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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
mit Brennstoffzellen und ein Ansteuerverfahren des Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Die
Zufuhr eines wasserstoffhaltigen Brennstoffgases zu Anoden ist für eine Energieerzeugung von
Brennstoffzellen notwendig. Verschiedene Sicherheitsmaßnahmen
werden herkömmlicherweise in
einem Zufuhrsystem des Brennstoffgases eingesetzt. Speziell in einem
System, das eine Zufuhrquelle für
unter hohem Druck stehendes wasserstoffhaltiges Gas verwendet (zum
Beispiel einen Wasserstofftank), und ein unter Hochdruck stehendes
Brennstoffgas Brennstoffzellen zuführt, sind effektive Maßnahmen
entscheidend, um eine versagende Druckregulierung von in die Brennstoffzellen
zugeführtem Gas
adäquat
zu bewältigen.
Die Zufuhr eines unter Überdruck
stehenden Brennstoffgases in die Brennstoffzellen kann die Brennstoffzellen
beschädigen. Eine
mögliche
Maßnahme
verwendet ein Ablassventil, das in einem Zuführdurchflussweg zum Zuführen von
Wasserstoffgas zu den Brennstoffzellen angeordnet ist, und bei einem
voreingestellten Druckniveau geöffnet
wird. Das Ablassventil wird geöffnet, um
das Wasserstoffgas nach Außen
aus dem Zuführdurchflussweg
abzulassen, wenn der Druck des Wasserstoffgases das voreingestellte
Druckniveau übersteigt.
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Bei
dem Aufbau des Verwendens des Ablassventils, um das Wasserstoffgas
nach Außen
abzulassen, muss ein Wasserstoffabgassystem mit dem Ablassventil
zum Minimieren der Konzentration von brennbarem Wasserstoff, der
nach Außen
abgelassen wird, entworfen werden. Die Länge einer Durchflusswegleitung,
die mit dem Ablassventil verbunden ist, die Gestaltung des Ablassventils
und des Durchflusswegrohrs, und die Richtung eines Abgasausgangs
zum Ablassen des Wasserstoffgases nach Außen sollte spezifiziert sein,
um die Diffusion des nach Außen
abgelassenen Wasserstoffgases zu beschleunigen. Bei einer Anwendung
des Brennstoffzellensystems als eine Antriebsenergiequelle eines Fahrzeugs
oder eines anderen beweglichen Körpers gibt
es eine Raumbegrenzung für
das Brennstoffzellensystem. Die Raumbegrenzung schränkt die
Gestaltung des bei dem Ablassen des Wasserstoffgases einbezogenen
Leitungssystems ein.
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Offenbarung der Erfindung
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Zum
Lösen des
vorstehend beschriebenen Problems des Standes der Technik gibt es
eine Notwendigkeit zum Einschränken
oder Vermeiden eines übermäßigen Anstiegs
des Drucks eines Brennstoffgases, das Brennstoffzellen zugeführt wird,
ohne eine Gestaltungseinschränkung
bei einem Brennstoffzellensystem aufzuerlegen.
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Um
mindestens einem Teil des Vorstehenden und der weiteren diesbezüglichen
Anforderungen zu genügen,
bezieht sich ein Aspekt der gegenwärtigen Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem mit
Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem der Erfindung hat:
einen Wasserstoffzufuhrdurchflussweg, der den Brennstoffzellen ein
wasserstoffhaltiges Brennstoffgas zuführt; einen ersten Drucksensor,
der einen internen Druck des Wasserstoffzufuhrdurchflusswegs erfasst;
ein Absperrventil, das geschlossen wird, um den Wasserstoffzufuhrdurchflussweg abzutrennen;
und eine Zufuhrabstellsteuerung, die das Absperrventil schließt, wenn
der interne Druck des Wasserstoffzufuhrdurchflusswegs, der durch
den ersten Drucksensor erfasst wird, ein voreingestelltes erstes
Referenzniveau übersteigt.
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Das
Brennstoffzellensystem der Erfindung schließt das Absperrventil als Folge
eines Anstiegs des internen Drucks des Wasserstoffzufuhrdurchflusswegs über das
erste Referenzniveau. Dieser Aufbau verhindert effektiv die schlechte
Haltbarkeit der Brennstoffzellen aufgrund des Anlegens eines Überdrucks
an die Brennstoffzellen. Hier wird keine Gestaltungseinschränkung des
Brennstoffzellensystems zum Einschränken oder Verhindern eines übermäßigen Anstiegs
des Drucks des Brennstoffgases aufgezwungen.
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Die
Technologie der Erfindung ist nicht auf das Brennstoffzellensystem
beschränkt,
sondern wird durch die Vielfältigkeit
von anderen Anwendungen, zum Beispiel ein Ansteuerverfahren des
Brennstoffzellensystems und einem beweglichen Körper, der mit dem Brennstoffzellensystem
der Erfindung als eine Antriebsenergiequelle ausgestattet ist, realisiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems
in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht;
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2 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines elektrischen
Fahrzeugs veranschaulicht; und
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3 ist
ein Flussdiagramm, das eine Wasserstoffüberdrucküberwachungsroutine zeigt.
