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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Die ungeprüfte
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017-91625 (
JP 2017-91625 A ) offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem zwei Injektoren auf einem Strömungsdurchgang zum Zuführen von Anodengas zu einer Brennstoffzelle angeordnet sind, ein Drucksensor in dem Strömungsdurchgang stromabwärts der Injektoren angeordnet ist, und die Injektoren unter Verwendung von Messwerten des Drucksensors gesteuert werden. In einem solchen System wird ein Phänomen wie etwa eine Drift des Drucksensors unter Verwendung der Messwerte des Drucksensors erfasst, wenn nur einer der beiden Injektoren arbeitet.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wenn ein Phänomen wie etwa eine Drift in einem Drucksensor aufgetreten ist und eine Menge an zugeführtem Anodengas durch einen Injektor unter Verwendung der Messwerte von dem Drucksensor angepasst wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass in einem Brennstoffzellensystem ein Problem auftritt. Ein solches Problem kann selbst dann auftreten, wenn eine Mehrzahl von Drucksensoren in dem Strömungsdurchgang für Anodengas stromabwärts des Injektors angeordnet sind.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das beinhaltet: einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von Zellen beinhaltet; einen Injektor, der in einem Anodengasströmungsdurchgang zum Zuführen von Anodengas zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist; eine Mehrzahl von Drucksensoren, die eine Mehrzahl von Druckwerten in einem Abschnitt des Anodengasströmungsdurchgangs messen, der dem Brennstoffzellenstapel näher ist als dem Injektor; und eine Steuereinheit, die zum Steuern einer Ausgabe des Brennstoffzellenstapels durch Anpassen einer Anodengasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel durch den Injektor zugeführt wird, unter Verwendung der gemessenen Mehrzahl von Druckwerten konfiguriert ist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, wenn eine erste Bedingung, dass ein Zustand, in dem eine Abweichung der Mehrzahl von durch die Mehrzahl von Drucksensoren gemessenen Druckwerten größer oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert ist, für eine vorbestimmte Zeit oder länger besteht, erfüllt ist, gegenüber einem Fall, wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist. Wenn eine Menge an zugeführtem Anodengas angepasst wird, indem ein Druckwert eines Drucksensors verwendet wird, bei dem wahrscheinlich eine Abnormalität aufgetreten ist, dann besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass sich die Zellen aufgrund eines Mangels an Anodengas verschlechtern werden, oder eine Wahrscheinlichkeit, dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors aufgrund eines Überschusses an Anodengas übermäßig hoch wird. Dementsprechend ist es denkbar, dass die Zufuhr von Anodengas gestoppt wird und die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird. Wenn gemäß diesem Aspekt die erste Bedingung erfüllt ist, das heißt, wenn eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Sensorabnormalität aufgetreten ist, wird die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels begrenzt und somit ist es möglich, ein Problem zu verhindern, das durch Stoppen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels verursacht wird.
- (2) Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Anodengasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel durch den Injektor zugeführt wird, unter Verwendung des höchsten Druckwerts der Mehrzahl von Druckwerten anzupassen, wenn die erste Bedingung erfüllt ist. Da gemäß dieser Konfiguration eine Menge an zugeführtem Anodengas unter Verwendung des höchsten Druckwerts der Mehrzahl von Druckwerten angepasst wird, ist es möglich zu verhindern, dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors übermäßig hoch wird.
- (3) Der Anodengasströmungsdurchgang kann einen Abführströmungsdurchgang beinhalten, in dem Anodenabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird; ein Ablassventil, das Wasser und Anodenabgas, welche aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden, zum Äußeren des Brennstoffzellensystems abführt, wenn eine zweite Bedingung erfüllt ist, kann in dem Abführströmungsdurchgang vorgesehen sein; das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Verdünnungsgaszufuhreinheit beinhalten, die zum Zuführen von Verdünnungsgas zum Verdünnen des aus dem Ablassventil abgeführten Anodenabgases konfiguriert ist, und die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Verdünnungsgaszufuhreinheit derart zu steuern, dass eine Menge an zugeführtem Verdünnungsgas im Fall eines Anstiegs der Mehrzahl von durch die Mehrzahl von Drucksensoren gemessenen Druckwerten zunimmt, wenn die zweite Bedingung erfüllt ist, und um die Verdünnungsgaszufuhreinheit unter Verwendung des höchsten Druckwerts der Mehrzahl von Druckwerten zu steuern, wenn die erste Bedingung und die zweite Bedingung erfüllt sind. Da gemäß dieser Konfiguration eine Kathodengaszufuhreinheit unter Verwendung des höchsten Druckwerts der Mehrzahl von Druckwerten gesteuert wird, ist es möglich zu verhindern, dass die Konzentration von Anodengas in dem Anodenabgas, das über das Ablassventil zum Äußeren des Brennstoffzellensystems abgeführt wird, übermäßig hoch wird.
