochdruckbehälters auf ein vorbestimmtes Niveau verringert, bezeichnen. Dementsprechend kann ein Gasdruck an einem vorderen Ende (z.B. einer Eingangsseite) des Regulators relativ hoch sein und kann ein Gasdruck an einem hinteren Ende (z.B. einer Ausgangsseite) des Regulators relativ niedrig sein.
  • Das Gas, welches durch den Regulator strömt, wird dekomprimiert bzw. druckentlastet bzw. entspannt (kurz „dekomprimiert“), so dass eine Expansionskraft des Gases in Richtung zur Außenseite relativ verringert wird, und folglich weist das dekomprimierte Gas eine verringerte Wahrscheinlichkeit eines Lecks auf. Wenn ein Bauteil, welches an dem hinteren Ende des Regulators in einem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems vorgesehen werden kann, hergestellt wird, kann es daher einfach sein, das Bauteil hinsichtlich eines Lecks herzustellen. Das heißt, dass es möglich ist, die Gefährlichkeit eines Lecks beträchtlich zu verringern, sogar obwohl die Gefährlichkeit der Leckagesituation des Hochdruckgases an dem hinteren Ende des Regulators nicht separat berücksichtigt wird.
  • Im Allgemeinen kann das Brennstoffzellensystem Wasserstoff als Brennstoff verwenden und kann Hochdruckwasserstoffgas von ungefähr 700 Bar innerhalb des Hochdruckbehälters als Brennstoff gespeichert sein. Da der Hochdruckbrennstoff (Wasserstoff) nicht direkt dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann, kann der Hochdruckbrennstoff mittels des Magnetventils und des Regulators dekomprimiert werden und dann an den Stapel der Brennstoffzelle geliefert werden. Der Hochdruckbrennstoff kann typischerweise primär durch den Regulator bis auf vorzugsweise einen Druck von 20 Bar oder weniger entspannt werden. Der dekomprimierte Brennstoff kann dann sekundär unter Verwendung eines Ventils oder eines Injektors dekomprimiert werden. Wenn der dekomprimierte Brennstoff sekundär dekomprimiert wird, kann der Brennstoff auf vorzugsweise einen Druck von 4 Bar oder weniger dekomprimiert werden. Wenn das Ventil, nicht der Injektor, für die sekundäre Dekompression verwendet wird, dann muss das Ventil selbst eine Brennstoffdichtheit für einen Druck von ungefähr 20 Bar aufweisen, und ferner kann eine Notwendigkeit, eine Durchflussrate des Brennstoffs mittels des Ventils präzise zu steuern, gefordert sein.
  • Um dieses spezielle Ziel zu erreichen, können der Regulator und das Magnetventil integriert sein und können außerdem das Magnetventil und der Hochdruckbehälter integriert sein. Ferner kann der Hochdruckbehälter mit sowohl dem Magnetventil als auch dem Regulator integriert sein. Als eine beispielhafte Ausgestaltung der Struktur kann eine Regulator-im-Tank-Technik genutzt werden, und als eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Struktur kann unter Bezugnahme auf 1 eine Regulator-am-Tank-Technik genutzt werden.
  • Die Regulator-im-Tank-Technik kann sich insbesondere auf eine Technik beziehen, bei welcher in einer Gaszuführleitung 200 eines Hochdruckbehälters ein Regulator zwischen dem Hochdruckbehälter und einem Magnetventil angeordnet ist. Mit Bezug auf 1 kann die Regulator-am-Tank-Technik sich auf eine Technik beziehen, bei welcher in der Gaszuführleitung 200 ein Magnetventil 400 zwischen einem Hochdruckbehälter 10 und einem Regulator 300 angeordnet ist. Beide Techniken haben gemeinsam, dass ein Hoher-Druck-Zustand innerhalb des Hochdruckbehälters 10 nicht auf einen Zuführströmungsweg, welcher zur Außenseite des Hochdruckbehälters 10 hin exponiert ist, aufgebracht wird, d.h. die Außenseite des Hochdruckbehälters 10 nah an einem Stapel bereitgestellt und damit verbunden werden kann, und sie können daher einen noch besseren Effekt als den der bezogenen Technik haben.
  • Trotz der vorgenannten Techniken ist es jedoch nicht möglich, die Aufbringung des hohen Drucks auf die Gasbefüllungsleitung 100 zwischen einer Gasbefüllungsstation, insbesondere einer Anschlusseinrichtung (Englisch „receptacle“) einer Wasserstoffbefüllungsstation (z.B. einem im Fahrzeug vorgesehenen Befüll- bzw. Betankungsanschluss des Brennstoffzellensystems zur Verbindung mit einer Wasserstoffzapfpistole einer Wasserstofftankstelle), und dem Hochdruckbehälter 10 grundlegend zu beseitigen. Insbesondere wird Gas (Wasserstoff) in einem Hoher-Druck-Zustand (bzw. Hochdruckzustand) in dem Hochdruckbehälter 10 des Brennstoffzellensystems gespeichert und wird das Befüllen mittels einer Druckdifferenz zwischen der Befüllungsstation und dem Hochdruckbehälter 10 durchgeführt, so dass es grundlegend nicht möglich ist, während des Befüllens den Hoher-Druck-Zustand von der Gasbefüllungsleitung 10 zu nehmen.
