DE102021107481A1

DE102021107481A1 - Wasserstoffleckage-erfassungssystem

Info

Publication number: DE102021107481A1
Application number: DE102021107481.9A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Morinaga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-11-04
Also published as: US11637299B2; CN113594509B; CN113594509A; JP7334672B2; JP2021176121A; US20210344025A1

Abstract

Ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) zum Erfassen einer Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem umfasst Folgendes: eine äußere Hülle (70), die so konfiguriert ist, dass sie einen Wasserstoffströmungsabschnitt beherbergt; einen Wasserstoffsensor (50); und eine poröse Platte (52), die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil eines Raums innerhalb der äußeren Hülle (70) abgrenzt und in einer Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte (52) erlaubt. Der Wasserstoffströmungsabschnitt ist in einem Bereich unterhalb der porösen Platte (52) angeordnet und der Wasserstoffsensor (50) ist in einem Bereich oberhalb der porösen Platte (52) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem, um eine Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem zu erfassen.
Ein Teil eines Brennstoffzellensystems wie ein Brennstoffzellenstapel kann in einem abgeschlossenen Raum angeordnet sein, etwa in einer Frontkammer eines Fahrzeugs. Wenn bei dieser Anordnung aus dem Brennstoffzellenstapel oder irgendeinem anderen Wasserstoffströmungsabschnitt Wasserstoff leckt, ist es wünschenswert, die Wasserstoffleckage zu erfassen, bevor die Wasserstoffkonzentration in dem Raum zu hoch wird. Bei einer vorgeschlagenen Anordnung zum Erfassen solch einer Wasserstoffleckage wird mit einem oberen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels über ein Befestigungselement, dessen Querschnittsform nur an einer Oberseite von ihm offen ist, wenn es in einem Fahrzeug eingebaut ist, eine Fahrzeugantriebszusatzvorrichtung verbunden (siehe z. B. JP 2005 - 124 357 A ). Diese Anordnung verhindert die Ansammlung leckenden Wasserstoffs unterhalb des Befestigungselements und erleichtert die Wasserstoffleckage-Erfassung durch einen innerhalb der Frontkammer eingebauten Wasserstoffsensor.
Auch wenn sich Wasserstoff, der aus einem Brennstoffzellenstapel leckt, nach oben bewegen kann, ohne durch das Befestigungselement oder irgendwelche andere Komponenten behindert zu werden, kann die Erfassung einer Wasserstoffleckage in einigen Fällen dennoch zu spät sein. Zum Beispiel bewegt sich Wasserstoff, der aus einem Brennstoffzellenstapel leckt, nach oben und sammelt sich dann nahe einer oberen Innenwand der Frontkammer. Wenn ein Wasserstoffsensor fern von einer Stelle auf der Innenwand der Frontkammer angeordnet wird, die der sich nach oben bewegende, leckende Wasserstoff wie oben beschrieben erreichen wird, dauert es lange, bis die Wasserstoffkonzentration um den Wasserstoffsensor herum die Nachweisgrenze erreicht oder überschreitet, was die Erfassung der Wasserstoffleckage verzögert. Ein mögliches Verfahren zur Verringerung solch einer Verzögerung bei der Wasserstoffleckage-Erfassung wäre, die Anzahl an Wasserstoffsensoren zu erhöhen, doch es ist wünschenswert, eine Erhöhung der Anzahl der Wasserstoffsensoren zu vermeiden. Dies ist ein Problem, das nicht nur bei Brennstoffzellensystemen, die in Fahrzeugen eingebaut sind, sondern auch bei stationären Brennstoffzellensystemen auftritt.

(1) Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem zum Erfassen einer Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem. Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem umfasst eine äußere Hülle, einen Wasserstoffsensor und eine poröse Platte. Die äußere Hülle ist so konfiguriert, dass sie einen Wasserstoffströmungsabschnitt, der mindestens eine Vorrichtung von einer Brennstoffzelle und einem Wasserstofftank, der Wasserstoff speichert, der der Brennstoffzelle zuzuführen ist, umfasst; und einen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt, der ein Wasserstoffrohr umfasst, das mit der mindestens einen Vorrichtung verbunden ist, beherbergt. Der Wasserstoffsensor ist innerhalb der äußeren Hülle angeordnet. Die poröse Platte ist so angeordnet, dass sie zumindest einen Teil eines Raums innerhalb der äußeren Hülle abgrenzt und in einer Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte erlaubt. Der Wasserstoffströmungsabschnitt ist in einem Bereich unterhalb der porösen Platte angeordnet und der Wasserstoffsensor ist in einem Bereich oberhalb der porösen Platte angeordnet. Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung hat innerhalb der äußeren Hülle den Wasserstoffströmungsabschnitt in einem Bereich unterhalb der porösen Platte und den Wasserstoffsensor in einem Bereich oberhalb der porösen Platte angeordnet. Für den Fall, dass in dem Wasserstoffströmungsabschnitt irgendein Defekt auftritt und Wasserstoff im Inneren des Wasserstoffströmungsabschnitts aus der defekten Stelle ausgestoßen wird, erlaubt diese Anordnung den Durchgang des ausgestoßenen Wasserstoffs durch die poröse Platte und sie kann somit einen Bereich mit einer Wasserstoffkonzentration, die hoch genug ist, um durch den Wasserstoffsensor erfasst werden zu können, erweitern. Deswegen ermöglicht diese Anordnung eine raschere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor.
(2) Wenn in dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem der obigen Ausgestaltung das Innere der äußeren Hülle in einer vertikalen Richtung betrachtet wird, kann ein Verbindungsabschnitt eines Wasserstoffkanals und des Wasserstoffsensors so angeordnet sein, dass er die poröse Platte überlappt. Der Verbindungsabschnitt ist in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthalten. Für den Fall, dass durch einen Defekt in dem Verbindungsabschnitt des Wasserstoffkanals, der in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthalten ist, irgendeine Wasserstoffleckage hervorgerufen wird, ermöglicht das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung eine raschere Erfassung der Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor.
(3) Wenn bei dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem der obigen Ausgestaltung das Innere der äußeren Hülle in der vertikalen Richtung betrachtet wird, kann eine Vielzahl der Verbindungsabschnitte so angeordnet sein, dass sie die poröse Platte überlappt. Für den Fall, dass durch einen Defekt in irgendeinem der Vielzahl der Verbindungsabschnitte irgendeine Wasserstoffleckage hervorgerufen wird, ermöglicht das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung eine raschere Erfassung der Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor, ohne die Anzahl an Wasserstoffsensoren zu erhöhen.
(4) Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem der obigen Ausgestaltung kann außerdem eine andere Vorrichtung enthalten, die sich von der mindestens einen Vorrichtung unterscheidet. Die andere Vorrichtung ist mit dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt verbunden, um darin Wasserstoff strömen zu lassen. Der Wasserstoffrohrleitungsabschnitt umfasst eine Vielzahl von Wasserstoffrohren. Der Verbindungsabschnitt kann irgendeinen von einem Verbindungsabschnitt zwischen benachbarten Wasserstoffrohren der Vielzahl von Wasserstoffrohren, einem Verbindungsabschnitt zwischen einem der Vielzahl von Wasserstoffrohren und der mindestens einen Vorrichtung und einem Verbindungsabschnitt zwischen einem der Vielzahl von Wasserstoffrohren und der anderen Vorrichtung umfassen. Für den Fall, dass in dem Verbindungsabschnitt, der relativ anfällig für eine Wasserstoffleckage ist, irgendeine Wasserstoffleckage auftritt, ermöglicht das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung eine rasche Erfassung der Wasserstoffleckage.