- (4) Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Spannungsmesseinheit beinhalten, die konfiguriert ist, um eine Zellenspannung in dem Brennstoffzellenstapel zu messen; die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, wenn die Zellenspannung niedriger wird als eine vorbestimmte Schwellwertspannung, und um die vorbestimmte Schwellwertspannung zu erhöhen, wenn die Abweichung die erste Bedingung erfüllt. Wenn gemäß dieser Konfiguration die erste Bedingung erfüllt ist, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass in dem Drucksensor eine Abnormalität aufgetreten ist, wird die Schwellwertspannung zum Begrenzen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels erhöht und die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels wird begrenzt, wenn die Zellenspannung niedriger ist als die Schwellwertspannung. Demgemäß ist es möglich, Problemen Einhalt zu gebieten, die durch Stoppen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels verursacht werden. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist und die Zellenspannung größer oder gleich der Schwellwertspannung ist, kann die Ausgabe auf die gleiche Weise erfolgen, wie wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist, und somit ist es möglich, Problemen Einhalt zu gebieten, die durch Stoppen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels verursacht werden.
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Die vorliegende Offenbarung ist in verschiedenen Formen ausführbar und ist beispielsweise in den Formen eines Verfahrens zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, eines Verfahrens zur Steuerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, eines Computerprogramms zum Realisieren der Steuerungsverfahren, und eines nicht transitorischen Speichermediums, auf dem das Computerprogramm aufgezeichnet ist, ausführbar.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen und in denen:
- 1 ein Diagramm ist, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems schematisch veranschaulicht;
- 2 ein Flussdiagramm ist, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses veranschaulicht;
- 3 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einer Zellenspannung und einer Begrenzungsrate veranschaulicht;
- 4 ein Flussdiagramm ist, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht; und
- 5 ein Flussdiagramm ist, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erste Ausführungsform
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1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 schematisch veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 100 ist in einem Fahrzeug 1 montiert und gibt als Reaktion auf eine Anforderung eines Fahrers elektrische Energie aus, die als eine Energiequelle des Fahrzeugs dient.
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Das Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Steuereinheit 20, ein Kathodengaszufuhr/-abführsystem 30 und ein Anodengaszufuhr/- abführsystem 50. Das Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet ferner einen DC/DC-Wandler 90, eine Energiesteuereinheit (nachstehend als „PCU“ bezeichnet) 91, eine Sekundärbatterie 92 und eine Last 93.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 besitzt eine Konfiguration, bei der eine Mehrzahl von Zellen 11 gestapelt sind. Jede Zelle 11 beinhaltet eine Membran-Elektroden-Anordnung, in der Elektroden auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind, und einen Satz von Separatoren, welche die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen sich einklemmen, und erzeugt elektrische Energie bei Zufuhr von Anodengas (beispielsweise Wasserstoff) und Kathodengas (beispielsweise Luft) als Reaktionsgasen.
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Das Kathodengaszufuhr/-abfiihrsystem 30 beinhaltet eine Kathodengasleitung 31, einen Kathodengaskompressor 32, ein erstes AN/AUS-Ventil 33, eine Kathodenabgasleitung 41, einen ersten Regler 42, eine Bypass-Leitung 34 und ein Bypass-Ventil 35.
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Der Kathodengaskompressor 32 ist über die Kathodengasleitung 31 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden. Der Kathodengaskompressor 32 verdichtet Luft, die von außen eingeholt wird, in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 und führt dem Brennstoffzellenstapel 10 die Druckluft als Kathodengas zu. Das erste AN/AUS-Ventil 33 ist in der Kathodengasleitung 31 zwischen dem Kathodengaskompressor 32 und dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet.
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Die Kathodenabgasleitung 41 führt Kathodenabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird, oder Kathodengas, das aus der Bypass-Leitung 34 strömt, zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 100 ab. Der erste Regler 42 passt einen Kathodengasauslassdruck des Brennstoffzellenstapels 10 in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 an.
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Die Bypass-Leitung 34 verbindet die Kathodengasleitung 31 mit einem Abschnitt der Kathodenabgasleitung 41, der dem Brennstoffzellenstapel 10 näher ist als einer Abführleitung 66. Das Bypass-Ventil 35 ist in der Bypass-Leitung 34 angeordnet und passt eine Strömungsrate von Kathodengas, das von der Kathodengasleitung 31 zu der Kathodenabgasleitung 41 strömt, in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 an.
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Das Anodengaszufuhr/-abführsystem 50 beinhaltet eine Anodengasleitung 51, einen Anodengastank 52, ein zweites AN/AUS-Ventil 53, einen zweiten Regler 54, einen Injektor 55, ein Entlastungsventil 56, ein Ablassventil 60, eine Anodenabgasleitung 61, eine Zirkulationsleitung 63, eine Anodengaspumpe 64 und einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70. Ein Strömungsdurchgang für Anodengas, der von der Anodengasleitung 51, dem Brennstoffzellenstapel 10, der Anodenabgasleitung 61, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 und der Zirkulationsleitung 63 gebildet wird, wird als ein „Anodengasströmungsdurchgang“ bezeichnet.
