DE112010004075B4

DE112010004075B4 - Brennstoffzellensystem, Verfahren zu dessen Versorgung mit Brenngas, und mobiler Körper

Info

Publication number: DE112010004075B4
Application number: DE112010004075.3T
Authority: DE
Inventors: Tsukuo Ishitoya; Eiji Okawachi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: US8435700B2; JPWO2011142002A1; CN102713403B; DE112010004075T5; DE112010004075T8; CA2781086A1; CA2781086C; CN102713403A; WO2011142002A1; JP4863031B2; US20130052557A1

Abstract

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das so aufgebaut ist, dass es Lasten, die aufgrund einer Gaseinfüllung auf eine Auskleidung aufgebracht werden, entgegenwirken kann, sowie eines Verfahrens zur Zuführung von Brenngas im Brennstoffzellensystem, und eines mobilen Körpers. Das Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle, einen Tank mit einer Auskleidung und einer Verstärkungsschicht, die auf einer Außenumfangsfläche der Auskleidung ausgebildet ist, und in dem Brenngas gespeichert wird, eine Anpassungsvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Zuführmenge an Brenngas, die aus dem Tank zur Brennstoffzelle ausgespeist werden soll, anpasst, einen Informationsermittlungsabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er Informationen über einen Druck und eine Temperatur im Tank ermittelt, einen Rechenabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er ein Lückenmaß zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht auf Basis von Informationen berechnet, die vom Informationsermittlungsabschnitt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt werden, und einen Entscheidungsabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er auf Basis des errechneten Lückenmaßes entscheidet, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll oder nicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das einen Tank mit einer Auskleidung, die an ihrer Außenumfangfläche mit einer Verstärkungsschicht bedeckt ist, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen mobilen Körper nach Anspruch 12, der das Brennstoffzellensystem aufweist, und ein Verfahren zum Zuführen von Brenngas in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13.
Technischer Hintergrund
Beispielsweise wird in einem in einem Fahrzeug eingebauten Brennstoffzellensystem Wasserstoffgas in einem Tank zu einer Brennstoffzelle geliefert. In der Brennstoffzelle reagiert das Wasserstoffgas mit oxidiertem Gas und wird somit verbraucht. Somit wird Leistung erzeugt und zum Fahren verwendet. Wenn die Menge an Wasserstoffgas, die im Tank verbleibt, infolge des Verbrauchs abnimmt, hält das Fahrzeug an einer Wasserstoffstation an, um mit Wasserstoffgas von der Wasserstoffstation befüllt zu werden.
Wenn Wasserstoffgas aus dem Tank ausgespeist, das heißt ausgegeben wird, sinken hierbei der Druck und die Temperatur im Tank. Wenn dagegen Wasserstoffgas in den Tank gefüllt wird, steigen der Druck und die Temperatur im Tank. Ferner ist ein Tank dieser Art im Allgemeinen so aufgebaut, dass eine gasundurchlässige Auskleidung an ihrer Außenumfangsfläche mit einer Verstärkungsschicht bedeckt ist, die eine Druckbeständigkeit bietet (siehe zum Beispiel die JP 2006-226511 A ). Beispielweise ist die Verstärkungsschicht aus CFRP gebildet, das in einem Filamentwickelverfahren oder dergleichen um die Außenumfangsfläche der Auskleidung gewickelt wird.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Jedoch kann insbesondere dann, wenn ein Tank aus einer Harzauskleidung gebildet ist, die Auskleidung sich abhängig von dem Unterschied des Elastizitätskoeffizienten oder des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Auskleidung und dem CFRP zusammenziehen, was eine Lücke zwischen der Auskleidung und dem CFRP zur Folge hat. Ferner kann sich selbst dann, wenn in einem Herstellungsstadium keine Lücke erzeugt wird, die Auskleidung auf ähnliche Weise zusammenziehen und eine Lücke bilden, wenn Wasserstoffgas zugeführt wird, wodurch der Druck und die Temperatur im Tank sinken. Die Größe der Lücke tendiert dazu, beständig größer zu werden, je mehr die Temperatur oder der Druck sinkt.
Wenn der Tank mit Wasserstoffgas gefüllt wird, während eine Lücke zwischen der Auskleidung und dem CFRP vorhanden ist, bewirkt das eingefüllte Gas, dass sich die zusammengezogene Auskleidung ausdehnt, so dass die Lücke geschlossen wird. Jedoch kann abhängig vom Maß der Ausdehnung oder dergleichen eine schwere Last auf die Auskleidung aufgebracht werden.
Mit Blick darauf wird, um zu verhindern, dass eine Lücke gebildet wird, eine Maßnahme in Betracht gezogen, bei der die Auskleidung und der CFRP aneinander gebunden werden. Jedoch bewirkt diese Maßnahme, dass sich die Auskleidung lokal verformt, was somit eine lokale Last zur Folge hat. Die Maßnahme ist daher ungünstig.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das so aufgebaut ist, dass es eine Verringerung der Last ermöglicht, die infolge des Einfüllens von Wasserstoffgas auf die Auskleidung aufgebracht wird, sowie eines Verfahrens zum Zuführen von Brenngas in das Brennstoffzellensystem und eines mobilen Körpers. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dem mobilden Körper nach Anspruch 12 und dem Verfahren zum Zuführen von Brenngas in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Lösung des Problems
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle, einen Tank zum Speichern von Brenngas, der eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht aufweist, die auf einer Außenumfangsfläche der Auskleidung ausgebildet ist, und eine Einstellungs- bzw. Anpassungsvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Zuführmenge an Brenngas, das aus dem Tank zur Brennstoffzelle ausgespeist werden soll, einstellt bzw. anpasst. Das Brennstoffzellensystem hat weiter einen Informationsermittlungsabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er Informationen über einen Druck und eine Temperatur im Tank ermittelt, und eine Steuereinrichtung aufweisend einen Rechenabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er ein Lückenmaß zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht auf Basis von Informationen berechnet, die vom Informationsermittlungsabschnitt während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt werden, und einen Entscheidungsabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er auf Basis des errechneten Lückenmaßes entscheidet, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll oder nicht.
Ferner weist ein mobiler Körper gemäß der vorliegenden Erfindung das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auf, und der Tank ist so aufgebaut, dass Brenngas von einer Gasstation, die sich außerhalb des mobilen Körpers befindet, eingefüllt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung entscheidet das System abhängig vom Lückenmaß, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll. Die Auferlegung dieser Begrenzung erlaubt, einer Abnahme der Geschwindigkeiten, mit denen die Temperatur und der Druck im Tank sinken, entgegenzuwirken. Somit wird einer Vergrößerung des Lückenmaßes entgegengewirkt. Dies ermöglicht eine Verringerung des Maßes, in dem die Auskleidung sich ausdehnt, wenn Gas in den Tank gefüllt wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems unterbrochen worden ist. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung Lasten, die während der Gaseinfüllung auf die Auskleidung aufgebracht werden, durch eine erzwungene Begrenzung der Zuführmenge abhängig vom Lückenmaß während des Betriebs des Brennstoffzellensystems vor der Gaseinfüllung verringert werden.
Vorzugsweise kann der Rechenabschnitt auch einen vorausgesagten Wert für das Lückenmaß, das voraussagegemäß eine vorgegebene Zeit später erhalten wird, auf Basis eines Maßes einer Temperaturänderung im Tank und eines Maßes einer Druckänderung in dessen Innerem während des Betriebs des Brennstoffzellensystems berechnen. Der Entscheidungsabschnitt kann auch auf Basis des vorausgesagten Werts entscheiden, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll oder nicht.
Dieser Aufbau ermöglicht die fortschreitende Begrenzung der Zuführmenge. Beispielsweise ermöglicht im Vergleich zu einer Vermeidung einer Begrenzung der Zuführmenge auf Basis des vorausgesagten Werts die Begrenzung der Zuführmenge auf Basis des vorausgesagten Werts eine Verringerung eines Begrenzungsmaßes, in dem die Zuführmenge abhängig vom aktuellen Lückenmaß (dem Wert, der während des Betriebs des Brennstoffzellensystems erhalten wurde) begrenzt wird. Der vorliegende Aufbau dient beispielsweise dazu, ein Gefühl eines Anwenders, dass der mobile Körper während einer Beschleunigung des mobilen Körpers nicht beschleunigt wird, zu dämpfen, wenn die geforderte Leistung der Brennstoffzelle hoch ist.
Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung einen Bestimmungsabschnitt, der so aufgebaut ist, dass er eine Zustandsgröße für das Brenngas im Tank mit einem vorgegebenen Richtwert vergleicht und zumindest eine(n) von einem Mangel des Brenngases im Tank oder einer Möglichkeit des Mangels bestimmt, und ein Anzeigevorrichtung aufweisen, die so aufgebaut ist, dass er zumindest eine(n) von dem Mangel des Brenngases im Tank oder der Möglichkeit des Mangels anzeigt, wenn der Bestimmungsabschnitt die Bestimmung durchgeführt hat. Der Bestimmungsabschnitt kann den vorgegebenen Richtwert auf Basis des errechneten Lückenmaßes ändern.
Gemäß diesem Aufbau variiert das Bestimmungskriterium für einen sogenannten Gastiefstand abhängig vom Lückenmaß. Beispielsweise ist das System so aufgebaut, dass der Gastiefstand früher bestimmt und angezeigt wird, wenn das Lückenmaß groß ist, als wenn das Lückenmaß klein ist. Dies macht den Anwender auf die Notwendigkeit aufmerksam, ein Fahren so durchzuführen, dass der Verbrauch von Brenngas (die Zuführmenge) verringert wird. Wenn dies dazu dient, die Zuführmenge an Brenngas zu begrenzen, kann einer Zunahme des Lückenmaßes vor dem Einfüllen von Gas entgegengewirkt werden.
