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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Ausblasventil ausgerüstet ist, und insbesondere eine Technik, die angewendet wird, wenn eine Anomalie des Ausblasventils erfasst wird.
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In einem System, das eine Brennstoffzelle verwendet, sammelt sich in Luft oder Wasser enthaltener Stickstoff, der durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wurde, als eine Verunreinigung in einem System zum Zuführen eines Brennstoffgases zu Brennstoffelektroden. Aus diesem Grund wird periodisch ein Ausblasen mittels Ablassen von Wasserstoffgas durchgeführt. Als eine Technik zum Erfassen einer Anomalie in einem Wasserstoff-Ausblasventil, das für ein solches Ausblasen verwendet wird, beschreibt z. B. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
JP 2003-92125 A eine Brennstoffzellen-Steuervorrichtung mit einer Wasserstoffausblasbefehl-Erfassungseinheit zum Erfassen, ob ein Ausblasbefehl des Wasserstoff-Ausblasventils vorliegt, und einer Störungsfeststellungseinheit zum Feststellen einer Störung vom offenen Typ und einer Störung vom geschlossenen Typ des Wasserstoff-Ausblasventils durch Vergleichen des Solldruckwertes der Anode mit dem Istwert. Wenn die Störungsfeststellungseinheit z. B. eine Störung vom offenen Typ erfasst, d. h., dass das Wasserstoff-Ausblasventil nicht geschlossen ist, obwohl kein Ausblasbefehl ausgegeben wurde, wird das Ablassen von Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Ausblasventil nach aussen verhindert, indem das EIN/AUS-Steuerventil auf AUS gestellt und der Fluss in einem Wasserstoffzirkulationskanal abgesperrt wird.
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Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind zudem Gegenstand zahlreicher weiterer Druckschriften. So offenbart beispielsweise die
DE 102 01 668 A1 ein Brenstoffzellensystem mit einem Wasserstoffkonzentrationssensor zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration, um das Ausblasen von Wasserstoffabgas nach außen zu steuern. Die Erfassung der Abnutzung eines Sensors in einem Brennstoffzellensystem ist wiederum Gegenstand der
CA 2 485 604 A1 .
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Ein Verfahren zum Überwachen des Medienaustritts aus einer Brennstoffzelle, bei dem nach einer Entwässerung der Brennstoffzelle durch eine Leitung die Leitung mittels eines Ventils verschlossen wird, mit Hilfe eines Mittels zum Messen des Differenzdrucks an einer Venturidüse die Strömung in der Leitung gemessen wird und bei einem Differenzdruck oberhalb eines Grenzdrucks die Brennstoffzelle abgeschaltet wird, ist Gegenstand der
WO02/27848 A2 .
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Die
DE 196 20 501 C1 lehrt ferner ein Verfahren zum Betreiben einer aus einer Anzahl von Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenanordnung, bei dem an einem Anodeneingang Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen zugeführt, an einem Anodenausgang Anodenabgas von den Anoden abgeführt, an einem Kathodeneingang Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen zugeführt und an einem Kathodenausgang das Kathodenabgas von den Kathoden abgeführt wird, wobei insbesondere zumindest ein Teil des Kathodenabgases vom Kathodenausgang zum Kathodeneingang zurückgeführt und zumindest ein Teil des Anodenabgases vom Anodenausgang dem rückgeführten Kathodengas beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einem Punkt des Strömungsweges von Kathodengas und/oder Anodengas die Sauerstoffkonzentration mittels einer lambda-Sonde gemessen und die Ströme von Anodengas und/oder Kathodengas und/oder das Mischungsverhältnis von Kathodenabgas und Anodenabgas in Abhängigkeit von dem Messwert für die Sauerstoffkonzentration eingestellt werden.
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Ein Verfahren zum Überwachen der Leistungsfähigkeit eines Stapels von PEM-Brennstoffzellen, und zum Alarmieren des Anwenders und/oder Auslösen einer Korrekturhandlung, wenn sich die Leistungsfähigkeit auf ein nicht annehmbares Niveau verschlechtert ist zudem Gegenstand der
DE 697 01 432 T2 .