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Die Anodengasleitung 51 ist eine Leitung zum Zuführen von Anodengas zu dem Brennstoffzellenstapel 10. Der Anodengastank 52 ist über die Anodengasleitung 51 mit einem Anodengaseinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden und führt darin eingefülltes Anodengas dem Brennstoffzellenstapel 10 zu. Das zweite AN/AUS-Ventil 53, der zweite Regler 54, der Injektor 55 und das Entlastungsventil 56 sind von stromaufwärts, das heißt, von der Seite nahe dem Anodengastank 52 aus, in dieser Reihenfolge in der Anodengasleitung 51 angeordnet. Das zweite AN/AUS-Ventil 53 wird in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 geöffnet und geschlossen. Wenn das Brennstoffzellensystem 100 gestoppt wird, wird das zweite AN/AUS-Ventil 53 geschlossen. Der zweite Regler 54 passt den Druck von Anodengas stromaufwärts des Injektors 55 in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 an.
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Eine Mehrzahl von Drucksensoren des gleichen Typs sind stromabwärts des Injektors 55 in dem Anodengasströmungsdurchgang vorgesehen. In dieser Ausführungsform sind zwei Drucksensoren (ein erster Drucksensor 96 und ein zweiter Drucksensor 97) in der Anodengasleitung 51 stromabwärts des Injektors 55 und stromaufwärts von einer Position, die mit der Zirkulationsleitung 63 verbunden ist, vorgesehen. Der erste Drucksensor 96 und der zweite Drucksensor 97 messen den Druckwert stromabwärts des Injektors 55. Die Messergebnisse (gemessenen Druckwerte) des ersten Drucksensors 96 und des zweiten Drucksensors 97 werden an die Steuereinheit 20 übertragen.
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Der Injektor 55 ist ein EIN/AUS-Ventil, das in Abhängigkeit von einem Ansteuerzyklus oder einer Ventilöffnungszeit, welche von der Steuereinheit 20 festgelegt werden, elektromagnetisch angesteuert wird und ist eine Vorrichtung, die eine dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Anodengasmenge anpasst. Die Steuereinheit 20 führt eine Anodengaszufuhrsteuerung des Anpassens einer von dem Injektor 55 zugeführten Anodengasmenge unter Verwendung der Messwerte (der Druckwerte) des ersten Drucksensors 96 und des zweiten Drucksensors 97 aus. Konkret steuert die Steuereinheit 20 den Ansteuerzyklus oder die Ventilöffnungszeit des Injektors 55 und steuert eine dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Anodengasmenge derart, dass der Druckwert stromabwärts des Injektors 55 nicht geringer ist als ein Solldruckwert. Der Solldruckwert wird in Abhängigkeit von einer elektrischen Energie, die für den Brennstoffzellenstapel 10 erforderlich ist, bestimmt. Wenn der Solldruckwert zum Beispiel 150 kPa beträgt und die Druckwerte des ersten Drucksensors 96 und des zweiten Drucksensors 97 130 kPa betragen, steuert die Steuereinheit 20 den Injektor 55 derart, dass die Druckwerte des ersten Drucksensors 96 und des zweiten Drucksensors 97 150 kPa werden.
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Wenn der Druckwert stromabwärts des Injektors 55 größer oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellwert ist, wird das Entlastungsventil 56 geöffnet und Anodengas wird aus der Anodengasleitung 51 abgeführt. In einer anderen Ausführungsform kann das Entlastungsventil 56 auch nicht in der Anodengasleitung 51 vorgesehen sein.
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Die Anodenabgasleitung 61 verbindet einen Anodenabgasauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70. Die Anodenabgasleitung 61 ist eine Leitung zum Abführen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 10 und führt Anodengas, das nicht für eine Energieerzeugungsreaktion verwendet wurde, oder Anodenabgas, das Stickstoffgas beinhaltet, zu dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70. Die Anodenabgasleitung 61 wird auch als ein „Abführströmungsdurchgang“ bezeichnet.
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Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 ist zwischen die Anodenabgasleitung 61 und die Zirkulationsleitung 63 geschaltet. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 trennt Wasser von Anodenabgas in der Anodenabgasleitung 61 und speichert das abgetrennte Wasser.
