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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Überdruckventil in einer Brenngasleitung angeordnet ist, durch die ein Brenngas strömt, das beispielsweise durch Wasserstoffgas verkörpert ist.
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Im herkömmlichen Sinne ist unter einem solchen Brennstoffzellensystem ein System bekannt, bei dem ein Überdruckventil in einer Brenngasleitung zwischen einem Hochdruck-Wasserstofftank und einer Brennstoffzelle installiert ist (siehe z. B. japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2002-134139 A (Seite 4 und
1). Dieses Überdruckventil wird mechanisch geöffnet, wenn das Brenngas in der Brenngasleitung mit einem vorbestimmten Druck oder höheren Druck beaufschlagt ist, und führt das Brenngas von der Brenngasleitung nach außen ab.
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Ein derart herkömmliches System ist in Bezug auf die Verwendung des Überdruckventils dahingehend wirksam, dass eine Beschädigung der Brennstoffzelle und der Systemkomponente, die durch einen anormal erhöhten Druck verursacht wird, verhindert wird. Nachbehandlungen am Brenngas, das von dem Überdruckventil abgegeben wird, werden jedoch dabei gar nicht in Betracht gezogen, so dass das Umfeld der Abgabestellen mit der Atmosphäre in Austausch steht, die also eine hohe Brenngaskonzentration aufweist.
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KURZFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, ein eine sichere bzw. gefahrlose Konzentration aufweisendes Brenngas angemessen nach außen abzuführen, wenn das Brenngas mit einem anormal hohen Druck beaufschlagt ist.
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Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung folgende Merkmale auf: einen Brenngasleitung, die einer Brennstoffzelle ein Brenngas zuführt; ein Überdruckventil, das in der Brenngasleitung bereitgestellt ist und ein Brenngas nach außen abführt, wenn das Brenngas in der Brenngasleitung mit einem vorbestimmten Druck oder einem höheren Druck beaufschlagt wird; eine externe Abführleitung, die auf einer Gasabführseite des Überdruckventils vorgesehen ist; und eine Gasverarbeitungsvorrichtung, die in der externen Abführleitung bereitgestellt ist und die Konzentration des von dem Überdruckventil abgeführten Brenngases reduziert.
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Da das Überdruckventil in der Brenngasleitung bereitgestellt ist, kann gemäß dieser Konfiguration ermöglicht werden, dass ein Überdruck des Brenngases entweichen und verschiedene Systemkomponenten einschließlich der Brennstoffzelle angemessen geschützt werden können. Außerdem wird ein Brenngas, das von dem Überdruckventil abgeführt wird, in die externe Abführleitung geführt, wodurch die Brenngaskonzentration durch die in der externen Abführleitung angeordnete Gasverarbeitungsvorrichtung reduziert wird. Dementsprechend kann ein Brenngas mit einer sicheren Konzentration nach außen abgeführt werden.
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Hier ist unter dem Begriff „Brenngasleitung” eine Leitung mit einer Zuführleitung zum Zuführen eines neuen Brenngases zu der Brennstoffzelle und eine Zirkulationsleitung zum erneuten Zuführen eines abgeführten Brenngases (bzw. Off-Gas), das von der Brennstoffzelle emittiert wird, zu der Brennstoffzelle zu verstehen. Bei dem Brenngas handelt es sich im Allgemeinen um ein Wasserstoffgas. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist ein stellvertretendes Beispiel für eine Anlage, die mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgerüstet ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Gasverarbeitungsvorrichtung vorzugsweise eine Verdünnungsvorrichtung zum Verdünnen von Brenngas oder eine Oxidationsvorrichtung zum Verbrennen von Brenngas.
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Gemäß dieser Konfiguration kann die Brenngaskonzentration durch die Verdünnungsvorrichtung oder Oxidationsvorrichtung zuverlässig reduziert werden. Im Allgemeinen sind zudem diese Arten von Verdünnungsvorrichtung und dergleichen in einer Emissionsleitung bereitgestellt, die von der Zirkulationsleitung für das abgeführte Brenngas abzweigt, wodurch diese Verdünnungsvorrichtung und dergleichen effektiv dazu verwendet werden kann, das druckentlastete Überdruck-Brenngas zu verarbeiten.
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Vorzugsweise ist die Gasverarbeitungsvorrichtung so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, ein verdünnendes Gas zum Reduzieren der Brenngaskonzentration einzuführen.
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Gemäß dieser Konfiguration kann die Brenngaskonzentration unter Verwendung von nicht nur Sauerstoffgas oder abgeführtem Sauerstoffgas als verdünnendes Gas, sondern auch durch Verwendung eines speziellen inerten Gases oder einer Sekundärluft, die der Brennstoffzelle nicht zugeführt wird, angemessen reduziert werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem verdünnenden Gas um Sauerstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Gemäß dieser Konfiguration ist es nicht notwendig, das spezielle inerte Gas oder eine Sekundärluft, die der Brennstoffzelle nicht zugeführt wird, zu verwenden, um das Brenngas zu verarbeiten. Das druckentlastete Brenngas kann nämlich durch effektives Verwenden von Sauerstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, ohne eine komplizierte Konfiguration verarbeitet werden.
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Vorzugsweise ist die Gasverarbeitungsvorrichtung so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, ein abgeführtes Sauerstoffgas einzuführen, das von der Brennstoffzelle aus dem Sauerstoffgas emittiert wird.
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Entsprechend dieser Konfiguration kann eine einfache Konfiguration bereitgestellt werden.
