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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen und einem Gaserfassungssystem sowie ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen, die ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas verwenden, um eine elektrische Leistung zu erzeugen, werden typischerweise in einer Stapelstruktur angeordnet, die durch Stapeln mehrerer leistungserzeugender Anordnungen über Separatoren erhalten wird (hiernach als „Brennstoffzellenstapel” bezeichnet). Das Wiederholen von Starten und Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels kann einen Defekt oder einen Fehler in einem Dichtungsteil verursachen, das zwischen der Leistungserzeugungsanordnung und dem angrenzenden Separator angeordnet ist, oder eine Verformung des Brennstoffzellenstapels, welche zu einer Lücke zwischen der Leistungserzeugungsanordnung und dem angrenzenden Separator führt. Durch den Defekt oder den Fehler kann Brenngas aus der Lücke austreten.
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Eine sensorbasierende Gaserfassung wird im Allgemeinen in Brennstoffzellensystemen mit solchen Brennstoffzellen angewandt (siehe zum Beispiel die offengelegten japanischen Patentanmeldungen
JP 2007-46916 A ,
JP 2004-179024 A ,
JP 2006-19035 A und
JP 2007-66643 A ).
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Beispielsweise offenbart die
JP 2004-179024 A eine Brenngaseinspeisesteuervorrichtung, bei der eine durch einen Gassensor erfasste Gasdichte mit einem ersten Erfassungswert und einem zweiten Erfassungswert verglichen wird. Falls die Gasdichte größer als der erste Erfassungswert ist, wird ein Gasaustrittsverlauf in einem Gasaustrittsverlaufspeicher gespeichert und gleichzeitig die Zufuhr des Brenngases zu einem Brennstoffzellensteuerteil untersagt. Falls der Gasaustrittsverlauf bereits gespeichert ist und die Gasdichte größer als der zweite Erfassungswert ist, wird die Zufuhr des Brenngases zum Brennstoffzellensteuerteil untersagt. Falls die Gasdichte kleiner als oder gleich dem zweiten Erfassungswert ist, wird dem Brennstoffzellensteuerteil unabhängig vom Brenngasaustrittsverlauf Brenngas zugeführt, um einen Brennstoffzellenstapel anzutreiben. Aus der
JP 2004-179024 A ist somit ein Entscheidungsmodul bekannt, das bestimmt, ob eine erfasste Gaskonzentration höher als ein erster oder ein zweiter Grenzwert ist (und zwar abhängig davon, ob es eine Gasleckagehistorie gibt oder nicht, siehe das Flußschaubild aus
4 der
JP 2004-179024 A , Schritt S24 = JA, Schritt S24 = NEIN), wobei in jedem Fall ein Hinweis ausgegeben und eine Information in einem Speicher hinterlegt wird.
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Aus der
DE 43 41 437 C1 ist zudem ein Gaserfassungssystem mit einer Steuereinheit bekannt, die in Abhängigkeit von Signalen von Sensoren unterschiedliche Fehlermeldungen wie „Voralarm”, „Hauptalarm” und „Störung” erzeugen und diese Fehlermeldungen an eine CPU senden kann. Hierbei wird der Voralarm ausgelöst, wenn die Konzentration an Gas in einem Fahrzeug höher als ein voreingestellter erster Referenzwert und niedriger als ein voreingestellter zweiter Referenzwert ist. Der Hauptalarm wird ausgelöst, wenn die Gaskonzentration im Fahrzeug höher als der zweite, höhere Referenzwert ist.
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Aus der
JP 2000-099856 A ist weiterhin ein tragbarer Gasdetektor bekannt, der mit einem Gassensor, durch den verschiedene Gase erfasst werden können, einer Analog-Prozessorschaltung zum Erfassen einer Ausgabe des Sensors, einem Alarmdisplayteil, einem Buzzer zum Auslösen eines Alarm, wenn die Konzentration des erfassten Gases einen Referenzwert überschreitet, einem Speicherteil, durch das die erfassten Daten gespeichert werden können, einem Schalter für den Speicher zum Anweisen des Starts, des Endes, etc. einer Bereichsmessung, einem Datenausgabeteil zum Ausgeben der Messdaten an einen Drucker, etc. und einer CPU zum Steuern eines Betriebs der Teile, um Blöcke bei jeder Messung durch Anfügen von Adressen an das Speicherteil einzustellen und um alle Messdaten im entsprechenden Block zu speichern, ausgestattet ist.
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Das Erfassen einer Alterung eines Brennstoffzellenstapels erfordert normalerweise viel Zeit und Arbeit, zum Beispiel die Demontage vor einer Überprüfung. Insbesondere in einem Fahrzeug das mit Brennstoffzellen ausgestattet ist, ist es sehr wünschenswert, die Stufe der Alterung der Brennstoffzellen, welche weder von dem Fahrzeug entfernt, noch demontiert werden, sondern in dem Fahrzeug verbaut bleiben, zu überprüfen.