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Das Ablassventil 60 ist ein AN/AUS-Ventil, das in der Anodenabgasleitung 61 angeordnet ist, und ist in dieser Ausführungsform unter dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 vorgesehen. Das Ablassventil 60 führt Wasser und Anodenabgas, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt werden, zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 100 ab. Aus dem Ablassventil 60 abgeführtes Wasser und Anodenabgas strömen über die Abführleitung 66 in die Kathodenabgasleitung 41 und werden durch die Energie von Kathodenabgas zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 100 abgeführt. Aus dem Ablassventil 60 abgeführtes Anodenabgas wird nach außen abgeführt, wobei seine Konzentration durch Kathodenabgas verringert wird. Die Steuereinheit 20 öffnet das Ablassventil 60, wenn eine vorbestimmte Ventilöffnungsbedingung erfüllt ist, und schließt das Ablassventil 60, wenn eine vorbestimmte Ventilschließbedingung erfüllt ist. Die Ventilöffnungsbedingung wird auch als eine „zweite Bedingung“ bezeichnet. Die Ventilöffnungsbedingung ist eine Bedingung, dass eine in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 gespeicherte Menge Wasser einen vorgegebenen Wert erreicht hat, oder eine Bedingung, dass eine Stickstoffkonzentration stromabwärts des Injektors 55 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Die Ventilschließbedingung ist eine Bedingung, dass nach dem Öffnen des Ablassventils 60 eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, eine Bedingung, dass die Menge an gespeichertem Wasser den vorgegebenen Wert unterschritten hat, oder eine Bedingung, dass die Stickstoffkonzentration den vorgegebenen Wert unterschritten hat. Die Steuereinheit 20 kann eine mittels Energieerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Wassermenge basierend auf einer von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Energiemenge schätzen und bestimmen, ob die in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 gespeicherte Wassermenge den vorgegebenen Wert erreicht hat. Ob die in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 gespeicherte Wassermenge den vorgegebenen Wert erreicht hat, oder ob die Menge an gespeichertem Wasser den vorgegebenen Wert unterschritten hat, kann basierend auf einem Messergebnis eines Wasserstandsmessers bestimmt werden, der in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 angeordnet ist. Ob die Stickstoffkonzentration den vorgegebenen Wert erreicht hat, oder ob die Stickstoffkonzentration den vorgegebenen Wert unterschritten hat, kann basierend auf einem Messergebnis eines Stickstoffkonzentrationsmessgeräts bestimmt werden, das in dem Anodengasströmungsdurchgang stromabwärts des Injektors 55 angeordnet ist.
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Die Zirkulationsleitung 63 ist eine Leitung, die den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 mit einer Position in der Anodengasleitung 51 stromabwärts des Injektors 55 verbindet. Die Anodengaspumpe 64, die in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 angesteuert wird, ist in der Zirkulationsleitung 63 vorgesehen. Anodenabgas, aus welchem Wasser durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 70 abgeschieden wurde, wird von der Anodengaspumpe 64 der Anodengasleitung 51 zugeleitet. In dem Brennstoffzellensystem 100 wird eine Nutzungseffizienz von Anodengas durch Zirkulieren von Anodenabgas, das Anodengas beinhaltet, und erneutes Zuführen des Anodenabgases zu dem Brennstoffzellenstapel 10 erhöht.
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Der DC/DC-Wandler 90 erhöht eine aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebene Spannung und führt die erhöhte Spannung unter der Steuerung der Steuereinheit 20 der PCU 91 zu. Die PCU 91 hat einen darin eingebauten Wechselrichter und steuert die Last 93 über den Wechselrichter in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuereinheit 20. Von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Energie wird über den DC/DC-Wandler 90 und die PCU 91 in der Sekundärbatterie 92 gespeichert. Die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels 10 und der Sekundärbatterie 92 wird der Last 93, wie etwa einem Traktionsmotor (nicht veranschaulicht) zum Antreiben von Fahrzeugrädern (nicht veranschaulicht), dem Kathodengaskompressor 32, der Anodengaspumpe 64 und verschiedenen Ventilen über eine Energieversorgungsschaltung einschließlich der PCU 91 zugeführt. Die PCU 91 begrenzt einen Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 unter der Steuerung der Steuereinheit 20.
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Ein Spannungsmesseinheit 94 misst eine Zellenspannung Vc, die eine Spannung für jede Zelle 11 des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Die Spannungsmesseinheit 94 kann Spannungen der einzelnen Zellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 messen oder kann die Zellen 11 als Zellengruppen verbinden, die n Zellen als eine Gruppe beinhalten (wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist), und kann die Summe der Spannungen der Zellen 11 für jede Zellengruppe messen. Wenn n größer oder gleich 2 ist, kann die Zellenspannung durch Dividieren der gemessenen Spannung durch n berechnet werden. Die Spannungsmesseinheit 94 überträgt die Zellenspannung Vc an die Steuereinheit 20. Eine Strommesseinheit 95 misst einen Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10. Die Strommesseinheit 95 überträgt das Messergebnis an die Steuereinheit 20.
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Die Steuereinheit 20 ist als ein Computer gebildet, der eine CPU, einen Speicher und eine Schnittstellenschaltung beinhaltet, mit dem die obengenannten Komponenten verbunden sind. Durch Ausführen eines in dem Speicher gespeicherten Steuerprogramms steuert die Steuereinheit 20 die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 durch Anpassen einer von dem Injektor 55 zugeführten Anodengasmenge derart, dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 den Solldruckwert nicht unterschreitet. Die Steuereinheit 20 führt eine Energieerzeugungssteuerung in dem Brennstoffzellensystem 10 aus und vollführt eine später beschriebene Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses durch Steuern der Einheiten des Brennstoffzellensystems 100.