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Beste Methoden zum Ausführen der
Erfindung
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Eine
Methode zum Ausführen
der Erfindung ist nachstehend als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
mit Bezug auf die anhängenden
Zeichnungen beschrieben.
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A. Allgemeiner Systemaufbau
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines Teils, der bei
Energieerzeugung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem 10 in
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung beteiligt ist, veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 10 des
Ausführungsbeispiels
ist an einem Fahrzeug angebracht, und wird als eine Antriebsenergiequelle
für das
Fahrzeug verwendet. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst
Brennstoffzellen 22, einen Wasserstofftank 23 zum
Speichern von Wasserstoff, der den Brennstoffzellen 22 zuzuführen ist,
und einen Luftkompressor 24 zum Speisen der komprimierten
Luft an die Brennstoffzellen 22. Die Brennstoffzellen 22 können jegliche
Typen von Brennstoffzellen sein, und sind in diesem Ausführungsbeispiel Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen.
Die Brennstoffzellen 22 sind ausgebildet, um eine Stapelstruktur von
mehreren Zelleneinheiten aufzuweisen.
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Der
Wasserstofftank 23 kann ein Wasserstoffzylinder zum Speichern
von Hochdruckwasserstoff sein, oder eine Wasserstoffspeicherlegierung umfassen,
um darin Wasserstoff zum Speichern zu absorbieren. Das in dem Wasserstofftank 23 gespeicherte
Wasserstoffgas wird zu einer Wasserstoffzufuhrleitung 60,
die mit dem Wasserstofftank 23 verbunden ist, freigesetzt,
auf ein voreingestelltes Druckniveau über ein Druckregulierventil 62 reguliert (reduziert),
und wird als ein Brennstoffgas an Anoden entsprechender Zelleneinheiten
in dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt. Ein Anodenabgas, das von den
Anoden der Brennstoffzellen 22 freigesetzt wird, wird durch
eine Anodenabgasleitung 63 geführt, und strömt in die
Wasserstoffzufuhrleitung 60. Der in dem Anodenabgas verbleibende
Wasserstoff wird durch einen Durchflussweg, der durch einen Bereich
der Wasserstoffzufuhrleitung 60, der Anodenabgasleitung 63 und
inneren Durchflusswegen der Brennstoffzellen 22 ausgebildet
ist, zirkuliert (nachstehend als „Zirkulationsdurchflussweg" bezeichnet), und
wird wiederum für
die elektrochemische Reaktion zugeführt. Die Menge von Wasserstoff,
die dem Verbrauch durch die elektrochemische Reaktion entspricht,
wird von dem Wasserstofftank 23 zu dem Zirkulationsdurchflussweg über das
Druckregulierventil 62 ergänzt. Die Anodenabgasleitung 63 ist
mit einer Wasserstoffpumpe 65 zum Zirkulieren des Anodenabgases
durch den Zirkulationsdurchflussweg ausgestattet.
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Ein
Absperrventil 61 ist stromaufwärts des Druckregulierventils 62 in
der Wasserstoffzufuhrleitung 60 bereitgestellt. Das Absperrventil 61 wird
in dem Stopp-Zustand
einer Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 geschlossen,
um die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 23 zu den
Brennstoffzellen 22 zu unterbrechen. Die Steuerung dieses
Ausführungsbeispiels
schließt
ebenso das Absperrventil 61 als Folge einer Erfassung eines übermäßigen Anstiegs
des Drucks des den Brennstoffzellen 22 zugeführten Brennstoffgases.
Die auf dem Brennstoffgasdruck basierende Steuerung wird nachstehend
im Detail beschrieben. Das Absperrventil 61 ist zum Beispiel
ein direkt betriebenes Absperrventil oder ein Pilotabsperrventil.
Die Wasserstoffzufuhrleitung 60 hat ebenso einen Drucksensor 50,
der sich stromaufwärts
des Absperrventils 61 befindet, um den inneren Druck der
Wasserstoffzufuhrleitung 60 zu erfassen. Ein weiterer Drucksensor 52 ist
stromabwärts
des Druckregulierventils 62 in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 bereitgestellt.
Die Anodenabgasleitung 63 ist ebenso mit einem Drucksensor 54 ausgestattet.
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Die
Anodenabgasleitung 63 weist einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 27 auf.
Bei dem Fortschritt der elektrochemischen Reaktion wird Wasser an
den Kathoden der Brennstoffzellen 22 erzeugt, und dringt
durch Elekrtolytmembrane in das zu den Anoden der Brennstoffzellen 22 zugeführte Brennstoffgas
ein. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 27 kondensiert
den in dem Anodenabgas enthaltenen Wasserdampf und entfernt das
kondensierte Wasser aus dem Anodenabgas.