Weiter bevorzugt kann die Zustandsgröße der Druck oder die Menge an Brenngas im Tank sein. Ferner berechnet der Bestimmungsabschnitt vorzugsweise die Brenngasmenge auf Basis von Informationen über den Druck und die Temperatur im Tank, die vom Informationsermittlungsabschnitt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt werden.
Gemäß diesem Aufbau können die vom Informationsermittlungsabschnitt ermittelten Informationen nicht nur verwendet werden, um das Lückenmaß zu berechnen, sondern auch, um den Gastiefstand zu bestimmen.
Wenn eine Verlängerung bzw. Dehnung der Auskleidung, die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß auf null zu stellen, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann der Bestimmungsabschnitt stärker bevorzugt einen vorgegebenen Richtwert für den Druck oder die Brenngasmenge im Vergleich zu dann, wenn die Dehnung nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, weiter zu einer Seite eines höheren Drucks oder einer größeren Menge hin ändern, vorausgesetzt, die Temperatur im Tank ist zumindest niedriger als 0°C.
Wenn die errechnete Dehnung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann der Entscheidungsabschnitt vorzugsweise die Dehnung der Auskleidung, die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß auf null zu stellen, berechnen und entscheiden, die Zuführmenge im Vergleich zu dann, wenn die errechnete Dehnung nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, zu begrenzen.
Somit wird auf Basis der Dehnung bzw. Verlängerung (Verzerrung) der Auskleidung, die mit der Verformung der Auskleidung in Beziehung steht, entschieden, ob die Zuführmenge begrenzt wird oder nicht. Infolgedessen kann die Notwendigkeit der Begrenzung exakt bestimmt werden.
Weiter bevorzugt kann eine Bruchdehnung der Auskleidung für den vorgegebenen Schwellenwert verwendet werden. Der Wert der Dehnung kann abhängig von der Temperatur im Tank variieren.
Gemäß diesem Aufbau wird bei der Entscheidung, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll oder nicht, die Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Temperatur berücksichtigt. Somit kann die Bestimmung exakter getroffen werden.
Wenn der Entscheidungsabschnitt entscheidet, die Zuführmenge zu begrenzen, kann die Anpassungsvorrichtung die Zuführmenge durch Ausführung einer von einer Nullstellung der Zuführmenge, einer Verringerung des Höchstwerts einer Zufuhrströmungsrate von Brenngas, das zur Brennstoffzelle geliefert werden soll, und einer Verringerung der Zufuhrströmungsrate begrenzen.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, weist ein Brennstoffzellensystem in einem Verfahren zum Zuführen von Brenngas in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung einen Tank, der eine Auskleidung und eine an einer Außenumfangsfläche der Auskleidung ausgebildete Verstärkungsschicht aufweist, und eine Brennstoffzelle auf, der Brenngas aus dem Tank zugeführt wird. Das Verfahren zum Zuführen von Gas zum Brennstoffzellensystem umfasst die Schritte des Berechnens eines Lückenmaßes zwischen der Auskleidung und einer Verstärkungsschicht, die an einer Außenumfangsfläche der Auskleidung ausgebildet ist, auf Basis von Informationen über einen Druck und eine Temperatur im Tank, die während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt werden, des Bestimmens, ob eine Dehnung der Auskleidung, die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß auf null zu stellen, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert oder nicht, und des Begrenzens einer Zuführmenge an Brenngas, das aus dem Tank zur Brennstoffzelle geliefert werden soll, wenn bestimmt wird, dass die Dehnung größer ist als der Schwellenwert, im Vergleich zu wenn nicht bestimmt wird, dass die Dehnung größer ist als der Schwellenwert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Stadium, in dem Brenngas zugeführt wird, vor dem Einfüllen die Zuführmenge zwangsweise begrenzt, wenn die Dehnung der Auskleidung, die für das Lückenmaß nötig ist, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dadurch wird einer Vergrößerung des Lückenmaßes entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, eine Belastung der Auskleidung während einer anschließenden Gaseinfüllung zu beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Skizze, die ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform, das darin eingebaut ist, zusammen mit einer Gasstation zeigt;
2 ist eine Skizze eines Aufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Tanks gemäß der Ausführungsform;
4A ist eine Skizze, die zeitliche Änderungen im Tankdruck und in der Tanktemperatur zeigen, die beobachtet werden, wenn die Umgebungstemperatur 20°C ist, wobei Wasserstoffgas mit geringer Geschwindigkeit aus dem Tank ausgegeben wird;
4B ist eine Skizze, die zeitliche Änderungen im Tankdruck und in der Tanktemperatur zeigt, die beobachtet werden, wenn die Umgebungstemperatur 20°C ist, wobei Wasserstoffgas mit hoher Geschwindigkeit aus dem Tank ausgegeben wird;
5 ist eine Querschnittsansicht, die zeigt, dass eine Lücke zwischen einer Auskleidung und einer Verstärkungsschicht im Tank in 3 vorhanden ist;
6 ist eine Skizze, die schematisch eine Beziehung zwischen der Größe der Lücke und dem Tankdruck für eine Mehrzahl von Tanktemperaturen zeigt;
7 ist eine Skizze, die ein Beispiel für ein Kennfeld für das Lückenmaß gemäß der Ausführungsform zeigt;
8 ist eine Skizze, die die Beziehung zwischen der Tanktemperatur und der Bruchdehnung der Auskleidung zeigt;
9A ist eine Skizze, die ein Verfahren zum Berechnen einer Dehnung der Auskleidung zeigt, die nötig ist, um die Lücke zu schließen, wobei die Lücke vorhanden ist;
9B ist eine Skizze, die das Verfahren zum Berechnen einer Dehnung der Auskleidung zeigt, die nötig ist, um die Lücke zu schließen, wobei die Lücke eliminiert worden ist;
10 ist eine Skizze von Funktionsblöcken zur Implementierung eines ersten Steuerbeispiels im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform;
11 ist ein Ablaufschema, das das erste Steuerbeispiel im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform darstellt;
12 ist ein Ablaufschema, das ein zweites Steuerbeispiel im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform darstellt;
13A ist eine Skizze, die schematisch den Gradienten des Tankdrucks darstellt, der im zweiten Steuerbeispiel im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform verwendet wird, wobei die Skizze eine Änderung im Tankdruck in Bezug auf die Zeit während der Zufuhr von Wasserstoffgas zeigt;
13B ist eine Skizze, die schematisch den Gradienten der Tanktemperatur darstellt, der im zweiten Steuerbeispiel im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform verwendet wird, wobei die Skizze eine Änderung im Tankdruck in Bezug auf eine Zeit während der Zufuhr von Wasserstoffgas zeigt;
14 ist eine Skizze von Funktionsblöcken zur Implementierung eines dritten Steuerbeispiels im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform;
15A ist eine Skizze, die ein Verfahren zum Bestimmen eines Gastiefstands durch Vergleichen des Tankdrucks mit Richtwerten gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt;
15B ist eine Skizze, die das Verfahren zum Bestimmen des Gastiefstands durch Vergleichen des Tankdrucks mit den Richtwerten gemäß dem dritten Steuerbeispiel zeigt;
16A ist eine Skizze, die ein Verfahren zum Bestimmen des Gastiefstands durch Vergleichen der Menge an verbliebenem Wasserstoffgas mit Richtwerten gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt;
16B ist eine Skizze, die das Verfahren zum Bestimmen des Gastiefstands durch Vergleichen der Menge an verbliebenem Wasserstoffgas mit den Richtwerten gemäß dem dritten Steuerbeispiel zeigt; und
17 ist ein Ablaufschema, welches das dritte Steuerbeispiel im Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform zeigt.
Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In einem nachstehend beschriebenen Beispiel ist das Brennstoffzellensystem in ein Fahrzeug eingebaut, bei dem es sich um ein typisches Beispiel für einen mobilen Körper handelt.
1. Kurzfassung des Fahrzeugs
Wie in 1 dargestellt, wird beispielsweise an einer Wasserstoffstation 2, die als Gasstation dient, durch einen Füllstutzen 12 der Wasserstoffstation 2 Wasserstoffgas in einen Tank in einem Fahrzeug 3 gefüllt. Das Fahrzeug 3 weist ein Brennstoffzellensystem 4 auf, das darin eingebaut ist, um Leistung zu einem Fahrmotor zu liefern, der eine Antriebsquelle ist.
Wie in 2 dargestellt ist, weist das Brennstoffzellensystem 4 eine Brennstoffzelle 28 und einen Tank 30 auf.
Die Brennstoffzelle 28 ist beispielsweise aus einem festen Polymerelektrolyten gebildet und weist eine Stapelstruktur auf, in der eine große Zahl von einzelnen Zellen gestapelt ist. Die Brennstoffzelle 28 erzeugt Leistung auf Basis einer elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas (beispielsweise Wasserstoffgas) und Oxidationsgas (beispielsweise Luft). In dem nachstehend beschriebenen Beispiel ist das Brenngas Wasserstoffgas.
Der Tank 30 ist ein Hochdrucktank, der als Quelle dient, aus der Wasserstoff zur Brennstoffzelle 28 geliefert wird, und in dem beispielsweise 35 MPa oder 70 MPa Wasserstoffgas gespeichert werden können. Wenn eine Mehrzahl von Tanks 30 eingebaut ist, sind die Tanks 30 parallel mit der Brennstoffzelle 28 miteinander verbunden.