  • Die vorliegende Erfindung bezweckt dementsprechend, eine Struktur zum Minimieren eines Bereichs, in dem die Gasbefüllungsleitung 100 und/oder eine Gaszuführleitung 200 in einem Hoher-Druck-Zustand gehalten wird/werden, unmittelbar nach dem Befüllen und ein Steuerungsverfahren davon vorzuschlagen. Nachstehend wird eine Struktur eines Brennstoffzellensystems, bei welchem eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems beseitigt wird, im Detail beschrieben. In dem Fall des In-Tank-Regulators 300 müssen ferner, um die Gasbefüllungsleitung 100 und die Gaszuführleitung 200 vollständig zu trennen, ein separater Bypass (abgewinkelte Leitung) und dergleichen vorgesehen werden, und folglich kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Hochdruckbehälter 10 in der Regulator-am-Tank-Technik verwendet werden. Die in der vorliegenden Offenbarung bezeichnete „Gaszuführleitung 200“ meint ferner eine Leitung zwischen dem Hochdruckbehälter 10 und dem Stapel und kann eine Mehrzahl von Rohren, welche einen Strömungsweg (Kanal) bilden, meinen und meint nicht lediglich ein Element oder Bauteil. Auf ähnliche Weise meint die in der vorliegenden Offenbarung bezeichnete „Gasbefüllungsleitung 100“ eine Leitung zwischen dem Hochdruckbehälter 10 und der Gasbefüllungsstation und kann eine Mehrzahl von Rohren, welche einen Strömungsweg (Kanal) bilden, meinen und meint nicht lediglich ein Element oder Bauteil.
  • 2 ist ein Diagramm, welches eine innere Konfiguration eines Am-Tank-Regulators 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Ferner ist 3 ein Diagramm, welches eine Verbindungsbeziehung zwischen Strukturen des Wasserstoffzuführsystems, das eine Gasbefüllungsleitung 100 und eine Gaszuführleitung 200 des Brennstoffzellensystems aufweist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Bezugnehmend auf 2 und 3 kann die vorliegende Erfindung die Gasbefüllungsleitung 100 und die Gaszuführleitung 200, welche mit dem Hochdruckbehälter 10 verbunden sind, aufweisen. Vorzugsweise kann die vorliegenden Erfindung die Gasbefüllungsleitung 100, welche eine Gasbefüllungsstation, insbesondere eine Anschlusseinrichtung einer Gasbefüllungsstation, und eine Seite eines Einlasses eines Hochdruckbehälters 10 verbindet, und die Gaszuführleitung 200, welche die eine Seite des Einlasses des Hochdruckbehälters 10 und einen Wasserstoffeinlass eines Stapels einer Brennstoffzelle verbindet, aufweisen. Ferner kann die vorliegende Erfindung gemäß 2 den Regulator 300 an einem Punkt (entlang) der Gaszuführleitung 200 aufweisen. Der Regulator 300 ist eine Struktur zur Dekompression (Druckverringerung), wie oben beschrieben, und ist eine Struktur, welche in dem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems in allgemeiner Weise übernehmbar ist, so dass eine detaillierte Beschreibung davon nachstehend weggelassen wird.
  • In der vorliegenden Erfindung kann ein Magnetventil 400 in der Gaszuführleitung 200 vorgesehen sein. Das Magnetventil 400 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil, welches mittels elektromagnetischer Kraft antreibbar ist, und ein Normalerweise-Geschlossen-(NC)-Typ-Ventil (z.B. Ventil, das ohne Betätigung bzw. im Ruhezustand (z.B. Stromlos-Zustand) geschlossen ist) kann verwendet werden. Ein Öffnungsgrad des Magnetventils 400 wird proportional zu einem angelegten Strom gesteuert, so dass das Magnetventil 400 eine Durchflussrate des Wasserstoffs, der von dem Hochdruckbehälter 10 zu dem Stapel geliefert werden kann, steuern kann. Als eine beispielhafte Ausführungsform kann das Magnetventil 400 in der vorliegenden Erfindung zwischen dem Regulator 300 und dem Hochdruckbehälter 10 vorgesehen sein. Das heißt, dass das Magnetventil 400 an einem Punkt an der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Hochdruckbehälter 10 bereitgestellt sein kann.