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Diese Anforderung ist jedoch nicht auf die Erfassung eines Leckage bzw. eines Austritts von Brenngas aus den Brennstoffzellen beschränkt, sondern wird zum Beispiel auch beim Erfassen eines Leckage bzw. eines Austritts von Kraftstoff bzw. Brennstoff von einem Benzin-Verbrennungsmotor, einem Diesel-Verbrennungsmotor, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, und oder einem Erdgas-Verbrennungsmotor, als auch beim Erfassen eines Austritts von Kraftstoff bzw. Brennstoff von bzw. aus Produktionsequipment zum Herstellen und Sammeln des Kraftstoffs bzw. Brennstoffs, vorgesehen.
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Darüber hinaus wird im Stand der Technik bei der Erfassung einer Gaskonzentration (einer Gasleckage) grundsätzlich eine entsprechende Benachrichtigung an den Fahrzeugführer oder dergleichen ausgegeben, so dass es mitunter vorkommen kann, dass selbiger auch beim Auftreten sonst vernachlässigbarer Leckagen benachrichtigt und damit beunruhigt wird. Daher ist gewünscht, nur dann eine Warnung auszugeben, wenn bei einem beispielsweise Alterungsbedingt verursachten Gasaustritt die erfasste Gaskonzentration in einem Brennstoffzellensystem derart hoch ist, dass entsprechende Maßnahmen unmittelbar eingeleitet werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe, bekannte Gaserfassungssysteme derart weiterzuentwickeln, dass es einem Nutzer möglich ist, eine Alterung einer Kraftstoff bzw. Brennstoff verwendenden Vorrichtung, zum Beispiel Brennstoffzellen, leicht zu erfassen, wobei gleichzeitig die Ausgabe „unnötiger” Warnmeldungen und dergleichen vermieden werden soll.
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Um zumindest einen Teil der obenstehend erwähnten Aufgabe zu lösen, schafft ein erster Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen und einem Gaserfassungssystem, das konfiguriert ist, Wasserstoff, der aus den Brennstoffzellen entwichen ist, zu erfassen. Das Gaserfassungssystem umfasst einen Gaskonzentrationsdetektor, der konstruiert ist, eine Konzentration an Wasserstoff, der aus den Brennstoffzellen entwichen ist zu detektieren bzw. zu erfassen, eine Aufzeichnungsanordnung, ein Benachrichtigungsmodul und ein Entscheidungsmodul. Das Entscheidungsmodul ist derart konfiguriert, um das Benachrichtigungsmodul zu steuern eine Benachrichtigung auszugeben und den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu stoppen, wenn die Wasserstoffkonzentration, die durch den Gaskonzentrationsdetektor erfasst wird, höher als ein voreingestellter erster Referenzwert ist, der auf einen hohen Wert eingestellt ist, um das Auftreten einer signifikanten Wasserstoffleckage zu erfassen, die den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems negativ beeinflusst, und um das Benachrichtigungsmodul zu steuern keine Benachrichtigung auszugeben, sondern das Erfassungsergebnis in der Aufzeichnungsanordnung aufzuzeichnen, wenn die erfasste Gaskonzentration höher als ein voreingestellter zweiter Referenzwert ist, der niedriger als der voreingestellte erste Referenzwert ist und der auf einen Wert eingestellt ist, um das Auftreten einer unerheblichen Wasserstoffleckage zu erfassen, die keinen schwerwiegenden Effekt auf den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems hat.
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Wenn ein Erfassungswert, der die Wasserstoffkonzentration, die durch den Gaskonzentrationsdetektor erfasst wird, darstellt, größer als der voreingestellte erste Referenzwert ist, benachrichtigt das Gaserfassungssystem gemäß diesem Aspekt der Erfindung den Nutzer. Wenn der Erfassungswert kleiner als der voreingestellte erste Referenzwert aber höher als der voreingestellte zweite Referenzwert ist, benachrichtigt das Gaserfassungssystem gemäß diesem Aspekt der Erfindung hingegen nicht den Nutzer, sondern zeichnet lediglich den festgelegten Teil einer Information auf, zum Beispiel einen spezifischen bzw. festgelegten Code, der den Erfassungswert darstellt, der größer als der zweite Referenzwert ist. Das Gaserfassungssystem der Erfindung kann in Kombination mit einer eine Brennstoffzelle verwendenden Vorrichtung verwendet werden. In dem Fall eines eher unerheblichen Gasaustritts, der sich nicht auf einem, den Nutzer alarmierenden Level der Brennstoff verwendenden Vorrichtung befindet, zeichnet das Gaserfassungssystem einfach einen Teil einer Information, der den unbedeutenden Gasaustritt darstellt, auf. Für den Fall einer nachfolgenden Überprüfung und Instandhaltung bzw. Wartung der Brennstoff verwendenden Vorrichtung kann der Prüfer die Alterung der Brennstoff verwendenden Vorrichtung basierend auf dem aufgezeichneten Teil einer Information einfach erfassen.
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Das Gas kann neben Wasserstoff auch Methanol oder Benzin sein. In einem Überprüfungszeitpunkt für einen Brennstoffaustritt aus einem in einem Fahrzeug montierten Verbrennungsmotor, kann der Gaskonzentrationsdetektor zum Beispiel ausgebildet sein, die Konzentration eines Brenngases in einem Verbrennungsmotorengehäuse, das als der vorgegebene Raum definiert ist, zu erfassen. In einem Überprüfungszeitpunkt für einen Gasaustritt von bzw. aus Produktionsequipment, das zur Herstellung und zum Ansammeln von Wasserstoffgas verwendet wird, kann der Gaskonzentrationsdetektor ausgebildet sein, die Konzentration des Gases in dem vorgegebenen Raum mit dem darin installierten Produktionsequipment zu erfassen.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen des beanspruchten Brennstoffzellensystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine erläuternde Ansicht, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch illustriert;
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Wasserstoffleckageerfassungsprozess, der durch ein Entscheidungsmodul 32 durchgeführt wird, darstellt; und
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3 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Veränderung des Erfassungswertes durch einen Wasserstoffdetektor 10 darstellt, zusammen mit AN-AUS Zeitpunkten entsprechender Schalter, die in dem Brennstoffzellensystem 200 enthalten sind, und AN-AUS Einstellungen entsprechender Diagnose-Flags.
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Beste Art und Weisen zum Ausführen der Erfindung
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Manche Arten und Weisen zum Ausführen der Erfindung werden untenstehend bezüglich der beigefügten Zeichnungen in folgender Reihenfolge diskutiert:
- A. Ausführungsform
- B. Andere Aspekte
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A. Ausführungsform
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1 zeigt eine erläuternde Ansicht, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch illustriert. Das Brennstoffzellensystem 200 dieser Ausführungsform umfasst ein Wasserstofferfassungssystem 100 und ist auf bzw. in einem Brennstoffzellenfahrzeug (nicht dargestellt) montiert.
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A1. Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
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Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 210, ein Wasserstoffzuführsystem, das zum Zuführen von Wasserstoff als Brenngas eingerichtet ist, ein Luft-Zufuhr-Ablass-System, das zum Zuführen und Ablassen der Luft als Oxidationsgas eingerichtet ist, ein Kühlwasserzirkulationssystem, das zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 210 eingerichtet ist, und das Wasserstofferfassungssystem 100 als Hauptkomponenten. In dieser Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel 210 als ein Stapel aus Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen konstruiert und in einem Brennstoffzellengehäuse 220 angeordnet. Das Brennstoffzellengehäuse 220 ist ausgebildet eine Permeabilität aufzuweisen, welche ermöglicht, dass Wasserstoff, der in dem Brennstoffzellensystem 200 enthalten ist, aus dem Brennstoffzellengehäuse 220 ausgewiesen bzw. entlassen wird. Ein in dem Wasserstofferfassungssystem 100 enthaltener Wasserstoffdetektor 10 (später diskutiert) ist in dem Innenraum des Brennstoffzellengehäuses 220 installiert.
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In dem Wasserstoffzuführsystem wird Wasserstoff aus einem Wasserstofftank (nicht dargestellt), der zum Speichern eines Hochdruckwasserstoffs vorgesehen ist, in Anoden des Brennstoffzellenstapels 210 über einen Durchflussweg 230 geleitet bzw. diesen zugeführt. In dem Luft-Zufuhr-Ablass-System wird eine Zufuhr der durch einen Kompressor (nicht dargestellt) komprimierten Luft in Kathoden des Brennstoffzellenstapels 210 über einen Durchflussweg 250 eingeführt. Abgase des Wasserstoffs und der Luft, die für elektrochemische Reaktionsprozesse an den entsprechenden Elektroden verwendet werden, werden entsprechend als Anodenabgas durch einen Durchflussweg 240 und als Kathodenabgas durch einen Durchflussweg 260 abgelassen, und an die Umgebung ausgelassen. Zum Wiederverwerten bzw. Wiederverwenden von nichtreagiertem Wasserstoff kann das Anodenabgas in dem Durchflussweg 230 nach Entfernen des Wassergehalts, Stickstoff und anderen Unreinheiten zurückgeführt werden. Das Wasserstofferfassungssystem 100 wird untenstehend im Detail diskutiert.
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A2. Struktur des Wasserstofferfassungssystems
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Das Wasserstofferfassungssystem 100 umfasst als Hauptkomponenten einen Wasserstoffdetektor 10, eine ECU (elektronische Steuereinheit) 20, eine Alarmleuchte bzw. Alarmlampe 60, und Eingangs-/Ausgangsterminals 70. Der Wasserstoffdetektor 10 ist in der Ausführungsform gleich dem Gaskonzentrationsdetektor in den Ansprüchen der Erfindung.
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Der Wasserstoffdetektor 10 ist in dem Brennstoffzellengehäuse 220 wie in 1 dargestellt installiert und detektiert bzw. erfasst die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellengehäuse 220 in voreingestellten Zeitintervallen und sendet jede erfasste Wasserstoffkonzentration als Erfassungswert an die ECU 20. Die Alarmlampe 60 ist an der Instrumententafel (nicht dargestellt) im Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet und leuchtet in Antwort auf einen Befehl von der ECU 20 auf. Die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 70 sind in der Instrumententafel angeordnet. Ein Überprüfungstool 300 ist mit den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 70 verbindbar. Wenn das Überprüfungstool 300 verbunden ist, sind Signale zwischen der ECU 20 und dem Überprüfungstool 300 über die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 70 übertragbar. Das Überprüfungstool 300 kann zum Beispiel eine Fehlerdiagnosevorrichtung sein, die zum Überprüfen beim Service bei Autohändlern verwendet wird.
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Wie illustriert umfasst die ECU 20 eine CPU 30, einen Speicher 40 und eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50. Ein Spitzenwert 42 (Anfangseinstellung = 0), der ein gegenwärtiges Maximum des Erfassungswertes des Wasserstoffdetektors 10 darstellt, ein Diagnose-1-Flag 44 (Anfangseinstellung = AUS), ein Diagnose-2-Flag 46 (Anfangseinstellung = AUS) und ein Wasserstoffleckageerfassungsprogramm 48 werden im Voraus in dem Speicher 40 aufgezeichnet bzw. gespeichert. Hierbei steht der Ausdruck „Diagnose” für einen „Diagnosecode”. Die CPU 30 stellt sowohl das Diagnose-1-Flag, als auch das Diagnose-2-Flag basierend auf dem Erfassungswert des Wasserstoffdetektors 10, wie nachstehend diskutiert, auf EIN oder AUS.
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Die CPU 30 führt das Wasserstoffleckageerfassungsprogramm 48 durch, das in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, um als Entscheidungsmodul 32 zu funktionieren. Das Entscheidungsmodul 32 nimmt die Wasserstoffkonzentration, die durch den Wasserstoffdetektor 10 erfasst wird, als jeden Erfassungswert über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50 auf, und zeichnet ein gegenwärtiges Maximum des Erfassungswertes als den Spitzenwert 42 in dem Speicher 40 auf.
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Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt, ob jeder Erfassungswert des Wasserstoffdetektors größer als ein voreingestellter erster Referenzwert ist, und ob der Erfassungswert des Wasserstoffdetektors 10 größer als ein voreingestellter zweiter Referenzwert ist. Der erste Referenzwert wird auf einen relativ hohen Wert eingestellt, um das Auftreten einer signifikanten Wasserstoffleckage zu erfassen, das heißt ein Level, das den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems negativ beeinflusst (eine hohe Konzentration einer Wasserstoffleckage, die im kontinuierlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems 200 stören könnte). Der zweite Referenzwert wird auf einen niedrigeren Wert als der erste Referenzwert eingestellt, um das Auftreten einer eher unerheblichen Wasserstoffleckage zu erfassen, das heißt ein Level, das keinen schwerwiegenden Effekt auf den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems hat. Das Entscheidungsmodul 32 spezifiziert bzw. legt die EIN/AUS-Einstellungen des Diagnose-1-Flags und des Diagnose-2-Flags, die in dem Speicher 40 aufgezeichnet sind, fest, und lässt die Alarmleuchte 60 basierend auf den Ergebnissen einer solchen Bestimmung aufleuchten.
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Wenn das Überprüfungstool 300 mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 70 verbunden ist, sendet das Entscheidungsmodul 32 als Antwort auf den Empfang einer Ausgangsanfrage von dem Überprüfungstool 300 über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50 die Einstellungen des Spitzenwertes 42, des Diagnose-1-Flags und des Diagnose-2-Flags, die in dem Speicher 40 aufgezeichnet sind, zu dem Überprüfungstool 300 über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50 zurück.
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Die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50 empfängt ein Erfassungssignal einer Wasserstoffkonzentration von dem Wasserstoffdetektor 10 und eine Ausgangsanfrage von dem Überprüfungstool 300, während sie, wie vorher erwähnt, einen Aufleuchtbefehl an die Alarmleuchte bzw. Alarmlampe 60 und die Einstellungen des Diagnose-1-Flags, des Diagnose-2-Flags und des Spitzenwertes 42 sendet.
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Die ECU 20, die Alarmlampe 60 und die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 70 können ausschließlich für das Wasserstofferfassungssystem 100 ausgebildet sein, können allerdings auch zusätzliche Funktionen aufweisen. Zum Beispiel kann eine PCU (Leistungserzeugungseinheit, englisch: Power Control Unit), die zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 vorgesehen ist, derart aufgebaut sein, dass sie die Funktionen der ECU 20 umfasst. Die Alarmlampe 60 muss den Fahrer nicht ausschließlich beim Auftreten eines Wasserstoffaustritts benachrichtigen, sondern kann auch bei verschiedenen anderen Abnormalitäten oder Fehlern, wie zum Beispiel einem Fehler bzw. einer Fehlfunktion einer Sekundärbatterie oder einer Fehlfunktion des Brennstoffzellenstapels 210 aufleuchten. Die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 70 müssen nicht nur ausschließlich mit dem Überprüfungstool für den Wasserstoffsensor verbunden sein, sondern können auch mit verschiedenen Überprüfungstools verbunden sein, wie zum Beispiel einem Überprüfungstool für die Sekundärbatterie oder einem Überprüfungstool für den Brennstoffzellenstapel 210.
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A3. Betrieb des Wasserstofferfassungssystems
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Wasserstoffleckageerfassungsprozess darstellt, der durch ein Entscheidungsmodul 32 durchgeführt wird. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Veränderung des Erfassungswertes durch den Wasserstoffdetektor 10, zusammen mit den AN-AUS-Zeitpunkten der entsprechenden Schalter, die in dem Brennstoffzellensystem 200 enthalten sind, und den AN-AUS-Einstellungen der entsprechenden Diagnoseflags darstellt.
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In der Konfiguration dieser Ausführungsform wird das Brennstoffzellensystem 200 durch einen EIN-Betrieb eines IG-Schalters und einen nachfolgenden EIN-Betrieb eines Startschalters aktiviert. Hierbei steht die Abkürzung „IG” für „Zündung” (engl.: Ignition), was ursprünglich für eine Zündung in einem Verbrennungsmotor steht. Der Begriff „Zündschalter” könnte somit nicht passend für das Brennstoffzellensystem 200 sein, wurde allerdings für viele Jahre als Begriff verwendet, der für einen Startschalter für ein Fahrzeug steht. Angesichts dieses Hintergrunds steht der Begriff „IG-Schalter” für einen Operator, der als Startschalter des Fahrzeugs in dieser Beschreibung verwendet wird. Im Zeitdiagramm von 3 startet und stoppt das Brennstoffzellensystem 200 den Betrieb in wiederholter Weise. Das Brennstoffzellensystem 200 ist unter der Voraussetzung sequenzieller AN-Betätigungen des IG-Schalters und des Startschalters aktiv.
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In dieser Ausführungsform verbindet der Prüfer das Überprüfungstool 300 in einem Überprüfungszeitpunkt des Brennstoffzellenstapels 210 mit den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 70 über ein Verbindungskabel, um eine Ausgangsanfrage bzw. Ausgangsanforderung auszulösen. Anschließend gibt die ECU 20 die gegenwärtigen Einstellungen des entsprechenden Diagnosecodes und den anzuzeigenden Spitzenwert 42 an das Überprüfungstool 300 aus.
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Es wird angenommen, dass ein Wasserstoffleckageerfassungsdurchfluss, der untenstehend bezüglich 2 und 3 diskutiert wird, in einem Zustand beginnt, in dem es keine Ausgangsanfrage oder Diagnoselöschanfrage von dem Überprüfungstool 300 gibt. In dem Zeitdiagramm von 3 beginnt der Wasserstoffdetektor 10 in Erwiderung auf die AN-Betätigung des IG-Schalters des Fahrers im Zeitpunkt t1 (3A) mit der Erfassung der Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellengehäuse 220 (3C). In Erwiderung auf die anschließende AN-Betätigung des Startschalters durch den Fahrer (3B) beginnt der Brennstoffzellenstapel 210 seinen Betrieb. Der Wasserstoffdetektor 10 sendet die erfasste Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellengehäuse 220 an die ECU 20 in voreingestellten Zeitintervallen. Das Brennstoffzellengehäuse 220 weist die vorstehend erwähnte Gaspermeabilität auf, so dass die erfasste Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellengehäuse 220 variiert, wie in 3C dargestellt, um intermittierend Spitzen der Wasserstoffkonzentration zu geben bzw. zu übermitteln. Das Entscheidungsmodul 32 führt entsprechend eine Abfolge von untenstehend diskutierten Prozessen durch, um ein gegenwärtiges Maximum des Erfassungswertes als Spitzenwert aufzuzeichnen und das Auftreten eines Wasserstoffaustritts zu erfassen.
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Das Entscheidungsmodul 32 empfängt von dem Wasserstoffdetektor 10 einen Erfassungswert und bestimmt, ob der empfangene Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42, der in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, ist (Schritt S102). Der Spitzenwert 42 wird in der Anfangs- bzw. Initialeinstellung auf 0 eingestellt. Zum Beispiel im Zeitpunkt t2, dargestellt in 3G, ist der Erfassungswert größer als die Initialeinstellung „0” (3C), so dass das Entscheidungsmodul 32 die Einstellung des Spitzenwertes 42 auf dem Erfassungswert zu diesem Zeitpunkt aktualisiert (Schritt S104).
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Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt anschließend, ob die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 größer als der erste Referenzwert ist (Schritt S106). Da die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert zum Zeitpunkt t2) kleiner als der erste Referenzwert ist, wie in 3C dargestellt, (Schritt 106: Nein), schreitet das Entscheidungsmodul zu Schritt S112 voran. Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt, ob die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 größer als der zweite Referenzwert ist (Schritt S112). Da die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert zum Zeitpunkt t2) kleiner als der zweite Referenzwert ist, wie in 3C dargestellt (Schritt S112: Nein), schreitet das Entscheidungsmodul 32 zu Schritt S116 voran. Das Entscheidungsmodul 32 stellt fest, ob es eine Ausgabeanfrage von dem Überprüfungstool 300 gibt (Schritt 116). In diesem Zustand bzw. auf dieser Stufe gibt es keine Ausgabeanfrage von dem Überprüfungstool 300 (Schritt S116: Nein), so dass das Entscheidungsmodul 32 zu Schritt S120 voranschreitet, um festzustellen, ob es eine Diagnoselöschanfrage von dem Überprüfungstool 300 gibt. In diesem Zustand bzw. auf dieser Stufe gibt es keine Diagnoselöschanfrage von dem Überprüfungstool 300. Das Entscheidungsmodul 32 beendet anschließend den gegenwärtigen Zyklus des Prozessablaufs.
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Das Entscheidungsmodul 32 empfängt erneut von dem Wasserstoffdetektor 10 einen Erfassungswert und bestimmt, ob der neu empfangene Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42 ist, der in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist (Schritt 102). Der Erfassungswert in einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 ist kleiner als die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert zum Zeitpunkt t2). Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt entsprechend, dass der Erfassungswert kleiner als der Spitzenwert 42 ist (Schritt S102: Nein) und schreitet zu Schritt S116 voran. In dieser Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t2 und t3 wird der Spitzenwert 42 gleich dem Erfassungswert im Zeitpunkt t2 gehalten und nicht aktualisiert (3D).
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Wie in 3C dargestellt, wird der Erfassungswert nach dem Zeitpunkt t3 größer als die gegenwärtige Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert zum Zeitpunkt t2). Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt entsprechend, dass der Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42 ist (Schritt S102: Ja) und aktualisiert die Einstellung des Spitzenwertes 42, der in den Speicher 40 gespeichert ist, auf den Erfassungswert zu diesem Zeitpunkt (Schritt S104). Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt anschließend, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 größer als der erste Referenzwert ist (Schritt S106). Da die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 immer noch kleiner als der erste Referenzwert ist, wie in 3C dargestellt, schreitet das Entscheidungsmodul 32 zu Schritt S112 voran. Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 größer als der zweite Referenzwert ist (Schritt S112). Da die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 immer noch kleiner als der zweite Referenzwert ist, schreitet das Entscheidungsmodul 32 zum Schritt S116 voran.
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Gemäß dieser Sequenz bzw. Abfolge von Prozessschritten vergleicht das Entscheidungsmodul 32 in Erwiderung auf den Empfang von jedem Erfassungswert von dem Wasserstoffdetektor 10 den empfangenen Erfassungswert mit der gegenwärtigen Einstellung des Spitzenwertes 42 und zeichnet ein gegenwärtiges Maximum des Erfassungswertes als die Einstellung des Spitzenwertes 42 in den Speicher 40 auf. Zum Beispiel wird die Einstellung des Spitzenwertes 42 in einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t3 und einem Zeitpunkt t4 jedes Mal aktualisiert, wenn das Entscheidungsmodul 32 einen Erfassungswert empfängt (3D). Die Einstellung des Spitzenwertes 42 wird nicht gelöscht, sondern behalten (3E), selbst in dem Fall der AUS-Betätigung des IG-Schalters des Fahrers (3A), um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 210 in einem Zeitpunkt t5, dargestellt in 3, zu stoppen. Bei einem Neustart der Wasserstofferfassung durch den Wasserstoffdetektor 10 in einem Zeitpunkt t6, vergleicht das Entscheidungsmodul 32 einen neu empfangenen Erfassungswert mit der Einstellung des Spitzenwertes 42, der in dem Speicher 40 gespeichert ist (der maximale Erfassungswert in einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t5).
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Die Einstellung des Spitzenwertes 42 wird sequenziell durch Wiederholung dieser Sequenz der obenstehend diskutierten Prozessschritte aktualisiert. Während dieser Zeitdauer bleiben das Diagnose-1-Flag 44 und das Diagnose-2-Flag 46 AUS. Das Entscheidungsmodul 32 empfängt erneut einen Erfassungswert in einem Zeitpunkt t7 und bestimmt, ob der neu empfangene Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42 ist (Schritt S102). Da der Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42 ist, wie in den 3C und 3D dargestellt, aktualisiert das Entscheidungsmodul 32 die Einstellung des Spitzenwertes 42, der in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, auf den Erfassungswert in dem Zeitpunkt t7 (Schritt 104).
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Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt anschließend, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert in dem Zeitpunkt t7) größer als der erste Referenzwert ist (Schritt S106). Da die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 immer noch kleiner als der erste Referenzwert, wie in 3C dargestellt, ist, schreitet das Entscheidungsmodul 32 zu Schritt S112 voran. Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert in dem Zeitpunkt t7) größer als der zweite Referenzwert ist (Schritt S112). Die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes ist größer als der zweite Referenzwert, so dass das Entscheidungsmodul 32 das Diagnose-2-Flag, das in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, auf die EIN-Einstellung verändert, wie in 3E dargestellt (Schritt 114).
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In einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t7 und einem Zeitpunkt t8, wenn der Prüfer das Überprüfungstool 300 mit den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 70 verbindet, um eine Ausgabeanfrage auszulösen, stellt das Entscheidungsmodul 32 fest, dass es eine Ausgabeanfrage gibt (Schritt 116: Ja). In Erwiderung bzw. als Antwort auf die Ausgabeanfrage gibt das Entscheidungsmodul 32 die gegenwärtigen Einstellungen des Diagnose-2-Flags und des Spitzenwertes 42 an das Überprüfungstool 300 über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 50 aus (Schritt S118). Der Prüfer wird somit über das Auftreten einer eher unerheblichen Wasserstoffleckage benachrichtigt, welche nicht auf einem den Fahrer alarmierenden Level ist. Solch eine Benachrichtigung erlaubt es, den Prüfer basierend auf dem Spitzenwert 42 eine angebrachte Handlung gegen diese eher unerhebliche Wasserstoffleckage zu unternehmen, zum Beispiel ein relevantes Teil des Brennstoffzellenstapels 210 zu ersetzten.
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Das Entscheidungsmodul 32 empfängt abermals einen Erfassungswert im Zeitpunkt t8 und bestimmt, ob der neu empfangene Erfassungswert größer als der Spitzenwert 42 ist (Schritt 102). Da der Erfassungswert größer als er Spitzenwert 42 ist, wie in den 3C und 3D dargestellt, aktualisiert das Entscheidungsmodul 32 die Einstellung des Spitzenwertes 42, der in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, auf den Erfassungswert im Zeitpunkt t8 (Schritt S104). Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt nachfolgend, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert in dem Zeitpunkt t8) größer als der erste Referenzwert ist (Schritt S106). Da die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 größer als der erste Referenzwert ist, wie in 3C dargestellt, verändert das Entscheidungsmodul 32 das Diagnose-1-Flag, das in dem Speicher 42 aufgezeichnet ist, auf die EIN-Einstellung, wie in 3F dargestellt (Schritt S108), und sendet einen Aufleuchtbefehl an die Alarmlampe 60 (Schritt S110). Die Alarmlampe 60 leuchtet anschließend auf, um den Fahrer über das Auftreten der Wasserstoffleckage zu benachrichtigen.
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Das Entscheidungsmodul 32 bestimmt anschließend, ob die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes 42 (= der Erfassungswert im Zeitpunkt t8) größer als der zweite Referenzwert ist (Schritt S112). Da die aktualisierte Einstellung des Spitzenwertes größer als der zweite Referenzwert ist, wie in 3C dargestellt, verändert das Entscheidungsmodul das Diagnose-2-Flag, das in dem Speicher 40 aufgezeichnet ist, auf die EIN-Einstellung, wie in 3F dargestellt (S114). Das Diagnose-2-Flag ist bereits auf die EIN-Einstellung in dem Zeitpunkt t7 verändert worden, und wird somit in diesem Moment auf EIN beibehlaten (3E). In diesem Zustand werden der Spitzenwert 42, der auf den Erfassungswert im Zeitpunkt t8 eingestellt ist, die EIN-Einstellung des Diagnose-1-Flags 44 und die EIN-Einstellung des Diagnose-2-Flags 46 in dem Speicher 40 aufgezeichnet. Wenn der Prüfer anschließend das Überprüfungstool 300 verbindet bzw. anschließt um eine Ausgabeanfrage zu initiierten, gibt das Entscheidungsmodul 32 die gegenwärtigen Einstellungen des Diagnose-1-Flags, des Diagnose-2-Flags und des Spitzenwertes 42 aus, um auf dem Überprüfungstool 300 angezeigt zu werden.
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A4. Auswirkungen der Ausführungsform
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Das Wasserstofferfassungssystem im Stand der Technik erfasst ausschließlich eine signifikante Wasserstoffleckage von einem Brennstoffzellenstapel, was ein Level ist, das den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels negativ beeinflusst, und benachrichtigt den Fahrer über das Auftreten einer Wasserstoffleckage, zum Beispiel durch Aufleuchten einer Alarmlampe. Eine typische Maßnahme, die gegen eine solche Wasserstoffleckage unternommen werden kann, ist das Ersetzen des gesamten Brennstoffzellenstapels durch einen Neuen. Selbstverständlich möchte man darüber informiert werden, wenn es sich eher um ein unerhebliches Level einer Alterung des Brennstoffzellenstapels handelt, das keinen Austausch des gesamten Brennstoffzellenstapels bedingt, sondern die Wasserstoffleckage auch durch Ersetzen von nur relevanten Teilen des Brennstoffzellenstapels beendet werden kann. Ein mögliches Verfahren in dem Wasserstofferfassungssystem im Stand der Technik zum Erfüllen dieser Anforderung ist das Einstellen eines unteren Wertes als einen konventionellen Einstellwert auf einen Referenzwert zum Aufleuchtenlassen der Alarmlampe. Dieses Verfahren kann jedoch den Fahrer alarmieren oder den Betrieb des Brennstoffzellenstapels stoppen, egal ob es sich um ein eher unerhebliches Level des Verfalls bzw. der Zerstörung handelt, das keinen wesentlichen Effekt auf den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels hat, oder nicht. Die Alarmierung oder das Anhalten des Betriebs kann den Fahrer unnötig verwirren oder zu unangenehmen Situationen führen.
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In dem Fall des Auftretens einer eher unerheblichen Wasserstoffleckage aus dem Brennstoffzellenstapel 210 (in dem Fall, in dem der Erfassungswert des Wasserstoffdetektors 10 größer als der zweite Referenzwert, aber kleiner als der erste Referenzwert ist), lässt das Wasserstofferfassungssystem 100 der Ausführungsform hingegen nicht die Alarmlampe 60 aufleuchten. Das Wasserstofferfassungssystem 100 zeichnet bereits die Einstellung des Spitzenwertes 42 in dem Zeitpunkt auf und verändert das Diagnose-2-Flag auf die EIN-Einstellung, welche das Auftreten eines eher unerheblichen Wasserstoffaustritts darstellt.