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Aus der
JP 2003-132915 A und deren Familienmitglied
DE 102 49 183 A1 , die den nächstkommenden Stand der Technik darstellen ist ein weiteres Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Verdünnen des abgeführten Brennstoffs bekannt, umfassend einen Rückhaltebereich mit einem vorgegebenen Volumen, in dem abgeführter Brennstoff zurückgehalten wird, einen Verdünnungsbereich mit einem vorgegebenen Volumen, durch welchen aus der Brennstoffzelle abgeleitete Luft hindurchströmt und in welchem die Luft mit Brennstoff aus dem Rückhaltebereich vermischt wird, um den Brennstoff zu verdünnen, und einen Dosierbereich, durch welchen der Brennstoff auf dem Weg von dem Rückhaltebereich zum Verdünnungsbereich hindurchströmt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Das Problem im Zusammenhang mit der herkömmlichen Technik ist aber, dass Wasserstoffgas nach aussen abgelassen wird, bis die Zufuhr von Wasserstoffgas unterbrochen wird. Das Vorsehen eines anderen Ventils stromabwärts von dem Ausblasventil, um ein solches Ablassen zu verhindern, macht den Aufbau und die Steuerung kompliziert und ist kostenaufwendig.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Anstieg der Konzentration von abgelassenem Brennstoffgas auch dann unterbunden wird, wenn eine Anomalie in der Ablasseinrichtung erfasst wird.
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Um dieses Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 zur Verfügung, bei dem ein Brennstoffgas von einer Brennstoffzelle aus einer Ablasseinrichtung (einem Ausblasventil) abgelassen, mit einem Oxidationsgas verdünnt, und abgelassen wird, wobei dieses Brennstoffzellensystem aufweist: einen Brennstoffgastank zum Versorgen einer Brennstoffzelle mit Brennstoffgas; ein Ausblasventil zum Ablassen des Brennstoffgases aus einer Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle; eine Verdünnungsvorrichtung zum Verdünnen des aus dem Ausblasventil abgelassenen Brennstoffabgases mit einem Oxidationsgas, wobei die Verdünnungsvorrichtung mit dem Ausblasventil verbunden ist, und wobei die Verdünnungsvorrichtung das vom Ausblasventil abgelassene Brennstoffabgas nach dem Verdünnen mit dem Oxidationsgas nach außen ablässt; eine Einrichtung zum Bestimmen einer erforderlichen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle; eine Oxidationsgas-Zuführeinrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle in einer Zuführmenge, die der erforderlichen Ausgangsleistung entspricht; eine Anomalieerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Anomalie des Betriebs des Ausblasventils, und eine Änderungseinrichtung zum Ändern der Zuführmenge des Oxidationsgases, wenn eine Anomalie des Ausblasventils erfasst wird, wobei die Änderungseinrichtung eine Oxidationsgaszufuhr-Erhöhungseinrichtung ist, die geeignet ist, die Zuführmenge des Oxidationsgases zu erhöhen, wenn eine Anomalie des Ausblasventils erfasst wird.
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Bei dieser Konfiguration arbeitet die Änderungseinrichtung, indem sie die Zuführmenge des Oxidationsgases ändert, wenn die Anomalieerfassungseinrichtung eine Anomalie des Betriebs des Ausblasventils erfasst. Da das Brennstoffgas, das bei diesem System abgelassen wird, mit dem Oxidationsgas verdünnt wird, kann die Konzentration des verdünnten und abgelassenen Brennstoffgases durch Ändern der Zuführmenge des Oxidationsgases verändert und gesteuert werden.
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Die vorstehend genannte ”Ablasseinrichtung” ist beispielsweise ein Absperr- oder Steuerventil für das Ausblasen (das Ausblasventil), jedoch sind diese Beispiele nicht einschränkend. Zusätzlich zu einem Umschalten zwischen zwei Zuständen des Ventils, d. h. dem geschlossenen und dem offenen Zustand, kann der Volumenstrom auf beliebige Weise geändert werden.
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Die Anomalieerfassungseinrichtung erfasst bevorzugt, dass die abgelassene Menge des Brennstoffgases in Folge eines Betriebsausfalls des Ausblasventils größer als eine vorgegebene Menge wird. Eine solche Bevorzugung lässt sich folgendermaßen erklären. Weil sich die Konzentration des abgelassenen Brennstoffgases sofort erhöht, wenn die abgelassene Menge des Brennstoffgases größer als die vorgegebene Menge ist, ist es bevorzugt, wenn die Zunahme der Konzentration des abgelassenen Gases in einem solchen Fall unterbunden wird.