Ein Zufuhrsystem vom Tank 30 zur Brennstoffzelle 28 weist eine Zufuhrleitung 31 und eine Anpassungsvorrichtung 33 auf, die in der Zufuhrleitung 31 vorgesehen ist. Die Zufuhrleitung 31 verbindet den Tank 30 und die Brennstoffzelle 28 miteinander. Die Anpassungsvorrichtung 33 passt die Zuführmenge an Wasserstoffgas an, die aus dem Tank 30 zur Brennstoffzelle 28 gespeist werden soll. Die Anpassungsvorrichtung 33 kann aus zumindest einem Sperrventil, einem Regler, einem Durchstromsteuerventil bzw. Drosselventil und/oder einem Injektor gebildet sein. Das Sperrventil kann auch als ein Ursprungsventil des Tanks 30 dienen, um die Zufuhr von Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 28 zuzulassen und zu unterbrechen. Der Regler, das Drosselventil oder der Injektor erlauben es, die Strömungsrate von Wasserstoffgas, das zur Brennstoffzelle 28 strömt, anzupassen. Eine solche Anpassungsvorrichtung 33 ermöglicht eine Begrenzung der Zuführmenge an Wasserstoffgas, das zur Brennstoffzelle 28 geliefert wird.
Ein System zum Füllen von Wasserstoffgas in den Tank 30 weist eine Aufnahme 32 und einen Füllkanal 34 auf. Die Aufnahme 32 wird mit dem Füllstutzen 12 verbunden, wenn der Tank 30 mit Wasserstoffgas befüllt werden soll. Der Füllkanal 34 verbindet die Aufnahme 32 und den Tank 30 miteinander. Ein Rückschlagventil 35 ist in der Mitte des Füllkanals 34 vorgesehen, um den Rückstrom von Wasserstoffgas zu verhindern.
Das Brennstoffzellensystem 4 weist ferner einen Drucksensor 36, einen Temperatursensor 38, eine Anzeigevorrichtung 42 und eine Steuereinrichtung 46 auf.
Der Drucksensor 36 erfasst einen Druck, der im Wesentlichen den Druck von Wasserstoffgas innerhalb des Tanks 30 wiedergibt (der Druck wird im Folgenden als „Tankdruck” bezeichnet). Der Drucksensor 36 ist beispielsweise im Füllkanal 34, stromabwärts vom Rückschlagventil 35 und unmittelbar vor dem Tank 30 angeordnet, vorgesehen. Jedoch kann der Drucksensor 36 innerhalb des Tanks 30 angeordnet sein. Der Temperatursensor 38 erfasst eine Temperatur, die die Temperatur innerhalb des Tanks 30 wiedergibt (die Temperatur wird im Folgenden als „Tanktemperatur” bezeichnet). Der Temperatursensor 38 kann innerhalb des Tanks 30 vorgesehen sein. Die Anzeigevorrichtung 42 kann beispielsweise auch als Teil eines Autonavigationssystems verwendet werden und zeigt verschiedene Arten von Informationen auf einem Bildschirm.
Die Steuereinrichtung 46 ist als Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, ein ROM und ein RAM aufweist, und steuert das Fahrzeug 3 und das Brennstoffzellensystem 4. Die CPU führt gewünschte Berechnungen gemäß Steuerprogrammen durch und führt verschiedene Prozesse und Steueroperationen aus. Das ROM ist so konfiguriert, dass es Steuerprogramme und Steuerdaten, die von der CPU verarbeitet werden sollen, speichert. Das RAM wird als verschiedene Arbeitsbereiche hauptsächlich für Steuerprozesse verwendet. Die Steuereinrichtung 46 ist mit der Anpassungsvorrichtung 33, dem Drucksensor 36, dem Temperatursensor 38, der Anzeigevorrichtung 42 und dergleichen verbunden. Beispielsweise steuert die Steuereinrichtung 46 die Anpassungsvorrichtung 33 und somit die Zuführmenge an Wasserstoffgas auf Basis der Informationen über den Druck und die Temperatur, die vom Drucksensor 36 und vom Temperatursensor 38 erfasst werden, die beide als Informationsermittlungsabschnitt dienen.
2. Aufbau des Tanks
Wie in 3 dargestellt, weist der Tank 30 eine Auskleidung 53, die so ausgebildet ist, dass sie hohl ist, um einen Speicherraum 51 innerhalb des Tanks zu definieren, und eine Verstärkungsschicht 55 auf, die eine Außenumfangsfläche der Auskleidung 53 bedeckt. Eine Spannhülse 57, mit der eine Ventilanordnung verbunden ist, ist an mindestens einem Ende der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 in deren axialer Richtung vorgesehen.
Die Auskleidung 53 weist eine Gasbarriereeigenschaft auf, um einer Übertragung von Wasserstoffgas nach außen entgegenzuwirken. Ein Material für die Auskleidung ist nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise Metall oder ein hartes Harz sein, beispielsweise ein Polyethylenharz oder ein Polypropylenharz.
Die Verstärkungsschicht 55 dient dazu, dem Druck des gespeicherten Wasserstoffgases zu widerstehen. Die Verstärkungsschicht 55 wird durch Wickeln von Fasern, die mit einem Matrixharz imprägniert sind, um eine äußere Oberfläche der Auskleidung 53 und anschließendes Erwärmen und Härten des Matrixharzes ausgebildet. Das verwendete Matrixharz kann ein Epoxidharz, ein modifiziertes Epoxidharz oder dergleichen sein. Die verwendete Faser kann Kohlefaser oder Aramidfaser sein. Ferner beinhalten Beispiele für ein Wickelverfahren ein Filamentwickelverfahren (FW-Verfahren) und ein Bandwickelverfahren. Beispiele für eine Wickelmethode in diesem Fall beinhalten eine gut bekannte Reifenwicklung und Spiralwicklung.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Verstärkungsschicht 55 aus CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics – kohlefaserverstärkter Kunststoff) durch Anwenden des FW-Verfahrens für die Auskleidung 53 aus Harz ausgebildet. Für den CFRP wird ein duroplastisches Epoxidharz als Matrixharz verwendet, und Kohlefaser wird als die Faser verwendet. Die Verstärkungsschicht 55 kann eine andere Schicht als die CFRP-Schicht aufweisen, die an die Außenumfangsfläche der Auskleidung 53 gestapelt ist, beispielsweise eine Schicht aus GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics bzw. glasfaserverstärkter Kunststoff), die an die Außenumfangsfläche der CFRP-Schicht gestapelt ist.
3. Beziehung zwischen Wasserstoffausgabegeschwindigkeit und Tankdruck sowie Tanktemperatur
4A und 4B sind Skizzen, die zeitliche Änderungen im Tankdruck und in der Tanktemperatur darstellen, die beobachtet werden, wenn die Umgebungstemperatur 20°C ist. 4A betrifft eine niedrige Wasserstoffgas-Ausgabegeschwindigkeit. 4B betrifft eine hohe Wasserstoffgas-Ausgabegeschwindigkeit. Wie aus 4A und 4B hervorgeht, steigt die Rate der Senkung des Tankdrucks und der Tanktemperatur konsistent mit der Geschwindigkeit, mit der Wasserstoffgas aus dem Tank 30 ausgegeben wird (der Geschwindigkeit, mit der Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 28 geliefert wird). Nachdem die Ausgabe von Wasserstoffgas beendet ist (Zeitpunkt t₀), wird die Tanktemperatur durch die Außenluft erhöht, so dass sie sich der Umgebungstemperatur (20°C) annähert. Zu dieser Zeit steigt der Tankdruck leicht an. Wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, sinkt die Tanktemperatur im Allgemeinen weiter.
Der Tank 30, der im Fahrzeug 3 angeordnet ist, kann von der Wasserstoffstation 2 unmittelbar nach der Ausgabe von Wasserstoffgas gefüllt werden. Somit wird erwartet, dass in den meisten Fällen die Tanktemperatur und der Tankdruck gesenkt worden sind, wenn Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt wird. Wenn Gas unmittelbar nach einem Fahren mit einer hohen Wasserstoff-Ausgabegeschwindigkeit (beispielsweise einem beschleunigten Fahren) in den Tank gefüllt wird, sind die Tanktemperatur und der Tankdruck steiler gesenkt worden.
Wenn der Tank 30 laut Spezifikation eine verringerte Menge an Wasserstoffgas enthält (ein kleineres Tankvolumen aufweist), nimmt die Geschwindigkeit der Absenkung des Tankdrucks zu, wenn die Menge an Wasserstoffgas, die verbraucht wird, gleich ist wie diejenige in dem Tank, der laut Spezifikation eine originale Menge an Wasserstoffgas enthält. Somit ist es wahrscheinlich, dass in dem Tank, der laut Spezifikation eine verringerte Menge an Wasserstoffgas (ein kleineres Tankvolumen) enthält, die Tanktemperatur steiler abfällt.
4. Bildung einer Lücke
5 ist eine Querschnittsdarstellung, die zeigt, dass eine Lücke 60 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 im Tank 30 vorhanden ist. Der Grund für die Bildung der Lücke 60 wird erläutert.