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Das Brennstoffzellensystem weist ferner vorzugsweise folgende Merkmale auf: eine Sauerstoffgas-Zuführeinrichtung zum Übertragen eines Drucks eines Sauerstoffgases an die Brennstoffzelle; und eine Steuervorrichtung, die die Sauerstoffgas-Zuführeinrichtung antreibt, um ein Sauerstoffgas in die Gasverarbeitungsvorrichtung einzuführen, wenn das Überdruckventil geöffnet wird.
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Gemäß dieser Konfiguration kann ein Sauerstoffgas zuverlässig in die Gasverarbeitungsvorrichtung eingeführt werden, da die Sauerstoffgaszuführeinrichtung angetrieben wird, wenn die Überdruckventile geöffnet sind, und die Verarbeitung des Brenngases kann unter Verwendung eines Sauerstoffgases zuverlässig ausgeführt werden. Es ist zu beachten, dass die Steuervorrichtung die Sauerstoffgaszuführeinrichtung als Reaktion auf den druckentlasteten Betrag des Brenngases antreiben kann oder die Sauerstoffgaszuführeinrichtung bei konstantem Betrieb ungeachtet des druckentlasteten Betrags des Brenngases antreiben kann (kann die Sauerstoffgaszuführeinrichtung mit maximaler Drehzahl antreiben, wenn beispielsweise die Sauerstoffgaszuführeinrichtung ein Kompressor bzw. Verdichter ist).
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Das Brennstoffzellensystem weist vorzugsweise ferner eine Druckerfassungseinrichtung auf, die in der Brenngasleitung angeordnet ist, zum Erfassen des Drucks des Brenngases in der Brenngasleitung. Die Steuervorrichtung treibt die Sauerstoffgaszuführeinrichtung an, wenn die Druckerfassungseinrichtung erfasst, dass der Druck des Brenngases dem vorbestimmten Druck für das Überdruckventil entspricht.
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Gemäß dieser Konfiguration kann die Sauerstoffgaszuführeinrichtung basierend auf der Druckerfassungseinrichtung entsprechend angetrieben werden.
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Das Brennstoffzellensystem weist vorzugsweise ferner folgende Merkmale auf: eine Gaszuführquelle, die an einem Ende stromauf der Brenngasleitung bereitgestellt ist und bei der im Inneren ein Brenngas gespeichert ist; und ein Absperrventil, das in der Brenngasleitung auf einer stromabwärtigen Seite der Gaszuführquelle bereitgestellt ist, bei der es sich um eine Seite stromauf des Überdruckventils handelt, und das durch die Steuervorrichtung geöffnet und geschlossen wird, wobei die Steuervorrichtung auch das Schließen des Absperrventils steuert, wenn die Druckerfassungseinrichtung erfasst, dass der Druck des Brenngases dem vorbestimmten Druck für das Überdruckventil entspricht.
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Gemäß dieser Konfiguration kann eine Abführen des Brenngases von der Gaszuführquelle oder des Überdruckventils entsprechend eingeschränkt werden, da das Absperrventil, bei dem es sich um ein Quellenventil handeln kann, basierend auf der Druckerfassungseinrichtung geschlossen wird.
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Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ferner folgende Merkmale auf: eine Emissionsleitung, die von der Brenngasleitung abzweigt und ein abgeführtes Brenngas emittiert, das von der Brennstoffzelle emittiert wird; und ein Ablassventil, das in der Emissionsleitung angeordnet ist und die Emissionsleitung öffnet und schließt, wobei die Emissionsleitung bewirkt, dass sich eine stromabwärtige Seite des Ablassventils einer Seite stromauf der Gasverarbeitungsvorrichtung in der externen Abführleitung anschließt.
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Im Allgemeinen müssen sowohl das abgeführte Brenngas von dem Ablassventil als auch das von dem Überdruckventil abgeführte Brenngas einem Konzentrationsreduktionsvorgang unterzogen werden, um nach außen abgeführt werden zu können. Indem bewirkt wird, dass die Emissionsleitung und die externe Abführleitung sich auf Basis der vorstehenden Konfiguration miteinander verbinden, ist es nicht erforderlich, speziell für jedes Gas eine Gasverarbeitungsvorrichtung bereitzustellen. Insbesondere kann ein Brenngas, dessen Konzentration reduziert werden muss, angemessen verarbeitet werden, ohne das gesamte System aufwendiger gestalten müssen.
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Bei der Brenngasleitung, mit der die Emissionsleitung verbunden ist, handelt es sich vorzugsweise um die Zirkulationsleitung.
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Ein weiteres Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgende Merkmale auf: eine Brenngasleitung, die der Brennstoffzelle ein Brenngas zuführt; ein Überdruckventil, das in der Brenngasleitung vorgesehen ist und ein Brenngas nach außen abführt, wenn das Brenngas in der Brenngasleitung mit einem vorbestimmten Druck oder höheren Druck beaufschlagt ist; eine Emissionsleitung, die von der Brenngasleitung abzweigt und ein Brenngas, das von der Brennstoffzelle emittiert wird, nach außen emittiert; ein Ablassventil, das in der Emissionsleitung angeordnet ist und die Emissionsleitung öffnet und schließt; eine Gasverarbeitungsvorrichtung, die auf einer stromabwärtigen Seite des Ablassventils in der Emissionsleitung angeordnet ist und die Konzentration des Brenngases reduziert; eine Druckerfassungseinrichtung, die in der Brenngasleitung angeordnet ist, zum Erfassen des Drucks des Brenngases in der Brenngasleitung; und eine Steuervorrichtung, die ein Öffnen und Schließen des Ablassventils basierend auf der Druckerfassungseinrichtung steuert, wobei die Steuervorrichtung das Öffnen des Ablassventils steuert, wenn die Druckerfassungseinrichtung einen Referenzdruck erfasst, der niedriger eingestellt ist als der vorbestimmte Druck des Brenngases.