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Der
Gas-Flüssigkeits-Abscheider 27 weist ein
Ventil 27a auf. In einer offenen Position des Ventils 27a wird
das in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 27 kondensierte
Wasser durch eine Abgasausstoßleitung 64,
die mit dem Ventil 27a verbunden ist, nach Außen ausgestoßen. In
der geöffneten
Position des Ventils 27a wird ein Teil des Anodenabgases,
das durch die Anodenabgasleitung 63 strömt, nach Außen ausgestoßen, zusammen
mit dem kondensierten Wasser. Während
eines Betriebs der Brennstoffzellen 22 wird nicht nur das
kondensierte Wasser, sondern Stickstoff und gasförmige Komponenten in der Luft,
die den Kathoden zugeführt
werden, von den Kathoden durch die Elektrolytmembranen in das durch die
Anoden fließende
wasserstoffhaltige Gas eingebracht. Im Zuge einer kontinuierlichen
Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 besitzt
das wasserstoffhaltige Gas, das durch den Zirkulationsdurchflussweg
zirkuliert, demzufolge eine ansteigende Konzentration von Stickstoff
und anderen Verunreinigungen. In dem Brennstoffzellensystem 10 dieses
Ausführungsbeispiels
wird das Ventil 27a bei einem vorbestimmten Zeitpunkt geöffnet, um
den Teil des wasserstoffhaltigen Gases nach Außen auszustoßen, das
durch den Zirkulationsdurchflussweg zirkuliert, wodurch der Anstieg
der Konzentration der in dem wasserstoffhaltigen Gas enthaltenen
Verunreinigungen eingeschränkt
wird.
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Die
Abgasausstoßleitung 64 ist
mit einem Verdünner 26 verbunden,
der ein Behälter
ist, der eine größere Querschnittsfläche als
die Querschnittsfläche
der Abgasausstoßleitung 64 aufweist. Der
Verdünner 26 ist
bereitgestellt, um in dem Anodenabgas enthaltenen Wasserstoff mit
einem Kathodenabgas (nachstehend beschrieben) vor dem Ausstoßen des
Anodenabgases nach Außen
zu verdünnen.
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Der
Luftkompressor 24 komprimiert die Luft, und führt die
komprimierte Luft als ein Oxidationsgas durch eine Oxidationsgaszufuhrleitung 67 den
Kathoden der Brennstoffzelle 22 zu. Der Luftkompressor 24 saugt
die Außenluft über einen
Luftfilter 28 an und komprimiert die Ansaugluft. Ein von
den Kathoden ausgestoßenes
Kathodenabgas strömt
durch eine Kathodenabgasleitung 68, und wird nach Außen ausgestoßen. Die
Oxidationsgaszufuhrleitung 67 und die Kathodenabgasleitung 68 führen durch
ein Befeuchtungsmodul 25. In dem Befeuchtungsmodul 25 trennt eine
wasserdampfpermeable Membran die Oxidationsgaszufuhrleitung 67 von
der Kathodenabgasleitung 68. Das wasserdampfenthaltende Kathodenabgas
wird verwendet, um die komprimierte Luft zu befeuchten, die den
Kathoden zuzuführen
ist. Die Kathodenabgasleitung 68 führt durch den Verdünner 26,
bevor das Kathodenabgas nach Außen
ausgestoßen
wird. Das durch die Abgasausstoßleitung 64 in
den Verdünner 26 geströmte Anodenabgas
wird gemischt und mit dem Kathodenabgas in dem Verdünner 26 verdünnt, und
wird dann nach Außen
ausgestoßen.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 weist eine Steuerung 70 auf,
die die Operationen der entsprechenden Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 steuert.
Die Steuerung 70 ist als eine mikrocomputerbasierte Logikschaltung
ausgebildet. Die Steuerung 70 umfasst eine CPU, die verschiedene
arithmetische und logische Operationen gemäß voreingestellten Steuerprogrammen
durchführt,
einem ROM, der die Steuerprogramme und Steuerdaten, die für die verschiedenen
arithmetischen und logischen Operationen, die durch die CPU durchgeführt werden,
zuvor speichert, einem RAM, von dem vielfältige Daten, die für die verschiedenen
arithmetischen und logischen Operationen, die durch die CPU durchgeführt werden,
temporär
beschrieben und ausgelesen werden können, und Eingabe- und Ausgabeanschlüsse zum
Eingeben und Ausgeben von verschiedenen Signalen. Die Steuerung 70 gibt
Erfassungssignale von den Drucksensoren 50, 52 und 54 und
vielfältiger
anderer Sensoren, sowie Informationen bezüglich eines Lastbedarfs an
die Brennstoffzellen 22 ein. Die Steuerung 70 gibt
Ansteuersignale an den Teil, der bei Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 beteiligt
ist, zum Beispiel das Druckregulierventil 62, der Luftkompressor 24,
die Wasserstoffpumpe 65 und die Ventile 61 und 27a in
dem Brennstoffzellensystem 10 aus.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines elektrischen
Fahrzeugs 15 veranschaulicht, das mit dem Brennstoffzellensystem 10 des
Ausführungsbeispiels
ausgestattet ist. Wie in 2 gezeigt, umfasst das als Antriebsenergiequelle
des Fahrzeugs angebrachte Brennstoffzellensystem 10 eine
Sekundärbatterie 40,
zusätzlich
zu den Brennstoffzellen 22 als die Hauptmasse der Energieerzeugung. 2 zeigt
hauptsächlich
die elektrische Verbindung, die bei Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 beteiligt
ist. Die Durchflusswege von Gasen, die den Brennstoffzellen 22 zugeführt, und
davon abgeführt
werden, werden in der Illustration in 2 weggelassen.