Zunächst wird in einem Verfahren zur Herstellung des Tanks 30 wie nachstehend beschrieben die Lücke 60 ausgebildet. Genauer wird, wenn die Verstärkungsschicht 55 ausgebildet wird, Kohlefaser, die mit einem Epoxidharz imprägniert ist, anhand des FW-Verfahrens um die Auskleidung 53 gewickelt, die bei der Raumtemperatur und bei einem Innendruck gehalten wird, bei dem die Auskleidung sich unter einer Spannung, die im Zusammenhang mit dem FW-Verfahren aufgebracht wird, nicht verformt. Wenn das Wickeln abgeschlossen ist, hat sich keine Lücke 60 gebildet. Im anschließenden Stadium wird die Kohlefaser erwärmt, wobei der Innendruck aufrechterhalten wird, um das Epoxidharz im CFRP durch den Wärmeverfestigungsprozess zu härten. Auch in diesem Stadium wird keine Lücke 60 gebildet. Jedoch zieht sich die Auskleidung 53 nach dem Wärmeverfestigungsprozess zusammen, wenn der Innendruck aufgehoben wird und die Auskleidung 53 zur Raumtemperatur zurückkehrt. Infolgedessen wird eine solche Lücke 60 gebildet, wie in 5 dargestellt. Der Grund dafür ist, dass infolge eines Unterschieds im Elastizitätskoeffizienten und im linearen Dehnungskoeffizienten zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 die Auskleidung 53 sich eher kontrahierend und expandierend verformen wird als die Verstärkungsschicht 55.
Zweitens kann auch dann, wenn im oben beschriebenen Herstellungsstadium keine Lücke 60 gebildet wird, die Lücke 60 gebildet werden, wenn ein Zustand verringerten Drucks oder ein Zustand verringerter Temperatur eingerichtet wird. Wenn beispielsweise der Tankdruck sinkt, während die Lücke null ist, wie in 3 dargestellt, wird eine Lücke 60 gebildet, wie in 5 dargestellt. Der Grund dafür ist, dass sich als Folge des Unterschieds im Elastizitätskoeffizienten die Auskleidung 53 zusammenzieht, aber die Verstärkungsschicht sich nicht wesentlich verformt. Ebenso wird, wenn die Tanktemperatur sinkt, während die Lücke null ist, wie in 3 dargestellt, eine solche Lücke 60 wie in 5 dargestellt ausgebildet. Die Größe der Lücke 60 nimmt mit sinkendem Tankdruck oder sinkender Tanktemperatur zu. Das heißt, die Größe der Lücke 60 tendiert dazu, mit der Geschwindigkeit der Wasserstoffgasausgabe konsistent zuzunehmen (siehe 4A und 4B).
6 ist eine Skizze, die schematisch die Beziehung zwischen der Größe der Lücke 60 und dem Tankdruck für eine Mehrzahl von Tanktemperaturen T₁ bis T₄ (T₁ < T₂ < T₃ < T₄) darstellt.
Wie in 6 dargestellt, nimmt bei der gleichen Temperatur die Größe der Lücke 60 mit steigendem Tankdruck ab. Ebenso nimmt beim gleichen Tankdruck die Größe der Lücke mit steigender Tanktemperatur ab. Somit zeigt 6, dass auch dann, wenn der Tank 30 nicht mit Wasserstoffgas gefüllt wird, eine Zunahme der Tanktemperatur, die von der Umgebungstemperatur bewirkt wird, die Größe der Lücke 60 verkleinert. 60 zeigt auch, dass mit einer unveränderten Größe der Lücke 60 der Tankdruck, der nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen, mit sinkender Tanktemperatur steigt.
5. Messung und Speicherung des Lückenmaßes
Die Größe der Lücke 60 variiert nicht nur abhängig vom Tankdruck und von der Tanktemperatur, sondern auch von der Spezifikation des Tanks 30. Beispielsweise variiert die Größe der Lücke 60 abhängig von den Materialien, die den Tank 30 bilden (den Materialien der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55) und der physischen Größe des Tanks 30 (der Länge, dem Durchmesser, dem Volumen und dergleichen des Tanks 30).
Hier wird als Index, der die Größe der Lücke 60 angibt, ein Lückenmaß 62 verwendet, das dem Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 entspricht, wie in 5 dargestellt. Wenn das Lückenmaß 62 über die gesamte Auskleidung 53 und die Verstärkungsschicht 55 gleichmäßig ist, entspricht das Lückenmaß 62 dem Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55. Wenn das Lückenmaß 62 nicht gleichmäßig ist, entspricht das Lückenmaß 62 dem größten Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55.
Das Lückenmaß 62 kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Beispielsweise kann das Lückenmaß 62 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 durch Röntgen des Tanks 30 gemessen werden, um die Innenseite des Tanks 30 sichtbar zu machen. Alternativ dazu kann das Lückenmaß 62 durch Ausbilden eines Lochs in der Verstärkungsschicht 55 des Tanks 30 und Einführen einer Messsonde eines Wegaufnehmers durch das Loch hindurch mechanisch gemessen werden. Eine solche Messung des Lückenmaßes 62 wird in einem Entwicklungsstadium für den Tank 30 ausgeführt. Das Lückenmaß 62 wird mit dem oben beschriebenen Verfahren nicht während einer Gaseinfüllung gemessen. Somit ist für das Brennstoffzellensystem 4 das Lückenmaß 62 des Tanks 30 bereits bekannt und zum Beispiel in Form eines Kennfelds dargestellt.
7 ist eine Skizze, die ein Beispiel für ein Kennfeld M für das Lückenmaß 62 zeigt.
Das dargestellte Kennfeld M ist spezifisch für den Tank 30 des Brennstoffzellensystems 4. Wie oben beschrieben, variiert das Lückenmaß 62 abhängig vom Tankdruck und der Tanktemperatur. Somit zeigt in dem Kennfeld M für das Lückenmaß 62 die Achse der Ordinate den Tankdruck an, und die Achse von Abszissen zeigt die Tanktemperatur an. Das Lückenmaß wird in Verbindung mit der jeweiligen Bedingung spezifiziert. Beispielsweise nimmt bei einer Tanktemperatur T1 das Lückenmaß 62, das in 7 mit B1 bis E1 bezeichnet ist, mit zunehmendem Tankdruck ab. Ferner nimmt bei einem Tankdruck von 0 MPa das Lückenmaß 62, das in 7 mit A2 bis A5 bezeichnet wird, mit steigender Tanktemperatur ab.
Hierbei wird das Kennfeld M in einem Speicherabschnitt (wie einem ROM) der Steuereinrichtung 46 gespeichert. Wie nachstehend ausführlich beschrieben ist, wird während der Zufuhr von Wasserstoffgas das Lückenmaß 62 unter Bezugnahme auf den aktuellen Tankdruck und die aktuelle Tanktemperatur im Kennfeld M im Speicherabschnitt berechnet. Dann bestimmt die Steuereinrichtung 46 auf Basis des Lückenmaßes 62, ob eine Begrenzung für die anschließende Zuführmenge auferlegt wird oder nicht.
6. GAP-Bestimmungswert
Ein GAP-Bestimmungswert ist ein Index, der für eine Zufuhrsteuerung unter Berücksichtigung des Lückenmaßes verwendet wird, wie nachstehend in „7” beschrieben ist. (Siehe beispielsweise Schritt S3 in 11). Der GAP-Bestimmungswert bedeutet die Bruchdehnung δ der Auskleidung 53 oder die Bruchdehnung δ der Auskleidung 53, multipliziert mit einem Sicherheitsfaktor. Die Bruchdehnung δ wird anhand der physikalischen Eigenschaften des Materials der Auskleidung 53 bestimmt und variiert abhängig von der Tanktemperatur. Genauer nimmt, wie in 8 dargestellt, die Bruchdehnung δ konsistent mit der Tanktemperatur zu. Der GAP-Bestimmungswert für den Tank 30 wird ähnlich dem Kennfeld M vorab im Speicherabschnitt der Steuereinrichtung 46 gespeichert.
Die Bruchdehnung δ kann auf Basis der Ergebnisse von Zugversuchen erhalten werden. Die Bruchdehnung δ wird natürlich auf folgende Weise ausgedrückt: δ = 100 × (I_f – I₀)/I₀ (1) wobei die Bedeutung der Parameter wie folgt ist:

I₀:: die ursprüngliche Länge der Auskleidung 53 und
I_f:: die dauerhafte Verlängerung der Auskleidung 53 nach einem Bruch.

6-1. Zielwert, der mit dem GAP-Bestimmungswert zu vergleichen ist
In der nachstehend unter „7” beschriebenen Zufuhrsteuerung ist ein Zielwert, der mit dem GAP-Bestimmungswert zu vergleichen ist, die Dehnung ε der Auskleidung 53, die nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen.
Wenn Wasserstoffgas in den Tank gefüllt wird, während die Lücke 60 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 vorhanden ist, wie in 9A dargestellt, verformt sich die Auskleidung 53 expansiv, bis die Auskleidung 53 die Lücke 60 schließt, wie in 9B dargestellt ist. Der Grund dafür ist, dass Wasserstoffgas dazu dient, den Tankdruck und die Tanktemperatur zu erhöhen, was bewirkt, dass die zusammengezogene Auskleidung 53 sich ausdehnt, bis die Auskleidung 53 mit der Verstärkungsschicht 55 in Kontakt kommt. Die Dehnung der Auskleidung 53 in Bezug auf die Lücke 60, das heißt, die Dehnung ε der Auskleidung 53, die nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen, wird beispielsweise anhand von: ε = 100 × (r_f – r₀)/r₀ (2) berechnet, wobei die Bedeutung der Parameter wie folgt ist:

r₀:: der anfängliche äußere Durchmesser der Auskleidung 53, und
r_f:: der äußere Durchmesser der Auskleidung 53, der erhalten wird, wenn die Lücke 60 geschlossen ist.

Beispielsweise ist bei r₀ = 50 mm und einem Lückenmaß von 5 mm, r_f = 55. Somit ist die nötige Dehnung ε der Auskleidung 53 10%.