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2 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses zeigt, die von der Steuereinheit 20 durchgeführt wird. Die Steuereinheit 20 startet diese Prozessroutine, wenn mit der Zufuhr von elektrischer Energie zu einer Mehrzahl von Drucksensoren begonnen wird. Wenn diese Prozessroutine gestartet wird, werden die Messergebnisse der Mehrzahl von Drucksensoren sequentiell an die Steuereinheit 20 übertragen.
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Zunächst berechnet die Steuereinheit 20 eine Druckabweichung (Schritt S 110). Die Druckabweichung ist in dieser Ausführungsform ein absoluter Wert einer Messwertdifferenz zwischen der Mehrzahl von Drucksensoren. Die Druckabweichung wird zu vorbestimmten Zeitintervallen während des Durchführens dieser Prozessroutine berechnet. Wenn in dieser Ausführungsform die Sensoren normal arbeiten, besitzen die Messwerte der Mehrzahl von Drucksensoren nahezu den gleichen Wert. Der Messwert kann beispielsweise 100 kPa bei Atmosphärendruck betragen. Wenn der Messwert gegenüber einem tatsächlichen Druckwert versetzt ist, einen konstanten Wert besitzt, der von einem tatsächlichen Druckwert verschieden ist, oder aus einem bestimmten Grund allmählich gegenüber einem tatsächlichen Druckwert zu- oder abnimmt, kann die Druckabweichung zunehmen.
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Die Steuereinheit 20 bestimmt, ob die Druckabweichung größer oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert ist (Schritt S120). Der erste Schwellwert kann unter Berücksichtigung eines normalen Druckwerts des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55, eines zweiten Schwellwerts, der ein Druckwert bei geöffnetem Entlastungsventil 56 ist, eines von einem Drucksensor stammenden Sensorfehlers, oder dergleichen bestimmt werden.
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Wenn die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist (JA in Schritt S120), bestimmt die Steuereinheit 20, ob ein Zustand, in dem die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist, für eine vorbestimmte Zeit (eine vorgegebene Zeit) oder länger besteht (Schritt S130). Die Bedingung von Schritt S130 wird auch als eine „erste Bedingung“ bezeichnet. Die erste Bedingung ist eine Bedingung, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass in dem Brennstoffzellensystem 100 ein Problem auftreten wird, wenn aus den Druckwerten der Mehrzahl von Drucksensoren willkürlich ein Druckwert ausgewählt wird, um das Brennstoffzellensystem 100 zu steuern, wenn die erste Bedingung erfüllt ist. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist, so bedeutet dies, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Sensorabnormalität auftreten wird.
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Wenn die Druckabweichung den ersten Schwellwert unterschreitet (NEIN in Schritt S120), führt die Steuereinheit 20 die Prozessroutine zu Schritt S 110 zurück. Wenn der Zustand, in dem die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist, nicht für die vorgegebene Zeit oder länger besteht, das heißt, wenn die Druckabweichung den ersten Schwellwert unterschreitet, bis die vorgegebene Zeit verstrichen ist, nachdem die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert wird (NEIN in Schritt S130), führt die Steuereinheit 20 die Prozessroutine zu Schritt S110 zurück.
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Wenn die erste Bedingung erfüllt ist (JA in Schritt S130), führt die Steuereinheit 20 eine Ausgabebegrenzung aus (Schritt S140). Der Prozess von Schritt S 140 ist ein Prozess des stärkeren Begrenzens des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 10, wenn die erste Bedingung erfüllt ist, als wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist. Die Steuereinheit 20 führt unter Bezugnahme auf einen in dem Speicher gespeicherten Ausgabebegrenzungsgrad, wenn die erste Bedingung erfüllt ist, eine Ausgabebegrenzung aus.
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In dieser Ausführungsform führt die Steuereinheit 20 die Ausgabebegrenzung unter Verwendung der Zellenspannung Vc aus, welche von der Spannungsmesseinheit 94 erlangt wird. Das Begrenzen der Ausgabe unter Verwendung der Zellenspannung Vc soll eine Wahrscheinlichkeit verringern, dass sich die Zellen 11 verschlechtern und somit die Energieerzeugungsleistung abnimmt, wenn die Zellenspannung Vc abnimmt und beispielsweise zu einer negativen Spannung wird.