  • Bezugnehmend auf 3 kann die vorliegende Erfindung eine Bypassleitung (bzw. Umgehungsleitung), welche einen Punkt der Gaszuführleitung 200 und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung 100 verbindet, aufweisen. Insbesondere kann die Bypassleitung einen Punkt zwischen dem Magnetventil 400 und dem Regulator 300 der Gaszuführleitung 200 und einen Punkt zwischen der Anschlusseinrichtung der Befüllungsstation und einer Fülleinrichtung (welche z.B. an der Gasbefüllungsleitung zwischen dem Hochdruckbehälter und dem Abzweigungspunkt der Bypassleitung, an dem die Bypassleitung von der Gasbefüllungsleitung abzweigt, angeordnet ist) verbunden sein. Wenn Gas durch die Bypassleitung strömen kann, können folglich ein Druck der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Magnetventil 400 und dem Regulator 300 und ein Druck der Gasbefüllungsleitung 100 zwischen der Anschlusseinrichtung der Befüllungsstation und einer Fülleinrichtung gleich sein/werden.
  • In der vorliegenden Erfindung kann ein Rückschlagventil 500 an einem Punkt der Bypassleitung bereitgestellt sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann das Rückschlagventil 500 in der Bypassleitung, welche einen Punkt der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400 und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung 100 miteinander verbindet, bereitgestellt sein. Das heißt, dass das Rückschlagventil 500 zwischen der Gaszuführleitung 200 und der Gasbefüllungsleitung 100 bereitgestellt sein kann. Das Rückschlagventil 500 in der vorliegenden Erfindung ist ein Ein-Weg-Ventil und kann ein Ventil, mittels welchen Gas in der Lage ist, von der einen Seite zur anderen Seite zu strömen, jedoch das Gas nicht von der anderen Seite zu der einen Seite zurück strömen können, sogar obwohl das Ventil geöffnet ist, meinen. Vorzugsweise kann, wie in 3 dargestellt, das Rückschlagventil 500 der vorliegenden Erfindung ein Ventil sein, welches derart ausgebildet ist, dass Gas in der Lage ist, sich nur in eine Richtung von der Gaszuführleitung 200 aus hin zur Gasbefüllungsleitung 100 zu bewegen (zu strömen). Das heißt, dass in der vorliegenden Erfindung die Gasbefüllungsleitung 100 und die Gaszuführleitung 200 in eine einzige Richtung verbunden sein können, d.h. von der Gaszuführleitung 200 aus hin zur Gasbefüllungsleitung 100.
  • Die vorliegende Erfindung kann einen Drucksensor zum Messen eines Drucks eines Gases (Wasserstoff), welches durch die Gaszuführleitung 200 strömt, an der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400 aufweisen. Insbesondere kann ein innerhalb des Hochdruckbehälters 100 existierender Sensoranschluss in der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400 vorhanden sein. Ferner kann der Drucksensor an einer Position, welche mit dem Sensoranschluss innerhalb des Hochdruckbehälters 10 korrespondiert, außerhalb des Hochdruckbehälters 10 (z.B. von außen an den Hochdruckbehälter) angebracht sein. Der Drucksensor außerhalb des Hochdruckbehälters 10 ist angebracht an dem Sensoranschluss innerhalb des Hochdruckbehälters 10, so dass ein Spalt, durch welchen die Gaszuführleitung 200 zwischen dem Magnetventil 400 und dem Regulator 300 mit der Außenseite/Umgebung in Verbindung stehen kann, erzeugt sein kann. Ferner gibt es eine Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit dahingehend, dass Gas durch den Spalt zwischen dem Drucksensor und dem Sensoranschluss entweicht. Wenn ferner der Druck des Gases der Gaszuführleitung 200 innerhalb des Hochdruckbehälters 10, wo der Sensoranschluss positioniert ist, hoch ist, kann die Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit der Leckage des innen befindlichen Gases der Gaszuführleitung 200 ebenfalls erhöht sein.
  • Bezugnehmend auf 3 ist/sind gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Teil des Regulators 300, des Magnetventils 400, der Gasbefüllungsleitung 100 und/oder der Gaszuführleitung 200 innerhalb des Hochdruckbehälters 10 ausgebildet, so dass der Hochdruckbehälter 10 an einem Einlass-Punkt und einem Auslass-Punkt, welche in 3 dargestellt sind, mit einem anderen Element verbunden werden muss. Das heißt, dass, um den Hochdruckbehälter 10 und einen Strömungsweg, welcher die Gasbefüllungsleitung 100 und/oder die Gaszuführleitung 200 außerhalb des Hochdruckbehälters 10 bildet, zu verbinden, die Befestigung zwischen dem Hochdruckbehälter 10 und dem Kanal (Strömungsweg) an einem Ende des Hochdruckbehälters 10 erforderlich sein kann.