Für die Zufuhrsteuerung sind der Rechenwert für das Lückenmaß 62 und der Außendurchmesser r_f der Auskleidung 53 bekannt. Somit kann die Dehnung ε, die nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen, auf Basis des oben beschriebenen Ausdrucks (2) berechnet werden. Dann wird die errechnete nötige Dehnung ε mit dem GAP-Bestimmungswert verglichen. Wenn die nötige Dehnung ε größer ist als der GAP-Bestimmungswert, wird davon ausgegangen, dass eine Last, die gleich oder größer ist als ein zulässiger Wert, während der Gaseinfüllung auf die Auskleidung 53 aufgebracht wird, nachdem das Brennstoffzellensystem 4 angehalten wird.
Hierbei entspricht der GAP-Bestimmungswert (der vorgegebene Schwellenwert), der mit der errechneten nötigen Dehnung ε verglichen werden soll, der Tanktemperatur, die während des Vergleichs gemessen wird. Der Grund dafür ist, dass die Bruchdehnung δ von der Tanktemperatur abhängt, wie oben beschrieben (siehe 8). Somit wird der GAP-Bestimmungswert, der eingestellt werden soll, mit steigender Tanktemperatur größer.
7. Zufuhrsteuerung unter Berücksichtigung des Lückenmaßes
Nun wird die Zufuhr von Wasserstoffgas, die im Brennstoffzellensystem 4 ausgeführt wird, mit Bezug auf eine Mehrzahl von Steuerbeispielen unter Berücksichtigung des Lückenmaßes 62 beschrieben. In jedem der Beispiele wird eine Steuerung während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 durchgeführt.
7-1. Erstes Steuerbeispiel
10 ist ein Blockschema, das die Funktionsblöcke der Steuereinrichtung 46 darstellt. Die Steuereinrichtung 46 weist einen Speicherabschnitt 70, einen Rechenabschnitt 71, einen Wahl- bzw. Entscheidungsabschnitt 72 und einen Antriebssteuerabschnitt 73 auf. Der Speicherabschnitt 70 ist so konfiguriert, dass er das oben beschriebene Kennfeld M und den GAP-Bestimmungswert entsprechend dem Tank 30 speichert. Der Rechenabschnitt 71 berechnet das Lückenmaß 62 unter Bezugnahme auf den erfassten Tankdruck und die erfasste Tanktemperatur im Kennfeld M im Speicherabschnitt 70. Auf Basis des errechneten Lückenmaßes 62 wählt bzw. entscheidet der Entscheidungsabschnitt 72, ob die Zuführmenge an Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 28 zugeführt wird, begrenzt werden soll oder nicht. Der Antriebssteuerabschnitt 73 steuert die Anpassungsvorrichtung 33 auf Basis des Ergebnisses der Entscheidung vom Entscheidungsabschnitt 72. Insbesondere falls der Entscheidungsabschnitt 72 entscheidet, die Zuführmenge zu begrenzen, steuert der Antriebssteuerabschnitt 73 die Anpassungsvorrichtung 33 so, dass die Zuführmenge gemäß der gewählten Begrenzung angepasst wird.
11 ist ein Ablaufschema, das ein Beispiel für die vorliegende Steuerung darstellt.
Zunächst stellt ein Anwender, beispielsweise ein Fahrer, einen Zündschlüssel für ein Fahrzeug (Schritt S1) auf ein. Dann beginnt das Brennstoffzellensystem 4 zu arbeiten. Somit beginnt die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Tank 30 zur Brennstoffzelle 28. Während der Zufuhr von Wasserstoffgas werden der Tankdruck und die Tanktemperatur in den Drucksensor 36 bzw. den Temperatursensor 38 eingelesen. Das Lückenmaß 62, das erhalten wird, wenn der Tankdruck und die Tanktemperatur in die Sensoren eingelesen werden (d. h. das aktuelle Lückenmaß 62), wird berechnet (Schritt S2). Genauer werden die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur vorübergehend beispielsweise im RAM der Steuereinrichtung 46 gespeichert. Somit berechnet der Rechenschritt 71 das aktuelle Lückenmaß 62 durch Referenzieren der vorübergehend gespeicherten Informationen im Kennfeld M im Speicherabschnitt 70.
Im nächsten Schritt S3 berechnet der Entscheidungsabschnitt 72 die Dehnung ε der Auskleidung 53, die nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen, auf Basis des errechneten aktuellen Lückenmaßes 62. Der Entscheidungsabschnitt 72 entscheidet, ob die errechnete nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert. Zu dieser Zeit entspricht der GAP-Bestimmungswert, der mit der errechneten nötigen Dehnung ε verglichen werden soll, der aktuellen Tanktemperatur, die in Schritt S2 in den Sensor eingelesen wird.
Infolgedessen bestimmt die Steuereinrichtung, falls die errechnete nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S3; Ja), dass auch dann, wenn Wasserstoffgas in den Tank gefüllt wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems 4 unterbrochen worden ist, verhindert wird, dass eine Last, die gleich oder größer ist als ein zulässiger Wert, auf die Auskleidung 53 aufgebracht wird, und führt eine normale Zufuhr von Wasserstoffgas durch. Während dieser normalen Zufuhr von Wasserstoffgas entspricht die Zufuhr von Wasserstoffgas der geforderten Leistung der Brennstoffzelle 28. Genauer ermöglicht die Anpassungsvorrichtung 33, dass Wasserstoffgas bei einem Zufuhrdruck und einer Zufuhrströmungsrate und in einer Zuführmenge, die der geforderten Leistung der Brennstoffzelle 28 entspricht, zur Brennstoffzelle 28 geliefert wird.
Falls dagegen die errechnete nötige Dehnung ε nicht gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S3; Nein), bestimmt die Steuereinrichtung, dass eine Last, die gleich oder größer ist als der zulässige Wert, auf die Auskleidung 53 aufgebracht wird, falls die normale Zufuhr von Wasserstoffgas durchgeführt wird. Die Steuereinrichtung begrenzt dann die Zuführmenge an Wasserstoffgas (Schritt S4). Die Begrenzung der Zuführmenge bezieht sich darauf, dass die Zuführmenge von Wasserstoffgas, die aus dem Tank 30 ausgegeben wird, stärker begrenzt wird als bei der normalen Zufuhr von Wasserstoffgas.
Die Zuführmenge an Wasserstoffgas kann auf verschiedene Weise unter der Steuerung der Anpassungsvorrichtung 33 begrenzt werden. Beispielsweise kann die Zuführmenge unter Verwendung einer Zufuhrströmungsrate von Wasserstoffgas, die durch Verringern der Zufuhrströmungsrate von Wasserstoffgas für die normale Zufuhr erhalten wird, begrenzt werden (beispielsweise durch Verringern der Zufuhrströmungsrate um einen vorgegebenen Prozentsatz). Dieses Verfahren kann durch wiederholtes Öffnen und Schließen der Anpassungsvorrichtung 33 nicht nur dann, wenn die Anpassungsvorrichtung 33 ein Injektor oder dergleichen ist, sondern auch, wenn die Anpassungsvorrichtung 33 ein Sperrventil ist, ausgeführt werden. Alternativ dazu kann die Zuführmenge durch Verringern des höchsten Werts der Zuführmenge (beispielsweise durch Einstellen der höchsten Strömungsrate auf gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert) begrenzt werden. Diese Verfahren ermöglichen eine kontinuierliche Zufuhr von Wasserstoffgas, das aus dem Tank 30 ausgegeben wird, zur Brennstoffzelle 28.
Alternativ dazu kann die Zuführmenge durch Unterbrechen der Zufuhr von Wasserstoffgas, um die Zuführmenge auf null zu stellen, begrenzt werden. Dies kann auf einfache Weise durchgeführt werden, wenn die Anpassungsvorrichtung 33 ein Sperrventil ist. In diesem Fall wird kein Wasserstoffgas aus dem Tank 30 zur Brennstoffzelle 28 ausgespeist. Tatsächlich wird auch dann, wenn dieses Verfahren angewendet wird, falls das Brennstoffzellensystem 4 ein Wasserstoffgas-Umwälzsystem aufweist (das gut bekannt ist und somit in der Zeichnung nicht dargestellt ist), zugelassen, dass der Brennstoffzelle 28 von einer Wasserstoffpumpe Wasserstoffgas oder Wasserstoffabgas, das im Wasserstoffgas-Umwälzsystem enthalten ist, zugeführt wird.
Danach werden die oben beschriebenen Schritte S2 bis S4 wiederholt, bis der Anwender den Zündschlüssel für das Fahrzeug 3 auf aus stellt (Schritt S5; Nein). Das heißt, der Tankdruck und die Tanktemperatur werden nach Bedarf in die Sensoren eingelesen, und das aktuelle Lückenmaß 62 wird berechnet (Schritt S2). Die Steuereinrichtung bestimmt dann, ob die nötige Dehnung gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S3). Infolgedessen wird die Begrenzung der Zuführmenge fortgesetzt (Schritt S3; Nein, Schritt S4) oder die Begrenzung der Zuführmenge wird aufgehoben, um die normale Zufuhr von Wasserstoffgas zu ermöglichen (Schritt S3; Ja). Wenn der Zündschlüssel für das Fahrzeug auf aus gestellt wird (Schritt S5; Ja) endet der Betrieb des Brennstoffzellensystems 4. Die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Tank 30 zur Brennstoffzelle 28 wird ebenfalls unterbrochen (Schritt S6).
Die vorteilhaften Wirkungen des oben beschriebenen vorliegenden Steuerbeispiels werden beschrieben.