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3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Zellenspannung Vc und einer Begrenzungsrate veranschaulicht. Der Graph G1 stellt eine Beziehung zwischen der Zellenspannung Vc und der Begrenzungsrate dar, wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist, und der Graph G2 stellt eine Beziehung zwischen der Zellenspannung Vc und der Begrenzungsrate dar, wenn die erste Bedingung erfüllt ist. Eine Begrenzungsrate von 1,0 bedeutet, dass die Ausgabe nicht begrenzt wird, und eine Begrenzungsrate von 0 bedeutet, dass keine Ausgabe erfolgt. In dieser Ausführungsform führt die Steuereinheit 20 die Ausgabebegrenzung durch, wenn ein Mindestwert der Zellenspannung Vc niedriger ist als eine vorbestimmte Schwellwertspannung, und stellt die Schwellwertspannung höher ein, wenn die erste Bedingung erfüllt ist, als wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist. Wenn konkret die erste Bedingung nicht erfüllt ist, führt die Steuereinheit 20 die Ausgabebegrenzung durch, wenn die Zellenspannung Vc niedriger ist als die Schwellwertspannung VI, wie durch den Graphen G1 dargestellt. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist (JA in Schritt S130 von 2), stellt die Steuereinheit 20 die Schwellwertspannung auf eine Schwellwertspannung V2 ein, die höher ist als die Schwellwertspannung VI, wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist, und führt die Ausgabebegrenzung durch, wenn die Zellenspannung Vc die Schwellwertspannung V2 unterschreitet. Die Steuereinheit 20 weist die PCU 91 zum Begrenzen des Ausgabestromwertes anhand der aus dem Spannungswert berechneten Begrenzungsrate an. Die PCU 91 begrenzt den Strom des Brennstoffzellenstapels 10 in Übereinstimmung mit der Anweisung von der Steuereinheit 20.
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Wenn eine Menge zugeführten Anodengases unter Verwendung des Druckwertes eines Drucksensors, bei dem wahrscheinlich eine Abnormalität aufgetreten ist, angepasst wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Problem dahingehend auftreten wird, dass sich die Zellen aufgrund eines Mangels an Anodengas verschlechtern, oder dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 aufgrund eines Überschusses an Anodengas übermäßig hoch wird. Demgemäß ist es denkbar, dass die Zufuhr von Anodengas gestoppt wird und die Ausgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 10 gestoppt wird. Wenn jedoch die Ausgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 10 gestoppt wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Problem dahingehend auftreten wird, dass der Betrieb der Einheiten des Brennstoffzellensystems 100 stoppt oder das Fahrzeug 1 einschließlich des Brennstoffzellensystems 100 stoppt. Wenn eine unzureichende Ausgabe durch die Ausgabe der Sekundärbatterie 92 ergänzt wird, nimmt eine in der Sekundärbatterie 92 verbleibende Energiemenge ab, und somit besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Problem dahingehend auftreten wird, dass der Betrieb der Einheiten des Brennstoffzellensystems 100 stoppt oder das Fahrzeug 1 einschließlich des Brennstoffzellensystems 100 stoppt.
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Wenn gemäß dieser Ausführungsform die erste Bedingung erfüllt ist, dass der Zustand, in dem die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist, für die vorgegebene Zeit oder länger besteht, das heißt, wenn eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Sensorabnormalität aufgetreten ist, wird die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 begrenzt und es ist somit möglich, ein Problem zu verhindern, das durch Stoppen der Ausgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 10 verursacht wird.
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Wenn gemäß dieser Ausführungsform die erste Bedingung erfüllt ist, wird die Schwellwertspannung zum Begrenzen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht und die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 wird begrenzt, wenn die Zellenspannung Vc die Schwellwertspannung V2 unterschreitet. Demgemäß ist es möglich, ein Problem zu verhindern, das durch Stoppen der Ausgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 10 verursacht wird. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist und die Zellenspannung Vc größer oder gleich der Schwellwertspannung V2 ist, kann die Ausgabe auf die gleiche Weise erfolgen wie dann, wenn die erste Bedingung nicht erfüllt ist, und somit ist es möglich, ein Problem zu verhindern, das durch Begrenzen der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 verursacht wird.
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Zweite Ausführungsform
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Nachstehend wird ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Wenn in der zweiten Ausführungsform die erste Bedingung erfüllt ist (JA in Schritt S130 von 2), schaltet die Steuereinheit 20 - zusätzlich zur Ausführung der Ausgabebegrenzung (Schritt S140 von 2) - den Druckwert, der für die Anodengaszufuhrsteuerung verwendet wird, auf den höchsten Druckwert (Schritt S150 von 4). Das heißt, wenn die erste Bedingung erfüllt ist, passt die Steuereinheit 20 eine dem Brennstoffzellenstapel 10 von dem Injektor 55 zugeführte Anodengasmenge unter Verwendung des höchsten Druckwerts einer Mehrzahl von Druckwerten an, die von einer Mehrzahl von Drucksensoren gemessen werden. Wenn beispielsweise der Messwert des ersten Drucksensors 96 130 kPa beträgt, der Messwert des zweiten Drucksensors 97 150 kPa beträgt und der Solldruckwert 160 kPa beträgt, passt die Steuereinheit 20 eine von dem Injektor 55 zugeführte Anodengasmenge derart an, dass der Messwert des zweiten Drucksensors 97 160 kPa beträgt.