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Das
elektrische Fahrzeug 15 weist einen Antriebsmotor 32 auf,
der mit dem Brennstoffzellensystem 10 über einen Antriebsinvertierer 30 und
Hilfsmaschinen 44, als Lastempfänger der Zufuhr von elektrischer
Energie von dem Brennstoffzellensystem 10, verbunden ist.
Diese Lasten sind mit dem Brennstoffzellensystem 10 über eine
Verdrahtung 48 verbunden. Elektrische Energie wird zwischen
dem Brennstoffzellensystem 10 und den Lasten über die
Verdrahtung 48 übertragen.
Die Sekundärbatterie 40 ist mit
der Verdrahtung 48 über
einen DC-DC-Wandler 42 verbunden. Der DC-DC-Wandler 42 und
die Brennstoffzellen 22 sind parallel mit der Verdrahtung 48 verbunden.
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Die
Sekundärbatterie 40 kann
jede beliebige von verschiedenen wiederaufladbaren Batterien sein,
zum Beispiel eine Bleisäurespeicherbatterie, eine
Nickelkadmiumbatterie, eine Nickelwasserstoffbatterie oder eine
Lithiumsekundärbatterie
sein. Die Sekundärbatterie 40 führt elektrische
Energie zum Antreiben der entsprechenden Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 bei
einem Start des Brennstoffzellensystems 10 zu, während elektrische Energie
den entsprechenden Lasten bis Beenden der Aufheizoperation des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt wird.
Im Zuge einer Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 in
dem stationären
Zustand kann die Sekundärbatterie 40 eine
unzureichende elektrische Energie als Folge auf einen Anstieg der
gesamten benötigten
Last oberhalb eines vorbestimmten Niveaus ergänzen.
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Der
DC-DC-Wandler 42 stellt eine Ziel-Ausgabespannung ein,
und reguliert das Spannungsniveau der Verdrahtung 48 und
die Ausgangsspannung der Brennstoffzellen 22, um so den
Umfang einer Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 zu
steuern. Der DC-DC-Wandler 42 funktioniert ebenso als ein
Schalter zum Steuern der Verbindung zwischen der Sekundärbatterie 40 und
der Verdrahtung 48. Der DC-DC-Wandler 42 trennt die Verbindung
zwischen der Sekundärbatterie 40 und
er Verdrahtung 48 ab, wenn keine Notwendigkeit zum Laden
oder Entladen der Sekundärbatterie 40 vorliegt.
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Der
Antriebsmotor 32, als eine der Lasten, ist ein Synchronmotor,
und besitzt dreiphasige Spulen zum Bilden eines rotierenden Magnetfeldes.
Der Antriebsmotor 32 empfängt eine Zufuhr von elektrischer Energie
von dem Brennstoffzellensystem 10 über den Antriebsinvertierer 30.
Der Antriebsinvertierer 30 ist ein Transistorinvertierer,
der Transistoren oder Umschaltelemente entsprechend den entsprechenden
Phasen des Antriebsmotors 32 umfasst. Eine Abtriebswelle 36 des
Antriebsmotors 32 ist mit einer Fahrzeugabtriebswelle 38 über ein
Untersetzungsgetriebe 34 verbunden.
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Die
Hilfsmaschinen 44, als eine weitere Last, umfassen den
Luftkompressor 24, die Wasserstoffpumpe 65 und
andere brennstoffzellenbezügliche Hilfsmaschinen,
die für
eine Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 benötigt werden.
Elektrische Energie mit einer Spannung, die um einen Transformier-DC-DC-Wandler
(nicht gezeigt) reduziert ist, wird den Ventilen mit niedrigeren
Antriebsspannungen und den Hilfsmaschinen 44 zugeführt. Die
Hilfsmaschinen 44 umfassen fahrzeugbezügliche Hilfsmaschinen, zum
Beispiel eine Klimaanlage des elektrischen Fahrzeugs 15 sowie
die brennstoffzellenbezüglichen
Hilfsmaschinen.
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Bei
dem Aufbau des Ausführungsbeispiels ist
die Steuerung 70 in dem Brennstoffzellensystem 10 enthalten.
Die Steuerung 70 steuert die Operationen des gesamten elektrischen
Fahrzeugs 15 in diesem Ausführungsbeispiel. Demzufolge
gibt die Steuerung 70 Ansteuersignale an den Antriebsinvertierer 30 sowie
an die Hilfsmaschinen 44 und den DC-DC-Wandler 42 aus.