Das Maß 62 der Lücke im Tank 30 wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 berechnet. Die Steuereinrichtung bestimmt dann, ob eine Last auf die Auskleidung 53 als Folge der Gaseinfüllung aufgebracht wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems 4 unterbrochen wird. Nach der Bestimmung, dass eine Last auf die Auskleidung aufgebracht wird, begrenzt die Steuereinrichtung die Zuführmenge an Wasserstoffgas aus dem Tank 30. Eine Begrenzung der Zuführmenge ermöglicht eine Begrenzung der Geschwindigkeiten, mit denen die Temperatur und der Druck im Tank 30 sinken (siehe 4A und 4B). Der Grund dafür ist, dass auch dann, wenn Wasserstoffgas aus dem Tank 30 ausgegeben wird, die Temperatur mit einer relativ geringen Geschwindigkeit im Zusammenhang mit einer adiabatischen Ausdehnung von Wasserstoffgas im Tank 30 sinkt. Die Begrenzung der Zuführmenge ermöglicht ohne Weiteres eine Erwärmung des Tanks 30 durch die Umgebungsluft.
Somit wird ein Sinken der Temperatur und des Drucks im Tank 30 beschränkt, wodurch einer Zunahme des Lückenmaßes entgegengewirkt wird. Dies dient dazu, das Maß zu verringern, in dem die die Auskleidung 53 sich während einer Einfüllung von Gas ausdehnt, nachdem das System angehalten wird. Infolgedessen kann verhindert werden, dass die Auskleidung 53 einer schweren Last unterworfen wird.
Falls eine schnelle Ausgabe von der Brennstoffzelle 28 infolge beispielsweise von WOT (Wide Open Throttle: vollständige Öffnung einer Drosselklappe) gefordert wird, hemmt die Steuereinrichtung 46 vorzugsweise einen Betrieb zur Erfüllung der Forderung. Dadurch kann die Begrenzung der Zuführmenge zuverlässig aufrechterhalten werden, wodurch eine Verringerung der Belastung der Auskleidung 53 möglich ist.
7-2. Zweites Steuerbeispiel
Nun wird ein zweites Beispiel für eine Steuerung mit Bezug auf 12 beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf Unterschiede zum ersten Steuerbeispiel gelegt wird. Der Hauptunterschied ist, dass die vorliegende Steuerung nicht nur die Berechnung des aktuellen Lückenmaßes (Schritt S11), sondern auch die Berechnung des Wertes des Lückenmaßes, das voraussagegemäß eine vorgegebene Zeit später erhalten wird (Schritt S14), beinhaltet, und dass die Steuerung entscheidet, ob die Zuführmenge auf Basis dieses vorausgesagten Werts begrenzt wird oder nicht (Schritt S15). Ein Blockschema der Steuereinrichtung 46 zur Implementierung der vorliegenden Steuerung ist das gleiche wie in 11 dargestellt.
Wie in 12 dargestellt, wird in Schritt S11 das aktuelle Lückenmaß 62 aus dem aktuellen Tankdruck und der aktuellen Tanktemperatur berechnet. In Schritt S12 wird die nötige Dehnung ε auf Basis des errechneten aktuellen Lückenmaßes 62 berechnet. Die Steuereinrichtung 46 bestimmt dann, ob die errechnete nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert. Dann begrenzt die Steuereinrichtung 46 die Zuführmenge an Wasserstoffgas (Schritt S13) und berechnet (Schritt S11) und vergleicht (Schritt S12) anschließend das Lückenmaß 62, bis die nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S12; Ja).
Wenn dagegen die benötigte Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S12; Ja), wird der Wert des Lückenmaßes 62, der voraussagegemäß eine Zeit x (eine vorgegebene Zeit) später erhalten wird, auf Basis des Gradienten des Tankdrucks und des Gradienten der Tanktemperatur berechnet (Schritt S14). Diese Berechnung wird auch durch den Rechenabschnitt 71 durchgeführt.
Genauer sinken sowohl der Tankdruck als auch die Tanktemperatur infolge der Zufuhr von Wasserstoffgas, wie in 13A und 13B dargestellt ist, und daher bestimmt der Rechenabschnitt 71 zuerst den Gradienten des Tankdrucks (ΔP/Δt) und den Gradienten der Tanktemperatur (ΔT/Δt) pro Zeiteinheit. Der Rechenabschnitt 71 schätzt somit den Tankdruck und die Tanktemperatur, die die Zeit x später auf Basis der Gradienten erhalten werden. Dann referenziert der Rechenabschnitt 71 die resultierenden Werte im Kennfeld M, um den Wert des Lückenmaßes 62, das voraussagegemäß die Zeit x später erhalten wird, zu berechnen. In einer anderen Ausführungsform kann der Rechenabschnitt 71 den vorausgesagten Wert für das Lückenmaß 62 auf Basis des Maßes einer Änderung ohne den Gradienten des Tankdrucks und der Tanktemperatur bestimmen. Ferner kann die Zeit x auf einen beliebigen Wert eingestellt werden, beispielsweise auf fünf Minuten.
Im nächsten Schritt S15 berechnet der Entscheidungsabschnitt 72 die Dehnung ε der Auskleidung 53, die nötig ist, um die Lücke 60 zu schließen, auf Basis des vorausgesagten Werts des Lückenmaßes 62. Der Entscheidungsabschnitt 72 bestimmt dann, ob die nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert. Zu dieser Zeit entspricht der GAP-Bestimmungswert, der mit der errechneten nötigen Verlängerung ε verglichen werden soll, der Tanktemperatur, die nach der Schätzung in Schritt S14 die Zeit x später erhalten werden soll.
Falls die Bestimmung anzeigt, dass die nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S15; Ja), führt das System die normale Zufuhr von Wasserstoffgas aus und wartet dann, dass der Zündschlüssel auf aus gestellt wird (Schritt S17). Wenn dagegen die nötige Dehnung ε nicht gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert (Schritt S15; Ja), begrenzt das System die Zuführmenge an Wasserstoffgas (Schritt S16) und wartet dann, bis der Zündschlüssel auf aus gestellt wird (Schritt S17). Die oben beschriebenen Schritte S11 bis S16 werden wiederholt, bis der Zündschlüssel ausgeschaltet wird (Schritt S17; Ja). Auch wenn die Zuführmenge zu Anfang nicht begrenzt ist (Schritt S12; Ja, Schritt S15; Ja), wird somit, wenn die Dehnung ε, die für das Lückenmaß 62 nötig ist, größer ist als der GAP-Bestimmungswert, die Zuführmenge anschließend zwangsweise begrenzt.
Hierbei kann die Begrenzung der Zuführmenge in den Schritten S13 und S16 auf die gleiche Weise ausgeführt werden wie die in dem oben beschriebenen ersten Steuerbeispiel (Schritt S4). Das Begrenzungsmaß, in dem die Zuführmenge begrenzt wird, kann für die Schritte S13 und S16 gleich sein, unterscheidet sich jedoch vorzugsweise zwischen Schritt S13 und Schritt S16. Genauer kann das Begrenzungsmaß in Schritt S13 größer sein als in Schritt S16. Beispielsweise kann die Zufuhrströmungsrate in Schritt S13 niedriger sein als in Schritt S16.
Andererseits kann das Begrenzungsmaß in Schritt S13 kleiner eingestellt werden als in Schritt S4 im ersten Steuerbeispiel. Das heißt, wenn die Zuführmenge auf Basis des aktuellen Lückenmaßes 62 begrenzt ist, kann die Zuführmenge in Schritt S13 im zweiten Steuerbeispiel größer sein als die in Schritt S4 im ersten Steuerbeispiel. Der Grund dafür ist, dass im zweiten Steuerbeispiel die Zuführmenge auch in Schritt S16 begrenzt werden kann.
Das vorliegende oben beschriebene Steuerbeispiel hat nicht nur vorteilhafte Wirkungen ähnlich denen des ersten Steuerbeispiels, sondern ermöglicht auch eine fortschreitende Begrenzung der Zuführmenge im Vergleich zum ersten Steuerbeispiel. Somit kann während einer Beschleunigung des Fahrzeugs 3, die einen hohen Verbrauch von Wasserstoffgas beinhaltet, die verbrauchte Menge an Wasserstoffgas in gewissem Umfang kompensiert werden. Dadurch kann das Gefühl des Anwenders, der das Fahrzeug fährt, dass der Beschleunigung des Fahrzeugs schnell entgegengewirkt wird, gedämpft werden.
7-3. Drittes Steuerbeispiel
Nun wird ein drittes Steuerbeispiel mit Bezug auf 14 bis 17 beschrieben. In dem dritten Steuerbeispiel wird ein Kriterium für einen sogenannten Gastiefstand auf Basis des Lückenmaßes 62 geändert, das während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 berechnet wird.
14 ist ein Blockschema, das die Funktionsblöcke der Steuereinrichtung 46 zur Implementierung der Steuerung zeigt. Die Steuereinrichtung 46 weist zusätzlich zum oben beschriebenen Speicherabschnitt 70, Rechenabschnitt 71, Entscheidungsabschnitt 72 und Antriebssteuerabschnitt 73 einen Bestimmungsabschnitt 75 auf, der so aufgebaut ist, dass er bestimmt, ob das Gas im Fahrzeug zur Neige geht oder nicht.
15A und 15B zeigen Verfahren zur Bestimmung des Gastiefstands gemäß einem Vergleichsbeispiel und dem vorliegenden Steuerbeispiel. In jedem dieser Verfahren wird der Gastiefstand durch Vergleichen des Tankdrucks mit Richtwerten bestimmt.