(5) In dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem der obigen Ausgestaltung kann die poröse Platte einen offenen Flächenanteil von 20 bis 50% haben. Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung steigert die Fähigkeit der porösen Platte, Wasserstoff, der aus einem Rohrverbindungsabschnitt ausgestoßen wird, über die Oberfläche der porösen Platte zu verteilen, während in der Dickenrichtung von ihr ein effizienter Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte sichergestellt wird.
(6) Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem der obigen Ausgestaltung kann in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut sein. Die äußere Hülle kann eine Frontkammer des Brennstoffzellenfahrzeugs sein. Der Wasserstoffsensor kann an einem anderen Abschnitt einer Innenwand der Frontkammer als einer Fronthaube, die so konfiguriert ist, dass sie die Frontkammer öffnet und schließt, befestigt sein. Da der Wasserstoffsensor an einer Stelle befestigt ist, die sich von der Fronthaube unterscheidet, ergibt das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung eine höhere Flexibilität bei der räumlichen Anordnung des Wasserstoffsensors, ohne durch Leitwege und andere Beschränkungen eingeschränkt zu werden. Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem dieser Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls eine raschere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor, da der Wasserstoffsensor bei dieser Anordnung aufsteigenden Wasserstoff erfassen kann.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Formen als dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem implementiert werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in der Form eines Brennstoffzellensystems, das in Kombination mit einem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem verwendet wird, eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit einem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem versehen ist, einer stationären Stromquelle, die mit einem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem und einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, oder eines Wasserstoffleckage-Erfassungsverfahrens implementiert werden.
In den Zeichnungen:

stellt 1 eine allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs dar;
stellt 2 eine allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems dar;
ist 3 eine Draufsicht auf eine poröse Platte;
stellt 4 schematisch eine exemplarische Anordnung innerhalb einer Frontkammer dar;
zeigt 5 ein Simulationsergebnis für ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem eines exemplarischen Ausführungsbeispiels;
zeigt 6 ein Simulationsergebnis für ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem eines Vergleichsbeispiels;
ist 7 ein Kurvenbild, das Änderungen der Wasserstoffkonzentration an einer Stelle des Wasserstoffsensors darstellt;
zeigt 8 ein Simulationsergebnis für das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem des exemplarischen Ausführungsbeispiels;
zeigt 9 ein Simulationsergebnis für ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem eines Vergleichsbeispiels;
zeigt 10 ein Kurvenbild, das Änderungen der Wasserstoffkonzentration an einer Stelle des Wasserstoffsensors darstellt;
ist 11 eine Draufsicht auf eine poröse Platte; und
ist 12 eine Draufsicht auf eine poröse Platte.

A. Erstes Ausführungsbeispiel
1 stellt eine allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 dar, das mit einem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die X-, Y- und Z-Achsen, die in den (später diskutierten) 1 und 4 gezeigt sind, sind senkrecht zueinander. Eine +X-Richtung bezeichnet eine „nach links gehende Richtung“ des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 und eine -X-Richtung bezeichnet eine „nach rechts gehende Richtung“ von ihm. Eine +Y-Richtung bezeichnet eine „nach oben gehende Richtung“ des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 und eine -Y-Richtung bezeichnet eine „nach unten gehende Richtung“ von ihm. Die Y-Richtung bezeichnet auch eine vertikale Richtung. Eine +Z-Richtung gibt in einer Fahrrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 vorne an und eine - Z-Richtung gibt in der Fahrrichtung von ihm hinten an. Die X- und Z-Richtungen bezeichnen auch eine horizontale Richtung.
2 stellt eine allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 15 dar, das in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 eingebaut ist. Unten wird beruhend auf 2 zunächst eine Beschreibung des Brennstoffzellensystems 15 gegeben.
Das Brennstoffzellensystem 15 umfasst eine Brennstoffzelle 110, ein Wasserstoffzuführsystem 20, das so arbeitet, dass es der Brennstoffzelle 110 Wasserstoff als Brennstoffgas zuführt, ein Oxidationsgaszuführsystem 30, das so arbeitet, dass es der Brennstoffzelle 100 Luft als Oxidationsgas zuführt, und ein Kühlsystem 60, das so arbeitet, dass es ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 110 verteilt.
Die Brennstoffzelle 110 setzt sich aus einem Stapel mehrerer Einzelzellen 80 zusammen, die jeweils ein Stromerzeuger sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle 110 zwar eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, doch es kann auch eine Brennstoffzelle irgendeiner anderen Art verwendet werden.
Das Wasserstoffzuführsystem 20 umfasst einen Wasserstofftank 21, einen Wasserstoffzufuhrkanal 22, der den Wasserstofftank 21 und die Brennstoffzelle 110 verbindet, einen Wasserstoffabgabekanal 24, der mit der Brennstoffzelle 110 verbunden ist, um Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 110 abzugeben, und einen Zirkulationskanal 25, der den Wasserstoffzufuhrkanal 22 und den Wasserstoffabgabekanal 24 verbindet, um zumindest einen Teil des Anodenabgases in den Wasserstoffzufuhrkanal 22 zu zirkulieren. Der Wasserstoffzufuhrkanal 22, der Wasserstoffabgabekanal 24 und der Zirkulationskanal 25 umfassen jeweils mehrere Wasserstoffrohre und werden auch als ein „Wasserstoffrohrleitungsabschnitt“ bezeichnet. In dem Wasserstoffzuführsystem 20 geht Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank 21 gespeichert wird, durch ein Hauptabsperrventil 40, das das Öffnen/Schließen des Wasserstoffzufuhrkanals 22 steuert, es wird durch ein Druckreduzierventil 42 druckreduziert und es wird dann aus einem Injektor der Brennstoffzelle 110 zugeführt. Der Druck des Wasserstoffs, der durch den Zirkulationskanal 25 zirkuliert, wird durch eine Wasserstoffpumpe 44 reguliert. Ein Teil des Anodenabgases wird über einen Gas-Flüssig-Abscheider 45 und ein Auf-Zu-Ventil 46, die in dem Wasserstoffabgabekanal 24 angeordnet sind, an die Atmosphäre abgegeben. Andere Verunreinigungen als Wasserstoff (z. B. Wasserdampf und Stickstoff), die in dem Wasserstoffgas enthalten sind, das durch den Zirkulationskanal 25 zirkuliert, können somit aus dem Kanal abgegeben werden.
Das Oxidationsgaszuführsystem 30 umfasst einen Luftverdichter 31, ein Oxidationsgaszuführrohr 32 und ein Oxidationsgasabgaberohr 34. Der Luftverdichter 31 verdichtet Luft und führt sie der Brennstoffzelle 110 über das Oxidationsgaszuführrohr 32 zu. Kathodenabgas, das aus der Brennstoffzelle 110 abgegeben wird, wird über das Oxidationsgasabgaberohr 34 aus dem Brennstoffzellensystem 15 abgegeben.
Das Kühlsystem 60 umfasst einen Kühlmittelkanal 62, einen Kühler 61 und eine Kühlmittelpumpe 63. Der Kühlmittelkanal 62 ist an seinen beiden Enden mit einem Kühlmittelkanal in der Brennstoffzelle 110 verbunden. Die Kühlmittelpumpe 63 ist in dem Kühlmittelkanal 62 angeordnet und der Antrieb der Kühlmittelpumpe 63 bringt das Kühlmittel dazu, zwischen dem Kühlmittelkanal in der Brennstoffzelle 110 und dem Kühlmittelkanal 62 zu zirkulieren. Der Kühler 61 ist in dem Kühlmittelkanal 62 angeordnet, um das Kühlmittel zu kühlen, das in dem Kühlmittelkanal 62 strömt.