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B. Prozess zum Verhindern eines übermäßigen Anstiegs
des Wasserstoffgasdrucks
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3 ist
ein Flussdiagramm, das eine Wasserstoffüberdrucküberwachungsroutine zeigt, die
durch die Steuerung 70 ausgeführt wird. Diese Routine wird
während
eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführt. In
der Wasserstoffüberdrucküberwachungsroutine
gibt die Steuerung 70 zunächst einen internen Gasdruck
der Wasserstoffzufuhrleitung 60 ein (Schritt S100). Bei
dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
gibt die Steuerung 70 ein Erfassungssignal des Drucksensors 52,
der stromabwärts
des Druckregulierventils 62 bereitgestellt ist, ein.
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Anschließend bestimmt
die Steuerung 70, ob die interne Gasdruckeingabe in Schritt
S100 ein voreingestelltes erstes Referenzniveau übersteigt (Schritt S110). Das
erste Referenzniveau ist zuvor als ein Wert eingestellt, der einen
erlaubten Bereich für den
Druck in dem Zirkulationsdurchflussweg während einer Energieerzeugung
der Brennstoffzellen 22 übersteigt. Wenn die interne
Gasdruckeingabe in Schritt S100 nicht das erste Referenzniveau übersteigt,
wird bestimmt, dass der interne Druck des Zirkulationsdurchflusswegs
in dem erlaubten Bereich gehalten wird. Die Steuerung 70 wiederholt
dann die Verarbeitung der Schritte S100 und S110.
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Wenn
in Schritt S110 bestimmt wird, dass der eingegebene interne Gasdruck
das erste Referenzniveau andererseits übersteigt, schließt die Steuerung 70 das
Absperrventil 61, und fährt
damit fort, eine Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 bei
einem vorbestimmten niedrigen Niveau von elektrischem Strom durchzuführen, und
aktiviert einen voreingestellten Alarm (Schritt S120). Die Steuerung 70 arbeitet
demzufolge als die Zufuhrabsperrsteuerung, die eine Steuerung durchgeführt, das
Absperrventil 61 gemäß des eingegebenen
internen Gasdrucks zu schließen,
während
er als die Wasserstoffverbrauchssteuerung arbeitet, die eine Steuerung durchführt, eine
Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 fortzusetzen.
Bei Fortsetzen der Energieerzeugung durch die Brennstoffzellen 22 in
Schritt S120 wird das Absperrventil 61 geschlossen, um
die Menge von Wasserstoff, der für
eine Energieerzeugung zu verwenden ist, auf eine begrenzte kleine Menge
zu beschränken.
Die Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 bei dem vorbestimmten
niedrigen Niveau von elektrischem Strom stabilisiert effektiv den
Zustand der Energieerzeugung.
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Wenn
ein Ventil, das als Folge auf keine Zufuhr von elektrischer Energie
an das Absperrventil 61 geschlossen wird, wird die Zufuhr
von elektrischer Energie an das Absperrventil 61 unterbrochen,
um das Absperrventil 61 zu schließen.
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Der
Luftkompressor 24 bleibt angetrieben, um die Zufuhr des
Oxidationsgases an die Brennstoffzellen 22 fortzuführen, und
demzufolge die Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 fortzuführen. In
der geschlossenen Position des Absperrventils 61, um die
Zufuhr von Wasserstoff von dem Wasserstofftank 23 zu unterbrechen,
können
die Brennstoffzellen 22 nur den in dem Zirkulationsdurchflussweg
verbleibenden Wasserstoff verwenden. Die Energieerzeugung nach dem
Schließen
des Absperrventils 61 dient zu dem Zweck, den verbleibenden
Wasserstoff in dem Zirkulationsdurchflussweg zu verbrauchen. Die
durch eine solche Energieerzeugung erzeugte elektrische Energie
ist daher natürlich
begrenzt. Die durch die Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 in
Schritt S120 erzeugte elektrische Energie kann einer bestimmten
Last zugeführt,
und von dieser verbraucht werden. Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
wird jedoch die erzeugte elektrische Energie in die Sekundärbatterie 40 aufgeladen.
Zum Beispiel stellt der DC-DC-Wandler, der in 2 gezeigt
wird, einen ausreichend hohen Wert an die Spannung der Verdrahtung 48,
um die Sekundärbatterie 40 zu
laden. Die Menge einer Energieerzeugung nach dem Schließen des
Absperrventils 61 ist extrem niedrig. Einfaches Einstellen
des ausreichend hohen Spannungsniveaus ermöglicht, dass die Sekundärbatterie 40 leicht
mit der erzeugten elektrischen Energie aufgeladen wird, ungeachtet
des Stromzustands der Ladung in der Sekundärbatterie 40. Die Steuerung 70 arbeitet
als die Ladungssteuerung, die den DC-DC-Wandler 42 und
den entsprechenden Teil zum Laden der Sekundärbatterie 40 mit der durch
die Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 erzeugten
elektrischen Energie zu laden, steuert. Weil es nur einen kurzen
Energieerzeugungszeitraum nach dem Schließen des Absperrventils 61 gibt, ist
der Betrieb der Wasserstoffpumpe 65 für die Energieerzeugung der
Brennstoffzellen 22 in Schritt S120 nicht nötig.
