DE602004006884T2 - Detektiervorrichtung für ein brennstoffzellensystem zum erkennen von anomalien - Google Patents

Detektiervorrichtung für ein brennstoffzellensystem zum erkennen von anomalien Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einem Wasserstoff-Abgabeventil, das in einem Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In einem Brennstoffzellensystem, bei dem elektrische Energie durch Zuführen von Brenngas und Oxidationsgas zu einem Brennstoffzellenstapel, der von in Serie gestapelten Mehrfachzellen aufgebaut ist, erzeugt wird, gibt es eine bekannte Struktur, bei der nicht-abreagiertes Wasserstoffgas für eine Zellenreaktion durch Rückströmenlassen von Wasserstoffabgas (Anodenabgas), das von einem Anoden-Gaskanal abgegeben wird, zu einer Anode, wieder verwendet wird. Ein Wasserstoff-Abgabeventil bzw. -Auslaßventil zum Abgeben eines Teils des Wasserstoffabgases ist in einem Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß angeordnet. Durch regelmäßiges Öffnen des Wasserstoff-Abgabeventils wird, wenn eine Konzentration von anderen Bestandteilen als Wasserstoff, die im Wasserstoffabgas enthalten sind, hoch wird, eine Konzentration von Wasserstoff, die der Anode zugeführt werden soll, geeignet erhalten. Wenn jedoch ein Fehler im Wasserstoff-Abgabeventil auftritt und der Öffnungs-/Schließvorgang des Ventils nicht geeignet ausgeführt werden kann, tritt ein Problem bei einem Zellenbetrieb auf. Demgemäß offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-92125 eine Technologie zum Erkennen eines Wasserstoff-Abgabebefehls an ein Wasserstoff-Abgabeventil und zum Bestimmen, ob im Wasserstoff-Abgabeventil auf Basis eines Solldrucks eines Brennstoff-Zuführabschnitts eines Brennstoffzellenstapels und eines tatsächlich erfaßten Wertes ein Fehler aufgetreten ist.
  • Gemäß der Technologie, die in dieser Veröffentlichung offenbart ist, wird jedoch die Bestimmung, ob ein Fehler im Wasserstoff-Abgabeventil aufgetreten ist, nur gemacht, wenn die Brennstoffzelle normal betrieben wird. Wenn die Brennstoffzelle in einem Übergangszustand ist, beispielsweise, wenn ein Gaspedal plötzlich niedergetreten wird, kann demgemäß keine geeignete Fehlerbestimmung gemacht werden.
  • Das Dokument US-5,441,821 offenbart ein Erzeugungssystem für elektrischen Strom, das eine gesteuerte Vakuumausstoßvorrichtung bzw. einen gesteuerten Vakuumauswerfer zum Rückführen des fluiden Brennstoffstroms aufweist. Das System enthält einen Brennstoffzellenstapel, eine Zuführung für verdichteten Brennstoff, die ein Drucksteuerventil zum Regulieren des Drucks der Brennstoffzuführung aufweist, eine Vakuumausstoßvorrichtung, die zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffstromeinlaß des Stapels angeordnet ist, einen Drucksensor bzw. Druckaufnehmer, der zwischen dem Ausstoßvorrichtungs-Abgabeauslaß und dem Brennstoffstromeinlaß des Stapels angeordnet ist, und eine Zuführung für das verdichtete Oxidationsmittel mit einem Drucksensor. Der Ausstoßvorrichtungs-Saugeinlaß ist mit dem Brennstoffstromauslaß des Brennstoffzellenstapels fluidisch verbunden. Der Brennstoffstrom-Drucksensor überträgt ein Signal an das Drucksteuerventil, um den Druck der Brennstoffzuführung einzustellen, wenn der erfaßte Druck des Brennstoffstroms von einem vorbestimmten Wert abweicht. Der Oxidationsmittelstrom-Drucksensor überträgt ein Signal an das Drucksteuerventil, um den Druck der Brennstoffzufuhr einzustellen, wenn sich der erfaßte Druck des Oxidationsmittelstroms ändert.
  • Ferner offenbart das Dokument JP-09-209810 eine Fehlererkennungsvorrichtung für einen Ansaugluft-Steuerventilmechanismus eines Motors, um einen Fehlerzustand eines Ansaugluft-Steuerventilmechanismus ohne begleitende Komplexierung bzw. Verkomplizierung der Konstruktion und Steuerung einfach zu erkennen und um den Fehlerzustand schnell und zuverlässig nach außen anzuzeigen, durch Zusammenfügen eines Antriebsvorrichtungs-Steuerabschnitts und eines Fehler-Beurteilungsabschnitts in einer ECU und Anzeigen des Fehlerzustands des Einlaßluft-Steuerventilmechanismus nach außen auf einer Anzeige. In dieser Erkennungsvorrichtung ist eine Motorbetriebszustands-Erkennungsvorrichtung angeordnet, die beurteilt, ob ein Motorbetriebszustand in einem regulären Zustand ist oder nicht. Ferner erkennt ein Drucksensor einen Druck in einem Einlaßluftdurchlaß, wenn das Einlaßsteuerventil geöffnet/geschlossen ist. Wenn ein Druckunterschied in Öffnungs-/Schließ-Zeiträumen zwischen dem erfaßten Druck bei einem vorbestimmten Druck oder mehr ist, beurteilt die Fehler-Beurteilungsvorrichtung in der ECU, daß der Motorbetriebszustand normal ist, und, wenn ein Druckunterschied kleiner als der vorbestimmte Wert ist, urteilt es, daß der Motorbetriebszustand normal ist, und, wenn ein Druckunterschied kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, urteilt es, daß der Motorbetriebszustand in einem Fehlerzustand ist. Die Anzeigevorrichtung zeigt nach außen an, ob der Motorbetriebszustand auf Basis dieses Urteils im Fehlerzustand ist oder nicht.