  • Die Mehrzahl von Rohren, welche die jeweiligen Leitungen innerhalb des Brennstoffzellensystems bilden, muss indessen mit weiteren Elementen oder Komponenten an beiden Enden jedes Rohrs verbunden sein. Dementsprechend ist zu erkennen, dass, wenn ein hoher Druck auf ein Rohr aufgebracht wird, zwei Leckstellen an Befestigungspunkten der beiden Enden gebildet werden. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Leckstellen in dem Strömungsweg an der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Stapel und dem Regulator 300 hervorgerufen werden und außerdem kann eine (weitere) Mehrzahl von Leckstellen in dem Strömungsweg an der Gasbefüllungsleitung 100 zwischen der Gasbefüllungsstation und dem Hochdruckbehälter 10 hervorgerufen werden. Wenn ferner das Rückschlagventil 500 bereitgestellt ist, kann außerdem in dem Strömungsweg der Gasbefüllungsleitung 100 zwischen der Gasbefüllungsstation und dem Rückschlagventil 500 die Leckstelle erzeugt werden.
  • Dementsprechend werden ein Steuerungsverfahren und ein Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems, bei welchem eine Hoher-Druck-Leitung des Brennstoffzellensystems beseitigt wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Verhindern, dass Gas an den Leckstellen, die an den vorgenannten Punkten hervorrufbar sind, entweicht, im Detail nachstehend beschrieben.
  • 4 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Befüllen oder Auslassen und einem Öffnen des Magnetventils 400 in einem Fahrzeug, an welches das Brennstoffzellensystem montierbar ist, gemäß der bezogenen Technik darstellt. Bezugnehmend auf 4 kann in der bezogenen Technik gesehen werden, dass, wenn die Zündeinrichtung (z.B. Zündschlosseinrichtung) des Fahrzeugs sich in einem „Ein“-Zustand befindet, detektiert wird, ob das Fahrzeug befüllt wird, jedoch das Magnetventil 400 und/oder der Regulator 300 ungeachtet des Abschlusses des Befüllens geöffnet wird/werden.
  • Hingegen ist 5 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß 5 kann in der vorliegenden Erfindung als erstes in Schritt S100 ermittelt werden, ob die Zündeinrichtung eines Fahrzeugs, an welches das Brennstoffzellensystem montierbar ist, in einem „Ein“-Zustand ist. Dann kann in Schritt S200 ermittelt werden, ob das Befüllen durchgeführt wird, bevor das Fahrzeug, an welches das Brennstoffzellensystem montierbar ist, startet (z.B. angelassen wird und/oder anfährt). Es kann insbesondere ermittelt werden, ob der Hochdruckbehälter 10 des Fahrzeugs mit Gas (Wasserstoff) von der Gasbefüllungsstation hochdruckbefüllt bzw. hochdruckbetankt wird.
  • 6 ist ein Diagramm, welches einen Hoher-Druck- oder Niedriger-Druck-Zustand von jeder von der Gaszuführleitung 200 und/oder der Gasbefüllungsleitung 100 unmittelbar nach der Durchführung des Hochdruckbefüllens darstellt. Ferner stellt 6 einen Punkt, an welchem Gas entsprechend dem Hochdruckbefüllen entweichen kann, dar. Unter Bezugnahme auf 6 kann gesehen werden, dass, entsprechend dem Befüllen mit Hochdruckgas, alle Leitungen des Wasserstoffzuführsystems mit Ausnahme von dem hinteren Ende des Regulators, d.h. von der von dem Regulator 300 aus mit dem Stapel verbundenen Gaszuführleitung 200 (z.B. desjenigen Abschnitts der Gaszuführleitung 200, welcher von dem Regulator 300 aus mit dem Stapel verbunden ist), einem Hoher-Druck-Zustand ausgesetzt sein können. Zu dieser Zeit, bei welcher die vorliegende Erfindung durchgeführt wird, ist der Regulator 300 immer in einem Geschlossen-Zustand und kann nur der Druck des eingespeisten Hochdruckgases größer sein als eine elastische Kraft eines Kolbens (Englisch: „plunger“) des Magnetventils 400. Dementsprechend kann das eingespeiste Hochdruckgas den Kolben des Ventils in das Innere des Ventils drücken und kann dies gleichbedeutend mit dem Geöffnet-Zustand des Ventils sein. Folglich kann der Hoher-Druck-Zustand sogar in der Gaszuführleitung 200, welche mit dem Magnetventil 400 versehen ist, gebildet werden.
  • Dann kann der Drucksensor, welcher an der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400 angebracht ist, um den Druck zu messen, einen Druck der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400 in Schritt S300 messen.