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Das
Fahrzeug des Ausführungsbeispiels
besitzt einen Alarm 72, der den Nutzer über den Wasserstoffüberdruck
und das Abtrennen der Wasserstoffzufuhr informiert (siehe 1).
In Schritt S120 aktiviert die Steuerung 70 ebenso den Alarm 72.
Der Alarm 72 kann in der Form einer Anzeige, die nahe dem
Fahrersitz angeordnet ist (zum Beispiel einer Instrumententafel)
in dem elektrischen Fahrzeug 15 bereitgestellt sein. Eine
Alarmanzeige einer bestimmten Art kann auf der Anzeige in Schritt
S120 aufleuchten. Der Alarm 72 kann andererseits eine voreingestellte
Stimme zum Informieren des Nutzers über den Wasserstoffüberdruck,
oder ein voreingestellter Alarmton sein.
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Nach
der Verarbeitung von Schritt S120 gibt die Steuerung 70 den
internen Druck des Zirkulationsdurchflusswegs stromabwärts des
Absperrventils 61 ein (Schritt S130). Bei dem Aufbau dieses
Ausführungsbeispiels
gibt die Steuerung 70 ein Erfassungssignal von dem Drucksensor 52 ein.
Ein Erfassungssignal des Drucksensors 54, der stromabwärts der Brennstoffzellen 22 bereitgestellt
ist, kann alternativ als der interne Druck des Zirkulationsdurchflusswegs in
Schritt S130 eingegeben werden.
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Anschließend bestimmt
die Steuerung 70, ob die interne Gasdruckeingabe in Schritt
S130 auf oder unterhalb ein voreingestelltes zweites Referenzniveau
abgefallen ist (Schritt S140). Das zweite Referenzniveau wurde zuvor
als ein Referenzdruckwert eingestellt, der ein ausreichend niedriges
Niveau eines Gasdrucks in dem Zirkulationsdurchflussweg bereitstellt.
Wenn die interne Gasdruckeingabe in Schritt S130 immer noch größer als
das zweite Referenzniveau ist, wird bestimmt, dass der interne Gasdruck
des Zirkulationsdurchflusswegs noch nicht in den erlaubten Bereich
abgefallen ist. Die Steuerung 70 wiederholt demzufolge
die Verarbeitungen von den Schritten S130 und S140. Die Brennstoffzellen 22 fahren
anschließend
damit fort, Energie zu erzeugen, um weiterhin den verbleibenden
Wasserstoff in dem Zirkulationsdurchflussweg zu verbrauchen. Die interne
Gasdruckeingabe in Schritt S130 fällt eventuell auf oder unterhalb
des zweiten Referenzniveaus ab.
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Wenn
in Schritt S140 bestimmt wird, dass der interne Gasdruck des Zirkulationsdurchflusswegs auf
oder unterhalb das zweite Referenzniveau abgefallen ist, stoppt
die Steuerung 70 eine Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 (Schritt
S150) und verlässt
diese Wasserstoffüberdrucküberwachungsroutine.
Eine konkrete Prozedur des Stoppens der Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 stoppt
die Operationen der brennstoffzellenbezüglichen Hilfsmaschinen, inklusive
dem Luftkompressor 24, und trennt die Brennstoffzellen 22 von
der Sekundärbatterie 40 ab,
die die Zufuhr von elektrischer Energie von den Brennstoffzellen 22 empfängt.
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In
dem Zustand, in dem Zufuhr von Wasserstoff zu den Brennstoffzellen 22 als
Folge einer Erfassung eines Wasserstoffüberdrucks der Wasserstoffzufuhrleitung 60 abgetrennt
wird, empfängt
der Antriebsmotor 32 in dem elektrischen Fahrzeug 15 eine Zufuhr
von elektrischer Energie von der Sekundärbatterie 40, um damit
fortzufahren, das elektrische Fahrzeug 15 anzutreiben.
Dies ermöglicht
zum Beispiel ein angemessenes Handeln im Falle eines Notfalls.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird in dem elektrischen Fahrzeug 15,
das mit dem Brennstoffzellensystem 10 des Ausführungsbeispiels
ausgestattet ist, das Absperrventil 61 als Folge einer
Erfassung eines übermäßigen Anstiegs
des Gasdrucks in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 über das
erste Referenzniveau geschlossen. Eine solche Steuerung verhindert
effektiv die schlechte Haltbarkeit der Brennstoffzellen 22 aufgrund
des Anlegens eines Überdrucks
an die Brennstoffzellen 22. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet das
in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 bereitgestellte Absperrventil 61,
um einen übermäßigen Anstieg
des internen Drucks der Wasserstoffzufuhrleitung 60 zu
begrenzen oder zu verhindern. Dieser Aufbau verkompliziert weder
die Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10, noch wird
die Gestaltungsfreiheit der Gestaltung vermindert. Das Verwenden
des Absperrventils 61, das herkömmlich verwendet wird, um den
Durchfluss des Wasserstoffgases in den gewöhnlichen Energieerzeugungsstoppzustand
der Brennstoffzellen 22 abzutrennen, erhöht nicht
die Gesamtanzahl von Bauteilen.