Hierbei werden als Richtwerte für den Gastiefstand zwei Gastiefstands-Linien L₁ und L₂, verwendet, die Grenzen für einen Mangel an Brenngas im Tank 30 und für die Möglichkeit eines Mangels anzeigen. Genauer ist die Gastiefstands-Linie L₁ eine Tankdrucklinie, die einer Grenze entspricht, die anzeigt, ob die Menge an Wasserstoffgas, die im Tank 30 verblieben ist, exakt null ist oder nicht. Wenn der Wert des Tankdrucks auf der Seite des niedrigeren Drucks der Gastiefstands-Linie L₁ liegt, ist die Menge an verbliebenem Wasserstoffgas im Tank 30 exakt null, und das Fahrzeug ist demgemäß angehalten. Dagegen ist die Gastiefstands-Linie L₂ eine Tankdrucklinie, die einer Grenze entspricht, die anzeigt, ob eine Strecke, über die das Fahrzeug 3 noch fahren kann, 0 km ist oder nicht. Wenn der Wert des Tankdrucks auf der Seite eines niedrigeren Drucks der Gastiefstands-Linie L₂ liegt, zeigt das System an, dass die Strecke, über die noch gefahren werden kann, 0 km ist, und drängt darauf, dass der Anwender, beispielsweise der Fahrer, Wasserstoffgas in den Tank füllt. Ein solcher Hinweis wird von der Anzeigeeinheit bereitgestellt, die beispielsweise von einer Gastiefstandslampe verkörpert wird. Wenn der Wert des Tankdrucks zwischen der Gastiefstands-Linie L₁ und der Gastiefstands-Linie L₂ liegt, ist eine kleine Menge an Wasserstoffgas im Tank 30 verblieben. Somit kann das Fahrzeug 3 weitergefahren werden.
In dem in 15A dargestellten Vergleichsbeispiel sind die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ vertikale gerade Linien, die durch die Werte x bzw. y des Tankdrucks verlaufen. Das heißt, die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ sind unabhängig vom Wert der Tanktemperatur fest. Dagegen sind im vorliegenden Steuerbeispiel, das in 15B dargestellt ist, die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ bei einer Tanktemperatur Tb oder darüber die gleichen wie diejenigen in dem Vergleichsbeispiel, das in 15A dargestellt ist. Jedoch sind bei der Tanktemperatur Tb oder darunter die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ im vorliegenden Steuerbeispiel, das in 15B dargestellt ist, geneigt, so dass der Tankdruck, der von den Linien L₁ und L₂ angezeigt wird, mit sinkender Tanktemperatur steigt. Das heißt, die Gas-Linien L₁ und L₂ sind so eingestellt, dass sie höhere Drücke anzeigen, wenn die Tanktemperatur gleich oder niedriger ist als Tb als wenn die Tanktemperatur gleich oder höher ist als Tb. Die Tanktemperatur Tb ist zumindest niedriger als 0°C, beispielsweise –30°C.
16A und 16B zeigen ein anderes Verfahren für die Bestimmung des Gastiefstands und entsprechen jeweils der Steuerung eines Vergleichsbeispiels und des vorliegenden Beispiels. In diesem Verfahren wird der Gastiefstand durch Vergleichen der Menge an Wasserstoffgas im Tank 30 mit Richtwerten bestimmt.
Hierbei kann die Menge n von Wasserstoffgas im Tank 30 anhand einer Gaszustandsgleichung berechnet werden und ausgedrückt werden als: n = pV/zRT (3)
Die Bedeutung der Parameter ist wie folgt:

P:: der Tankdruck,
V:: das Volumen des Tanks 30,
z:: ein Kompressionskoeffizient,
R:: eine Gaskonstante, und
T:: die Tanktemperatur.

Somit kann die Menge des Wasserstoffgases n aus dem Tankdruck, der Tanktemperatur und dergleichen berechnet werden.
Zwei Gastiefstands-Linien L₁ und L₂, die in 16A und 16B dargestellt sind, zeigen die Wasserstoffgasmenge n an. Die Gastiefstands-Linie L₁ entspricht der Grenze, die anzeigt, ob die Menge an Wasserstoffgas, die im Tank 30 verblieben ist, null ist oder nicht. Die Gastiefstands-Linie L₂ entspricht der Grenze, die anzeigt, ob angezeigt werden soll oder nicht, dass die Strecke, über die das Fahrzeug 3 weitergefahren werden kann, 0 km ist. In dem Vergleichsbeispiel, das in 16A dargestellt ist, sind die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ geneigte gerade Linien, die jeweils durch die Werte x bzw. y des Tankdrucks verlaufen. Im vorliegenden Steuerbeispiel sind die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ bei der Temperatur Tb oder darüber die gleichen wie im Vergleichsbeispiel, das in 16A dargestellt ist. Jedoch sind bei der Tanktemperatur Tb oder darunter die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ im vorliegenden Steuerbeispiel, das in 16B dargestellt ist, so geneigt, dass die Tankdrücke, die von den Linien L₁ und L₂ dargestellt werden, mit sinkender Tanktemperatur steigen. Das heißt, die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ sind so eingestellt, dass sie größere Wasserstoffgasmengen anzeigen, wenn die Tanktemperatur gleich oder niedriger ist als Tb als wenn die Tanktemperatur gleich oder höher ist als Tb.
Als Zustandsgröße für das Wasserstoffgas im Tank 30 kann ein anderes Kriterium als der Tankdruck und die Menge an Wasserstoffgas im Tank 30 verwendet werden, um den Gastiefstand zu bestimmen. Ferner kann die Gastiefstands-Linie L₂ einer Grenze entsprechen, die anzeigt, ob eine vorgegebene Strecke (beispielsweise 10 km) anstelle der 0 km als die Strecke anzeigt wird, über die das Fahrzeug 3 weitergefahren werden kann.
17 ist ein Ablaufschema eines dritten Steuerbeispiels.
Zunächst wird der Zündschlüssel des Fahrzeugs 3 als Auslöser für einen Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 auf ein gestellt (Schritt S21). Dann bestimmt das System, ob die Anzeigevorrichtung 42 zeigt oder nicht, dass die Strecke, über die weitergefahren werden kann, 0 km ist (Schritt S22). Dann wird das aktuelle Lückenmaß 62 aus dem Tankdruck und der Tanktemperatur berechnet (Schritt S23 und S24). Wenn die Anzeigevorrichtung 42 nicht zeigt, dass die Strecke, über die weitergefahren werden kann, 0 km ist (Schritt S22; Nein), wird das aktuelle Lückenmaß 62 berechnet (Schritt 24), und das System schreitet zu einem Prozess weiter, um über die Gastiefstands-Linien zu entscheiden bzw. diese zu wählen (Schritt S27).
Falls die Anzeigevorrichtung 42 zeigt, dass die Strecke, über die weitergefahren werden kann, 0 km ist (Schritt S22; Ja), schreitet das System, wenn das errechnete aktuelle Lückenmaß 62 größer ist als null (Schritt S25; Ja), zum Prozess der Entscheidung über die Gastiefstands-Linien weiter (Schritt S27). Wenn das errechnete aktuelle Lückenmaß 62 null ist (Schritt S25; Nein), bestimmt das System, dass die Lücke 60 geschlossen worden ist, um zulassen, dass der Tank 30 mit Wasserstoffgas gefüllt wird, und löscht die oben beschriebene Anzeige (Schritt S26). Das System schreitet dann zu dem Prozess weiter, mit dem über die Gastiefstands-Linien entschieden wird (Schritt S27).
In dem Prozess, in dem über die Gastiefstands-Linien entschieden wird (Schritt S27), entscheidet der Bestimmungsabschnitt 75 über die Gastiefstands-Linien, die zur Bestimmung des Gastiefstands verwendet werden sollen, auf Basis des errechneten Lückenmaßes 62. Genauer wird die oben beschriebene nötige Dehnung ε aus dem berechneten Lückenmaß 62 berechnet. Wenn die errechnete nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert, entscheidet das System, die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ zu verwenden, die in 15A oder 16A gezeigt sind.
Ansonsten (wenn die errechnete nötige Dehnung ε nicht gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert) entscheidet das System, die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ zu verwenden, die in 15B oder 16B gezeigt sind.
Anschließend überwacht das System nach Bedarf den Tankdruck, der nach Bedarf während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 erfasst wird, oder die Menge n an Wasserstoffgas im Tank 30, die nach Bedarf während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 berechnet wird, um zu bestimmen, ob der Tankdruck oder die Wasserstoffgasmenge n gleich oder größer ist als der Wert für die gewählte Gastiefstands-Linie L₂ (Schritt S28). Wenn der Tankdruck oder die Wasserstoffgasmenge n kleiner ist als der Wert für die gewählte Gastiefstands-Linie L₂ (Schritt S28; Nein), zeigt die Anzeigevorrichtung 42, dass die Strecke, über die weitergefahren werden kann, 0 km ist (Schritt S29). Wenn die Anzeigevorrichtung 42 dies bereits zeigt, wird Schritt 29 weggelassen. Anschließend überwacht das System auf ähnliche Weise den bzw. die nach Bedarf erfasste(n) Tankdruck oder Wasserstoffgasmenge n, um zu bestimmen, ob der Tankdruck oder die Wasserstoffgasmenge n gleich oder größer ist als der Wert für die gewählte Gastiefstands-Linie L₁ (Schritt S30). Wenn der Tankdruck oder die Wasserstoffgasmenge n kleiner ist als der Wert für die gewählte Gastiefstands-Linie L₁ (Schritt S30; Nein), wird das Fahrzeug angehalten (Schritt S31). Wenn dagegen der Tankdruck oder die Wasserstoffgasmenge n gleich oder größer ist als der Wert für die gewählte Gastiefstands-Linie L₁ (Schritt S30; Ja), kehrt das System zum oben beschriebenen Schritt S22 zurück, um eine Verarbeitung ähnlich der oben beschriebenen auszuführen, bis der Zündschlüssel des Fahrzeugs 3 auf aus gestellt wird (Schritt S32; Ja).
Die vorteilhaften Wirkungen des oben beschriebenen vorliegenden Steuerbeispiels werden beschrieben.