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Da gemäß dieser Ausführungsform eine Menge an zugeführtem Anodengas unter Verwendung des höchsten Druckwerts einer Mehrzahl von Druckwerten angepasst wird, ist es möglich zu verhindern, dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 übermäßig hoch wird.
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Da gemäß dieser Ausführungsform verhindert werden kann, dass der Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 übermäßig hoch wird, ist es möglich, ein Öffnen des Entlastungsventils 56 zu verhindern, und zu verhindern, dass Anodengas zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 100 abgeführt wird.
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Dritte Ausführungsform
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Nachstehend wird ein Unterschied zu der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben. In einer dritten Ausführungsform führt die Steuereinheit 20 eine Verdünnungsgaszufuhrsteuerung des Verdünnens von Anodenabgas aus, das von dem Ablassventil 60 abgeführt wird, wenn die zweite Bedingung, welche eine Ventilöffnungsbedingung des Ablassventils 60 ist, erfüllt ist. „Verdünnen von Anodenabgas“ bedeutet, dass die Konzentration von Anodenabgas verringert wird. Ein Verringern der Konzentration von Anodenabgas dient auch zum Verringern der Konzentration von Anodengas in dem Anodenabgas. Die Steuereinheit 20 steuert das Kathodengaszufuhr/-abführsystem 30 derart, dass eine Menge an zugeführtem Verdünnungsgas, das Kathodenabgas ist, welches aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird und in der Kathodenabgasleitung 41 strömt, oder Kathodengas ist, das aus der Bypass-Leitung 34 in die Kathodenabgasleitung 41 strömt, bestimmt wird, und veranlasst die bestimmte Menge an Verdünnungsgas, in die Kathodenabgasleitung 41 zu strömen. Das Kathodengaszufuhr/-abführsystem 30 wird auch als „Verdünnungsgaszufuhreinheit“ bezeichnet. Die Steuereinheit 20 schätzt, dass eine Menge an abgeführtem Anodengas zunimmt, wenn der von einem Drucksensor gemessene Druckwert zunimmt, steuert das Kathodengaszufuhr/-abführsystem 30 derart, dass die Menge an zugeführtem Verdünnungsgas zunimmt, und lässt das Verdünnungsgas strömen. Konkret wird in dem Speicher der Steuereinheit 20 eine Beziehung zwischen dem Druckwert stromabwärts des Injektors 55 und der Menge an zugeführtem Verdünnungsgas gespeichert, und die Steuereinheit 20 bestimmt eine Verdünnungsgasströmungsrate unter Verwendung des von dem Drucksensor erlangten Druckwertes und der Beziehung. Diese Beziehung wird mithilfe von Experimenten oder Simulation derart erhalten, dass die Anodengaskonzentration in Anodenabgas, das aus dem Ablassventil 60 abgeführt wird, niedriger ist als eine Konzentration, die gesetzmäßig durch die Zufuhr von Verdünnungsgas bestimmt wird.
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5 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine eines Ausgabebegrenzungsprozesses gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. Wenn in der dritten Ausführungsform die erste Bedingung erfüllt ist (JA in Schritt S130 von 2), schaltet die Steuereinheit 20 - zusätzlich zu der Ausführung der Ausgabebegrenzung (Schritt S140 von 2) - den Druckwert, der für die Verdünnungsgaszufuhrsteuerung verwendet wird, auf den höchsten Druckwert (Schritt S160 von 5). Das heißt, wenn die erste Bedingung und die zweite Bedingung erfüllt sind, steuert die Steuereinheit 20 das Kathodengaszufuhr/-abführsystem 30 unter Verwendung des höchsten Druckwerts der Druckwerte, die von einer Mehrzahl von Drucksensoren gemessen werden.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich zu verhindern, dass die Anodengaskonzentration in Anodenabgas, das aus dem Ablassventil 60 zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 100 abgeführt wird, übermäßig hoch wird.
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Vierte Ausführungsform
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Wenn die erste Bedingung erfüllt ist, kann die Steuereinheit 20 die Menge an zugeführtem Anodengas verringern, indem sie die Ventilöffnungszeit pro Einheitszeit des Injektors 55 auf eine erste Ventilöffnungszeit einstellt, die beispielsweise der kleinsten Ausgabe aus den Ausgaben des Brennstoffzellenstapels 10 entspricht, bei der kein Problem in dem Brennstoffzellensystem 100 vorliegt und die vorab experimentell berechnet wird. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist, kann die Steuereinheit 20 eine Ausgabebegrenzung durch Steuern der Ventilöffnungszeit des Injektors 55 derart ausführen, dass diese die erste Ventilöffnungszeit wird.