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Eine
weitere mögliche
Technologie zum Verhindern des Überdrucks
in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 verwendet ein Ablassventil,
das in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 bereitgestellt ist,
und bei einem voreingestelltem Druckniveau geöffnet wird. Als Folge eines übermäßigen Anstiegs
des internen Drucks wird das Wasserstoffgas aus dem Ablassventil
freigegeben. Jedoch gibt es in dieser Anmeldung für die effektive
Diffusion des freigelassenen Wasserstoffs eine bestimmte Einschränkung bei
der Gestaltungsfreiheit des Aufbaus von entsprechenden Bestandteilen
und der Leitungsgestaltung eines elektrischen Fahrzeugs. Dies kann
zu der ungewünschten komplizierten
Struktur des gesamten Systems führen.
Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
verwendet andererseits einfach das Ventil, das gewöhnlich in
der Wasserstoffzufuhrleitung 60 bereitgestellt ist, und
bereitet keine solchen Probleme. Das Ablassventil, das nach Außen verbunden
ist, kann eine Fehlfunktion haben, zum Beispiel auf Grund eines Eindringens
einer fremden Substanz, und kann nicht den ausreichenden Effekt
des Verhinderns des übermäßigen Anstiegs
des Wasserstoffdrucks ausüben. Das
in diesem Ausführungsbeispiel
verwendete Ventil ist in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 angeordnet, die
nicht nach Außen
verbunden ist, und ist daher frei von diesem Problem. Die Anordnung
des Ausführungsbeispiels
ermöglicht
demzufolge die hohe Zuverlässigkeit
des Mechanismus zum Einschränken oder
Verhindern des übermäßigen Anstiegs
des internen Drucks der Wasserstoffzufuhrleitung 60.
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Wenn
der interne Druck der Wasserstoffzufuhrleitung 60 das erste
Referenzniveau übersteigt, fährt das
Brennstoffzellensystem 10 des Ausführungsbeispiels mit der Energieerzeugung
der Brennstoffzellen 22 fort, um weiterhin den verbleibenden Wasserstoff
in dem Zirkulationsdurchflussweg nach dem Schließen des Absperrventils 61 zu
verbrauchen. Das Brennstoffzellensystem 10 stoppt den Betrieb
der Brennstoffzellen 22 nach einem ausreichenden Abfall
des internen Drucks des Zirkulationsdurchflusswegs. So eine Steuerung
verhindert gewünscht
einen übermäßigen Druck
davor, an den Anoden der Brennstoffzellen 22 nach Stoppen
der Energieerzeugung angelegt zu werden. Der Aufbau des Ausführungsbeispiels
eliminiert effektiv eine Druckdifferenz zwischen den Anoden und
den Kathoden entlang der Elektrolytmembranen in den Brennstoffzellen 22,
und schützt
die Brennstoffzellen 22 vor einer etwaigen Beschädigung aufgrund
der Druckdifferenz. Bei dem Aufbau des Ausführungsbeispiels, wenn der Luftkompressor 24 in
dem Stopp-Zustand einer Energieerzeugung der Brennstoffzellen 22 stoppt,
zu arbeiten, besitzt der Durchflussweg in den Kathoden der Brennstoffzellen 22 ein
ungefähr
atmosphärisches
Druckniveau.
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Nach
dem Schließen
des Absperrventils 61 als Folge eines Erfassens eines Überdrucks
in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 wird die Sekundärbatterie 40 mit
der elektrischen Energie, die durch die Fortdauernde Energieerzeugung
der Brennstoffzellen 22 erzeugt wird, geladen. Dieser Aufbau
hat den zusätzlichen
Effekt zum Verbessern der Gesamtsystemeffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems 10.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 des Ausführungsbeispiels schließt das Absperrventil 61 und
aktiviert den Alarm 72 als Folge eines Erfassens eines Überdrucks
in der Wasserstoffzufuhrleitung 60. Der Nutzer wird dadurch
sorgfältig über den
Grund eines Systemherunterfahrens informiert, und es wird ihm ermöglicht,
eine geeignete Handlung zu unternehmen. Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird
das Auftreten eines Fehlers basierend auf dem Druck stromabwärts des
Druckregulierventils 61 erfasst. Dort besteht demzufolge
eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das Druckregulierventil 62 einen Fehler
aufweist.
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C. Modifikationen
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Das
vorstehend erläuterte
Ausführungsbeispiel
ist in allen Aspekten als veranschaulichend und nicht einschränkend gedacht.
Es können
viele Modifikationen, Änderungen
und Abänderungen
durchgeführt
werden, ohne von dem Umfang oder Geist der Haupteigenschaften der
gegenwärtigen
Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele von möglichen Modifikationen sind
nachstehend angegeben.