Wie sich wiederum aus 1 ergibt, in der das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 100 in einer Frontkammer 70 angeordnet, die mit einer Fronthaube 72 bedeckt ist. Die Frontkammer 70 definiert einen Raum vor einer Fahrzeugkabine des Brennstoffzellenfahrzeugs 10. Die Frontkammer 70 wird auch „äußere Hülle“ genannt. 1 stellt auch den Wasserstofftank 21, der in einem Unterbodenraum unterhalb der Fahrzeugkabine des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 angeordnet ist, und den Wasserstoffzufuhrkanal 22 dar, der den Wasserstofftank 21 und die Brennstoffzelle 110 verbindet. Ein Teil des Brennstoffzellensystems 15 ist innerhalb der Frontkammer 70 untergebracht, und ein von Wasserstoff durchströmter Abschnitt dieses dort untergebrachten Teils, der die Brennstoffzelle 110 und den mit der Brennstoffzelle 110 verbundenen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt umfasst, wird auch als ein „Wasserstoffströmungsabschnitt“ bezeichnet.
In der Frontkammer 70 sind auch verschiedene andere Vorrichtungen angeordnet. 1 stellt beispielsweise eine Hochspannungseinheit 120 dar, die auf der Brennstoffzelle 110 angeordnet ist, und sie lässt die Darstellung anderer Vorrichtungen innerhalb der Frontkammer 70 weg. Die Hochspannungseinheit 120 kann zum Beispiel einen Gleichspannungswandler, der eine aus der Brennstoffzelle 110 ausgegebene Spannung auf eine Spannung hochsetzt, die zum Antreiben eines (nicht gezeigten) Fahrzeugantriebsmotors und des Luftverdichters 31 geeignet ist, und einen Wechselrichter umfassen, der als ein Treiber für die Wasserstoffpumpe 44 und die Kühlmittelpumpe 63 fungiert. Die Frontkammer 70 kann neben den Brennstoffzellenzusatzvorrichtungen auch verschiedene Geräte und Vorrichtungen wie einen Fahrzeugantriebsmotor und eine Klimaanlage enthalten.
In der Frontkammer 70 ist an einer Stelle fern von der Fronthaube 72 auch ein Wasserstoffsensor 50 angeordnet. Außerdem ist innerhalb der Frontkammer 70 eine poröse Platte 52 angeordnet. Der Wasserstoffsensor 50 und die poröse Platte 52 bilden zusammen mit Verbindungsabschnitten (Verbindungen) zwischen Rohren und dergleichen, die später beschrieben werden, das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 dieses Ausführungsbeispiels. Der Lagezusammenhang dieser Komponenten wird später erläutert.
3 ist eine Draufsicht auf die poröse Platte 52 in diesem Ausführungsbeispiel. Die poröse Platte 52 in diesem Ausführungsbeispiel ist aus einem Gitter ausgebildet und hat eine Struktur, die in einer Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte 52 erlaubt. Im Hinblick auf die Sicherstellung eines effizienten Durchgangs von Wasserstoff in der Dickenrichtung der porösen Platte 52 beträgt ein offener Flächenanteil der porösen Platte 52 in Draufsicht vorzugsweise nicht weniger als 10% und besser noch nicht weniger als 20%. Wenn Wasserstoff, der aus einem Verbindungsabschnitt zwischen den Rohren und dergleichen leckt, auf eine Oberfläche der porösen Platte 52 strömt, wirkt die poröse Platte 52, wie später beschrieben wird, so, dass sie der Wasserstoffstrom stört, um sie über die Oberfläche zu verteilen, während sie in der Dickenrichtung den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte 52 erlaubt. Im Hinblick auf die Sicherstellung der Wirkung, der Wasserstoffstrom wie oben beschrieben über die Oberfläche der porösen Platte 52 zu verteilen, beträgt der offene Flächenanteil der porösen Platte 52 somit vorzugsweise nicht mehr als 60% und besser noch nicht mehr als 50%. Der offene Flächenanteil der porösen Platte 52 kann dennoch auch weniger als 10% oder mehr als 60% betragen. Der offene Flächenanteil der aus einem Gitter ausgebildeten porösen Platte 52, also der Anteil der offenen Fläche des Gitters zur Gesamtfläche von ihr, kann beruhend auf einer Maschenöffnung (Abstand zwischen Drähten oder Strängen) und einem Abstandsmaß (siehe 3) durch den folgenden Ausdruck (1) ermittelt werden. $Offener Fl \ddot{a} chenanteil (%) = {(\ddot{O} ffnung / Abstandsma ß)}^{2} \times 100$
Im Hinblick auf die Sicherstellung einer Festigkeit, die zur Handhabung geeignet ist, beträgt die Dicke der porösen Platte 52 vorzugsweise nicht weniger als 0,2 cm und besser noch nicht weniger als 0,5 cm. Im Hinblick auf eine Reduzierung des von der porösen Platte 52 belegten Raums oder des Gewichts der porösen Platte 52 beträgt die Dicke der porösen Platte 52 vorzugsweise nicht mehr als 2,0 cm und besser noch nicht mehr als 1,0 cm.
Die poröse Platte 52 kann aus verschiedenen Materialien gewählt werden, die stark genug sind, um die Struktur der porösen Platte 52 auch dann aufrechtzuerhalten, wenn aus einem Defekt in einem Verbindungsabschnitt zwischen den Rohren und dergleichen Wasserstoff ausgestoßen wird und unter einem Druck, der vom Wasserstoffdruck innerhalb der Rohre und dergleichen abhängt, auf die Oberfläche der porösen Platte 52 geleitet wird, und die auch wärmebeständig, kältebeständig und korrosionsbeständig genug sind, um der Umgebung standzuhalten, in der die poröse Platte 52 verwendet wird. Beispiele der Materialien sind Metallmaterialien wie rostfreier Stahl, Nickellegierung und Aluminiumlegierung und Harzmaterialien wie Polyester, Nylon, Polyphenylensulfid (PPS), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyetheretherketon (PEEK).
Wie in 1 gezeigt ist, ist die poröse Platte 52 so angeordnet, dass sie zumindest einen Teil des Raums innerhalb der Frontkammer 70 abgrenzt. Wenn das Innere der Frontkammer 70 in der horizontalen Richtung (in der Richtung parallel zur X-Z-Ebene) betrachtet wird, ist der Wasserstoffströmungsabschnitt, der zumindest einen Teil des Brennstoffzellensystems 15 bildet, in einem Bereich unterhalb der porösen Platte 52 (bezüglich der porösen Platte 52 in der
-Y-Richtung) angeordnet. Der Wasserstoffströmungsabschnitt ist eine Struktur, die die Brennstoffzelle 110 und den mit der Brennstoffzelle 110 verbundenen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt (z. B. einen Teil des in 1 gezeigten Wasserstoffzufuhrkanals 22) umfasst. In 1 wird der Bereich unterhalb der porösen Platte 52 als ein Bereich 70a bezeichnet. Wenn das Innere der Frontkammer 70 in der horizontalen Richtung betrachtet wird, ist der Wasserstoffsensor 50 außerdem in einem Bereich oberhalb der porösen Platte 52 (bezüglich der porösen Platte 52 in der +Y-Richtung) angeordnet. In 1 wird der Bereich oberhalb der porösen Platte 52 als ein Bereich 70b bezeichnet.