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Darüber hinaus erhöht die Änderungseinrichtung die Zuführmenge des Oxidationsgases, wenn eine Anomalie des Betriebs erfasst wird. Wenn bei einer solchen Konfiguration eine Anomalie des Betriebs des Ausblasventils erfasst wird und die Zuführmenge des Brennstoffgases zunimmt, wird auch die Zuführmenge des Oxidationsgases erhöht. Da bei einer solchen Maßnahme die Menge des Oxidationsgases zum Verdünnen des Brennstoffgases, das in einer großen Menge vorliegt, welche die vorgegebene Menge übersteigt, ebenfalls zunimmt, kann die Konzentration von Brennstoffgas nach dem Verdünnen reduziert werden.
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Das vorliegende System ist bevorzugt so konfiguriert, dass sich der Staudruck des Ausblasventils in Entsprechung zu der Zuführmenge des Oxidationsgases ändert. Bei einer solchen Konfiguration wird die Änderung der Zuführmenge des Oxidationsgases unmittelbar zu der Änderung des Staudrucks des Ausblasventils. Falls sich die Zuführmenge des Oxidationsgases erhöht, wenn die abgelassene Menge des Brennstoffgases in Folge eines Betriebsausfalls des Ausblasventils größer als die vorgegebene Menge wird, wird nicht nur die Menge des zum Verdünnen verwendeten Oxidationsgases erhöht, sondern der Volumenstrom des durch das Ausblasventil tretenden Brennstoffgases kann begrenzt werden, und die Menge des Brennstoffgases, das durch den Betriebsausfall abgelassen wird, kann effektiv verringert werden.
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Hierbei ist die oben erwähnte erhöhte Menge des Oxidationsgases bevorzugt diejenige Menge, die das Auftreten einer anormalen Oxidationsreaktion unterbinden kann, nachdem das Brennstoffgas mit dem Oxidationsgas verdünnt wird. Der Grund dafür ist, dass es unter dem Gesichtspunkt des Systems bevorzugt ist, wenn das Brennstoffgas auf ein Maß verdünnt wird, bei dem keine Oxidationsreaktion auftritt.
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Darüber hinaus ist die Konfiguration der vorliegenden Erfindung derart, dass der Staudruck des Ausblasventils in Entsprechung zu dem Anstieg der Zuführmenge des Oxidationsgases ansteigt. Beispielsweise ist die Verdünnungseinrichtung so vorgesehen, dass das aus dem Ausblasventil abgelassene Brennstoffabgas mit dem aus der Brennstoffzelle abgelassenen Oxidationsabgas verdünnt wird. Weil der Druck der Verdünnungseinrichtung ansteigt, wenn die Zuführmenge des Oxidationsgases zunimmt, steigt auch der Staudruck des damit verbundenen Ausblasventil an.
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Das System kann zusätzlich auch eine Einrichtung zum Bestimmen der Größe der erforderlichen Last des Brennstoffzellensystems, eine Einrichtung zum Bestimmen einer Größe der Hilfseinheitleistung des Brennstoffzellensystems, und eine Einrichtung zum Bestimmen der Größe der erforderlichen Ausgangsleistung auf der Grundlage der bestimmten Größe der erforderlichen Last und Größe der Hilfseinheitleistung aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Es zeigt:
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1 ein Systemdiagramm des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform;
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2 ein Funktionsblockdiagramm des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform; und
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3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der vorliegenden Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die bevorzugte Ausführungsweise der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform veranschaulicht lediglich eine Ausführungsweise der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, ohne auf diese Ausführungsform beschränkt zu sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellensystem angewendet, das in einem sich bewegenden Objekt wie etwa einem Elektroauto mitgeführt wird.
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1 ist ein Gesamtsystemdiagramm des Brennstoffzellensystems. Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffsystem 10 zum Zuführen von Wasserstoffgas, das als Brennstoffgas für einen Brennstoffzellenstapel 1 dient, ein Oxidationsgassystem 20 zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas, und ein Kühlsystem 30 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 auf.