  • Ein Brennstoffzellensystem eines Unterwasserfahrzeugs wird ferner im Dokument US-3,748,180 offenbart. Dieses Brennstoffzellensystem weist wenigstens ein Brennstoffzellenmodul zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischem Strom auf. Ein erster Tank, der Wasserstoff enthält, ist mit einer Reaktionskammer eines Brennstoffzellenmoduls verbunden, und ein zweiter Tank, der Sauerstoff enthält, ist mit einer weiteren Reaktionskammer des Brennstoffzellenmoduls verbunden. Das Wasserstoffprodukt Wasser, das von der Wasserstoff-Reaktionskammer abgegeben wird, wird kondensiert und abgetrennt, und das erzeugte Wasser wird im ersten Tank, der Wasserstoff enthält, gespeichert. Das Brennstoffzellenmodul ist in einem Sicherheitsbehälter angeordnet, das unter Stickstoffdruck steht. Ein katalytischer Reaktor ist im Sicherheitsbehälter angeordnet, um Wasser für den Fall zu bilden, daß gleichzeitige Leckagen bzw. Undichtigkeiten sowohl bei den Wasserstoff- als auch bei den Sauerstoff-Hochdruck-Zuführleitungen vorhanden sind. Ein Drucksensor ist ebenfalls im Sicherheitsbehälter zum Abschalten des Systems angeordnet, falls eine Hochdruckleckage in entweder der Wasserstoff- oder der Sauerstoffleitung vorliegt.
  • Ferner offenbart das Dokument EP 1 223 631 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Leckagestroms des Kühlmittels eines Brennstoffzellenstapels zwischen dem Stapel und der geerdeten Stapelgrundplatte, wobei ein Spannungsmesser verwendet wird, um die Spannung über das Kühlmittel zu messen. Wenn die Kühlmittelspannung bei oder unter einem vorbestimmten Niveau ist, liegt ein übermäßiges Leitfähigkeitsniveau im Kühlmittel vor, und die Anwesenheit eines Leckagestroms wird mitgeteilt.
  • Ferner offenbart das Dokument US 2003/077487 A1 Verfahren zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaft einer elektrochemischen Brennstoffzelle, wobei temperaturabhängige Verfahren verwendet werden können, um die Kaltstarteigenschaft der Brennstoffzellen-Erzeugungssysteme für elektrischen Strom zu verbessern. Ein Verfahren zum Beenden bzw. Einstellen des Betriebs eines Erzeugungssystems für elektrischen Strom verbessert die Kaltstarteigenschaft und Gefriertoleranz des Brennstoffzellenstapels durch Verringern der Wassermenge, die innerhalb der Durchlässe des Stapels verbleiben. Das Verfahren schließt das Spülen eines oder mehrerer der Brennstoffzellenstapel-Oxidationsmittel- und -Brennstoff-Durchlässe beim Abschalten ein, bevor zugelassen wird, daß der Brennstoffzellenstapel auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser fällt. Vorzugsweise wird ein Spülen beim Abschalten bei einer Temperatur unterhalb der Stapelbetriebstemperatur durchgeführt. Ein weiteres Verfahren, das beim Anfahren verwendet wird, schließt ein Ausrichten eines Kühlmittelfluidstroms zum Brennstoffzellenstapel nur ein, nachdem eine vorbestimmte Temperatur über der Gefriertemperatur des Wassers überschritten ist. Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel nach dem Einfrieren auf eine Temperatur über seiner normalen Betriebstemperatur erwärmt, bevor der Betrieb begonnen wird.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, das vorgenannte Problem zu lösen und eine Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einem Wasserstoff-Auslaßventil ungeachtet eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle bereit zu stellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung enthält einen Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß, um Wasserstoffabgas, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird, zu einer Anode der Brennstoffzelle zurück zu (ihren; einen Abgabedurchlaß zum Abgeben eines Teils des Wasserstoffabgases, der durch den Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß umläuft, vom Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß; ein Wasserstoff-Abgabeventil, das im Abgabedurchlaß angeordnet ist; eine Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist; und eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist. Die Fehlererkennungsvorrichtung bestimmt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist, auf Basis der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases. Ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist, wird auf Basis der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases bestimmt, welche durch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung, die stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, erfaßt wird. Demgemäß ist es möglich, ungeachtet eines Betriebszustands der Brennstoffzelle zu bestimmen, ob ein Fehler aufgetreten ist.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann zusätzlich zur vorgenannten Struktur ferner eine Mischkammer zum Mischen des Wasserstoffabgases, das vom Abgabedurchlaß abgegeben wird, mit einem externen Gas bereit gestellt werden, und die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung kann gestaltet sein, um die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, das mit dem externen Gas in der Mischkammer gemischt wird, zu erfassen. Durch Erfassen einer Änderung der Gas-Zustandsgröße zwischen bevor und nachdem das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas gemischt worden ist, kann die Genauigkeit des Erfassens der Gas-Zustandsgröße verbessert werden.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann das externe Gas ein Teil des Oxidationsgases sein, das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden soll. Daher kann eine Systemstruktur vereinfacht werden.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann das Wasserstoff-Abgabeventil ein elektromagnetisches Ventil sein und die Fehlererkennungsvorrichtung kann bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist, auf Basis der Gas-Zustandsgröße, die durch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung erfaßt worden ist, um eine Änderung bei einer Eingabe eines Öffnungs-/Schließ-Steuersignals zum elektromagnetischen Ventil handzuhaben. Durch Erfassen der Gas-Zustandsgröße, die durch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung erfaßt worden ist, um eine Änderung bei der Eingabe des Öffnungs-/Schließ-Steuersignals an das Wasserstoff-Abgabeventil handzuhaben, kann ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils erfaßt werden.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann die Fehlerbestimmungseinrichtung bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des elektromagnetischen Ventils auf Basis einer Änderung der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustands-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, um die Änderung bei der Eingabe des Öffnungs-/Schließ-Steuersignals an das elektromagnetische Ventil handzuhaben, über die Zeit aufgetreten ist. Durch Erfassen der Änderung der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, um die Änderung bei der Eingabe des Öffnungs-/Schließ-Steuersignals zum Wasserstoff-Abgabeventil handzuhaben, über die Zeit kann ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils erkannt werden.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann die Gas-Zustandsgröße eine physikalische Größe sein, die sich entweder auf eine Wasserstoffkonzentration, eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Druck, einen Anteil eines jeden Bestandteils, eine Temperatur oder eine dielektrische Konstante des Wasserstoffabgases bezieht.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases ferner im Abgabedurchlaß bei einer Position stromaufwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet sein, und die Fehlererkennungsvorrichtung kann gestaltet sein, um einen Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils auf Basis der Gas-Zustandsgröße, die durch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung, die sowohl auf einer stromaufwärtigen Seite als auch auf einer stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Abgabeventils angeordnet ist, erfaßt wird, zu erkennen. Durch Bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils auf Basis der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung, die stromaufwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, erfaßt wird, und der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung, die stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, erfaßt wird, aufgetreten ist, kann die Genauigkeit der Bestimmung, ob ein Fehler aufgetreten ist, verbessert werden.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann ferner eine Gas-Flüssigkeits-Abscheidevorrichtung zum Trennen des Wasserstoffabgases in Gas und Flüssigkeit bereit gestellt werden, und die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung kann die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, das durch die Gas-Flüssigkeits-Abscheidevorrichtung in Gas und Flüssigkeit getrennt worden ist, erfassen. Durch Trennen des Wasserstoffabgases in Gas und Flüssigkeit kann vermieden werden, daß die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung eine fehlerhafte Erkennung macht.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann ein Drucksensor, der einen Druck des Wasserstoffabgases erfaßt, im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil ange ordnet sein. Durch Erfassen des Drucks des Wasserstoffabgases kann bestimmt werden, ob beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils ein Fehler aufgetreten ist.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann ein Temperatursensor, der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfaßt, im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet sein. Durch Erfassen einer Temperatur des Wasserstoffabgases kann bestimmt werden, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung können gepaarte Elektroden, die sich gegenüberliegen, in der Mischkammer angeordnet sein. Durch Erfassen einer Dielektrizitätskonstanten des Wasserstoffabgases kann bestimmt werden, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann ein Heizdrahtwiderstand, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist, in der Mischkammer angeordnet sein. Durch Erfassen einer Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffabgases kann durch Erzeugen von Wärme durch den Heizdrahtwiderstand unter Verwendung von Joule-Wärme und Messen eines Widerstandswertes bestimmt werden, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist.
  • Bei der Fehlererkennungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung kann eine Einrichtung zur Handhabung eines Fehlers bereit gestellt werden, wenn die Fehlererkennungsvorrichtung einen Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils erfaßt. Daher kann die Sicherheit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
  • Erfindungsgemäß wird auf Basis der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsvorrichtung, die stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, erfaßt wird, bestimmt, ob im Wasserstoff-Abgabeventil ein Fehler aufgetreten ist. Demgemäß kann ungeachtet des Betriebszustands der Brennstoffzelle bestimmt werden, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Schema, das eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch darstellt;
  • 2 zeigt Schaubilder an, von denen eines ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal darstellt, das einem Wasserstoff-Abgabeventil zugeführt wird, und von denen das andere eine Änderung einer Wasserstoffkonzentration darstellt, wobei diese Schaubilder miteinander korrespondieren;
  • 3 ist ein Schema, das im wesentlichen eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform darstellt;
  • 4 ist ein Schema, das im wesentlichen eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung in einer dritten Ausführungsform darstellt;
  • 5 ist ein Schema, das im wesentlichen eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung in einer vierten Ausführungsform darstellt;
  • 6 ist ein Schema, das im wesentlichen eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung in einer fünften Ausführungsform darstellt; und
  • 7 ist ein Schema, das im wesentlichen eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung in einer sechsten Ausführungsform darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnung im Detail beschrieben.
  • Zunächst wird eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 1 ist ein Schema, das eine Struktur eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführungsform schematisch darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist ein elektrisches Stromerzeugungssystem zur Montage in einem mit Brennstoffzellen angetriebenen Elektrofahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält eine Brennstoffzelle (Zellenstapel) 20, das elektrischen Strom durch Zuführen von Reaktionsgas (Brennstoffgas, Oxidationsgas) erzeugt. Die Brennstoffzelle 20 enthält eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) 24, die durch Ausbilden einer Anode 22 auf einer Seite einer Polymer-Elektrolyt-Membran 21 und einer Kathode 23 auf der anderen Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran 21 durch Screen-Printing oder dergleichen aufgebaut ist. Die Polymer-Elektrolyt-Membran 21 ist aus einer protonen-durchlässigen Ionenaustausch-Membran aufgebaut, die aus einem Fluor-Kohlenwasserstoff-Kunstharz oder dergleichen ausgebildet ist. Die Membran-Elektrodenanordnung (MEA) 24 ist zwischen gerippten Separatoren bzw. Trennelementen (nicht dargestellt) eingelegt. Ein nutartiger bzw. rillenartiger Anoden-Gaskanal 25 ist zwischen einem der Separatoren und der Anode 22 ausgebildet, und ein nutartiger Kathoden-Gaskanal 26 ist zwischen dem anderen Separator und der Kathode 23 ausgebildet. Hier ist eine Struktur einer Zelle, die aus der Membran-Elektrodenanordnung 24, dem Anoden-Gaskanal 25 und dem Kathoden-Gaskanal 26 aufgebaut ist, zur Einfachheit bzw. zur Erleichterung der Beschreibung schematisch dargestellt. Tatsächlich wird jedoch eine Stapelstruktur bereitgestellt, bei der eine Mehrzahl von Zellen in Serien gestapelt sind, und der gerippte Separator ist zwischen benachbarten Zellen angeordnet.
  • In einem Brennstoffgas-Zuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 ist ein Brennstoffgas-Durchlaß 31 zum Zuführen von Brennstoffgas zum Anoden-Gaskanal 25 und ein Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß 32 zum Zurückströmenlassen von Wasserstoffgas, das vom Anoden-Gaskanal 25 abgegeben worden ist, zum Brennstoffgas-Durchlaß 31, ausgebildet. Im Brennstoffgas-Durchlaß 31 sind ein Abschaltventil A1, das die Zufuhr/den Zufuhrstop des Brennstoffgases von einer Wasserstoff-Zuführvorrichtung 71 steuert, und ein Regler A2 angeordnet, der einen Druck des Brennstoffgases einstellt. Im Wasserstoffabgas-Durchlaß 32 ist eine Wasserstoffpumpe B1 zum Verdichten des Wasserstoffabgases angeordnet, dessen Druck durch das Hindurchtreten durch den Anoden-Gaskanal 25 abgesunken ist, um das Wasserstoffabgas zum Brennstoffgas-Durchlaß 31 rückströmen zu lassen. Ebenfalls ist ein Abgabedurchlaß 33, der zum Abgeben eines Teils des Wasserstoffabgases auf die Außenseite des Systems verwendet wird, wenn eine Konzentration der Nicht-Wasserstoffbestandteile, die im Wasserstoffabgas enthalten sind, hoch wird, mit dem Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß 32 in Verbindung. Ein Wasserstoff-Abgabeventil A3 ist im Abgabedurchlaß 33 angeordnet, um die Menge an Wasserstoffabgas, das abgegeben werden soll, einzustellen. Als das Wasserstoff-Abgabeventil A3 wird vorzugsweise ein elektromagnetisches Ventil verwendet. Jedoch kann ein lineares Ventil oder ein AN-/AUS-Ventil verwendet werden. Ein unteres Ende des Abgabedurchlasses 33 steht mit einer Mischkammer 50 in Verbindung, und das Wasserstoffabgas, das durch den Abgabedurchlaß 33 durchströmt, wird in die Mischkammer 50 eingeleitet. Das Wasserstoffabgas, das in die Mischkammer 50 eingeleitet wird, wird durch einen Abgabedurchlaß 51 in einen Sauerstoffabgas-Durchlaß 42 eingeleitet und auf die Außenseite des Systems abgegeben, nachdem dessen Geräusch durch einen Schalldämpfer 52 verringert worden ist.
  • Dabei werden in einem Oxidationsgas-Zuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 ein Oxidationsgas-Durchlaß zum Zuführen von Oxidationsgas zum Kathoden-Gaskanal 26 und der Sauerstoffabgas-Durchlaß 42 zum Abgeben des Sauerstoffabgases (Kathodenabgas), das vom Kathoden-Gaskanal 26 abgegeben wird, ausgebildet. Im Oxi dationsgas-Durchlaß 41 sind ein Luftfilter 72 zum Filtern von Staub, der in der Luft, die von der Außenseite eines Fahrzeugs eingeleitet wird, enthalten ist; ein Luftverdichter 73, der von einem Motor M1 angetrieben wird; ein Luftbefeuchter 74 zum geeigneten Befeuchten der Luft, die vom Luftverdichter 73 verdichtet worden ist; und ein Steuerventil A4 angeordnet, das die Menge des Oxidationsgases, das dem Kathoden-Gaskanal 26 zugeführt werden soll, einstellt, angeordnet. Im Sauerstoffabgas-Durchlaß 42 ist ein Steuerventil A5 zum Einstellen eines Drucks und der Luftbefeuchter 74 angeordnet. Im Luftbefeuchter 74 wird Wasser zwischen dem Sauerstoffabgas, das vom Wasser, das während einer Zellenreaktion der Brennstoffzelle 20 erzeugt worden ist, stark befeuchtet worden ist, und dem Oxidationsgas, das eine niedrige Feuchtigkeit aufweist, das von der Außenseite des Fahrzeugs aufgenommen wird, ausgetauscht. Das Sauerstoffabgas, das durch den Sauerstoffabgas-Durchlaß 42 strömt, wird zur Außenseite des Systems abgegeben, nachdem dessen Geräusch durch den Schalldämpfer 52 verringert worden ist.
  • Als Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases ist ein Wasserstoffsensor S1 in der Mischkammer 50 angeordnet. Der Wasserstoffsensor S1 wird vorzugsweise bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet. Die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, das auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoff-Abgabeventils A3 strömt, beispielsweise eine Wasserstoffkonzentration, eine Strömungsgeschwindigkeit, ein Druck, ein Anteil eines jeden Bestandteils, eine Temperatur, verändert sich fortlaufend gemäß dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 20. Insbesondere verändert sich, wenn das System in den Übergangszustand aufgrund von einer Lastschwankung, die durch plötzliches Niedertreten eines Gaspedals oder dergleichen verursacht wird, gebracht wird, die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases wesentlich. Wenn die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise der Wasserstoffsensor S1, stromaufwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet ist, und die Gas-Zustandsgröße erfaßt wird, ist es demgemäß schwierig, einen Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 im Übergangszustand genau zu erfassen. Wenn jedoch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet ist, ist es möglich zu bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist, ungeachtet des Betriebszustandes des Systems.
  • Die Mischkammer 50 ist eine Gaskammer zum genauen Erfassen der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffgases durch Mischen des Wasserstoffgases, das auf der stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Abgabeventils A3 strömt, mit dem externen Gas. Bei der Ausführungsform wird durch Anordnen des Wasserstoffsensors S1 in der Mischkammer 50 und Erfassen einer Änderung in der Wasserstoffkonzentration in der Mischkammer 50 bestimmt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist. Mit der Struktur, bei der nur das Wasserstoffabgas in die Mischkammer 50 eingeleitet wird, ist es unmöglich, eine Änderung der Wasserstoffkonzentration aufgrund einer Gasleckage oder dergleichen vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 zu erfassen. Durch Einleiten des externen Gases in die Mischkammer 50 und Mischen des externen Gases mit dem Wasserstoffabgas ist es jedoch möglich, eine Änderung der Wasserstoffkonzentration unter Verwendung des Unterschieds in der Wasserstoffkonzentration zwischen dem Zustand, bei dem das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas gemischt wird, und dem Zustand, bei dem das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas nicht gemischt wird, genau zu erfassen. Die Art des externen Gases, das mit dem Wasserstoffabgas gemischt werden soll, ist nicht besonders beschränkt, solange das Gas kein Problem bei der Erfassung einer Änderung der Wasserstoffkonzentration verursacht. Beispielsweise vereinfacht die Verwendung von verdichteter Luft bzw. Druckluft, die durch das Oxidationsgas-Zuführsystem der Brennstoffzelle 20 strömt, die Systemstruktur. Bei der Ausführungsform wird ein Gaszufuhrdurchlaß 43, der vom Oxidationsgas-Durchlaß 41 abzweigt und der mit der Mischkammer 50 in Verbindung steht, ausgebildet und eine vorbestimmte Strömungsmenge der verdichteten Luft, die vom Luftverdichter 73 abgegeben wird, wird in die Mischkammer 50 eingeleitet. 1 stellt die Struktur dar, bei welcher der Gaszuführ-Durchlaß 43 vom Oxidationsgas-Durchlaß 41 abzweigt und mit der Mischkammer 50 in Verbindung steht. Dabei kann der Gaszuführ-Durchlaß 43 vom Sauerstoffabgas-Durchlaß 42 abzweigen und mit der Mischkammer 50 in Verbindung stehen. Als das externe Gas, das in die Mischkam mer 50 eingeleitet werden soll, wird trockene Luft, die eine Feuchtigkeit, die so niedrig wie möglich ist, aufweist, vorzugsweise verwendet, um bei der Erfassung der Wasserstoffkonzentration kein Problem zu verursachen. Insbesondere ist zu bevorzugen, die verdichtete Luft, die durch den Oxidationsgas-Durchlaß 41 strömt, die nicht durch den Luftbefeuchter 74 befeuchtet worden ist, zu verwenden.
  • Eine PCU (Stromsteuereinheit) 80 ist eine Steuervorrichtung für elektrischen Strom, die einen Wechselrichter und einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler bzw. DC/DC-Wandler enthält. Der elektrische Strom, der von der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, wird in einen Wechselstrom (3-Phasen-Strom) durch die PCU 80 gewandelt, und einem Motor (3-Phasen-Synchronmotor) 82 zum Fahrzeugantrieb zugeführt. Der Überschuß des elektrischen Stroms, der von der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, wird von der PCU 80 in elektrischen Strom heruntergewandelt, der eine niedere Spannung aufweist, und einem Akkumulator 81 zugeführt. Der Akkumulator 81 dient als ein Speicher für regenerative Energie zum Zeitpunkt der Regeneration einer Bremse und als ein Energiepuffer zum Zeitpunkt einer Lastschwankung aufgrund von Beschleunigung oder Verlangsamung des Fahrzeugs. Als der Akkumulator 81 wird eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie, ein Lithium-Akkumulator oder dergleichen vorzugsweise verwendet.
  • Ein Steuerabschnitt 90 speist ein Sensorsignal, das vom Wasserstoffsensor 51 abgegeben wird, ein und erfaßt die Wasserstoffkonzentration des Wasserstoffabgases, als auch die Steuerung des Abschaltventils A1, des Reglers A2, des Wasserstoff-Abgabeventils A3, des Steuerventils A4, des Steuerventils A5, der Wasserstoffpumpe P1, des Motors M1 und der PCU 80 gemäß dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10. Wenn das Wasserstoffabgas abgegeben wird, führt der Steuerabschnitt 90 eine Öffnungs-/Schließsteuerung des Wasserstoff-Abgabeventils A3 durch Ausgeben eines Öffnungs-/Schließ-Steuersignals (Öffnungs-/Schließ-Befehl) an das Wasserstoff-Abgabeventil A3 durch und dient ebenfalls als eine Fehlererkennungseinrichtung zum Bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff- Abgabeventils A3 auf Basis des Sensorsignals, das vom Wasserstoffsensor S1 abgegeben wird, aufgetreten ist.
  • 2 stellt eine Änderung der Wasserstoffkonzentration, die vom Wasserstoffsensor S1 erfaßt wird, wenn das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal in das Wasserstoff-Abgabeventil A3 eingespeist wird, dar. Ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist, wird dabei durch Einspeisen des Öffnungs-/Schließ-Steuersignals in das Wasserstoff-Abgabeventil A3 und Prüfen der Änderung in der Wasserstoffkonzentration in der Mischkammer 50 zwischen bevor und nachdem das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal eingespeist worden ist, bestimmt. Es ist zu bevorzugen, die Änderung der Wasserstoffkonzentration durch Einspeisen von Signalen zu erfassen, die verschiedene Wellenformmuster als das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal aufweisen. Wie es in 2(a) dargestellt ist, werden beispielsweise die Öffnungs-/Schließ-Steuersignale C1 und C2 zum Öffnen des Ventils im Zeitraum vom Zeitpunkt t1 bis t2 und im Zeitraum von Zeitpunkt t3 und t4 jeweils eingespeist. Dann werden, wie es in 2(b) dargestellt ist, die Antwort-Wellenformen des Wasserstoffsensors S1 jeweils als die Antwort-Wellenformen R1 und R2 erfaßt, die zum Zeitpunkt t1 und zum Zeitpunkt t3 anzusteigen beginnen. In diesem Fall wird, wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 jeweils gleich oder höher als eine Schwellenkonzentration A innerhalb einer vorbestimmten Zeit TA des Zeitpunkts t1 und des Zeitpunkts t3 werden, bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil A3 in einem „offenen Zustand (Normalbetrieb)" ist. Wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 gleich oder höher als eine Schwellenkonzentration B sind und niedriger als die Schwellenkonzentration A sind, wird bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil A3 in einem „halboffenen Zustand (halboffener Fehler)" ist. Wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 gleich oder niedriger als die Schwellenkonzentration B ist, wird bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil A3 in einem „geschlossenen Zustand (geschlossener Fehler)" ist. Wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 jeweils gleich oder niedriger als die Schwellenkonzentration B innerhalb einer vorbestimmten Zeit TB der Zeitpunkte t2 und t4 werden, wird ebenfalls bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil 3 in einem „geschlossenen Zustand (Normalbetrieb)" ist. Wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 gleich oder höher als die Schwellenkonzentration B und niedriger als die Schwellenkonzentration A ist, wird bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil A3 in „halboffenem Zustand (halboffener Fehler)" ist. Wenn die Antwort-Wellenformen R1 und R2 gleich oder höher als die Schwellenkonzentration A sind, wird bestimmt, daß das Wasserstoff-Abgabeventil A3 in einem „offenen Zustand (offener Fehler)" ist. Wenn beispielsweise ein AN-/AUS-Ventil als das Wasserstoff-Abgabeventil A3 verwendet wird, kann bestimmt werden, in welchem Zustand vom „vollständig offenen Zustand", „halboffenen Zustand" und „vollständig geschlossenen Zustand" das Wasserstoff-Abgabeventil A3 ist.
  • Die Schwellenkonzentration A ist eine Konzentration zum Bestimmen, ob ein „offener Fehler" aufgetreten ist. Die Schwellenkonzentration B ist eine Konzentration zum Bestimmen, ob ein „geschlossener Fehler" aufgetreten ist. Die Konzentration A ist höher als die Konzentration B. Der „offene Fehler" bedeutet einen Fehlerzustand, bei dem das Wasserstoff-Abgabeventil A3 offen gehalten wird und nicht geschlossen werden kann. Der „geschlossene Fehler" bedeutet einen Fehlerzustand, bei dem das Wasserstoff-Abgabeventil A3 geschlossen gehalten wird und nicht geöffnet werden kann.
  • Die Öffnungs-/Schließ-Steuersignale C1 und C2 können effektiv verwendet werden, ungeachtet dessen, welches Ventil aus einem AN-/AUS-Ventil oder einem linearen Ventil als das Wasserstoff-Abgabeventil A3 verwendet wird. Wenn jedoch das Wasserstoff-Abgabeventil A3 ein lineares Ventil ist, wie es in 2(a) dargestellt ist, kann ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal C3 zum Einstellen einer vorübergehenden Ventilöffnung, ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal 4, dessen ansteigende/abfallende Flanke mit einer gleichbleibenden Neigung allmählich abfällt, oder dergleichen verwendet werden. Wenn bestimmt worden ist, daß ein Fehler im Ventil aufgetreten ist, ist es mit Bezug auf das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal, das in das Wasserstoff-Abgabeventil A3 eingespeist wird, zu bevorzugen, eher eine Variation im Eingabesignal durch Einspeisen der Öffnungs-/Schließ-Steuersignale bereit zu stellen, die verschiedene Wellenformmuster (beispielsweise die Öffnungs-/Schließ-Steuersignale C1, C3 und C4) abwechselnd oder zufällig bei vorbestimmten Intervallen bereit stellen, als Signale fortlaufend einzuspei sen, die ein gleichbleibendes Wellenformmuster aufweisen (beispielsweise nur die Öffnungs-/Schließ-Steuersignale C1 und C2). Daher kann die Bestimmung, ob ein Fehler aufgetreten ist, weiter genau vorgenommen werden. Wenn beispielweise ein lineares Ventil als das Wasserstoff-Abgabeventil A3 verwendet wird, ist es ebenfalls möglich zu bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist, auf Basis der Gas-Zustandsgröße (einer Konzentration, einer Strömungsgeschwindigkeit, eines Druck, eines Anteils eines jeden Bestandteils, einer Temperatur, einer Dielektrizitätskonstanten oder dergleichen) bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoffabgasventil A3, wenn das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal, das in das Wasserstoff-Abgabeventil A3 eingespeist wird, vom Öffnungs-/Schließ-Steuerventil zum Erreichen einer Öffnung von 30% zum Öffnungs-/Schließ-Steuersignal zum Erreichen einer Öffnung von 80% umgeschaltet wird, und einer Änderung der Gas-Zustandsgröße mit der Zeit. In diesem Fall ist es möglich, einen Grad der Öffnung des Wasserstoff-Abgabeventils A3, bei dem ein Fehler auftritt, zu bestimmen. Daher ist es möglich, die Genauigkeit der Bestimmung, ob ein Fehler aufgetreten ist, zu verbessern.
  • Wenn beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 ein Fehler erfaßt wird, führt der Steuerabschnitt 90 die nachfolgenden verschiedenen Vorgänge aus, um den Fehler handzuhaben. Der Steuerabschnitt 90 (1) verhindert, daß Wasserstoff auf die Außenseite des Systems ausströmt, durch Schließen des Abschaltventils A1, das eine Brennstoffgas-Zuführquelle ist, um eine Herabsetzung der Brennstoffwirtschaftlichkeit zu unterdrücken, (2) unterdrückt die Erzeugung von elektrischem Strom durch die Brennstoffzelle 20, (3) steuert die PCU 80, um den Motor 82 unter Verwendung von elektrischem Strom, der im Akkumulator 81 gespeichert ist, anzutreiben, und (4) zeigt dem Fahrer unter Verwendung einer Anzeige oder eines Alarmlauts an, daß ein Fehler im Wasserstoff-Abgabeventil A3 aufgetreten ist. Wie es oben beschrieben worden ist, dient der Steuerabschnitt 90 ebenfalls als eine Vorrichtung zur Handhabung eines Fehlers.
  • Ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist, wird gemäß der Ausführungsform auf Basis eines Signals bestimmt, das vom Wasserstoffsensor S1, der stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet ist, ausgegeben wird. Es ist daher möglich zu bestimmen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist, nicht nur, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 20 beendet ist, sondern auch, wenn die Brennstoffzelle 20 im Übergangszustand betrieben wird. Ebenfalls werden das Wasserstoffabgas und das externe Gas in die Mischkammer 50 eingeleitet. Es ist daher möglich, eine Änderung in der Wasserstoffkonzentration auf Basis der Differenz der Wasserstoffkonzentration zwischen dem Zustand, wenn das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas gemischt ist, und dem Zustand, wenn das Wasserstoffabgas nicht mit dem externen Gas gemischt ist, genau zu erfassen. Durch Verwendung des Wasserstoffsensors S1 ist es ebenfalls möglich, eine minutiöse Leckage aufgrund des Eindringens einer Fremdsubstanz zu erfassen, die für den Drucksensor schwer zu erfassen ist.
  • Es ist zu beachten, daß in der Ausführungsform die Wasserstoffkonzentration als die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffgases erfaßt wird. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Als die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases kann eine physikalische Größe, wie beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit, ein Druck, ein Anteil eines jeden Bestandteils, eine Temperatur, eine Dielektrizitätskonstante oder dergleichen des Wasserstoffabgases verwendet werden.
  • Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 3 ist ein Schema, das eine Struktur einer Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. In der Ausführungsform ist ein Drucksensor S2, der einen Druck des Wasserstoffabgases erfaßt, im Abgabedurchlaß 33 bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet. In Kartendaten 90a wird ein Druck P, der erfaßt wird, wenn eine Gasleckage im Wasserstoff-Abgabeventil A3 nicht aufgetreten ist, als ein Referenzdruck verwendet, und der Umfang bzw. Betrag der Gasleckage, der mit dem Druckanstieg mit Bezug auf den Referenzdruck korrespondiert, wird aufgezeichnet. Der Steuerabschnitt (Fehlererkennungseinrichtung) 90 stellt dem Wasserstoff-Abgabeventil A3 ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal bereit, erfaßt eine Änderung des Drucks zwischen bevor und nachdem das Öffnungs-/Schließ-Steuersignal bereit gestellt worden ist, und bestimmt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 in bezug auf die Kartendaten 90a aufgetreten ist.
  • Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 4 ist ein Schema, das eine Struktur der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. In der Ausführungsform ist ein Temperatursensor S3, der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfaßt, im Abgabedurchlaß 33 bei einer Position stromaufwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet, und ein Temperatursensor S4 ist im Abgabedurchlaß 33 bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 angeordnet. Wenn die Temperatur, die vom Temperatursensor S3 erfaßt worden ist, durch TX angezeigt wird, und die Temperatur, die durch den Temperatursensor S4 erfaßt wird, durch TV angezeigt wird, ist TX gleich TV (TX = TV) in dem Zustand, bei dem das Wasserstoff-Abgabeventil A3 geöffnet ist. Andererseits ist in dem Zustand, bei dem das Wasserstoff-Abgabeventil A3 geschlossen ist, TX höher als TV (TX > TV), da die Temperatur des Wasserstoffabgases aufgrund der Wärme, die durch die Zellenreaktion erzeugt worden ist, angehoben worden ist. Durch Erfassen einer Differenz zwischen der Temperatur TX und der Temperatur TV kann eine Gasleckage vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 erfaßt werden. Der Umfang der Gasleckage, der mit der Differenz der Temperatur (TX – TV) korrespondiert, wird in den Kartendaten 90b aufgezeichnet. Wenn die Differenz der Temperatur (TX – TV) kleiner wird, wird der Umfang der Gasleckage größer. Wenn andererseits der Unterschied der Temperatur (TX – TV) größer wird, wird der Umfang der Gasleckage kleiner.
  • Der Steuerabschnitt (Fehlererkennungseinrichtung) 90 stellt dem Wasserstoff-Abgabeventil A3 ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal bereit, erhält die Differenz der Temperatur (TX – TV) gemäß der Signale, die von den Temperatursensoren S3 und S4 ausgegeben werden, und erkennt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 in bezug auf die Kartendaten 90b aufgetreten ist. Wenn ein vorbestimmter Grenzwert für die Differenz der Temperatur (TX – TV) eingestellt ist, kann auf Basis der Differenz der Temperatur (TX – TV) bestimmt werden, in welchem Zustand aus dem „vollständig geöffneten Zustand", „halbgeöffneten Zustand" und „vollständig geschlossenen Zustand" das Wasserstoff-Abgabeventil A3 ist. Durch Anordnen der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung nicht nur auf der stromaufwärtigen Seite, sondern auch auf der stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Abgabeventils A3 ist es möglich, genau zu bestimmen, in welchem Zustand von dem „vollständig geöffneten Zustand", „halbgeöffneten Zustand" und „vollständig geschlossenen Zustand" das Wasserstoff-Abgabeventil A3 ist. Es ist zu beachten, daß der Temperatursensor S3 nicht notwendigerweise bereit gestellt wird, und der Temperatursensor S3 kann weggelassen werden, und die Bestimmung, ob ein Fehler im Wasserstoff-Abgabeventil A3 aufgetreten ist, kann nur unter Verwendung des Temperatursensors S4 gemacht werden.
  • Nachfolgend wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung beschreiben. 5 ist ein Schema, das eine Struktur einer Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. In der Ausführungsform sind gepaarte Elektroden S5 und S6, die einander gegenüberliegen, in der Mischkammer 50 angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante des Gases schwankt zwischen dem Zustand, bei dem nur das externe Gas in die Mischkammer 50 eingeleitet wird, und dem Zustand, bei dem das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas gemischt ist. Daher kann durch Ablesen einer Änderung der Kapazität eines Kondensators, der zwischen den Elektroden S5 und S6 angeordnet ist, bestimmt werden, ob ein Fehler im Wasserstoff-Abgabeventil A3 aufgetreten ist. Der Steuerabschnitt (Fehlererkennungseinrichtung) 90 stellt dem Wasserstoff-Abgabeventil A3 ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal bereit, erfaßt eine Änderung der Kapazität des Kondensators zwischen bevor und nachdem das Öffnungs-/Schließ-Steuerventil bereit gestellt worden ist, und bestimmt, ob beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 ein Fehler aufgetreten ist.
  • Nachfolgend wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 6 ist ein Schema, das eine Struktur einer Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt. In der Ausführungsform ist ein Heizdrahtwiderstand RX, der mit einer Spannungsquelle V verbunden ist, in der Mischkammer 50 angeordnet, und der Heizdrahtwiderstand RX dient dazu, Wärme unter Verwendung von Joule-Wärme zu erzeugen. In dem Zustand, bei dem das Wasserstoffabgas mit dem externen Gas gemischt ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des Heizdrahtwiderstands RX hoch im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur das externe Gas in die Mischkammer 50 eingeleitet wird. Demgemäß sinkt ein Widerstandswert R des Heizdrahtwiderstands RX. Wenn ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 auftritt und das Wasserstoffabgas ausströmt, sinkt der Widerstandswert R des Heizdrahtwiderstands RX. Daher kann durch Erfassen des Widerstandswertes R bestimmt werden, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils A3 aufgetreten ist. Der Widerstandswert R kann durch Teilen einer Spannung, die von der Spannungsquelle V ausgegeben wird, durch einen Stromwert, der von einem elektrischen Stromsensor S7 gelesen wird, erhalten werden. Der Umfang der Gasleckage, der mit dem Widerstandswert des Heizwiderstands RX korrespondiert, wird in den Kartendaten 90c aufgezeichnet. Der Steuerabschnitt (Fehlererkennungseinrichtung) 90 stellt dem Wasserstoff-Abgabeventil A3 ein Öffnungs-/Schließ-Steuersignal bereit, erhält einen Umfang der Änderung im Widerstandswert R zwischen bevor und nachdem die Öffnungs-/Schließ-Steuerung bereit gestellt worden ist, und bestimmt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils in bezug auf die Kartendaten 90c aufgetreten ist.
  • Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 7 ist ein Schema, das eine Struktur einer Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt. In der Ausführungsform ist ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider 60 im Abgabedurchlaß 33 bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil A3 und stromaufwärts vom Wasserstoffsensor A1 angeordnet, und Wasser, das im Wasserstoffabgas enthalten ist, wird in Gas und Flüssigkeit getrennt. Wenn ein Wassertropfen und dergleichen am Wasserstoffsensor S1 anhängen, wird ein Problem bei der Erfassung der Wasserstoffkonzentration verursacht. Durch Trennen des Wasserstoffabgases in Gas und Flüssigkeit im voraus, ist es jedoch möglich, die Wasserstoffkonzentration genau zu messen. Als der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 60 kann ein Zyklonabscheider, der Wasser in Gas und Flüssigkeit durch Wirbeln des Wasserstoffabgases bei einer hohen Geschwindigkeit und Abfließenlassen des Wassers in einer Zentrifugalrichtung trennt, ein Wärmetauscher-Gas- Flüssigkeits-Abscheider durch Luftkühlen oder Wasserkühlen oder dergleichen verwendet werden.
  • Als Gas-Flüssigkeits-Abscheideeinrichtung kann in Ergänzung zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 60 beispielsweise eine gasdurchlässige Abdeckung 61 an einer Position stromaufwärts vom Wasserstoffsensor S1 angeordnet sein. Ferner kann der Wasserstoffsensor S1 mit einer sackförmigen gasdurchlässigen Abdeckung 62 bedeckt sein. Vorzugsweise sind die gasdurchlässigen Abdeckungen 61 und 62 aus wasserstoffdurchlässigem Material hergestellt. Jedoch können die gasdurchlässigen Abdeckungen 61 und 62 aus gasdurchlässigem Material hergestellt sein, das nur Wasser entfernt. Als ein derartiges Material wird beispielsweise Gore-TexTM geeignet verwendet.

Claims (14)

  1. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem (10), mit: einem Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß (32), um Wasserstoffabgas, das von einer Brennstoffzelle (20) abgegeben wird, zu einer Anode (22) der Brennstoffzelle rückströmen zu lassen; einem Abgabedurchlaß (33) zum Abgeben eines Teils des Wasserstoffabgases, das durch den Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß (32) vom Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlaß umläuft; einem Wasserstoff-Abgabeventil (A3), das im Abgabedurchlaß angeordnet ist; und einer Fehlererkennungseinrichtung (90) zum Erkennen, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils aufgetreten ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner aufweist: eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung (S1) zum Erfassen einer Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, wobei die Fehlererkennungseinrichtung (90) erkennt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils auf Basis der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases aufgetreten ist.
  2. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit: einer Mischkammer (50) zum Mischen des Wasserstoffabgases, das vom Abgabedurchlaß abgegeben wird, mit externem Gas, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases erfaßt, das mit dem externen Gas in der Mischkammer vermischt ist.
  3. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das externe Gas ein Teil eines Oxidationsgases ist, das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden soll.
  4. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wasserstoff-Abgabeventil ein elektromagnetisches Ventil ist und die Fehlererkennungseinrichtung erkennt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils auf Basis der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, aufgetreten ist, um eine Änderung bei einer Eingabe eines Öffnungs-/Schließ-Steuersignals an das elektromagnetische Ventil vorzunehmen.
  5. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Fehlererkennungseinrichtung erkennt, ob ein Fehler beim Öffnen/Schließen des elektromagnetischen Ventils auf Basis einer Änderung der Gas-Zustandsgröße, die von der Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, mit der Zeit aufgetreten ist, um die Änderung bei der Eingabe des Öffnungs-/Schließ-Steuersignals an das elektromagnetische Ventil vorzunehmen.
  6. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gas-Zustandsgröße eine physikalische Größe ist, die sich auf entweder eine Wasserstoffkonzentration, eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Druck, einen Anteil eines jeden Bestandteils, einer Temperatur oder eine Dielektrizitätskonstante des Wasserstoffabgases bezieht.
  7. Fehlerkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit: einer Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung im Abgabedurchlaß bei einer Position stromaufwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, wobei die Fehlererkennungseinrichtung einen Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils auf Basis der Gas-Zustandsgröße erfaßt, die durch die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung, die sowohl auf einer stromaufwärtigen Seite als auch auf einer stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Abgabeventils angeordnet ist, erfaßt wird.
  8. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit: einer Gas-Flüssigkeits-Abscheideeinrichtung (60) zum Trennen des Wasserstoffabgases in Gas und Flüssigkeit, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung die Gas-Zustandsgröße des Wasserstoffabgases, das von der Gas-Flüssigkeits-Abscheideeinrichtung in Gas und Flüssigkeit getrennt worden ist, erfaßt.
  9. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner mit: einem Drucksensor (S2), der im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist, und der einen Druck des Wasserstoffabgases erfaßt.
  10. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner mit: einem Temperatursensor (S4), der im Abgabedurchlaß bei einer Position stromabwärts vom Wasserstoff-Abgabeventil angeordnet ist und der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfaßt.
  11. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner mit: gepaarten Elektroden (S5, S6), die in der Mischkammer angeordnet sind und die sich gegenüberliegen, um eine Dielektrizitätskonstante des Wasserstoffabgases zu erfassen.
  12. Fehlererkennungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner mit: einem Heizdrahtwiderstand, der in der Mischkammer angeordnet ist und der eine Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffabgases erfaßt.
  13. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit: einer Einrichtung zur Handhabung eines Fehlers, wenn die Fehlererkennungseinrichtung einen Fehler beim Öffnen/Schließen des Wasserstoff-Abgabeventils erfaßt.
  14. Fehlererkennungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung im Abgabedurchlaß bei einer Position außerhalb des Wasserstoffabgas-Umlaufdurchlasses angeordnet ist.
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