Wenn das Innere der Frontkammer 70 in der vertikalen Richtung (Y-Richtung) betrachtet wird, sind in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten und der Wasserstoffsensor 50 so angeordnet, dass sie die poröse Platte 52 überlappen. Die Vielzahl von Verbindungsabschnitten umfasst jeden von einem Verbindungsabschnitt zwischen den Wasserstoffrohren, die den vorgenannten Wasserstoffrohrleitungsabschnitt bilden, der mit der Brennstoffzelle 110 verbunden ist, einem Verbindungsabschnitt zwischen der Brennstoffzelle 110 und jedem der Wasserstoffrohre, die den Wasserstoffrohrleitungsabschnitt bilden, und einem Verbindungsabschnitt zwischen jedem der Wasserstoffrohre und einer anderen Vorrichtung, die von der Brennstoffzelle 110 verschieden ist und mit dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt verbunden ist, um darin Wasserstoff strömen zu lassen. Im Folgenden werden diese drei Arten von Verbindungsabschnitten auch gemeinsam „Rohrverbindungsabschnitte“ genannt.
4 stellt schematisch eine exemplarische Anordnung innerhalb der Frontkammer 70 dar, wenn sie in der vertikalen Richtung (Y-Richtung) betrachtet wird. In 4 gibt der Pfeil I die Position von jedem Verbindungsabschnitt zwischen benachbarten Wasserstoffrohren der mehreren Wasserstoffrohre an, die den Wasserstoffrohrleitungsabschnitt (den Wasserstoffzufuhrkanal 22, den Wasserstoffabgabekanal 24 und den Zirkulationskanal 25) bilden, der mit der Brennstoffzelle 110 verbunden ist. Der Pfeil II gibt die Position jedes Verbindungsabschnitts zwischen der Brennstoffzelle 110 und einem Wasserstoffrohr an, das den Wasserstoffrohrleitungsabschnitt bildet, der mit der Brennstoffzelle 110 verbunden ist. Der Pfeil III gibt die Position eines Verbindungsabschnitts zwischen einem Wasserstoffrohr und einer Vorrichtung an, die von der Brennstoffzelle 110 verschieden ist und in der Wasserstoff strömt, wobei die Vorrichtung (die Wasserstoffpumpe 44 in dem Beispiel von 4) in dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt angeordnet ist, der mit der Brennstoffzelle 110 verbunden ist. 4 stellt exemplarisch dar, dass sieben durch die Pfeile I angegebene Verbindungsabschnitte, zwei durch die Pfeile II angegebene Verbindungsabschnitte ein durch den Pfeil III angegebener Verbindungsabschnitt sowie der Wasserstoffsensor 50 so angeordnet sind, dass sie in der Y-Richtung betrachtet die poröse Platte 52 überlappen.
Es gibt keine Begrenzung für die Anzahl der einzelnen Arten von Rohrverbindungsabschnitten (Verbindungen), die, wie durch die Pfeile I, II und III angegeben ist, so positioniert sind, dass sie in der Y-Richtung betrachtet die poröse Platte 52 überlappen. In einem typischen Beispiel beträgt die Gesamtanzahl an Rohrverbindungsabschnitten zwei oder mehr. Die „andere Vorrichtung, die sich von der Brennstoffzelle 110 unterscheidet und mit dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt verbunden ist, um darin Wasserstoff strömen zu lassen“ ist nicht auf die in 4 gezeigte Wasserstoffpumpe 44 beschränkt und sie kann zum Beispiel der Gas-Flüssig-Abscheider 45 oder ein in dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt angeordnetes Ventil wie das Auf-Zu-Ventil 46 sein.
In 4 gibt die gestrichelte Linie eine Ausführungsfläche der porösen Platte 52 an. Die poröse Platte 52 kann innerhalb der Frontkammer 70 durch zum Beispiel Verschraubung befestigt sein. Im Einzelnen kann die poröse Schraube 52 an Klammern angeschraubt werden, die an mehreren Stellen (z. B. fünf oder sechs Stellen) angebracht sind, etwa auf einer Oberfläche eines Gehäuses irgendeiner Vorrichtung (z. B. der Hochspannungseinheit 120), die innerhalb der Frontkammer 70 angeordnet ist, und auf einer Innenwand der Frontkammer 70. Die poröse Platte 52 kann allerdings innerhalb der Frontkammer 70 durch irgendein anderes Mittel als Verschraubung befestigt sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die poröse Platte 52 innerhalb der Frontkammer 70 an einer Stelle entfernt von der Fronthaube 72 befestigt.
In dem Brennstoffzellenfahrzeug 10, das mit dem wie oben konfigurierten Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 dieses Ausführungsbeispiels versehen ist, ist der Wasserstoffströmungsabschnitt innerhalb der Frontkammer 70 in dem Bereich unterhalb der porösen Platte 52 angeordnet, während der Wasserstoffsensor 50 innerhalb der Frontkammer 70 in dem Bereich oberhalb der porösen Platte 52 angeordnet ist. Wenn das Innere der Frontkammer 70 in der vertikalen Richtung betrachtet wird, sind die Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten, die in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthalten sind, und der Wasserstoffsensor 50 so angeordnet, dass sie die poröse Platte 52 überlappen. Diese Anordnung ermöglicht eine frühzeitigere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor 50 in dem Fall, dass in irgendeinem der obigen Rohrverbindungsabschnitte ein Defekt auftritt und der Hochdruckwasserstoff innerhalb des Wasserstoffströmungsabschnitts aus der defekten Stelle austritt. Dies wiederum ermöglicht eine frühzeitigere Umsetzung einer Tätigkeit, um die Wasserstoffleckage zu unterbrechen, oder ähnlicher Tätigkeiten, und erhöht somit die Sicherheit.
Insbesondere wenn ein Defekt in irgendeinem der obigen Rohrverbindungsabschnitte auftritt, wird Wasserstoff aus dem Defekt nach oben in Richtung der porösen Platte 52 ausgestoßen. Wie oben beschrieben wurde, beherbergt die Frontkammer 70 neben der Brennstoffzelle 110 und der Hochspannungseinheit 120 verschiedene andere Vorrichtungen (z. B. eine Vorrichtung, die sich auf die Fahrzeugfahrt bezieht, und eine Vorrichtung, die einen Teil einer Klimaanlage bildet). Deswegen wird der Wasserstoffstrom auch dann, wenn die Richtung des aus dem Defekt ausgestoßenen Wasserstoffs nicht aufwärts ist, bei Kontakt mit diesen nahen Vorrichtungen nach oben umgeleitet. Wenn der nach oben geleitete Wasserstoffstrom mit der porösen Platte 52 in Kontakt kommt, wird der Wasserstoffstrom gestört und verteilt sich über die Unterseite der porösen Platte 52, sodass sich der Bereich des Wasserstoffstroms erweitert, während der Wasserstoff in der Dickenrichtung von ihr die poröse Platte 52 durchdringt und weiter nach oben geht. Da das Brennstoffgas, das der Brennstoffzelle 110 zugeführt wird, hochreines Wasserstoffgas ist, ist die Konzentration von Wasserstoff, der aus dem Defekt ausgestoßen wird, deutlich höher als die Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50. Infolge des Wasserstoffstroms, der die poröse Platte 52 berührt und durchdringt, nimmt somit verglichen mit dem Bereich unterhalb der porösen Platte 52 in dem Bereich oberhalb der porösen Platte 52 ein Bereich zu, wo die Wasserstoffkonzentration relativ gesehen hoch genug ist, um durch den Wasserstoffsensor 50 erfasst werden zu können.