- (1) Die Positionen der
Ventile und Drucksensoren in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 sind
nicht auf die Anordnung von 1 beschränkt. Zum
Beispiel kann das Absperrventil 61 stromabwärts des Druckregulierventils 62 anstatt
stromabwärts
des Druckregulierventils 62 angeordnet sein. Der Drucksensor,
der für
eine Eingabe des internen Gasdrucks in Schritt S100 in der Wasserstoffüberdrucküberwachungsroutine
verwendet wird, kann stromaufwärts
des Absperrventils 61 oder stromabwärts des Absperrventils 61 angeordnet
sein. Dies liegt daran, da die an verschiedenen Stellen in der Wasserstoffzufuhrleitung 60 erfassten
Drücke
vor Schließen
des Absperrventils 61 zueinander in Beziehung gesetzt werden,
ungeachtet der stromaufwärtigen
oder stromabwärtigen
Position des Absperrventils 61. Solange der Drucksensor, stromabwärtig des
Druckregulierventils 62, zum Eingeben des internen Gasdrucks
in Schritt S130 verwendet wird, ist eine fehlgeschlagene Druckregulierung
durch das Druckregulierventil 62 erfassbar.
- (2) Die Technologie der Erfindung ist bei einem Brennstoffzellensystem
mit einem unterschiedlichen Aufbau als der Aufbau des Ausführungsbeispiels
anwendbar. In dem Brennstoffzellensystem 10 des Ausführungsbeispiels
wird das den Brennstoffzellen 22 zugeführte Wasserstoffgas durch den
Zirkulationsdurchflussweg zirkuliert. Eine mögliche Modifikation kann einen
Sackgassenaufbau anwenden, der eine Anodenabgasleitung weglässt, und
einen Ausstoß des
Anodenabgases von den Brennstoffzellen nicht ermöglicht. Dieser modifizierte
Aufbau verursacht nicht eine Zirkulation des Wasserstoffgases, sondern
führt einfach die
Menge von Wasserstoff entsprechend dem Verbrauch durch die Energieerzeugung
den Brennstoffzellen zu. Das Prinzip der Erfindung wird bei diesem
modifizierten Aufbau angewendet, um einen Überdruck aufgrund einer fehlgeschlagenen
Regulierung der Menge von Wasserstoff, der neu den Brennstoffzellen
zugeführt
wird, zu beschränken
oder zu verhindern.
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Eine
weitere Modifikation kann einen Reformer anstatt des Wasserstofftanks
zum Speichern hochreinen Wasserstoffs verwenden. Der Reformer reformiert
ein Hydrokarbontreibstoff zu einem reformierten Gas, und führt das
reformierte Gas als ein Brennstoffgas den Brennstoffzellen zu. Das
Prinzip der Erfindung wird bei diesem modifizierten Aufbau angewendet,
um den internen Druck der den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoffgas
zu überwachen,
und ein in einem Brennstoffgasdurchflussweg bereitgestelltes Absperrventil
als Folge eines Überdrucks
des Brennstoffgases zu schließen,
um die Zufuhr des Brennstoffgases an die Brennstoffzellen abzutrennen.
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Die
Technologie der Erfindung ist bei dem Brennstoffzellensystem anwendbar,
das als eine stationäre
Energieerzeugung verwendet wird, sowie bei dem Brennstoffzellensystem,
das an einem beweglichen Körper
als eine Antriebsenergiequelle angebracht ist.
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Bei
jedem der so modifizierten Aufbauten, besitzt das Anwenden der gegenwärtigen Erfindung die
gleichen Effekte zum Verhindern, dass ein Überdruck den Brennstoffzellen
im Falle eines übermäßigen Anstiegs
des Drucks des den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoffgases zugeführt wird.
Die Steuerung der Erfindung bei jedem dieser modifizierten Aufbauten
kann das Absperrventil als Folge einer Erfassung eines Überdrucks
stromabwärts
eines Druckregulierventils, das den Druck des den Brennstoffzellen
zugeführten
Brennstoffgases regelt, schließen
(ein Druckregulierventil, das den Brennstoffzellen am nächsten liegt,
in einem System mit mehreren Druckregulierventilen). Dieser Aufbau vermindert
oder verhindert effektiv einen Überdruck
aufgrund irgendeiner Fehlfunktion des Druckregulierventils.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellensystem 10 umfasst Brennstoffzellen 22,
eine Wasserstoffzufuhrleitung 60, um ein wasserstoffhaltiges
Brennstoffgas den Brennstoffzellen 22 zuzuführen, einen
ersten Drucksensor 52, der einen internen Druck der Wasserstoffzufuhrleitung 60 erfasst,
und ein Absperrventil 61, das geschlossen wird, um die
Wasserstoffzufuhrleitung 60 abzutrennen. Das Brennstoffzellensystem 10 besitzt
weiterhin eine Zufuhrabstellsteuerung, die das Absperrventil 61 schließt, wenn
der durch den ersten Drucksensor 52 erfasste interne Druck
der Wasserstoffzufuhrleitung 60 ein voreingestelltes erstes
Referenzniveau übersteigt.