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Der Brennstoffzellenstapel 1 besitzt einen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Mehrzahl von Zellen, wobei jede Zelle einen Separator mit Kanälen für Wasserstoffgas, Luft und Kühlflüssigkeit, und eine zwischen einem Paar Separatoren angeordnete MEA (Membrane Electrode Assembly; Membranelektrodenanordnung) aufweist. Die MEA besitzt einen Aufbau, bei dem eine Polymerelektrolytmembran zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, angeordnet ist. In der Brennstoffelektrode ist eine Katalysatorschicht für die Brennstoffelektrode auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen, und in der Luftelektrode ist eine Katalysatorschicht für die Luftelektrode auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen. Um in der Brennstoffzelle eine Umkehrreaktion der Elektrolyse von Wasser zu induzieren, wird das Wasserstoffgas, bei dem es sich um ein Brennstoffgas handelt, auf die Seite der Brennstoffelektrode zugeführt, die eine Anode (negative Elektrode) ist, das Oxidationsgas (Luft) wird auf die Seite der Luftelektrode zugeführt, die eine Kathode (positive Elektrode) ist, eine durch Formel (1) dargestellte Reaktion wird auf der Brennstoffelektrodenseite eingeleitet, eine durch Formel (2) dargestellte Reaktion wird auf der Luftelektrodenseite eingeleitet, Elektronen werden zum Umlauf veranlasst, und ein elektrischer Strom fließt. H2 → 2H+ + 2e– (1) 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (2)
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Das Brennstoffsystem 10 weist einen Wasserstofftank 11 als eine Wasserstoffgas-Versorgungsquelle, ein Quellenventil SV1, ein Druckregulierventil RG, ein Brennstoffzelleneinlass-Absperrventil SV2, ein Brennstoffzellenauslass-Absperrventil SV3 über den Brennstoffzellenstapel 10, einen Gas-Flüssigkeit-Separator 12, ein Absperrventil SV4, eine Wasserstoffpumpe 13 und ein Rückschlagventil RV auf.
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Der Wasserstofftank 11 ist mit Wasserstoffgas gefüllt, das unter hohem Druck steht. Eine Vielfalt von Tanks, wie etwa ein Wasserstofftank unter Verwendung einer Wasserstoffspeicherlegierung, ein Wasserstoffzuführmechanismus auf der Basis eines Reformierungsgases, ein Tank für Flüssigwasserstoff, oder ein Tank für verflüssigten Brennstoff können an Stelle des Hochdruckwasserstofftanks verwendet werden. Das Quellenventil SV1 steuert die Zufuhr von Wasserstoffgas. Das Druckregulierventil RG reguliert den Druck im stromabwärtigen Zirkulationspfad. Das Brennstoffzelleneinlass-Absperrventil SV2 und das Brennstoffzellenauslass-Absperrventil SV3 werden beispielsweise geschlossen, wenn die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle angehalten wird. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 12 entfernt Feuchtigkeit, die von der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 während üblicher Operationen erzeugt wird, sowie andere Verunreinigungen aus dem Wasserstoffabgas und gibt sie über das Absperrventil SV4 nach aussen ab. Die Wasserstoffpumpe 13 erzwingt die Zirkulation des in dem Zirkulationspfad vorliegenden Wasserstoffgases auf der Grundlage des Steuersignals der Steuereinheit 2.
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Der Auslasspfad verzweigt sich vor dem Rückschlagventil RV, und ein Ausblasventil SV5, das der Ablasseinrichtung der vorliegenden Erfindung entspricht, ist an dem Auslasspfad vorgesehen. Ein Drucksensor p2 zum Messen des Drucks des Wasserstoffabgases ist auf der Primärseite (stromaufwärtigen Seite) des Ausblasventils SV5 vorgesehen, und ein Drucksensor p3 zum Messen des Drucks des Wasserstoffabgases ist auf der Sekundärseite (stromabwärtigen Seite) des Ausblasventils SV5 vorgesehen.
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Das Oxidationsgassystem 20 weist einen Luftreiniger 21, einen Kompressor 22 und einen Befeuchter 23 auf. Der Luftreiniger 21 reinigt die Aussenluft und führt sie in das Brennstoffzellensystem ein. Der Kompressor 22 ändert die Menge bzw. den Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, durch Komprimieren der eingeführten Luft auf der Grundlage des Steuersignals der Steuereinheit 2. Der Befeuchter 23 erhöht auf geeignete Weise den Feuchtigkeitsgehalt, indem er einen Austausch mit Feuchtigkeit zwischen der Druckluft und dem Kathoden(Luft)-Abgas durchführt. Ein Drucksensor p1 ist benachbart zur Lufteinlassöffnung des Luftreinigers 21 vorgesehen, wodurch eine Erfassung des Aussenluftdrucks (Atmosphärendrucks) ermöglicht wird.
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Das aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgelassene Luftabgas wird einer Verdünnungsvorrichtung 14 zugeführt und mit dem aus dem Ausblasventil SV5 abgelassenen Wasserstoffabgas vermischt. Wenn die Konzentration des Wasserstoffabgases hoch ist, kann daher leicht eine heftige Oxidationsreaktion induziert werden. Ein solcher anormaler Zustand wird deshalb durch Verdünnen des Wasserstoffabgases mit dem Luftabgas verhindert. Im Ergebnis nehmen das Wasserstoffabgas und das Luftabgas einen Druck nahe dem Atmosphärendruck an, und der Druckunterschied zwischen den Beiden ist nicht groß.
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Das vorliegende Brennstoffzellensystem ist so aufgebaut, dass sich der Staudruck des Ausblasventils SV5 in Entsprechung zu der Luftzuführmenge ändert. Wenn sich in dem oben beschriebenen System die Drehzahl des Kompressors 22 des Luftsystems 20 ändert, erreicht die aus dieser Drehzahländerung resultierende Änderung des Versorgungsdrucks der Luft somit die Verdünnungsvorrichtung 14. Weil die Verdünnungsvorrichtung 14 notwendig ist, um das Wasserstoffabgas und das Luftabgas zu verdünnen, besitzt sie einen solchen Aufbau, dass eine Änderung des Drucks eines der Gase eine Änderung des Drucks des anderen Gases nach sich zieht. Der Aufbau ist daher beispielsweise derart, dass bei einem Anstieg des Versorgungsdrucks des Luftsystems 20 der Staudruck des Ausblasventils SV5 über die Verdünnungsvorrichtung 14 ebenfalls ansteigt.
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Die Steuereinheit 2 ist ein allgemein bekanntes Computersystem wie etwa eine ECU (Electric Control Unit; elektrische Steuereinheit), wobei eine CPU (Central Processing Unit; Zentralverarbeitungseinheit), die in der Figur nicht gezeigt ist, nacheinander eine in einem ROM oder dergleichen (in der Figur nicht gezeigt) gespeicherte Software ausführt, wodurch es ermöglicht wird, einen in 2 gezeigten Funktionsblock zu verwirklichen. In der Steuereinheit 2 wird eine große Anzahl von verschiedenen Funktionen einschließlich des Verfahrens der vorliegenden Erfindung an Stelle der Verwendung eines einzelnen Mikroprozessors durch die gemeinsame Wirkung von Funktionen verwirklicht, die von einer Mehrzahl von Mikroprozessoren erfüllt werden, welche jeweils verschiedene Programmmodule ausführen.
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Darüber hinaus weist das Kühlsystem 30 des Brennstoffzellenstapels 1 einen Kühler 31, ein Gebläse 32 und eine Kühlpumpe 33 auf und führt ein flüssiges Kühlmittel so zu, dass es in dem Brennstoffzellenstapel 1 zirkuliert.
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2 ist ein Funktionsblockdiagramm des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen derjenigen Sektion des in 1 gezeigten Aufbaus, die zu der vorliegenden Erfindung beiträgt, und Funktionsblöcken, die durch eine Aufteilung der Steuereinheit 2 in Blöcke auf der Grundlage ihrer Funktionen erhalten werden.
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Wie in 2 gezeigt ist, weist die Steuereinheit 2 unter dem funktionellen Gesichtspunkt eine Berechnungseinrichtung 201 zum Berechnen der Größe der erforderlichen Last, eine Erfassungseinrichtung 202 zum Erfassen der Größe der Hilfseinheitleistung, eine Addiereinrichtung 203, eine Berechnungseinrichtung 204 zum Berechnen der erforderlichen Brennstoffzellenausgangsleistung, eine Ausblasventilstörung-Erfassungseinrichtung 205, eine Verdünnungslufterhöhungsmenge-Berechnungseinrichtung 206, eine Addiereinrichtung 207, eine Luftzufuhrmenge-Berechnungseinrichtung 208, eine Brennstoffzufuhrmenge-Berechnungseinrichtung 209, und eine Ablassvolumenstrom-Berechnungseinrichtung 210 auf.
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Insbesondere liegt das spezifische Merkmal des vorliegenden Brennstoffzellensystems darin, dass die erhöhte Luftmenge, die von der Verdünnungslufterhöhungsmenge-Berechnungseinrichtung 206 berechnet wird, wenn die Anomalieerfassungseinrichtung 205 einen anormalen Betrieb des Ausblasventils SV5 erfasst hat, in der Addiereinrichtung 207 zu der ursprünglichen, von der Berechnungseinrichtung 204 zum Berechnen der erforderlichen Brennstoffzellenausgangsleistung berechneten erforderlichen Luftmenge hinzuaddiert wird und diese ändert.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Operationen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die in der Steuereinheit 2 implementiert werden. Dieses Verarbeitungsmodul wird periodisch oder aperiodisch während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ausgeführt. Die Reihenfolge der Verarbeitung ist lediglich ein Beispiel, und die Reihenfolge von Operationen kann unter der Voraussetzung, dass die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst wird, geändert werden.
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Zuerst wird untersucht (S1), ob in dem Ausblasventil SV5 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anomalie erfasst wurde oder nicht. Eine allgemein bekannte Technik, wie z. B. die in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-92125 beschriebene, kann als ein Verfahren zum Erfassen einer Anomalie in dem Ausblasventil SV5 verwendet werden.
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Beispielsweise wird basierend auf den Ergebnissen einer Ablassvolumenstromberechnung (210) erfasst, ob die Steuereinheit 2 ein Ventilzusteuersignal an das Ausblasventil SV5 ausgegeben hat, und wenn das Ventilzusteuersignal ausgegeben wurde, wird auf das Erfassungssignal des Drucksensors p2 oder p3 Bezug genommen. Falls das Ausblasventil SV5 gemäß dem Steuersignal geschlossen ist, muss der im Zirkulationspfad des Wasserstoffgassystems 10 vorgesehene Primärseitendrucksensor p2 einen Druck angeben, der dem Solldruck des Wasserstoffgases entspricht, welcher aus der erforderlichen Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 1 ermittelt wurde. Wenn der mit dem Drucksensor p2 erfasste Druck niedriger als dieser Solldruck ist, kann angenommen werden, dass Wasserstoffgas aus dem Ausblasventil SV5 ausströmt, und eine Anomalie kann festgestellt werden.
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Darüber hinaus muss, falls das Ausblasventil SV5 gemäß dem Steuersignal geschlossen ist, der auf der stromabwärtigen Seite des Ausblasventils SV5 angeordnete Sekundärseitendrucksensor p3 den Atmosphärendruck anzeigen, der im Wesentlichen mti dem Versorgungsdruck des Luftsystems 20 identisch ist. Somit muss der von dem Drucksensor p3 erfasste Druck nahezu gleich dem Druck sein, der mit dem Drucksensor p1 gemessen wird, welcher den Atmosphärendruck misst. Wenn der von dem Drucksensor p3 erfasste Druck höher als der von dem Drucksensor p1 erfasste Atmosphärendruck ist, kann eine Entscheidung getroffen werden, dass Wasserstoffgas austritt.
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Darüber hinaus, wenn die Differenz zwischen dem von dem Primärseitendrucksensor p2 erfassten Druck und dem von dem Sekundärseitendrucksensor p3 erfassten Druck geringer als der vorgeschriebene Wert ist, strömt das Wasserstoffabgas offensichtlich durch das Ausblasventil SV5. Daher kann erfasst werden, dass sich das Ausblasventil SV5 in einem anormalen Zustand befindet.
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Ob sich das Ausblasventil SV5 in einem anormalen Zustand befindet, wird durch ein beliebiges Erfassungsverfahren bestimmt (S1: 205); falls keine Anomalie erfasst wurde (NEIN), geht der Verarbeitungsablauf weiter zu der nächsten Verarbeitungsoperation, und falls eine Anomalie erfasst wurde (JA), geht der Verarbeitungsablauf weiter zu der Luftmengenänderung-Verarbeitung (S2 to S9) gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Zuerst berechnet die Steuereinheit 2 die erforderliche Lastmenge unter Bezugnahme auf das Erfassungssignal der Fahrpedalbetätigung 3 oder dergleichen (S2; 201). Die erforderliche Lastmenge kann als eine Drehmomentmenge, die von dem Antriebsmotor des beweglichen Objektes ausgegeben werden muss, unter Bezugnahme auf ein Fahrpedalbetätigung-Erfassungssignal bestimmt werden, das durch Erfassen der Fahrpedalverschiebung, eines Schalthebelposition-Erfassungssignals, oder eines Bremsenbetätigung-Erfassungssignals erhalten wird.