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Fünfte Ausführungsform
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Eine Mehrzahl von Drucksensoren sind in dem Anodengasströmungsdurchgang stromabwärts des Injektors 55 angeordnet, können jedoch an unterschiedlichen Positionen in der Anodengasleitung 51 angeordnet sein. Wenn die Drucksensoren in der Anodengasleitung 51 und der Anodenabgasleitung 61 angeordnet sind, kann die Steuereinheit 20 einen Messwert des Drucksensors, der in der Anodengasleitung 51 angeordnet ist, mit einem Wert vergleichen, der durch Umwandeln einer in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbrauchten Anodengasmenge in einen Druckwert und Addieren des umgewandelten Druckwertes zu dem Messwert von dem in der Anodenabgasleitung 61 angeordneten Drucksensor erhalten ist, und die Druckabweichung berechnen. Der Anodengasströmungsdurchgang kann den Anodengaseinlassverteiler oder den Anodenabgasauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 beinhalten, und die Drucksensoren können in dem Anodengaseinlassverteiler oder dem Anodenabgasauslassverteiler angeordnet sein.
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Sechste Ausführungsform
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Anzahl von Drucksensoren zwei, doch kann die Anzahl von Drucksensoren größer oder gleich drei sein. Die Abweichung beinhaltet in dieser Schrift sowohl den absoluten Wert einer Abweichung im üblichen Sinne und den absoluten Wert einer Differenz. Wenn die Anzahl von Drucksensoren größer oder gleich drei ist, kann der absolute Wert einer Differenz zwischen dem Wert desjenigen Drucksensors, der den größten Wert gemessen hat, und dem Wert desjenigen Drucksensors, der den kleinsten Wert gemessen hat, als die Abweichung verwendet werden. Es kann bestimmt werden, ob der absolute Wert einer Differenz zwischen dem Durchschnittswert der Werte der Mehrzahl von Drucksensoren und dem Wert desjenigen Drucksensors, der den größten Wert oder den kleinsten Wert gemessen hat, größer oder gleich einem „vorbestimmten ersten Schwellwert“ ist.
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Siebte Ausführungsform
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In der dritten Ausführungsform kann die Steuereinheit 20 eine Druckdifferenz zwischen dem Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 und einem von einem in dem Brennstoffzellensystem 100 angeordneten Außenluftdrucksensor gemessenen Druck erlangen und eine Menge an zugeführtem Verdünnungsgas unter Verwendung einer Beziehung zwischen der Druckdifferenz zwischen dem Druckwert des Anodengasströmungsdurchgangs stromabwärts des Injektors 55 und dem Außenluftdruck und der Menge an zugeführtem Verdünnungsgas bestimmen.
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Achte Ausführungsform
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Die Steuereinheit 20 kann einen Messwert in ihrem Speicher speichern, wenn in einer Signalleitung oder einer Energiezufuhrleitung, die mit dem Drucksensor verbunden ist, eine Unterbrechung aufgetreten ist. Wenn der Messwert bei Auftreten der Unterbrechung in der Signalleitung oder der Energiezufuhrleitung erfasst wird, darf die Steuereinheit 20 den Messwert nicht zum Berechnen der Druckabweichung verwenden.
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Neunte Ausführungsform
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Wenn der Zustand, in dem die Druckabweichung größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist, für die vorgegebene Zeit oder länger besteht (JA in Schritt S130), kann die Steuereinheit 20 einen Nutzer unter Verwendung einer Alarmvorrichtung, die Sprache oder Licht ausgibt, oder einer Anzeigevorrichtung, auf der Zeichen oder dergleichen angezeigt werden, welche in dem Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet sind, darüber benachrichtigen, dass die erste Bedingung erfüllt ist, das heißt, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Sensorabnormalität aufgetreten ist.
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Zehnte Ausführungsform
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann auch nicht in dem Fahrzeug 1 montiert sein, sondern kann von einem ortsfesten Typ sein. Das Brennstoffzellensystem 10 kann konfiguriert sein, um Informationen wie etwa den ersten Schwellwert oder die vorgegebene Zeit durch Cloud-Kommunikation zu erlangen, oder kann verschiedene Bestimmungen unter Verwendung der erlangten Informationen durchführen. Das Fahrzeug 1 kann ein vernetztes Auto sein, in dem eine Kommunikationseinheit montiert ist.
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Elfte Ausführungsform
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Die vorgenannten Ausführungsformen können geeignet kombiniert werden. Beispielsweise können die zweite Ausführungsform und die dritte Ausführungsform kombiniert werden.
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Diese Offenbarung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt und ist in verschiedenen Formen ausführbar, ohne dass von ihrem Kern abgewichen wird. Beispielsweise können Ausführungsformen, die den technischen Merkmalen in den Aspekten entsprechen, welche in KURZFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben sind, und technische Merkmale anderer Ausführungsformen geeignet ersetzt oder kombiniert werden, um alle oder einen Teil der vorgenannten Aufgaben zu lösen oder alle oder einen Teil der vorgenannten vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Die technischen Merkmale können entsprechend entfallen, sofern sie in dieser Schrift nicht als wesentlich beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 201791625 [0002]
- JP 2017091625 A [0002]