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Die Anordnung der Ausführungsform benachrichtigt den Fahrer nicht speziell über das Auftreten einer unerheblichen Wasserstoffleckage aus dem Brennstoffzellenstapel 210, wodurch der Fahrer effektiv davor verschont bleibt, sich unwohl bzw. verwirrt zu fühlen. Dem Prüfer wird ermöglicht, das Überprüfungstool 300 zu verwenden und die Einstellungen des Diagnose-2-Flags und des Spitzenwertes 42 hinsichtlich der Bestimmung des Levels der Alterung des Brennstoffzellenstapels 210 zu überprüfen. Somit kann eine passende Handlung gegen die Wasserstoffleckage bzw. den Wasserstoffaustritt aus dem Brennstoffzellenstapel, welcher noch immer auf einem eher unerheblichen Level ist, das keinen erheblichen Einfluss auf den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 210 ausübt, unternommen werden.
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Die Anordnung der Ausführungsform ermöglicht dem Prüfer die Alterung des Brennstoffzellenstapels 210 einfach zu erfassen, ohne Demontage des Brennstoffzellenstapels 210 aus dem Brennstoffzellenfahrzeug oder Auseinanderbauen des Brennstoffzellenstapels 210, und Defekte oder Fehler von Dichtungsteilen zu überprüfen. Das heißt, der Prüfer kann das Level der Alterung des Brennstoffzellenstapels 210 basierend auf der aufgezeigten Einstellung des Spitzenwertes 42 abschätzen, und eine angebrachte Handlung, wie zum Beispiel den Ersatz relevanter Teile des Brennstoffzellenstapels 210 oder den Ersatz des gesamten Brennstoffzellenstapels 210, vornehmen. Diese Anordnung der Ausführungsform reduziert die Arbeit und verkürzt die Zeit, die zum Überprüfen und Instandhalten des Brennstoffzellenstapels 210 benötigt wird.
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B. Weitere Aspekte
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Die Ausführungsform und die obenstehend diskutierten Anwendungen sind in allen Aspekten als illustrativ und nicht beschränkend zu betrachten. Es kann viele Modifikationen, Veränderungen und Alternativen geben, ohne dabei vom Kern der Erfindung abzuweichen. Manche Beispiele von möglichen Modifikationen werden untenstehend beschrieben.
- (1) Wenn der Erfassungswert des Wasserstoffdetektors 10 den ersten Referenzwert V1 überschreitet, lässt das obenstehend diskutierte System der Ausführungsform die Alarmlampe 60 aufleuchten, um den Fahrer über das Auftreten einer Wasserstoffleckage zu benachrichtigen. Das Verfahren der Benachrichtigung ist jedoch nicht auf die Alarmlampe beschränkt, sondern kann auch eine Alarmnachricht, wie zum Beispiel „Warnung! Wasserstoffleckage” auf einem Display, das in dem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist, ein Sprachalarm, oder eine Kombination aus diesen Alarmen sein. Ein weiteres Benachrichtigungsverfahren kann den Betrieb des Wasserstoffzellensystems 200 stoppen.
- (2) Die obenstehende Ausführungsform beschreibt, dass das Brennstoffzellensystem 200 in dem Fahrzeug montiert ist. Diese Konfiguration ist jedoch illustrativ und nicht beschränkend. Die Anwendung bzw. Ausführungsform der Erfindung hat auf ein stationäres Brennstoffzellensystem gleiche Effekte bzw. Auswirkungen.
- (3) Das Brennstoffzellensystem 200 der Ausführungsform weist das Wasserstofferfassungssystem 100 auf, welches den Wasserstoffdetektor 10 zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration erfasst. Das Gas, welches der Gegenstand ist, der erfasst wird, ist jedoch nicht auf Wasserstoff beschränkt. In einem Fahrzeug, das zum Beispiel durch einen Benzin-Verbrennungsmotor, einen Diesel-Verbrennungsmotor, einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor oder einen Erdgas-Verbrennungsmotor angetrieben wird und mit einem Erfassungssystem ausgestattet ist, kann ein Gassensor entsprechend jedem Kraftstoff bzw. Brennstoff anstelle des Wasserstoffdetektors 10 vorgesehen sein, um gleiche Effekte bzw. Auswirkungen, wie in der obenstehend diskutierten Ausführungsform, zu erhalten. Der Gassensor kann verwendet werden, um nicht nur eine Kraftstoff- bzw. Brennstoffleckage aus dem Verbrennungsmotor zu erfassen, sondern auch eine Kraftstoff- bzw. Brennstoffleckage aus Produktionsequipment zum Herstellen und Sammeln des Kraftstoffs.
- (4) In dem System der obenstehend diskutierten Ausführungsform zeichnet das Entscheidungsmodul 32 den maximalen Erfassungswert (Wasserstoffkonzentration) in dem Speicher auf. Eine mögliche Modifikation kann ein System sein, das ausgebildet ist, keine solche Aufzeichnung des maximalen Erfassungswertes aufzuweisen. Dieses modifizierte System kann auch ausgebildet sein, das Diagnose-2-Flag auf die Ein-Einstellung zu verändern, wenn der Erfassungswert größer als der zweite Referenzwert, aber kleiner als der erste Referenzwert ist. Dem Prüfer wird ermöglicht, das Überprüfungstool 300 zu verwenden und die Einstellung des Diagnose-2-Flags zu überprüfen. Diese modifizierte Anordnung benachrichtigt ebenfalls den Prüfer über das Auftreten einer unerheblichen Wasserstoffleckage aus dem Brennstoffzellenstapel 210, und ermöglicht dem Prüfer eine passende Handlung vorzunehmen.