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Gemäß dieser Konfiguration wird das Ablassventil durch die Steuervorrichtung bei dem Referenzdruck geöffnet, der niedriger ist als der vorbestimmte Druck des Brenngases, bei dem das Überdruckventil geöffnet wird. Daher wird das Ablassventil in dem Fall eines anormalen Druckanstiegs in der Brenngasleitung vor dem Überdruckventil geöffnet, wenn der Druck durch die Druckerfassungseinrichtung überwacht wird.
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Dementsprechend kann ermöglicht werden, dass ein übermäßiger Brenngasdruck mittels des Ablassventils entweichen kann, und verschiedene Systemkomponenten einschließlich der Brennstoffzelle angemessen geschützt werden können. Außerdem kann das Brenngas, das von dem Ablassventil abgeführt wird, verarbeitet werden und ein Brenngas in sicherer Konzentration nach außen emittiert werden, da die Gasverarbeitungsvorrichtung auf der stromabwärtigen Seite des Ablassventils angeordnet ist. Ferner ist das Überdruckventil so konfiguriert, dass es vorläufig nur dann geöffnet wird, wenn ein Druckanstieg selbst dann nicht verhindert werden kann, wenn das Ablassventil geöffnet ist. Da jedoch das Brenngas durch das Überdruckventil im voraus abgeführt wird, muss die Konzentration in der Umgebung der Abgabestellen nicht auf einen verhältnismäßig hohen Wert erhöht werden, selbst wenn das Überdruckventil geöffnet ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem ferner die externe Abführleitung auf, die auf der Gasabführseite des Überdruckventils angeordnet ist, wobei sich die externe Abführleitung vorzugsweise der Emissionsleitung auf der Seite stromauf der Gasverarbeitungsvorrichtung anschließt.
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Dieser Konfiguration entsprechend wird, selbst wenn das Überdruckventil aktiviert ist, ein Brenngas, das von dem Überdruckventil abgeführt wird, an die Gasverarbeitungsvorrichtung über die externe Abführleitung bewegt, wodurch ein Brenngas bei einer sicheren Konzentration zuverlässig nach außen abgeführt wird.
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Vorzugsweise ist die Gasverarbeitungsvorrichtung so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, ein verdünnendes Gas zum Reduzieren der Brenngaskonzentration einzuführen.
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Dieser Konfiguration entsprechend kann genauso wie vorstehend beschrieben die Konzentration des Brenngases unter Verwendung von Sauerstoffgas, abgeführtem Sauerstoffgas, speziellem inerten Gas, Sekundärluft oder dergleichen als verdünnendes Gas entsprechend reduziert werden.
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Bei dem verdünnenden Gas handelt es sich vorzugsweise um Sauerstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Dieser Konfiguration entsprechend kann genauso wie vorstehend beschrieben ein Brenngas ohne Verwendung des speziellen inerten Gases oder der Sekundärluft, die der Brennstoffzelle nicht zugeführt wird, verarbeitet werden.
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Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ferner eine Sauerstoffgaszuführeinrichtung zum Übertragen des Drucks eines Sauerstoffgases an die Brennstoffzelle, wobei die Steuervorrichtung die Sauerstoffgaszuführeinrichtung antreibt, um in die Gasverarbeitungsvorrichtung zeitgleich bzw. taktgleich mit der Steuerung der Öffnung des Ablassventils ein Sauerstoffgas zuzuführen.
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Dieser Konfiguration entsprechend kann das Sauerstoffgas zuverlässig in die Gasverarbeitungsvorrichtung eingeführt werden, da die Sauerstoffzuführeinrichtung angetrieben wird, wenn das Ablassventil geöffnet wird, und eine Verarbeitung des Brenngases kann zuverlässig unter Verwendung des Sauerstoffgases ausgeführt werden.
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Das Brennstoffzellensystem weist ferner vorzugsweise folgende Merkmale auf: eine Gaszuführquelle, die an einem Ende stromauf der Brenngasleitung angeordnet ist und ein darin gespeichertes Brenngas aufweist; und ein Absperrventil, das in der Brenngasleitung auf einer stromabwärtigen Seite der Gaszuführquelle angeordnet ist und durch die Steuervorrichtung geöffnet und geschlossen wird, wobei die Steuervorrichtung auch das Schließen des Absperrventils steuert, wenn die Druckerfassungseinrichtung den Referenzdruck erfasst.
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Dieser Konfiguration entsprechend wird das Absperrventil, bei dem es sich um ein Quellenventil handeln kann, geschlossen, wenn das Ablassventil geöffnet wird, wodurch verhindert werden kann, dass das Brenngas aus der Gaszuführquelle zur Brenngasleitung strömt. Das Brenngas kann entsprechend vom Ablassventil abgeführt werden.