In dem Fall, dass der Wasserstoffsensor 50 vertikal oberhalb des Defekts angeordnet ist, wäre der Wasserstoffsensor 50 auch ohne die poröse Platte 52 dazu imstande, rasch eine Wasserstoffleckage zu erfassen, da der aus dem Defekt ausgestoßene Wasserstoff den Wasserstoffsensor 50 direkt erreicht. Falls jedoch in Abwesenheit der porösen Platte 52 dieses Ausführungsbeispiels eine Wasserstoffleckage an einer Stelle auftritt, die den Wasserstoffsensor 50 nicht vertikal überlappt, steigt der leckende Wasserstoff nach oben und sammelt sich vorübergehend innerhalb der Fronthaube 72. In diesem Fall wäre der Wasserstoffsensor 50 nicht dazu imstande, die Wasserstoffleckage zu erfassen, bis die Wasserstoffkonzentration um den Wasserstoffsensor 50 herum soweit ansteigt, dass sie die Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 überschreitet. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Vorhandensein der porösen Platte 52 auch dann, wenn eine defekte Stelle den Wasserstoffsensor 50 nicht vertikal überlappt, den Bereich erweitern, in dem die Konzentration ansteigenden Wasserstoffs bei oder oberhalb der Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 liegt. Letzten Endes kann der Wasserstoffsensor 50 aufsteigenden Wasserstoff erfassen und er kann zu einem früheren Zeitpunkt eine Wasserstoffleckage erfassen.
Wie erläutert wurde, kann das Vorhandensein der porösen Platte 52 den Bereich erweitern, in der die Konzentration aufsteigenden Wasserstoffs bei oder oberhalb der Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 liegt. Infolgedessen kann der einzelne Wasserstoffsensor 50 selbst dann, wenn es eine Vielzahl von fehleranfälligen Stellen (die oben beschriebenen Rohrverbindungsstellen) gibt, wo Wasserstoffleckagen auftreten können, jede Wasserstoffleckage in der Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten erfassen. Es ist somit möglich, die Anzahl an Wasserstoffsensoren 50 zu reduzieren, die zur Wasserstoffleckage-Erfassung erforderlich sind.
Um an einer Stelle, die den Wasserstoffsensor 50 nicht vertikal überlappt, eine noch schnellere Erfassung irgendeiner Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor 50 sicherzustellen, können entsprechend einige Parameter (wie der offene Flächenanteil der porösen Platte 52, ein Abstand zwischen der porösen Platte 52 und der Vielzahl von oben beschriebenen Rohrverbindungsabschnitten und ein Abstand zwischen der porösen Platte 52 und dem Wasserstoffsensor 50) als eine Funktion von Faktoren wie einer erwarteten Durchflussmenge eines aus einem Defekt ausgestoßenen Wasserstoffstroms und der Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 eingestellt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel erweitert die poröse Platte 52 horizontal den Bereich mit einer höheren Konzentration ansteigenden Wasserstoffs, was die Erfassung des ansteigenden Wasserstoffs durch den Wasserstoffsensor 50 ermöglicht. Folglich kann der Wasserstoffsensor 50 an einer Stelle angeordnet werden, die niedriger als die Fronthaube 72 ist, die das obere Ende der Frontkammer 70 bedeckt. Die räumliche Anordnung des Wasserstoffsensors 50, der nicht mehr auf der Fronthaube 72 platziert werden muss, die so konfiguriert ist, dass sie sich öffnet und schließt, kann als solches flexibler sein, ohne durch Leitungswege und andere Beschränkungen eingeschränkt zu werden.
Außerdem kann das Vorhandensein der porösen Platte 52 in diesem Ausführungsbeispiel die Sicherheit erhöhen, da die poröse Platte 52 eine Bedienperson oder irgendeine andere Person daran hindert, Hochspannungsvorrichtungen wie die Hochspannungseinheit 120 zu berühren, die unterhalb der porösen Platte 52 angeordnet sind, wenn er/sie die Fronthaube 72 öffnet. Des Weiteren kann das Vorhandensein der porösen Platte 52 für den Fall, dass eine unterhalb der porösen Platte 52 angeordnete Vorrichtung aus irgendeinem Grund bricht, die Sicherheit erhöhen, da die poröse Platte 52 Bruchteile daran hindert wegzufliegen.
5 zeigt ein Ergebnis einer Simulation, die durchgeführt wurde, um die Wirkung des Wasserstoffleckage-Erfassungssystems 12 dieses Ausführungsbeispiels zu bestätigen. 6 zeigt ähnlich wie 5 ein Ergebnis einer Simulation, die für ein Vergleichsbeispiel ohne die poröse Platte 52 durchgeführt wurde. Die 5 und 6 sind horizontale Ansichten innerhalb der Frontkammer 70 und stellen jeweils eine Wasserstoffkonzentrationsverteilung darin dar, wenn Wasserstoff aus einer Verbindung von Rohren leckt, die unterhalb der Brennstoffzelle 110 verlaufen. Abgesehen von dem Vorhandensein oder der Abwesenheit der porösen Platte 52 zeigen die 5 und 6 Ergebnisse von Simulationen, die unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wurden. Im Einzelnen wurden die Bedingungen, die die in den 5 und 6 gezeigten Simulationsergebnisse ergaben, derart eingestellt, dass der Wasserstoffdruck innerhalb der Rohre 200 kPa betrug, die Wasserstoffdurchflussmenge innerhalb der Rohre 25 Nl/min betrug, die Ausstoßrichtung des Wasserstoffs aus der Verbindung vertikal nach oben wies, die Konzentration des aus der Verbindung leckenden Wasserstoffs 100% betrug und die Größe der Leckagestelle in den Rohren 10 mm im Durchmesser betrug. In 5 betrug der offene Flächenanteil des Gitters, das als die poröse Platte 52 diente, 30%. In den 5 und 6 war die Leckagestelle in den Rohren an einer Position eingestellt, wo vertikal nach oben ausgestoßener Wasserstoff mit dem Boden der Brennstoffzelle 110 in Kontakt kam, und es wurde angenommen, dass die Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 bei einer Wasserstoffkonzentration von 3,5% lag.
Werden die 5 und 6 verglichen, zeigt der Bereich 70a unterhalb der Position der in 5 vorhandenen porösen Platte 52 in den beiden 5 und 6 ähnliche Wasserstoffkonzentrationsverteilungen. In dem Bereich 70a geben die Pfeile α in den 5 und 6 ein Beispiel von Abschnitten an, die sich im gleichen vertikalen Abstand von der Leckagestelle befinden und die eine Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr haben. In dem Bereich 70B oberhalb der Position der porösen Platte 52 geben die Pfeile β1 und β2 in den 5 und 6 jeweils Abschnitte an, die den Wasserstoffsensor 50 horizontal überlappen und die eine Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr haben. Wie gezeigt, befindet sich der Wasserstoffsensor 50 in 5 innerhalb des Bereichs mit einer Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr, doch liegt der Wasserstoffsensor 50 in 6 außerhalb des Abschnitts mit einer Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr. Der Vergleich zwischen den 5 und 6 zeigt, dass der Einsatz der porösen Platte 52 eine frühzeitigere Erfassung einer Wasserstoffleckage ermöglicht.