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Daraufhin erfasst die Steuereinheit 2 die Größe der Hilfseinheitleistung z. B. eines Kompressors oder einer Pumpe zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (S3; 202). Die Menge von elektrischem Strom, die jeder Hilfseinheit zugeführt wird, kann direkt erfasst und als die Größe der Hilfseinheitleistung verwendet werden, aber es kann auch eine grob geschätzte Größe verwendet werden, für die das entsprechende Verhältnis vorausgehend bestimmt wurde, und die annäherungsweise aus dem Betriebszustand des Systems festgestellt wird.
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Daraufhin summiert die Steuereinheit 2 die Größe der erforderlichen Last und die Größe der Hilfseinheitleistung (203) und berechnet die Größe der erforderlichen Ausgangsleistung, die im Brennstoffzellenstapel 1 erzeugt werden soll (S4: 204).
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Die Steuereinheit 2 berechnet dann die zusätzlich benötigte Luftmenge, die als nötig betrachtet wird, wenn eine Anomalie in dem Ausblasventil SV5 aufgetreten ist und das Ventil trotz des Ventilaufsteuerbefehls nicht offen ist (S6: 206). Diese Lufterhöhungsmenge kann basierend auf verschiedenen Lösungsansätzen eingestellt werden. Zur Vereinfachung kann sie als eine maximale Luftmenge genommen werden, die in diesem Brennstoffzellensystem zugeführt werden kann, d. h. die Menge, die erhalten wird, wenn der Kompressor 22 mit einer maximalen Drehzahl arbeitet. Darüber hinaus kann auf der Grundlage des Volumenstroms des Wasserstoffabgases, das ausströmt, wenn das Ausblasventil SV5 nicht geschlossen ist, die Luftmenge, die bei diesem Volumenstrom zum Verdünnen des Wasserstoffabgases benötigt wird, in einer Umkehrberechnung bestimmt werden, bis ein Wert erhalten wird, bei dem die anormale Oxidationsreaktion nicht auftritt. Der Grund dafür ist, dass die anormale Oxidationsreaktion nicht auftritt, wenn das Wasserstoffabgas eine Konzentration aufweist, die unter einer konstanten Konzentration liegt.
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Die Steuereinheit 2 bestimmt die Lufterhöhungsmenge zum Verdünnen des Wasserstoffabgases, dessen Menge sich aufgrund einer Anomalie des Ausblasventils SV5 erhöht hat, addiert die übliche Luftmenge hinzu, die notwendigerweise aufgrund der Größe der erforderlichen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle eingestellt wird (207), und berechnet die Luftzufuhrmenge, die von dem Kompressor 22 geliefert werden soll (S8: 208). Daraufhin ermittelt die Steuereinheit 2 die Drehzahl (Ansteuergröße) des Kompressors 22, die erforderlich ist, um diese Luftzufuhrmenge zuzuführen, und gibt ein Steuersignal aus, um den Kompressor 22 mit dieser Drehzahl anzusteuern (S9). Wenn sich die Drehzahl des Kompressors 22 erhöht, erhöht sich die Luftmenge, die der Verdünnungsvorrichtung 14 zugeführt wird, und die Konzentration des ausgetretenen Wasserstoffabgases wird verringert.
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Parallel zu der oben beschriebenen Luftmengenänderungsverarbeitung kann die Steuereinheit 2 ein Steuersignal zum Schließen der Absperrventile SV1 bis SV3 ausgeben oder ein Steuersignal zum Verringern der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 13 oder zum Anhalten der Pumpe ausgeben, wodurch eine Verarbeitung durchgeführt wird, welche die Zuführung von Wasserstoffgas verringert oder beendet.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform resultiert die Reihe der oben beschriebenen Operationen in einer vermehrten Luftzuführung, die in der Lage ist, das Wasserstoffabgas zu verdünnen, dessen Menge in Folge der Anomalie des Ausblasventils SV5, trotz des Umstandes, dass diese Anomalie erfasst wurde, zugenommen hat. Daher kann der Betrieb des Systems weitergeführt werden, obgleich eine Anomalie des Ausblasventils aufgetreten ist.
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Es ist ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Verarbeitung, dass eine Erhöhung der Luftmenge es bewirkt, dass die Menge des wegen der Anomalie des Ausblasventils austretenden Wasserstoffabgases verringert wird. Wie eingangs beschrieben wurde, können bei dem vorliegenden Brennstoffzellensystem das Luftsystem 20 und das Wasserstoffgassystem 10 über die Verdünnungsvorrichtung 14 druckgekoppelt sein. Falls der von dem Kompressor 22 gelieferte Luftdruck aufgrund der oben beschriebenen Verarbeitung zunimmt, steigt auch der Staudruck (Druck auf der Sekundärseite) des Ausblasventils SV5 in der Folge dieser Erhöhung des Luftdrucks an. Der Volumenstrom eines Gases, das durch ein Ventil tritt, erhöht sich allgemein mit der Differenz zwischen dem Druck auf der Primärseite und dem Druck auf der Sekundärseite. Bei der vorliegenden Ausführungsform verringert sich die Druckdifferenz zwischen der Primärseite und der Sekundärseite, weil der Staudruck des Ausblasventils SV5 ansteigt, und die Menge von ausströmendem Wasserstoffabgas kann auch ohne Änderungen des Öffnungsgrades des Ausblasventils selbst verringert werden.
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(Andere Ausführungsformen)
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen davon können verwendet werden. Beispielsweise wurde das Brennstoffzellensystem in einem System eines Typs verwendet, bei dem der Zirkulationspfad des Wasserstoffgassystems 10 mit der stromaufwärtigen Seite des Druckregulierventils RV verbunden war, jedoch kann die vorliegende Erfindung auch unmittelbar in einem Brennstoffzellensystem angewendet werden, bei dem der Zirkulationspfad mit der stromabwärtigen Seite des Druckregulierventils RV verbunden ist.
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Darüber hinaus ist das Verfahren zum Erfassen einer Anomalie des Ausblasventils SV5 nicht auf das oben Beschriebene beschränkt, und eine Anomalie des Ausblasventils kann durch eine Vielfalt von Verfahren erfasst werden. Beispielsweise kann der Schätzwert des Drucks des Ausblasventils mit dem tatsächlich gemessenen Wert verglichen werden, oder die Wasserstoffgaskonzentration kann direkt erfasst werden, um festzustellen, ob das Ausblasventil entsprechend dem Konzentrationspegel zuverlässig geschlossen ist.
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Darüber hinaus kann ein anderes Verfahren als das Kompressor-Ansteuerverfahren zum Erhöhen der Luftmenge verwendet werden. Beispielsweise kann eine Konfiguration verwendet werden, bei der ein zum Verdünnen verwendetes Gas (wobei es gleichgültig ist, ob es sich dabei um ein Oxidationsgas handelt) unabhängig von der Luft (Oxidationsgas), die der Brennstoffzelle zugeführt wird, zugeführt und mit dem Brennstoffabgas vermischt wird, anstatt die Menge des Luft(Oxidationsgas)-Abgases von der Brennstoffzelle zu erhöhen. Genauer gesagt kann eine Konfiguration verwendet werden, welche einen Verdünnungsgastank aufweist, und bei dem das Brennstoffabgas durch Zuführen von Verdünnungsgas aus diesem Gastank verdünnt wird, wenn eine Anomalie des Ausblasventils auftritt.
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Gemäß der oben stehenden Beschreibung wird bei der vorliegenden Erfindung die Zuführmenge von Oxidationsgas geändert, wenn eine Anomalie des Betriebs der Ablasseinrichtung (des Ausblasventils) erfasst wird. Daher kann die Konzentration des nach dem Verdünnen abgelassenen Brennstoffgases geändert und verringert werden.
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Somit ist die vorliegende Erfindung allgemein auf Brennstoffzellensysteme mit einem Aufbau anwendbar, bei dem das Brennstoffabgas (ausgeblasenes Wasserstoffgas) mit dem Oxidationsabgas (Luft) verdünnt wird. Ein solches Brennstoffzellensystem kann bei Objekten angewendet werden, die auf der Erde fahren, wie Fahrzeugen; die auf dem Wasser fahren, wie Schiffen; die unter Wasser fahren, wie Unterseebooten; und die in der Luft fliegen, wie Flugzeugen; oder bei stationären Objekten wie Elektrizitätswerken.