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Wie vorstehend beschrieben wird gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung in dem Fall, wo der Druck des Brenngases in der Brenngasleitung auf einen anormalen Wert ansteigt und das Überdruckventil geöffnet wird, das druckentlastete Brenngas durch die Gasverarbeitungsvorrichtung verarbeitet, wodurch das Brenngas mit einer sicheren Konzentration entsprechend nach außen abgeführt werden kann.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems nach Ausführungsform 1 darstellt;
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2 ein Blockdiagramm, das eine Steuerungskonfiguration des Brennstoffzellensystems nach Ausführungsform 1 darstellt;
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3 ist ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsfluss des Brennstoffzellensystems nach Ausführungsform 2 darstellt;
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4 ist ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsfluss des Brennstoffzellensystems nach Ausführungsform 3 darstellt;
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Das Brennstoffzellensystem nach den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Bei diesem Brennstoffzellensystem ist ein Überdruckventil in einer Brenngasleitung angeordnet, durch die das Brenngas zugeführt wird, eine Gasverarbeitungsvorrichtung wie eine Verdünnungsvorrichtung ist auf einer stromabwärtigen Seite des Überdruckventils angeordnet, wobei die Konzentration des Brenngases, das von dem Überdruckventil abgeführt wird, reduziert und das so erhaltene Brenngas nach außen abgeführt werden kann. Die gesamte Konfiguration des Brennstoffzellensystems wird nachstehend zunächst unter Verwendung von Wasserstoffgas als Beispiel für Brenngas beschrieben, und dann wird ein Verfahren zum Steuern von verschiedenen Anordnungen, die verwendet werden, wenn ein Wasserstoffgas druckentlastet wird, in Form von anderen Ausführungsformen erläutert.
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[Ausführungsformen 1]
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Wie in 1 gezeigt ist, weist ein Brennstoffzellensystem 1 eine Festmolekularelektrolyt-Brennstoffzelle 2 auf, die einen Vorrat von Sauerstoffgas (Luft) und Wasserstoffgas erhält und Leistung erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Stapelstruktur auf, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen gebildet wird. Das Brennstoffzellensystem 1 weist zudem ein Sauerstoffgasleitungssystem 3 zum Zuführen eines Sauerstoffgases zu der Brennstoffzelle 2 und ein Wasserstoffgasleitungssystem 4 zum Zuführen eines Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 2 auf.
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Das Sauerstoffleitungssystem 3 weist folgende Merkmale auf einen Kompressor 12 (Sauerstoffgaszufuhreinrichtung), der ein Sauerstoffgas in der Atmosphäre aufnimmt und es zu einer Befeuchtungseinrichtung 11 pumpt; ein Filter 13, der Staub und dergleichen in einem Sauerstoffgas filtert, das durch den Kompressor 12 aufgenommen worden ist; eine Zuführleitung 14, die ein Sauerstoffgas, das durch die Befeuchtungseinrichtung 11 befeuchtet wird, der Brennstoffzelle 2 zuführt; eine Emissionsleitung 16, die ein abgeführtes Sauerstoffgas, das von der Brennstoffzelle 2 emittiert wird, einem Schalldämpfer 15 über die Befeuchtungseinrichtung 11 zuführt; und ein Gegendruckregulierventil 17, das auf einer Seite stromauf der Befeuchtungseinrichtung 11 in der Emissionsleitung 16 angeordnet ist.
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Der Kompressor 12 weist einen Elektromotor 21 auf, der eine Antriebsquelle ist. Der Antrieb des Elektromotors 21 wird durch eine Steuervorrichtung 5 (Steuereinrichtung), die in 2 gezeigt ist, gesteuert. Der Kompressor 12 kann das Strömungsvolumen des Sauerstoffgases, das zur Brennstoffzelle 2 gepumpt wird, und das Strömungsvolumen des abgeführten Sauerstoffgases, das von der Brennstoffzelle 2 emittiert, erhöhen, indem die Drehzahl des Elektromotors erhöht wird. Das Gegendruckregulierventil 17 ist mit der Steuervorrichtung 5 verbunden und stellt den Druck des Sauerstoffgases in der Brennstoffzelle 2 durch Einstellen des Strömungsvolumens des abgeführten Sauerstoffgases ein.
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Die Befeuchtungseinrichtung 11 tauscht einen Wasserdampf zwischen dem Sauerstoffgas, das bereits gefiltert worden ist, und dem abgeführten Sauerstoffgas aus. Es wird bewirkt, dass das abgeführte Sauerstoffgas, das nach dem Austausch des Wasserdampfs erhalten wird, durch die Emissionsleitung 16 gelangt und sich zum Schalldämpfer 15 bewegt. Das abgeführte Sauerstoffgas, das einer Schallreduktion durch den Schalldämpfer 15 unterzogen wird, wird zu einer Gasverarbeitungsvorrichtung 19 geführt, die in der Emissionsleitung 16 auf einer stromabwärtigen Seite des Schalldämpfers 15 angeordnet ist. Wie nachstehend beschrieben reduziert die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 die Konzentration von Wasserstoffgas oder abgeführtem Wasserstoffgas durch Verwendung eines abgeführten Sauerstoffgases. Das durch die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 verarbeitete Gas wird schließlich als Abgas in die Atmosphäre außerhalb des Systems emittiert.
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Das Wasserstoffgasleitungssystem 4 weist folgende Merkmale auf: einen Wasserstofftank 31 (Gaszuführquelle), in der ein unter hohem Druck stehendes Wasserstoffgas gespeichert ist; eine Zuführleitung 32, die der Brennstoffzelle 2 ein Wasserstoffgas in dem Wasserstofftank 31 zuführt; eine Zirkulationsleitung 33 zum Zurückführen eines abgeführten Wasserstoffgases (Wasserstoffgas, das an keiner Reaktion beteiligt war), das von der Brennstoffzelle 2 emittiert wurde, zu der Zuführleitung 32; eine Wasserstoffpumpe 34, die das abgeführte Wasserstoffgas in der Zirkulationsleitung 33 zu der Zuführleitung 32 zirkulieren lässt; ein Rückschlagventil 35, das in der Zirkulationsleitung 33 auf einer stromabwärtigen Seite der Wasserstoffpumpe 34 angeordnet ist und eine Rückströmung des abgeführten Wasserstoffgases verhindert; und eine Emissionsleitung 36, die von der Zirkulationsleitung 33 abzweigt und in dem abgeführten Wasserstoffgas enthaltene Verunreinigungen und ein abgeführtes Wasserstoffgas zur Gasverarbeitungsvorrichtung 19 führt.