7 ist ein Kurvenbild zu den in den 5 und 6 gezeigten Simulationsergebnissen und stellt Änderungen der Wasserstoffkonzentration an der Stelle dar, wo der Wasserstoffsensor 50 angeordnet war. Die Kurvendaten (a) entsprechen dem Simulationsergebnis in 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel und die Kurvendaten (b) entsprechen dem Simulationsergebnis in 6 gemäß dem Vergleichsbeispiel. 7 zeigt an der Stelle, wo der Wasserstoffsensor 50 angeordnet war, Änderungen der Wasserstoffkonzentration über die Zeit, wobei der Zeitpunkt, zu dem in der Rohrverbindung eine Wasserstoffleckage auftrat, als Zeit 0 definiert ist. 7 bestätigt, dass das Ausführungsbeispiel, das die poröse Platte 52 vorsah, eine frühzeitigere Erfassung einer Wasserstoffleckage ermöglichte, da die poröse Platte 52 den Bereich mit einer hohen Wasserstoffkonzentration erweiterte und somit einen raschen Anstieg der Wasserstoffkonzentration um den Wasserstoffsensor 50 herum hervorrief. Andererseits bestätigt 7, dass das Vergleichsbeispiel ohne die poröse Platte 52 einen viel langsameren Anstieg der Wasserstoffkonzentration um den Wasserstoffsensor 50 herum hatte. Die Kurvendaten (b), die dem Vergleichsbeispiel entsprechen, zeigen an der Stelle des Wasserstoffsensors 50 unmittelbar nach der Entstehung der Wasserstoffleckage eine verhältnismäßig hohe Wasserstoffkonzentration. Der Grund dafür ist, dass der leckende Wasserstoff, der unmittelbar mit nahen Strukturen wie der Brennstoffzelle 110 in Kontakt kam und dessen Wasserstoffstrom gestört wurde, eine Masse mit einer verhältnismäßig hohen Wasserstoffkonzentration bildete und dass diese Masse nach oben stieg und an der Position des Wasserstoffsensors 50 vorbeilief.
Die 8 und 9 zeigen ähnlich wie die 5 und 6 Ergebnisse von Simulationen, doch wurden diese Simulationen verglichen mit den Simulationen der 5 bis 7 unter einer anderen Bedingung durchgeführt. 8 zeigt ein Ergebnis einer Simulation gemäß dem Ausführungsbeispiel mit der porösen Platte 52 und 9 zeigt ein Ergebnis einer Simulation gemäß einem Vergleichsbeispiel ohne die poröse Platte 52. Mit Ausnahme der Lage der Wasserstoffleckagestelle waren die Bedingungen, die die in den 8 und 9 gezeigten Simulationsergebnisse ergaben, die gleichen wie die in den 5 und 6. In den 8 und 9 war die Leckagestelle in den Rohren an einer Position eingestellt, wo Wasserstoff, der vertikal nach ober ausgestoßen wurde, nach oben strömte, ohne irgendeine nahe Vorrichtung wie die Brennstoffzelle 110 zu berühren.
Ähnlich wie die 5 und 6 zeigte der Bereich 70a unterhalb der Position der porösen Platte 52 in den beiden 8 und 9, ungeachtet des Vorhandenseins oder der Abwesenheit der porösen Platte 52 ähnliche Wasserstoffkonzentrationsverteilungen (siehe Pfeile α in den 8 und 9). In dem Bereich 70b oberhalb der Position der porösen Platte 52 ist die Breite eines Bereichs mit einer Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr in 8 länger als in 9 (siehe jeweils die Pfeile β1 und β2 in den 8 und 9). Der Wasserstoffsensor 50 in 8 liegt innerhalb des Abschnitts mit einer Wasserstoffkonzentration von 4% oder mehr, der Wasserstoffsensor 50 in 9 aber nicht. Dieser Vergleich zeigt, dass der Einsatz der porösen Platte 52 auch dann, wenn die Leckagestelle wie in den 8 und 9 dargestellt liegt, eine frühzeitigere Erfassung einer Wasserstoffleckage ermöglicht.
10 ist ein Kurvenbild zu den in den 8 und 9 gezeigten Simulationsergebnissen und stellt ähnlich wie 7 Änderungen der Wasserstoffkonzentration an der Stelle dar, wo der Wasserstoffsensor 50 angeordnet war. Die Kurvendaten (a) entsprechen dem Simulationsergebnis in 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel und die Kurvendaten (b) entsprechen dem Simulationsergebnis in 9 gemäß dem Vergleichsbeispiel. 10 bestätigt, dass das Ausführungsbeispiel, das die poröse Platte 52 vorsah, die Erfassung einer Wasserstoffleckage zu einem früheren Zeitpunkt als das Vergleichsbeispiel ermöglichte, da die poröse Platte 52 den Bereich mit einer hohen Wasserstoffkonzentration erweiterte und somit einen raschen Anstieg der Wasserstoffkonzentration um den Wasserstoffsensor 50 herum hervorrief.
B. Zweites Ausführungsbeispiel
11 ist eine Draufsicht auf eine poröse Platte 152 im zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die poröse Platte 152 im zweiten Ausführungsbeispiel wird ähnlich wie die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Wie in 11 gezeigt ist, ist die poröse Platte 152 aus einem porösen Körper ausgebildet. Beispiele des porösen Körpers, der die poröse Platte 152 bildet, können poröse Materialien, die ein Skelett einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur haben, und Schäume sein. Die poröse Platte 152 kann aus einem Metall oder Harzmaterial bestehen, das ähnlich wie das für die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel ist.
Wenn Wasserstoff, der aus einem Verbindungsabschnitt zwischen den Rohren und dergleichen leckt, auf eine Oberfläche der porösen Platte 152 strömt, wirkt die poröse Platte 152 ähnlich wie die poröse Platte 52, sodass sie den Wasserstoffstrom stört und ihn über die Oberfläche verteilt, während sie in der Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte 152 erlaubt. Somit beträgt der offene Flächenanteil der porösen Platte 152 aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 vorzugsweise nicht weniger als 10% und besser noch nicht weniger als 20%. Außerdem beträgt der offene Flächenanteil der porösen Platte 152 aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 vorzugsweise nicht mehr als 60% und besser noch nicht mehr als 50%. Der offene Flächenanteil der porösen Platte 152 kann dennoch weniger als 10% oder mehr als 60% betragen. Der offene Flächenanteil der porösen Platte 152 in Draufsicht kann auf die folgende Weise ermittelt werden. Zum Beispiel kann ein Bild der Oberfläche der porösen Platte 152 mit einer Kamera aufgenommen und fünfmal vergrößert werden und dann kann mittels Bildverarbeitung in einem bestimmten Bereich in dem Bild ein Anteil einer Gesamtfläche von Abschnitten, die die poröse Platte 152 in der Dickenrichtung durchdringen, zu einer Gesamtfläche der porösen Platte 152 berechnet werden. Die Dicke der porösen Platte 152 beträgt aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 vorzugsweise nicht weniger als 0,2 cm und besser noch nicht weniger als 0,5 cm. Außerdem beträgt die Dicke der porösen Platte 152 vorzugsweise nicht mehr als 2,0 cm und besser noch nicht mehr als 1,0 cm.
Die poröse Platte 152 mit der obigen Struktur wird ähnlich wie die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel in dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 angeordnet. Das zweite Ausführungsbeispiel kann für die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie das erste Ausführungsbeispiel sorgen, und zwar für eine raschere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor 50 und eine reduzierte Anzahl an Wasserstoffsensoren 50. Überdies hat das poröse Material, das die poröse Platte 152 im zweiten Ausführungsbeispiel bildet, verglichen mit dem Gitter, das die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel bildet, die dreidimensional komplexe Struktur. Diese Struktur steigert die Fähigkeit der porösen Platte 152, über die Oberfläche von ihr einen Wasserstoffstrom auszubreiten, wenn Wasserstoff aus einem Defekt in den Rohrverbindungsabschnitten auf die Oberfläche geströmt ist. Dadurch kann die poröse Platte 152 in dem Bereich oberhalb der porösen Platte 152 den Bereich, in dem die Wasserstoffkonzentration bei oder oberhalb der Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 liegt, noch mehr erweitern, was eine noch raschere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor 50 ermöglicht.
C. Drittes Ausführungsbeispiel
12 ist eine Draufsicht auf eine poröse Platte 252 im dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die poröse Platte 252 im dritten Ausführungsbeispiel wird ähnlich wie die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Wie in 12 gezeigt ist, ist die poröse Platte 252 aus einem gelochten Metall ausgebildet. Die poröse Platte 252 kann aus einem Metallmaterial ähnlich wie das für die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel bestehen.
Wenn Wasserstoff, der aus einem Verbindungsabschnitt zwischen den Rohren und dergleichen leckt, auf eine Oberfläche der porösen Platte 252 strömt, wirkt die poröse Platte 252 ähnlich wie die poröse Platte 52, sodass sie den Wasserstoffstrom stört und ihn über die Oberfläche verteilt, während sie in der Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte 252 erlaubt. Somit beträgt der offene Flächenanteil der porösen Platte 252 aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 vorzugsweise nicht weniger als 10% und besser noch nicht weniger als 20%. Außerdem beträgt der offene Flächenanteil der porösen Platte 252 aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 vorzugsweise nicht mehr als 60% und besser noch nicht mehr als 50%. Der offene Flächenanteil der porösen Platte 252 kann dennoch weniger als 10% oder mehr als 60% betragen. Der offene Flächenanteil der porösen Platte 252 in Draufsicht kann auf die folgende Weise ermittelt werden. Zum Beispiel kann ein Bild der Oberfläche der porösen Platte 252 mit einer Kamera aufgenommen und fünfmal vergrößert werden und dann kann mittels Bildverarbeitung in einem bestimmten Bereich in dem Bild ein Anteil einer Gesamtfläche von Löchern in dem gelochten Metall zu einer Gesamtfläche der porösen Platte 252 berechnet werden. Die Dicke der porösen Platte 252 beträgt aus den gleichen Gründen wie für die poröse Platte 52 nicht weniger als 0,2 cm und besser noch nicht weniger als 0,5 cm. Außerdem beträgt die Dicke der porösen Platte 252 vorzugsweise nicht mehr als 2,0 cm und besser noch nicht mehr als 1,0 cm.
Die poröse Platte 252 mit der obigen Struktur wird ähnlich wie die poröse Platte 52 im ersten Ausführungsbeispiel in dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12angeordnet. Das dritte Ausführungsbeispiel kann für die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie das erste Ausführungsbeispiel sorgen, und zwar eine rasche Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor 50 und eine reduzierte Anzahl an Wasserstoffsensoren 50. Überdies stört das gelochte Metall, das die poröse Platte 252 bildet, verglichen mit Gittern und anderen ähnlichen Strukturen einen Gasstrom, der (durch die Löcher in dem gelochten Metall) durch die Platte gegangen ist, im Allgemeinen stark. Deswegen steigert das gelochte Metall die Fähigkeit der porösen Platte 252, über die Oberfläche von ihr einen Wasserstoffstrom zu verteilen, wenn Wasserstoff aus dem Rohrverbindungsabschnitt auf die Oberfläche geströmt ist. Dadurch kann die poröse Platte 252 in dem Bereich oberhalb der porösen Platte 252 den Bereich, in dem die Wasserstoffkonzentration bei oder oberhalb der Nachweisgrenze durch den Wasserstoffsensor 50 liegt, noch mehr erweitern. In dem Fall, dass das gelochte Metall verwendet wird, kann ein Durchmesser der Löcher in dem gelochten Metall und ein Abstandsmaß, also ein Abstand zwischen den Löchern, geändert werden, um die Einstellung des offenen Flächenanteils der porösen Platte 252 auf einen gewünschten Anteil zu erleichtern. In dem Fall, dass das gelochte Metall verwendet wird, ist es außerdem leicht möglich, die Festigkeit der porösen Platte sicherzustellen, während ihre Dicke reduziert wird, sodass eine Verformung der porösen Platte 252 auch dann eingeschränkt werden kann, wenn aus dem Rohrverbindungsabschnitt ausgestoßener Wasserstoff auf die poröse Platte 252 prallt.
D. Alternative Ausführungsbeispiele
(D1) Die poröse Platte ist zwar in jedem der obigen Ausführungsbeispiele fern von dem Wasserstoffsensor 50 und der Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten angeordnet, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann ein Teil des Wasserstoffsensors 50, z. B. ein fernes Ende von ihm, mit der porösen Platte Kontakt haben. Alternativ kann ein Teil der Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten mit der porösen Platte Kontakt haben. Um die Wirkung der porösen Platte zu verstärken, Wasserstoff, der aus einem Defekt in den Rohrverbindungsabschnitten ausgestoßen worden ist und die poröse Platte berührt hat, horizontal auszubreiten, ist es dennoch wünschenswert, dass sämtliche der Rohrverbindungsabschnitte fern von der porösen Platte liegen.
(D2) Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 in jedem der obigen Ausführungsbeispiele enthält eine einzelne poröse Platte, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann innerhalb der Frontkammer 70 in einer horizontal versetzten Weise eine Vielzahl von porösen Platten angeordnet werden. Diese Anordnung kann für die gleichen Vorteile wie die obigen Ausführungsbeispiele sorgen, wenn mindestens eine poröse Platte so angeordnet wird, dass sie zumindest einen Teil des Raums innerhalb der Frontkammer 70 abgrenzt und wenn der Lagezusammenhang der mindestens einen porösen Platte, der Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten und des Wasserstoffsensors 50 genauso wie der in den obigen Ausführungsbeispielen erläuterte Lagezusammenhang eingerichtet wird.
(D3) Als die äußere Hülle, die den Wasserstoffströmungsabschnitt beherbergt, der die Brennstoffzelle 110 und den mit der Brennstoffzelle 110 verbundenen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt umfasst, dient zwar in jedem der obigen Ausführungsbeispiele die Frontkammer 70, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann die äußere Hülle eine Struktur haben, die unterhalb der Fahrzeugkabine einen Unterbodenraum definiert, oder sie kann eine Heckkammer hinter der Fahrzeugkabine sein.
(D4) Der Wasserstoffströmungsabschnitt in jedem der obigen Ausführungsbeispiele, der innerhalb der äußeren Hülle untergebracht und in dem Bereich unterhalb der porösen Platte angeordnet ist, umfasst zwar die Brennstoffzelle 110 und den mit der Brennstoffzelle 110 verbundenen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Der innerhalb der äußeren Hülle untergebrachte Wasserstoffströmungsabschnitt kann anstelle oder zusätzlich zu der Brennstoffzelle 110 den Wasserstofftank 21 umfassen. Diese Anordnung kann für die gleichen Vorteile wie die obigen Ausführungsbeispiele sorgen, wenn der Wasserstoffströmungsabschnitt innerhalb der äußeren Hülle angeordnet wird, wobei der Wasserstoffströmungsabschnitt so angeordnet wird, dass er mindestens eine Vorrichtung der Brennstoffzelle 110 und des Wasserstofftanks 21 und den mit der mindestens einen Vorrichtung verbundenen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt umfasst, und wenn der Lagezusammenhang der porösen Platte, der Vielzahl von Rohrverbindungsabschnitten und des Wasserstoffsensors 50 innerhalb der äußeren Hülle genauso wie der in den obigen Ausführungsbeispielen erläuterte Lagezusammenhang eingerichtet wird.
(D5) In jedem der obigen Ausführungsbeispiele sind die Verbindungsabschnitte sowie der Wasserstoffsensor 50 so angeordnet, dass sie die poröse Platte überlappen, wenn das Innere der äußeren Hülle in der vertikalen Richtung betrachtet wird. Die Verbindungsabschnitte können zwar irgendeine der vorgenannten drei Arten von Rohrverbindungsabschnitten sein, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Die Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die so angeordnet sind, dass sie die poröse Platte überlappen, können Verbindungsabschnitte umfassen, die von den vorgenannten Rohrverbindungsabschnitten verschieden sind, und sie können einfach ein Verbindungsabschnitt in Wasserstoffkanälen sein, die in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthalten sind.
(D6) In jedem der obigen Ausführungsbeispiele sind die Verbindungsabschnitte sowie der Wasserstoffsensor 50 so angeordnet, dass sie die poröse Platte überlappen, wenn das Innere der äußeren Hülle in der vertikalen Richtung betrachtet wird. Jedes der obigen Ausführungsbeispiele setzt zwar eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten ein, doch kann auch nur ein Verbindungsabschnitt ausreichen. Auch diese Anordnung erlaubt der porösen Platte, den Bereich mit einer verhältnismäßig hohen Wasserstoffkonzentration zu erweitern, und sie erlaubt immer noch eine raschere Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor, während für Flexibilität bei der räumlichen Anordnung des Wasserstoffsensors gesorgt wird.
(D7) In jedem der obigen Ausführungsbeispiele sind die in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthaltenen Verbindungsabschnitte und der Wasserstoffsensor so angeordnet, dass sie die poröse Platte überlappen, wenn das Innere der äußeren Hülle in der vertikalen Richtung betrachtet wird. Anstelle der überlappenden Anordnung sind allerdings andere Anordnungen möglich. Es ist lediglich erforderlich, dass der Wasserstoffströmungsabschnitt innerhalb der äußeren Hülle in dem Bereich unterhalb der porösen Platte angeordnet ist und dass der Wasserstoffsensor in dem Bereich oberhalb der porösen Platte angeordnet ist. Auch wenn die Verbindungsabschnitte, der Wasserstoffsensor und die poröse Platte einander nicht überlappen, wenn das Innere der äußeren Hülle in der vertikalen Richtung betrachtet wird, kann die poröse Platte in solchen Fällen, wie wenn aus einem Defekt in dem Wasserstoffströmungsabschnitt ausgestoßener Wasserstoff zur porösen Platte geleitet wird, wenn das mit dem Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 versehene Fahrzeug gekippt ist, und wenn leckender Wasserstoff durch zum Beispiel Einströmen von Fahrtluft in die äußere Hülle dazu gebracht wird, zur porösen Platte zu strömen, den Bereich mit einer verhältnismäßig hohen Wasserstoffkonzentration dennoch ausweiten und somit eine rasche Erfassung einer Wasserstoffleckage durch den Wasserstoffsensor ermöglichen.
(D8) Das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 ist zwar in jedem der obigen Ausführungsbeispiele in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 eingebaut, doch sind andere Anordnungen möglich. Anstelle von Fahrzeugen kann das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem 12 in beweglichen Körpern eingebaut werden, die mit einer Brennstoffzelle versehen sind, oder es kann in stationären Stromerzeugern verwendet werden, die mit einer Brennstoffzelle ausgestattet sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche auf verschiedenste Weise umgesetzt werden.
Ein Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) zum Erfassen einer Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem umfasst Folgendes: eine äußere Hülle (70), die so konfiguriert ist, dass sie einen Wasserstoffströmungsabschnitt beherbergt; einen Wasserstoffsensor (50); und eine poröse Platte (52), die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil eines Raums innerhalb der äußeren Hülle (70) abgrenzt und in einer Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte (52) erlaubt. Der Wasserstoffströmungsabschnitt ist in einem Bereich unterhalb der porösen Platte (52) angeordnet und der Wasserstoffsensor (50) ist in einem Bereich oberhalb der porösen Platte (52) angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005 [0002]
JP 124357 A [0002]

Claims

Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12), das so konfiguriert ist, dass es eine Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem (15) erfasst, wobei das System Folgendes umfasst: eine äußere Hülle (70), die so konfiguriert ist, dass sie einen Wasserstoffströmungsabschnitt beherbergt, die Folgendes umfasst: mindestens eine Vorrichtung von einer Brennstoffzelle (110) und einem Wasserstofftank (21), der Wasserstoff speichert, der der Brennstoffzelle (110) zuzuführen ist; und einen Wasserstoffrohrleitungsabschnitt, der ein Wasserstoffrohr umfasst, das mit der mindestens einen Vorrichtung verbunden ist; einen Wasserstoffsensor (50), der innerhalb der äußeren Hülle (70) angeordnet ist; und eine poröse Platte (52; 152; 252), die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil eines Raums innerhalb der äußeren Hülle (70) abgrenzt und in einer Dickenrichtung von ihr den Durchgang von Wasserstoff durch die poröse Platte (52; 152; 252) erlaubt, wobei der Wasserstoffströmungsabschnitt in einem Bereich unterhalb der porösen Platte (52; 152; 252) angeordnet ist und der Wasserstoffsensor (50) in einem Bereich oberhalb der porösen Platte (52; 152; 252) angeordnet ist.
Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) nach Anspruch 1, wobei wenn ein Inneres der äußeren Hülle (70) in einer vertikalen Richtung betrachtet wird, ein Verbindungsabschnitt eines Wasserstoffkanals und der Wasserstoffsensor (50) so angeordnet sind, dass sie die poröse Platte (52; 152; 252) überlappen, wobei der Verbindungsabschnitt in dem Wasserstoffströmungsabschnitt enthalten ist.
Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) nach Anspruch 2, wobei wenn das Innere der äußeren Hülle (70) in der vertikalen Richtung betrachtet wird, eine Vielzahl der Verbindungsabschnitte so angeordnet ist, dass sie die poröse Platte (52; 152; 252) überlappt.
Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) nach Anspruch 2 oder 3, das außerdem eine andere Vorrichtung umfasst, die von der mindestens einen Vorrichtung verschieden ist, wobei die andere Vorrichtung mit dem Wasserstoffrohrleitungsabschnitt verbunden ist, um darin Wasserstoff strömen zu lassen, der Wasserstoffrohrleitungsabschnitt eine Vielzahl von Wasserstoffrohren umfasst, der Verbindungsabschnitt irgendeinen von einem Verbindungsabschnitt zwischen benachbarten Wasserstoffrohren der Vielzahl von Wasserstoffrohren, einem Verbindungsabschnitt zwischen einem der Vielzahl von Wasserstoffrohren und der mindestens einen Vorrichtung und einem Verbindungsabschnitt zwischen einem der Vielzahl von Wasserstoffrohren und der anderen Vorrichtung umfasst.
Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die poröse Platte (52; 152; 252) einen offenen Flächenanteil von 20 bis 50% hat.
Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wasserstoffleckage-Erfassungssystem (12) in einem Brennstoffzellenfahrzeug (10) eingebaut ist, die Außenhülle (70) eine Frontkammer (70) des Brennstoffzellenfahrzeugs (10) ist und der Wasserstoffsensor (50) an einem anderen Abschnitt einer Innenwand der Frontkammer (70) als einer Fronthaube (72), die so konfiguriert ist, dass sie die Frontkammer (70) öffnet und schließt, befestigt ist.