  • In diesem Fall kann, wenn der gemessene Druck einen vorbestimmten Druck (z.B. Öffnungsdruck des Rückschlagventils) Po übersteigt, das Rückschlagventil 500, welches an dem Bypassströmungsweg, der die Gaszuführleitung 200 und die Gasbefüllungsleitung 100 verbindet, bereitgestellt sein kann, geöffnet werden. Das heißt, dass das Rückschlagventil 500 gemäß dem Druck der Gaszuführleitung 200 (der Gaszuführleitung 200 (z.B. Gaszuführleitungsabschnitt) zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400) in Schritt S400 geöffnet werden kann. In diesem Fall kann der vorbestimmte Druck Po eingestellt sein basierend auf einen Minimale-Verwendung-Druckwert (Englisch: „minimum usage pressure value“) eines Einlassendes des Regulators 300, d.h. der Seite des Magnetventils 400, unter den beiden Enden des Regulators 300. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann der vorbestimmte Druck Po einen Wert von ungefähr 2 MPa haben.
  • Das Rückschlagventil 500 wird geöffnet, so dass der Druck der Bypassleitung dekomprimiert bzw. entlastet werden kann, und ferner kann der Druck der Gaszuführleitung 200 und/oder der Gasbefüllungsleitung 100, welche mit der Bypassleitung verbunden sind, ebenfalls dekomprimiert werden (z.B. durch Druckausgleich zwischen der Gasbefüllungsleitung (die beispielsweise nach Beendigung des Befüllens entlüftet und druckreduziert wird) und der Gaszuführleitung).
  • 7 stellt einen Hoher-Druck- oder Niedriger-Druck-Zustand jeder Leitung nach dem Öffnen des Rückschlagventils 500 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Ähnlich zu 6 kann der Regulator 300 in einem Geschlossen-Zustand sein. Dementsprechend kann der Druck der Gaszuführleitung 200, welche mit dem hinteren Ende des Regulators 300, d.h. dem Stapel, unter den beiden Enden des Regulators 300 verbunden ist, immer noch in einem Niedriger-Druck-Zustand gehalten sein. In 7 kann nur die elastische Kraft des Magnetventils 400 größer sein als ein auf den Einlass des Magnetventils 400 aufgebrachter Gasdruck. Folglich bringt eine Feder des Magnetventils 400 den Kolben in engen Kontakt mit einem Sitz (z.B. einer Platte) des Ventils, so dass das Magnetventil 400 ebenfalls einen Geschlossen-Zustand aufrechterhalten kann. Ferner kann die Fülleinrichtung ebenfalls verhindern, dass Gas von dem Hochdruckbehälter 10 aus rückwärts strömt. Dementsprechend kann der Druck der Gaszuführleitung 200 zwischen dem Regulator 300 und dem Magnetventil 400, der Bypassleitung und der Gasbefüllungsleitung 100 zwischen der Fülleinrichtung und der Gasbefüllungsstation auf den Niedriger-Druck-Zustand dekomprimiert werden. Folglich können alle Leitungen des Wasserstoffzuführsystems des Brennstoffzellensystems, mit Ausnahme von den Leitungen zwischen dem Magnetventil 400 und dem Hochdruckbehälter 100 und zwischen der Fülleinrichtung und dem Hochdruckbehälter 10, den Niedriger-Druck-Zustand erhalten.
  • In der vorliegenden Erfindung wird, basierend auf dem Magnetventil 400, eine Druckdifferenz zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende erhöht, so dass ein Leck innerhalb des Magnetventils 400 automatisch korrigiert werden kann. Drei innere Leckstellen können im Allgemeinen in dem Magnetventil 400 existieren. Insbesondere können zwei Leckstellen in einem Magnetbetätigungsteil existieren und kann eine Leckstelle in einem Füllteil (Abschlussteil, u.a. bspw. einem Ventilverschlussteil) existieren. Die Leckstellen innerhalb des Magnetventils 400 können jedoch eine Struktur haben, bei welcher die Leckstelle auf natürliche Weise durch eine Druckdifferenz zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Magnetventils 400 korrigiert wird. Das heißt, dass eine Struktur eine andere Struktur mittels der Druckdifferenz zusammendrückt, so dass ein Spalt oder eine Falschausrichtung zwischen beiden Strukturen korrigiert werden kann.
  • Wenn das Rückschlagventil 500 geöffnet wird, kann eine Zeit, welches es zum Dekomprimieren bzw. Entlasten des Drucks der Gaszuführleitung 200 von dem hohen Druck auf einen geringen Druck, insbesondere von ungefähr 70 MPa auf ungefähr 2 MPa, braucht, in Schritt S410 gemessen werden. Es ist möglich, eine Zeit zu messen, welche es zum Dekomprimieren des Drucks der Gaszuführleitung 200 und/oder der Gasbefüllungsleitung 100, in welchen der hohe Druck gebildet ist, auf einen niedrigen Druck braucht. Wenn die Zeit, welche die Gaszuführleitung 200 und/oder die Gasbefüllungsleitung 100 brauchen, um den vorbestimmten Druck Po zu erreichen, eine vorbestimmte Zeit oder länger ist, kann es ermittelt werden, dass Gas an einem Punkt der Gaszuführleitung 200 entweicht. Der Grund ist, dass, wenn das Gas an einem Punkt der Gaszuführleitung 200 oder der Gasbefüllungsleitung 100, welche sich von dem Hochdruckbehälter 10 aus erstrecken, entweicht, sogar obwohl das Rückschlagventil 500 geöffnet wird, durch das Entweichen des Hochdruckgases die Dekompression nicht durchgeführt wird oder eine Geschwindigkeit der Dekompression gering ist. Die vorliegende Erfindung kann folglich die Hohe-Druck-Leitung der Gaszuführleitung 100 beseitigen und kann sogar ermitteln, ob ein Leck innerhalb der Gasbefüllungsleitung 100 und/oder der Gaszuführleitung 200 erzeugt ist.
  • Wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem das Rückschlagventil 500 geöffnet wurde, kann in Schritt S500 das Rückschlagventil 500 wieder geschlossen werden und kann das Magnetventil 400 geöffnet werden, nachdem das Rückschlagventil 500 wieder geschlossen wurde. Insbesondere kann die vorbestimmte Zeit als eine Zeit, welche es zum Dekomprimieren des Drucks der Gaszuführleitung 200 von ungefähr 70 MPa auf ungefähr 2 MPa braucht, eingestellt sein.
  • 8 ist ein Diagramm, welches den Druck jeder Struktur und jeder Leitung in dem Zustand, bei dem das Rückschlagventil 500 geöffnet und dann wieder geschlossen wurde und dann das Magnetventil 400 geöffnet wurde, zeigt. Gemäß 8 ist das Rückschlagventil 500 geschlossen, so dass die Bypassleitung, beruhend auf dem Rückschlagventil, in eine Hohe-Druck-Leitung (z.B. einen Leitungsabschnitt hohen Drucks) und in eine Niedrige-Druck-Leitung (z.B. einen Leitungsabschnitt niedrigen Drucks) 500 unterteilt sein kann. Insbesondere kann die mit der Gaszuführleitung 200 verbundene Leitung in der Bypassleitung einen Hoher-Druck-Zustand beibehalten und kann die mit der Gasbefüllungsleitung 100 verbundene Leitung in der Bypassleitung einen Niedriger-Druck-Zustand beibehalten.
  • Das Magnetventil 400 ist in dem Geöffnet-Zustand und der Regulator 300 behält den Geschlossen-Zustand bei, so dass die Gaszuführleitung 200 zwischen dem Magnetventil 400 und dem Regulator 300 einen Hoher-Druck-Zustand beibehalten kann. Die Gaszuführleitung 200 in dem Hoher-Druck-Zustand kann jedoch innerhalb des Hochdruckbehälters 10 ausgebildet sein, so dass ein Problem hinsichtlich einer Exponiertheit der Hoher-Druck-Leitung zur Außenseite/Umgebung hin nicht hervorgerufen werden kann. Ferner ist, im Vergleich mit 6, in 8 die Leckstelle, welche zwischen der Gasbefüllungsstation (insbesondere der Anschlusseinrichtung der Gasbefüllungsstation) und dem Rückschlagventil 500 und der Fülleinrichtung hervorgerufen werden kann, beseitigt, wodurch die Anzahl von Leckstellen des Wasserstoffzuführsystems des Brennstoffzellensystems verringert wird.
  • 9 ist ein Diagramm, welches schematisch die Anzahl und die Positionen von Hoher-Druck-Leitungen (Hochdruck-Rohrteile) und Leckstellen (Hochdruck-Leckstellen), welche in jedem von dem Fall, in welchem die vorliegende Technologie in einem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems genutzt wird, dem Fall, in welchem nur der Am-Tank-Regulator 300 in einem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems genutzt wird, und dem allgemeinen Fall, in welchem der Am-Tank-Regulator 300 in einem Wasserstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems nicht genutzt wird, gebildet werden können, darstellt. Wie oben beschrieben, muss eine Leitung (Rohr) an seinen beiden Enden mit einem anderen Element befestigt sein, so dass gesehen werden kann, dass zwei Leckstellen gebildet werden, wenn ein hoher Druck auf eine Leitung aufgebracht wird. In jedem Fall können Leckstellen in der Anschlusseinrichtung, welche an einem rechten oberen Ende der Gasbefüllungsleitung 100 angeordnet ist, hervorgerufen werden, können zwei Leckstellen, welche in einem Leitungsrückschlagventil (Englisch „line check“) hervorgerufen werden und können zwei Leckstellen an einem Punkt, an welchem die Gasbefüllungsleitung 100 mit dem Hochdruckbehälter 10 verbunden ist, hervorgerufen werden. Ferner kann eine Leckstelle außerdem an einem Punkt hervorgerufen werden, an welchem die Gaszuführleitung 200 mit dem Hochdruckbehälter 10 verbunden ist. Wenn ferner der Regulator 300 separat bereitgestellt ist, können zwei Leckstellen zusätzlich in dem Rohr (Leitung) zwischen dem Hochdruckbehälter 10 und dem Regulator 300 hervorgerufen werden.
  • Der zentrale zylindrische Hochdruckbehälter 10 und ein quadratischer Endabschnitt des Hochdruckbehälters 10 können in 9 vorgeschlagen sein. Ferner kann die Gasbefüllungsleitung 100 auf einer rechten Seite und die Gaszuführleitung 200 auf einer linken Seite dargestellt sein. Insbesondere stellt 9 die Konfiguration dar, welche schematisch die Anschlusseinrichtung der Gasbefüllungsstation an dem rechten oberen Ende, das Leitungsrückschlagventil an der rechten Seite und den Regulator 300 an einem linken unteren Ende zeigt. Ferner kann eine Leitung, welche mit einer dicken, durchgezogenen Linie gezeichnet ist, eine Leitung in einem Hoher-Druck-Zustand sein und kann eine Leitung, welche mit einer dünnen, durchgezogenen Linie, eine Leitung in einem Niedriger-Druck-Zustand sein. In jedem Fall ist ein Bereich, welcher mit einem Punkt in der Zeichnung markiert ist, ein Bereich, in welchem eine Leckstelle gebildet werden kann. Die Anzahl von Leckstellen, welche in dem Fall, in welchem ein jeweiliges System angewendet wird, hervorgerufen können, und die Anzahl von Rohren, auf welche ein hoher Druck aufgebracht wird, sind nachfolgend in der Tabelle aufgeschlüsselt.
    Technik des Wasserstoff - zuführsystems des Brennstoffzellensystem s Beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Der Fall, in dem nur der Am-Tank-Regulator angewendet wird Der Fall, in dem der Am-Tank-Regulator nicht angewendet wird
    Anzahl von Leckstellen 1 7 10
    Anzahl von Rohren, auf 0 2 3
    welche ein hoher Druck aufgebracht wird
  • Im Vergleich mit der bezogenen Technik und dem Fall, in dem nur der Am-Tank-Regulator 300 angewendet wird, sind in der vorliegenden Erfindung die Hoher-Druck-Leitungen beseitigt (insbesondere die Anzahl von Rohren, auf welche ein hoher Druck aufgebracht wird, und die Anzahl von Leckstellen verringert), so dass die Befestigungsteile, auf welche der hohe Druck aufgebracht wird, reduziert sind, wodurch die Anzahl von Leckstellen, an welchen ein Leck hervorrufbar ist, erheblich verringert wird und die Stabilität/Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems erheblich verbessert wird.
  • Zusammenfassend ist der Kerngeist der vorliegenden Erfindung/Offenbarung, dass die vorliegende Erfindung/Offenbarung die Bypassleitung, welche die Gaszuführleitung zwischen dem Magnetventil und dem Regulator und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung miteinander verbindet, aufweist und das Rückschlagventil, welches in eine Richtung verstellbar ist, an der Bypassleitung aufweist, so dass das Rückschlagventil nach dem Befüllen geöffnet wird, wodurch ein Hoher-Druck-Zustand der Gaszuführleitung zwischen dem Magnetventil und dem Regulator beseitigt wird.
  • Das heißt, dass anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung dadurch charakterisiert ist, dass, nachdem der Hoher-Druck-Zustand beseitigt ist, der hohe Druck auf die Leitung zwischen dem Magnetventil und dem Hochdruckbehälter und die Leitung zwischen der Fülleinrichtung und dem Hochdruckbehälter aufgebracht wird, so dass die zur Außenseite hin exponierten Hochdruck-Leckstellen minimiert sind.
  • In der obigen Beschreibung wurden die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei jedoch diejenigen Fachmänner auf dem Gebiet, zu welchem die vorliegende Erfindung gehört, die vorliegende Erfindung durch Hinzufügen, Verändern und Weglassen von Bauteilen auf diverse Arten modifizieren und verändern können, ohne dabei vom Wesen der Erfindung, welch in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen, und wobei die Modifikation und die Veränderung ebenfalls zum Umfang der vorliegenden Erfindung gehört.
  • In der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde eine detaillierte Beschreibung von bekannten Strukturen oder Funktionen, welche hierin einbezogen sind, wegelassen, wenn festgestellt wurde, dass diese detaillierte Beschreibung den Gegenstand der vorliegenden Erfindung/Offenbarung unklar machen könnten. Die Begriffe, welche vorstehend beschrieben wurden, sind Begriffe, welche unter Berücksichtigung der Funktionen in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung definiert sind, und können gemäß den Absichten oder Praktiken von Nutzern und Anwendern verändert werden. Die Definitionen sollten daher auf Grundlage des gesamten Inhalts der vorliegenden Beschreibung vorgenommen werden. Die detaillierte Beschreibung der Erfindung ist somit nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung auf die beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken, und es ist zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche auch andere beispielhafte Ausführungsformen umfassen.
  • In dem vorstehenden wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen gezeigte(n) beispielhafte(n) Ausführungsform(en) beschrieben, welche jedoch veranschaulichend ist (sind), und die Fachmänner werden verstehen, dass diverse Modifikationen möglich sind und alle oder einige der vorgenannten beispielhaften Ausführungsform(en) selektiv kombiniert und eingerichtet sein. Der tatsächliche Umfang der vorliegenden Erfindung soll folglich durch den technischen Sinn der beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem ohne eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems, wobei das Brennstoffzellensystem eine Gasbefüllungsleitung (100), welche zwischen einer Gasbefüllungsstation und einem Hochdruckbehälter (10), der durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt wird, ausgebildet ist, und eine Gaszuführleitung (200), welche zwischen dem Hochdruckbehälter (10) und einem Stapel ausgebildet ist, aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: einen Regulator (300), welcher in der Gaszuführleitung (200) bereitgestellt ist, ein Magnetventil (400), welches in der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Hochdruckbehälter (10) bereitgestellt ist, und ein Rückschlagventil (500), welches in einer Bypassleitung, die einen Punkt der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Magnetventil (400) und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung (100) verbindet, bereitgestellt ist.
  2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Drucksensor, welcher an der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Magnetventil (400) angebracht ist.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Rückschlagventil (500) ein Ein-Weg-Ventil ist.
  4. Brennstoffzellensystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gas, welches durch das Rückschlagventil (500) strömt, nur in eine Richtung von der Gaszuführleitung (200) zu der Gasbefüllungsleitung (100) bewegbar ist.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückschlagventil (500), nachdem der Hochdruckbehälter (10) mit Gas befüllt wird, geöffnet wird und dann in der Folge geschlossen wird, bevor das Magnetventil geöffnet wird.
  6. Brennstoffzellensystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: eine erste Leckstelle, wobei ein Leck in der Lage ist, in einem Strömungsweg der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Stapel und dem Regulator (300) aufzutreten.
  7. Brennstoffzellensystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine zweite Leckstelle, wobei ein Leck in der Lage ist, in einem Strömungsweg der Gasbefüllungsleitung (100) zwischen der Gasbefüllungsstation und dem Rückschlagventil (500) aufzutreten.
  8. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems ohne eine Hoher-Druck-Leitung eines Wasserstoffzuführsystems, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist eine Gasbefüllungsleitung (100), welche zwischen einer Gasbefüllungsstation und einem Hochdruckbehälter (10), der durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt wird, ausgebildet ist, eine Gaszuführleitung (200), welche zwischen dem Hochdruckbehälter (10) und einem Stapel ausgebildet ist, einen Regulator (300), welcher in der Gaszuführleitung (200) bereitgestellt ist, ein Magnetventil (400), welches in der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Hochdruckbehälter (10) bereitgestellt ist, und ein Rückschlagventil (500), welches in einer Bypassleitung, die einen Punkt der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Magnetventil (400) und einen Punkt der Gasbefüllungsleitung (100) verbindet, bereitgestellt ist, aufweist, wobei das Verfahren aufweist: einen Schritt S100 eines Ermittelns, ob eine Zündeinrichtung eines Fahrzeugs, an welches das Brennstoffzellensystem montierbar ist, in einem „Ein“-Zustand ist, einen Schritt S200 eines Ermitteins, ob der Hochdruckbehälter (10) des Brennstoffzellensystems durch die Gasbefüllungsstation mit Gas befüllt wird, bevor das Fahrzeug startet, einen Schritt S300 eines Messens eines Drucks der Gaszuführleitung (200) mit einem Drucksensor, welcher an der Gaszuführleitung (200) zwischen dem Regulator (300) und dem Magnetventil (400) angebracht ist, einen Schritt S400 eines Ermittelns, ob gemäß dem Druck der Gaszuführleitung (200) das Rückschlagventil (500) geöffnet wird, und einen Schritt S500 eines Öffnens des Magnetventils (400), wenn das Rückschlagventil (400) in dem Schritt S400 geöffnet wurde und dann in der Folge geschlossen wurde.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei, wenn in Schritt S400 der Druck der Gaszuführleitung größer als ein vorbestimmter Druck ist, das Rückschlagventil (500) geöffnet wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend: einen Schritt S410 des Messens einer Zeit, welche der Druck der Gaszuführleitung (200) braucht, um einen vorbestimmten Druck zu erreichen, wenn das Rückschlagventil in Schritt S400 geöffnet wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei ermittelt wird, dass das Gas aus der Gaszuführleitung (200) entweicht, wenn die Zeit, welche der Druck der Gaszuführleitung (200) braucht, um den vorbestimmten Druck zu erreichen, in Schritt S410 länger als eine vorbestimmte Zeit ist.
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