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Der Antriebszustand der Wasserstoffpumpe 34 wird durch die Steuervorrichtung 5 gesteuert. Die Zirkulationsleitung 33 ist mit einer Abzweigung A der Zuführleitung 32 verbunden, und ein Mischgas aus neuem Wasserstoffgas und abgeführtem Wasserstoffgas, die an der Abzweigung A aufeinander treffen, wird der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Insbesondere besteht eine Wasserstoffgasleitung 38 (Brenngasleitung) zum Zuführen eines Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 2 aus der Zirkulationsleitung 33 und der Leitung 32. Die Emissionsleitung 36 ist mit einem Ablassventil 39 versehen. Das Ablassventil 39 funktioniert als ein Absperrventil, das die Emissionsleitung 36 öffnet und schließt. Das Ablassventil 39 wird durch die Steuervorrichtung 5 geöffnet und geschlossen und ist normalerweise geschlossen, wenn das Brennstoffzellensystem 1 betrieben wird. Durch Öffnen des Ablassventils 39 wird ein abgeführtes Wasserstoffgas über die Emissionsleitung 36 zu der Gasverarbeitungsvorrichtung 19 geführt.
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Die Zuführleitung 32 ist angefangen von der Seite, auf der sich der Wasserstofftank 31 befindet, mit folgenden Merkmalen versehen: einem ersten Regler 51 zur ersten Druckreduktion, der den Druck des Wasserstoffgases, das aus dem Wasserstofftank 31 herausströmt, reduziert; einem Absperrventil 52, das die Zuführleitung 32 öffnet und schließt; einem zweiten Regler 53 für eine zweite Druckreduktion, der den Druck des Wasserstoffgases, das durch den ersten Regler 51 druckentlastet worden ist, weiter reduziert; und einem dritten Regler 54 für eine dritte Druckreduktion, der den Druck des Wasserstoffgases, das durch den zweiten Regler 53 druckentlastet wurde, weiter reduziert. Das einen regulierten Druck aufweisende Wasserstoffgas wird der Brennstoffzelle 2 durch diese Regler 51, 53 und 54 zugeführt. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Regler reine Ermessenssache ist.
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Weiter ist in der Nähe einer Einlassseite der Brennstoffzelle 2 auf der Zuführleitung 32 ein einlassseitiges Absperrventil 55 zum Öffnen und Schließen der Zuführleitung 32 vorgesehen, und ein auslassseitiges Absperrventil 56 zum Öffnen und Schließen der Zirkulationsleitung 33 ist in der Nähe einer Auslassseite der Brennstoffzelle 2 auf der Zirkulationsleitung 33 vorgesehen. Das einlassseitige Absperrventil 55 und das auslassseitige Absperrventil 56 werden jeweils durch die Steuervorrichtung 5 geöffnet und geschlossen. Ferner ist in der Wasserstoffgasleitung 38, die aus der Zuführleitung 32 und der Zirkulationsleitung 33 besteht, eine Mehrzahl von Überdruckventilen 57 so verteilt angeordnet, dass sie von der Wasserstoffgasleitung 38 abzweigen, und eine Mehrzahl von Drucksensoren 58 (Druckerfassungseinrichtung) zum Erfassen des Drucks des Wasserstoffs oder abgeführten Wasserstoffgases ist in der Wasserstoffgasleitung 38 ebenfalls verteilt angeordnet.
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Die Überdruckventile 57 werden aktiviert, wenn das Wasserstoffgas oder abgeführte Wasserstoffgas in der Wasserstoffgasleitung 38 auf einen vorbestimmten Wert mit Druck beaufschlagt ist, und führen ein Wasserstoffgas oder abgeführtes Wasserstoffgas nach außen ab. Die Überdruckventile 57 werden durch den Druck des Wasserstoffgases oder abgeführten Wasserstoffgases mechanisch aktiviert, und weisen beispielsweise eine Ventilscheibe, die so konstruiert ist, dass sie in Bezug auf einen Ventilsitz abnehmbar ist, und eine druckregulierende Feder auf, die die Ventilscheibe in Richtung des Ventilsitzes vorspannt. Wenn der Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 den niedrigsten Arbeitsdruck (vorbestimmten Druck) erreicht, widersetzt sich die Ventilscheibe der Vorspannkraft der druckregulierenden Feder, um sich vom Ventilsitz zu lösen. Dementsprechend werden die Überdruckventile 57 in den geöffneten Zustand gebracht und ermöglichen dem Wasserstoffgas oder dem abgeführten Wasserstoffgas zur Gasabführseite zu strömen (abgeführt zu werden).
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Zuführleitung 32 mit zwei Überdruckventilen 57 und die Zirkulationsleitung 33 mit einem Überdruckventil 57 versehen. Eines der Überdruckventile 57, das in der Zuführleitung 32 vorgesehen ist, ist auf einer stromabwärtigen Seite des Absperrventils 52 angeordnet und wird geöffnet, wenn der Druck des Wasserstoffgases in der Zuführleitung 32, die sich von dem ersten Regler 51 zu dem zweiten Regler 53 erstreckt, auf einen vorbestimmten Solldruck oder auf einen darüber liegenden Wert ansteigt. Das andere der Überdruckventile 57, das in der Zuführleitung 32 vorgesehen ist, ist hingegen auf einer stromabwärtigen Seite des zweiten Reglers 53 angeordnet und wird geöffnet, wenn der Druck des Wasserstoffgases in der Zuführleitung 32, die sich von dem zweiten Regler 53 zu dem dritten Regler 54 erstreckt, auf einen vorbestimmten Solldruck oder einen darüber liegenden Wert ansteigt.
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Das Überdruckventil 57, das in der Zirkulationsleitung 33 vorgesehen ist, ist auf einer stromabwärtigen Seite der Wasserstoffpumpe 34 angeordnet und wird geöffnet, wenn der Druck des abgeführten Wasserstoffgases in der Zirkulationsleitung 33 in der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffpumpe 34 auf einen vorbestimmten Solldruck oder einen darüber liegenden Druck ansteigt. Ferner wird dieses Überdruckventil 57 geöffnet, wenn der Druck des Mischgases (Wasserstoffgas und abgeführtes Wasserstoffgas) in der Zuführleitung 32, die sich von dem dritten Regler 54 zu der Brennstoffzelle 2 über die Abzweigung A erstreckt, auf einen vorbestimmten Solldruck oder einen darüber liegenden Wert ansteigt.
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Die Gasabführseite eines jeden Überdruckventils 57 ist mit einer externen Abführleitung 59 versehen, und ein stromabwärtiges Ende der externen Abführleitung 59 schließt sich der Emissionsleitung 36 an und steht mit der Gasverarbeitungsvorrichtung 19 in Verbindung. In anderen Worten ist die Mehrzahl der externen Abführleitungen 59 mit einer einzigen Gasverarbeitungsvorrichtung 19 versehen, und ein Wasserstoffgas oder ein abgeführtes Wasserstoffgas wird von der Mehrzahl der Überdruckventile 57 durch eine jeweilige externe Abführleitung 59 bewegt, um die in die einzige Gasverarbeitungsvorrichtung 19 zu strömen. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Überdruckventile 57 und die Anzahl der Drucksensoren 58 reine Ermessenssache ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind vier Drucksensoren 58 vorgesehen, wobei drei von ihnen in der Nähe der Seite stromauf der Überdruckventile 57 vorgesehen sind, und eines ist in der Zuführleitung 32 auf der stromabwärtigen Seite der Abzweigung A vorgesehen ist.
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Die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 reduziert die Konzentration von Wasserstoffgas oder abgeführtem Wasserstoffgas von den Überdruckventilen 57 oder dem Ablassventil 39 (wobei das Gas nachstehend als „Überdruckgas” abgekürzt wird), indem ein abgeführtes Sauerstoffgas verwendet wird. Die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 besteht aus der Verdünnungsvorrichtung, die die Konzentration von Wasserstoff in einem Überdruckgas reduziert, beispielsweise indem ein abgeführtes Sauerstoffgas und ein Überdruckgas vermischt werden. Alternativ besteht die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 aus der Oxidationsvorrichtung, die die Konzentration des Wasserstoffs in dem Überdruckgas reduziert, beispielsweise indem ein Überdruckgases mit dem abgeführten Sauerstoff oxidiert wird (Verbrennungsvorgang). Ein durch die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 verarbeitetes Abgas wird in die Atmosphäre außerhalb des Systems emittiert.
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Es ist zu beachten, dass das verdünnende Gas zum Reduzieren der Konzentration des Überdruckgases, das in die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 eingeführt wurde, nicht auf ein abgeführtes Sauerstoffgas begrenzt ist. Für diesen Typ von verdünnendem Gas kann beispielsweise ein Sauerstoffgas verwendet werden, das von dem Kompressor 12 zur Brennstoffzelle 2 über die Zuführleitung 14 gepumpt wird, oder es kann Sekundärluft, die der Brennstoffzelle 2 nicht zugeführt wird, oder inertes Gas, wie z. B. Stickstoff, verwendet werden. Vor allem wird durch die Verwendung des Sauerstoffgases (abgeführten Sauerstoffgases), das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, das Brennstoffzellensystem 1 wie bei der vorliegenden Ausführungsform nicht aufwendiger gestaltet.
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Wie vorstehend beschrieben kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform, selbst in dem Fall, wo der Druck des Wasserstoffgases oder abgeführten Wasserstoffgases infolge von Problemen wie z. B. einem Ausfall der Regler (51, 53 und 54) des Wasserstoffgasleitungssystems 4 auf einen anormalen Druck ansteigt, ein Überdruck des Wasserstoffgases oder abgeführten Wasserstoffgases entweichen, da die Überdruckventile 57 in der Wasserstoffleitung 38 vorgesehen sind. Dementsprechend kann eine Beschädigung der Brennstoffzelle 2 aufgrund eines anormal erhöhten Drucks in der Wasserstoffgasleitungssystems 4 und eine Beschädigung der Systemkomponenten entsprechend verhindert werden. Da außerdem ein Überdruckgas, wie z. B. Wasserstoffgas, das von den Überdruckventilen 57 abgeführt wird, durch die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 verarbeitet wird, kann schließlich ein Überdruckgas bei einer sicheren Konzentration entsprechend in die Atmosphäre entlastet werden.
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[Ausführungsform 2]
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Anschließend wird das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Ausführungsform 2 unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Systemkomponenten in Verbindung mit einer Abführung von Überdruckgas, die durch die Überdruckventile 57 bewirkt wird, gesteuert.
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Die Steuervorrichtung 5 (ECU), die in 2 gezeigt ist, weist eine, wenn auch nicht dargestellte, CPU, einen ROM, der ein Steuerprogramm oder Steuerdaten, die durch die CPU verarbeitet werden, speichert, einen RAM, der als verschiedene Arbeitsbereiche zur hauptsächlichen Ausführung einer Steuerverarbeitung verwendet wird, und eine I/O-Schnittstelle auf, und diese sind miteinander über einen Bus verbunden. Verschiedene Antriebseinrichtungen zum Antreiben des Elektromotors 21 des Kompressors 12, der Wasserstoffpumpe 34, eines Gegendruck-Regulierventils 17, eines Absperrventils 52, eines einlassseitigen Absperrventils 55, eines auslassseitigen Absperrventils 56, eines Ablassventils 39 und dergleichen sowie die Mehrzahl der Drucksensoren 58 sind mit der I/O-Schnittstelle verbunden.
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Gemäß der vorstehenden Konstruktion gibt die CPU ein Erfassungssignal eines jeweiligen Drucksensors 58 über die I/O-Schnittstelle gemäß dem Steuerprogramm innerhalb des ROM ein, verarbeitet verschiedene Daten und dergleichen innerhalb des RAM und gibt dann ein Steuersignal an die verschiedenen Antriebseinrichtungen über die I/O-Schnittstelle aus, wodurch das gesamte Brennstoffzellensystem 1 gesteuert wird.
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Wie in beispielsweise 3 gezeigt ist, erfasst die Mehrzahl der Drucksensoren 58 in angemessener Weise den Druck in der Wasserstoffgasleitung 38, während sich das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb befindet (S1). Wenn der durch die Drucksensoren 58 erfasste Druck zumindest ein Betriebsstartdruck (vorbestimmter Druck) für die Überdruckventile 57 ist (S2), wird durch die Steuervorrichtung 5 angenommen (bestimmt), dass die Überdruckventile 57 bereits geöffnet sind und ein Überdruckgas abgeführt wird (S3). Wenn der Drucksensor 58 auf der stromabwärtigen Seite des zweiten Reglers 53 erfasst, dass der Druck des Wasserstoffgases in der Zuführleitung 32 zumindest der Betriebsstartdruck für das Überdruckventil 57 in der Nähe des Drucksensors 58 ist, bestimmt die Steuervorrichtung 5, dass dieses Überdruckventil 57 geöffnet wird.
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Wenn die Steuervorrichtung 5 dann bestimmt, dass das Überdruckventil 57 geöffnet wird, steuert die Steuervorrichtung 5 die Schließung des Absperrventils 52, das sich auf der stromabwärtigen Seite des Wasserstofftanks 31 und auf der Seite stromauf von allen Überdruckventilen 57 befindet (S4). Da das Absperrventil 52 als ein Quellenventil des Wasserstofftanks 31 dementsprechend geschlossen ist, kann verhindert werden, dass das Wasserstoffgas weiter aus der Zuführleitung 32 von dem Wasserstofftank 31 herausströmt, und ein Überdruckgas kann angemessen und umgehend von dem Überdruckventil 57 abgeführt werden.
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Weiter steuert die Steuervorrichtung 5 den Kompressor 12, um die Drehzahl des Elektromotors 21 des Kompressors 12 zu erhöhen (S5). Dementsprechend steigt das Strömungsvolumen des Sauerstoffgases, das zu der Brennstoffzelle 2 gepumpt wird, und das Strömungsvolumen des abgeführten Sauerstoffgases, das von der Brennstoffzelle 2 emittiert wird, an. Dabei steigt auch das Strömungsvolumen des abgeführten Sauerstoffgases, das der Gasverarbeitungsvorrichtung 19 zugeführt wird, ebenfalls an, und die Konzentration des Überdruckgases kann unter Verwendung des abgeführten Sauerstoffgases in der Gasverarbeitungsvorrichtung 19 zuverlässig reduziert werden.
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Dabei kann die Antriebssteuerung des Kompressors 12 die Drehzahl des Elektromotors 21 des Kompressors 12 basierend auf der Größe eines Werts ändern, der durch die Drucksensoren 58 erfasst wird, doch der Elektromotor 21 kann bei der maximalen Drehzahl auch ungeachtet der Größe des erfassten Werts angetrieben werden. Es wird in jedem Fall in erster Linie der Differentialdruck zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle 2 vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten, in dem der Öffnungsgrad des Gegendruck-Regulierventils 17 mittels der Steuervorrichtung 5 angepasst wird.
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Es ist zu beachten, dass, anstelle der Verwendung der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform, ein Schritt 5 (S5) vor dem vorstehend erwähnten Schritt 4 (S4) gestartet werden kann. In dem Fall, wo die Steuervorrichtung 5 bei Schritt 3 (S3) bestimmt, dass die Überdruckventile 57 geöffnet werden, ist es außerdem bevorzugt, dass die Steuervorrichtung 5 die Öffnung von sowohl dem einlassseitigen Absperrventil 55 als auch dem auslassseitigen Absperrventil 56 zuverlässig steuert. Ferner steuert bei Schritt 3 (S3) die Steuervorrichtung 5 die Öffnung des Ablassventils 39, um ein abgeführtes Wasserstoffgas von dem Ablassventil 39 abzuführen, wobei der Überdruckzustand in dem Wasserstoffgasleitungssystem 4 umgehend auf einen vorbestimmten Druckzustand zurückversetzt werden kann.
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Bei der vorstehenden Ausführungsform werden außerdem Schritt 4 (S4) und Schritt 5 (S5) ausgeführt, wenn der durch die Drucksensoren 58 erfasste Druck zumindest der Betriebsstartdruck der Überdruckventile 57 ist. Jedoch kann stattdessen Schritt 4 und Schritt 5 ausgeführt werden, wenn die Drucksensoren 58 den vorbestimmten Druck erfassen, der niedriger ist als der Betriebsstartdruck für die Überdruckventile 57. Richtet man beispielsweise das Augenmerk auf Schritt 5, so kann unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sauerstoffgases der Betriebsbetrag durch den Kompressor 12 vor dem Betriebsstartdruck für die Überdruckventile 57 erhöht werden. Insbesondere weist die vorliegende Ausführungsform ein Steuern des Antriebs des Kompressors 12 und das Schließen des Absperrventils 52 auf, wenn der Drucksensor 58 erfasst, dass der Druck des Überdruckgases dem vorbestimmten Druck für die Überdruckventile entspricht.
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[Ausführungsform 3]
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Anschließend wird das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Ausführungsform 3 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Ablassventil 39 vor dem Starten eines Betriebs der Überdruckventile 57 geöffnet, wenn der Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 auf einen abnormen Wert ansteigt. Die Steuervorrichtung 5 steuert das Öffnen und Schließen des Ablassventils 39 basierend auf den Ergebnissen der Erfassung, die durch die Mehrzahl der Drucksensoren 58 ausgeführt wird. Der Steuerstartdruck (Referenzdruck), der der Steuerung der Öffnung des Ablassventils 39 mittels der Steuervorrichtung 5 im Fall eines abnormal erhöhten Drucks dient, ist jedoch niedriger eingestellt als der Betriebsstartdruck für die Überdruckventile 57.
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Wie in 4 gezeigt ist, erfasst die Mehrzahl der Drucksensoren 58 entsprechend den Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 (S11), während das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist. In dem Fall, wo der Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 auf einen abnormalen Schwellwert oder darüber ansteigt, d. h. in dem Fall, wo ein Druckwert, der durch die Drucksensoren 58 erfasst wird, zumindest der Steuerstartdruck des Ablassventils 39 ist (S12), steuert die Steuervorrichtung 5, in die das erfasste Signal eingegeben wird, das Schließen des Absperrventils 51 (S13) und steuert das Öffnen des Ablassventils 39 (S14). Indem das Ablassventil 39 in den offenen Zustand versetzt wird, wird ein abgeführtes Wasserstoffgas in der Zirkulationsleitung 33 in die Emissionsleitung 36 abgeführt, wodurch der Überdruck angemessen entweichen kann.
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Dabei kann die Steuervorrichtung 5 die Öffnung des Ablassventils 39 so steuern, dass das Ablassventil 39 ein Öffnen und Schließen intermittierend wiederholt, oder kann das Öffnen des Ablassventils 39 nur für eine vorbestimmte Zeitdauer steuern, die ausreicht, damit der Überdruck entweichen kann. Dann kann gleichzeitig mit der Steuerung der Öffnung des Ablassventils 39 durch Steuern des Antriebszustands des Elektromotors 21 des Kompressors 12 mittels der Steuervorrichtung 5 (S15) in der Gasverarbeitungsvorrichtung 19 ein abgeführtes Wasserstoffgas, das von der Emissionsleitung 36 geführt wird, wenn das Ablassventil 39 geöffnet wird, unter Verwendung eines abgeführten Sauerstoffgases zuverlässig verarbeitet werden. Es ist zu beachten, dass in diesem Moment der Antriebszustand des Kompressors 12 durch Antreiben des Elektromotors 21 bei maximaler Drehzahl oder durch Verändern der Drehzahl des Elektromotors 21 gemäß dem Betriebszustand des Ablassventils 39 gesteuert werden kann. In letzterem Fall kann die Drehzahl des Elektromotors 21 gemäß beispielsweise den Zeitintervallen, in denen das Ablassventil 39 geöffnet und geschlossen wird, die Anzahl der Betriebsabläufe des Öffnens und Schließens, die Zeit, in der das Ablassventil 39 geöffnet ist, und dergleichen geändert werden.
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Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Ablassventil 39 geöffnet, wenn der Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 auf einen abnormalen Wert ansteigt, wodurch eine Beschädigung der Brennstoffzelle 2 und der Systembauteile, die durch einen abnormal angestiegenen Druck bewirkt werden, angemessen verhindert werden kann. Weiter wird die Konzentration des abgeführten Wasserstoffgases von dem Ablassventil 39 einer Reduktionsverarbeitung durch die Gasverarbeitungsvorrichtung 19 unterzogen, wodurch letztlich ein Überdruckgas bei einer sicheren Konzentration angemessen in die Atmosphäre emittiert werden kann. In dem Fall, wo der Anstieg des Drucks selbst mittels einer Reihe von Steuerungen, einschließlich der Öffnung und Schließung des Ablassventils 39, wie vorstehend beschrieben, nicht verhindert werden kann, und wo der Druck in der Wasserstoffgasleitung 38 den Betriebsstartdruck für die Überdruckventile 57 erreicht, werden die Überdruckventile 57 mechanisch betätigt und geöffnet. Daher kann dem Überdruck in der Wasserstoffgasleitung 38 ein Entweichen zuverlässig ermöglicht werden. In anderen Worten kann ein ausfallsicheres Verhalten in optimaler Weise erreicht werden.
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Es ist zu beachten, dass vor Schritt 14 (S14), bei dem das Ablassventil 39 geöffnet wird, es zu bevorzugen ist, dass die Steuervorrichtung 5 die Öffnung und Schließung von sowohl dem einlassseitigen Absperrventil 55 als auch dem auslassseitigen Absperrventil 56 zuverlässig steuert. Wie bei Ausführungsform 2 wird ferner bei der Steuerung des Antriebszustands des Kompressors 12 (S15) bevorzugt, dass die Steuervorrichtung 5 den Grad der Öffnung des Gegendruck-Regulierventils 17 anpasst, um den Differentialdruck zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 2 innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten.