Wenn die nötige Dehnung ε, die aus dem aktuellen Lückenmaß 62 berechnet wird, nicht gleich oder kleiner als der GAP-Bestimmungswert während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 ist, wird das Kriterium (die Gastiefstands-Linien L₁ und L₂), das in 15B oder 16B gezeigt ist, zur Bestimmung des Gastiefstands verwendet. Wenn die Tanktemperatur gleich oder niedriger ist als Tb, die gleich oder niedriger ist als null, lässt dieses Kriterium zu, dass der Gastiefstand auch bei einem Tankdruck bestimmt werden kann, der im Vergleich zu dem Kriterium (Gastiefstands-Linien L₁ und L₂, die in 15A oder 16A dargestellt sind), das verwendet wird, wenn die nötige Dehnung ε gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert, erhöht ist.
Das heißt, durch die Änderung der Richtwerte für die Bestimmung des Gastiefstands kann der Gastiefstand schnell bestimmt werden, wenn die nötige Dehnung ε nicht gleich oder kleiner ist als der GAP-Bestimmungswert, vorausgesetzt, dass die Tanktemperatur gleich oder niedriger ist als Tb. Als Antwort auf diese Bestimmung wird der Gastiefstand angezeigt, wodurch der Anwender, beispielsweise der Fahrer, auf die Notwendigkeit hingewiesen wird, mit weniger Wasserstoffverbrauch zu fahren. Infolgedessen verringert eine Senkung des Wasserstoffverbrauchs durch die Brennstoffzelle 28 die Menge an Wasserstoff, die aus dem Tank 30 zur Brennstoffzelle 28 ausgespeist wird. Dadurch wird einer Zunahme des Lückenmaßes 62 entgegengewirkt. Somit können Lasten auf die Auskleidung 53 während der Gaseinfüllung verringert werden, nachdem das Brennstoffzellensystem 4 angehalten wurde.
Eine von den Gastiefstands-Linien L₁ und L₂ kann weggelassen werden. Ferner kann das dritte Steuerbeispiel mit dem oben beschriebenen ersten Steuerbeispiel oder zweiten Steuerbeispiel kombiniert werden. Wenn in diesem Fall beispielsweise über die Gastiefstands-Linien entschieden wird (Schritt S27), begrenzt der Antriebssteuerabschnitt 73 die Zuführmenge, wenn der Entscheidungsabschnitt 72 entscheidet, die Zuführmenge zu begrenzen.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Brennstoffzellensystem, das Verfahren zum Zuführen von Brenngas im Brennstoffzellensystem und das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht nur auf Wasserstoffgas, sondern auch auf andere Arten von Brenngas anwendbar, beispielsweise Erdgas. Ferner können das Brennstoffzellensystem, das Verfahren zum Zuführen von Brenngas im Brennstoffzellensystem und das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Fahrzeuge angewendet werden, sondern auch auf mobile Körper wie Flugzeuge, Schiffe und Roboter, die einen Tank aufweisen, der darin eingebaut ist und in den Brenngas von außen eingefüllt wird.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 4 das Lückenmaß 62 aus dem Kennfeld M ausgelesen, um zu ermöglichen, dass eine Steuerung durchgeführt wird. Jedoch kann das System so ausgelegt sein, dass die oben beschriebene Steuerung einfach durch Ermitteln von Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

2: Gasstation, 3: Fahrzeug, 28: Brennstoffzelle, 30: Tank, 36: Drucksensor, 38: Temperatursensor, 53: Auskleidung, 55: Verstärkungsschicht, 71: Rechenabschnitt, 72: Entscheidungsabschnitt, 73: Antriebssteuerabschnitt, 75: Bestimmungsabschnitt

Claims

Brennstoffzellensystem (4), aufweisend: eine Brennstoffzelle (28); einen Tank (30) zum Speichern von Brenngas, wobei der Tank (30) eine Auskleidung (53) und eine Verstärkungsschicht (55) aufweist, die an einer Außenumfangsfläche der Auskleidung (53) ausgebildet ist; und eine Anpassungsvorrichtung (33), die so aufgebaut ist, dass sie eine Zuführmenge an Brenngas, das aus dem Tank (30) zur Brennstoffzelle (28) ausgespeist werden soll, anpasst, wobei das Brennstoffzellensystem (4) ferner aufweist: einen Informationsermittlungsabschnitt (36, 38), der so aufgebaut ist, dass er Informationen über einen Druck und eine Temperatur im Tank (30) ermittelt; und eine Steuereinrichtung (46), aufweisend: einen Rechenabschnitt (71), der so aufgebaut ist, dass er ein Lückenmaß (62) zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) auf Basis von Informationen berechnet, die vom Informationsermittlungsabschnitt (36, 38) während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (4) ermittelt werden; und einen Entscheidungsabschnitt (72), der so aufgebaut ist, dass er auf Basis des errechneten Lückenmaßes (62) entscheidet, ob die Zuführmenge begrenzt werden soll oder nicht.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 1, wobei der Rechenabschnitt (71) auch einen vorausgesagten Wert für das Lückenmaß (62), das voraussagegemäß eine vorgegebene Zeit später erhalten wird, auf Basis eines Maßes einer Änderung in der Temperatur des Tanks und eines Maßes einer Änderung im Druck darin während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (4) berechnet; und der Entscheidungsabschnitt (72) entscheidet, ob die Zuführmenge auch auf Basis des vorausgesagten Werts begrenzt wird oder nicht.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen Bestimmungsabschnitt (75), der so aufgebaut ist, dass er eine Zustandsgröße für das Brenngas im Tank (30) mit einem vorgegebenen Richtwert vergleicht und zumindest einen Mangel an Brenngas im Tank (30) und/oder eine Möglichkeit des Mangels bestimmt; und eine Anzeigevorrichtung (42), die so aufgebaut ist, dass sie zumindest einen Mangel an Brenngas im Tank (30) und/oder die Möglichkeit des Mangels anzeigt, wenn der Bestimmungsabschnitt (75) die Bestimmung getroffen hat, wobei der Bestimmungsabschnitt (75) den vorgegebenen Richtwert auf Basis des errechneten Lückenmaßes (62) ändert.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 3, wobei die Zustandsgröße der Druck im Tank (30) ist und der vorgegebene Richtwert auf den Druck bezogen ist.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 4, wobei der Bestimmungsabschnitt (75) den vorgegebenen Richtwert zur Seite eines im Vergleich zu wenn die Dehnung nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert höheren Drucks hin ändert, wenn eine Dehnung der Auskleidung (53), die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß (62) auf null zu stellen, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, vorausgesetzt, dass die Temperatur im Tank (30) zumindest niedriger ist als 0°C.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 3, wobei die Zustandsgröße die Menge an Brenngas im Tank (30) ist und der vorgegebene Richtwert auf die Brenngasmenge bezogen ist.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 6, wobei der Bestimmungsabschnitt (75) den vorgegebenen Richtwert zur Seite eines im Vergleich zu wenn die Dehnung nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert größeren Maßes hin ändert, wenn eine Dehnung der Auskleidung (53), die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß (62) auszugleichen, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, vorausgesetzt, die Temperatur im Tank (30) ist zumindest niedriger als 0°C.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der Bestimmungsabschnitt (75) die Brenngasmenge, die mit dem vorgegebenen Richtwert verglichen werden soll, auf Basis von Informationen über den Druck und die Temperatur im Tank (30) berechnet, die vom Informationsermittlungsabschnitt (36, 38) während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems (4) ermittelt werden.
Brennstoffzellensystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Entscheidungsabschnitt (72) eine Dehnung der Auskleidung (53), die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß (62) auf null zu stellen, berechnet und entscheidet, die Zuführmenge im Vergleich zu wenn die errechnete Dehnung nicht größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, zu begrenzen, wenn die errechnete Dehnung größer ist als der vorgegebene Schwellenwert.
Brennstoffzellensystem (4) nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Schwellenwert eine Bruchdehnung der Auskleidung (53) ist und abhängig von der Temperatur im Tank (30) variiert.
Brennstoffzellensystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei, wenn der Entscheidungsabschnitt (72) entscheidet, die Zuführmenge zu begrenzen, die Anpassungsvorrichtung (33) die Zuführmenge durch Ausführen einer Einstellung der Zuführmenge auf null, einer Verringerung des Höchstwerts einer Zufuhrströmungsrate von Brenngas, das der Brennstoffzelle (28) zugeführt werden soll, oder einer Verringerung der Zufuhrströmungsrate begrenzt.
Mobiler Körper (3), ein Brennstoffzellensystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweisend, wobei der Tank (30) so aufgebaut ist, dass Brenngas aus einer Gasstation (2), die sich außerhalb des mobilen Körpers befindet, in den Tank (30) gefüllt werden kann.
Verfahren zum Zuführen von Brenngas in einem Brennstoffzellensystem (4), das einen Tank (30) mit einer Auskleidung (53) und einer Verstärkungsschicht (55), die an einer Außenumfangsfläche der Auskleidung (53) ausgebildet ist, und eine Brennstoffzelle (28) aufweist, der Brenngas aus dem Tank (30) zugeführt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst. Berechnen eines Lückenmaßes (62) zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) auf Basis von Informationen über einen Druck und eine Temperatur im Tank, die während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (4) ermittelt werden; Bestimmen, ob eine Dehnung der Auskleidung (53), die nötig ist, um das errechnete Lückenmaß (62) auf null zu stellen, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert oder nicht; und wenn bestimmt wird, dass die Dehnung größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, Begrenzen einer Zuführmenge an Brenngas, das aus dem Tank (30) zur Brennstoffzelle (28) ausgespeist werden soll, im Vergleich zu wenn bestimmt wird, dass die Dehnung nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert.