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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung einer Anomalie in einem Drucksensor und auf ein Brennstoffzellensystem.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Es wurde ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und umgesetzt, das eine Brennstoffzelle umfasst, die für die Aufnahme von zugeführtem Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) und die Erzeugung von elektrischer Energie ausgelegt ist. Die Brennstoffzelle ist eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, bei der Brennstoff über einen elektrochemischen Prozess oxidiert wird und eine in einer Oxidationsreaktion abgegebene Energie direkt in elektrische Energie umwandelt wird.
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Aktuell wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem Brennstoffzufuhrkanal, der eine Brennstoffversorgung und eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems verbindet, ein Drucksensor oder ein Regelventil (Einspritzventil oder Regler) vorgesehen wird und das Regelventil so angesteuert wird, dass es ausgehend von einem Erfassungswert des Drucksensors ein- oder ausgeschaltet wird und so eine zur Brennstoffzelle geführte Brennstoffmenge regelt. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Verfahren für die Erkennung einer Anomalie in einem Drucksensor zur Verwendung bei Regelung einer Brennstoffeinspritzmenge vorgeschlagen. Beispielsweise wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Fehlerbestimmung eines Drucksensors durchgeführt wird, indem eine ausgehend von einer Wasserstoffverbrauchsmenge berechnete Druckdifferenz mit einer vom Drucksensor tatsächlich detektierten Druckdifferenz verglichen wird (siehe zum Beispiel die japanische Patentanmeldung
JP 2008- 234 970 A ).
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Selbst bei Verwendung des in der
JP 2008- 234 970 A beschriebenen Verfahrens kann es jedoch sein, dass die Erkennung eines Offset-Fehlers des Drucksensors (eines plusseitigen oder minusseitigen Versatzes des Erfassungswertes des Drucksensors um einen speziellen Wert) nicht möglich ist. Zur Erkennung eines solchen Versatzfehlers ist es also denkbar, mehrere Drucksensoren im gleichen Druckraum vorzusehen und Erfassungswerte beider Drucksensoren miteinander zu vergleichen; wird der Sensor für den Vergleich auf diese Weise bereitgestellt, erhöhen sich jedoch die Herstellungskosten des Systems.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Erkennung eines Offset-Fehlers eines Drucksensors bereit, ohne einen Vergleichssensor bereitzustellen.
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Ein Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erkennung einer Anomalie eines Drucksensors in einem Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzufuhrkanal, der zur Verbindung einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffversorgung ausgelegt ist, einen ersten Drucksensor, der im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist, einen zweiten Drucksensor, der auf einer dem ersten Drucksensor stromabwärtigen Seite des Brennstoffzufuhrkanals vorgesehen ist, ein Druckreduzierventil, das zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist und darauf ausgelegt ist, einen Druck auf einer stromaufwärtigen Seite auf einen vorherbestimmten unteren Druckregelgrenzwert abzusenken, ein erstes Absperrventil, das zwischen der Brennstoffversorgung und dem ersten Drucksensor im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist, und ein zweites Absperrventil, das zwischen dem zweiten Drucksensor und der Brennstoffzelle im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist. Das Verfahren umfasst Schließen des ersten Absperrventils zum Absperren der Brennstoffzufuhr aus der Brennstoffversorgung zum ersten Drucksensor, nach dem Absperren der Brennstoffzufuhr aus der Brennstoffversorgung zum ersten Drucksensor, Öffnen des zweiten Absperrventils und Gestatten der Zufuhr von Brennstoff im Brennstoffzufuhrkanal zur Brennstoffzelle, um einen Druck auf einer stromaufwärtigen Seite und einen Druck auf einer stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert zu senken, und nach Senken des Drucks auf der stromaufwärtigen Seite und des Drucks auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert, Schließen des zweiten Absperrventils und Vergleichen der Druckerfassungswerte des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors, um zu bestimmen, ob der erste Drucksensor oder der zweite Drucksensor eine Anomalie aufweist oder nicht.
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst einen Brennstoffzufuhrkanal, der zur Verbindung einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffversorgung ausgelegt ist, einen ersten Drucksensor, der im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist, einen zweiten Drucksensor, der auf einer dem ersten Drucksensor stromabwärtigen Seite des Brennstoffzufuhrkanals vorgesehen ist, ein Druckreduzierventil, das zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist und darauf ausgelegt ist, einen Druck auf einer stromaufwärtigen Seite auf einen vorherbestimmten unteren Druckregelgrenzwert abzusenken, ein erstes Absperrventil, das zwischen der Brennstoffversorgung und dem ersten Drucksensor im Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist, ein zweites Absperrventil, das zwischen dem zweiten Drucksensor und der Brennstoffzelle des Brennstoffzufuhrkanals vorgesehen ist, und eine Steuerungs- und Bestimmungseinheit, die ausgelegt ist zum Ansteuern der Absperrventile und zum Bestimmen, ob die Drucksensoren eine Anomalie aufweisen oder nicht. Die Steuerungs- und Bestimmungseinheit schließt das erste Absperrventil, um die Brennstoffzufuhr von der Brennstoffversorgung zum ersten Drucksensor abzusperren, öffnet anschließend das zweite Absperrventil und gestattet die Zufuhr von Brennstoff im Brennstoffzufuhrkanal zur Brennstoffzelle, um einen Druck auf einer stromaufwärtigen Seite und einen Druck auf einer stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert abzusenken, und schließt daraufhin das zweite Absperrventil und vergleicht die Druckerfassungswerte des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors miteinander, um zu bestimmen, ob der erste Drucksensor oder der zweite Drucksensor eine Anomalie aufweist oder nicht.
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Bei Verwendung einer solchen Ausgestaltung und eines solchen Verfahrens werden in einem Zustand, in dem das erste Absperrventil und das zweite Absperrventil so betrieben werden, dass der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der vorherbestimmte untere Druckregelgrenzwert abgesenkt werden (ein Zustand, in dem der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen gleichen Wert gestellt werden), die Druckerfassungswerte des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors miteinander verglichen, was die Erkennung eines Offset-Fehlers der Drucksensoren ermöglicht. Dadurch besteht kein Bedarf an der Bereitstellung eines Vergleichssensors für die Erkennung eines Offset-Fehlers des ersten Drucksensors (oder des zweiten Drucksensors), und dies ermöglicht eine Vereinfachung (Redundanzfreiheit) der Ausgestaltung. Dadurch lässt sich eine Erhöhung der Herstellungskosten für das System vermeiden.
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Im aspektgemäßen Verfahren der Erfindung kann eine Steuerungs- und Bestimmungseinheit des Brennstoffzellensystems die Zufuhr von Brennstoff von der Brennstoffversorgung zum ersten Drucksensor absperren, und die Steuerungs- und Bestimmungseinheit des Brennstoffzellensystems kann den Druck auf der stromaufwärtigen Seite und den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert absenken, und die Steuerungs- und Bestimmungseinheit des Brennstoffzellensystems kann die Bestimmung durchführen, ob der erste Drucksensor oder der zweite Drucksensor eine Anomalie aufweist oder nicht.
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Im aspektgemäßen Verfahren der Erfindung kann es sich beim Absenken des Drucks auf der stromaufwärtigen Seite und des Drucks auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert um einen Zustand handeln, in dem der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils auf den gleichen Wert eingestellt werden.
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Im aspektgemäßen Verfahren der Erfindung kann für den Fall, dass eine Differenz zwischen den Druckerfassungswerten des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors einen vorherbestimmten Schwellenwert übersteigt, darauf geschlossen werden, dass der erste Drucksensor oder der zweite Drucksensor eine Anomalie aufweist.
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Im aspektgemäßen Verfahren der Erfindung können Wellenformen der Druckerfassungswerte des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors miteinander verglichen werden, und für den Fall, dass eine Differenz zwischen den Wellenformen des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors eine vorherbestimmte Referenz übersteigt, kann darauf geschlossen werden, dass der erste Drucksensor oder der zweite Drucksensor eine Anomalie aufweist.
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Im aspektgemäßen Verfahren der Erfindung kann ausgehend von einer Wasserstoffverbrauchsmenge, die anhand einer von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energiemenge geschätzt wird, bestimmt werden, ob der erste Drucksensor eine Anomalie aufweist oder nicht.
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Bei Verwendung eines solchen Verfahrens ist eine automatische Erkennung eines Offset-Fehlers des Drucksensors in der Steuerungs- und Bestimmungseinheit des Brennstoffzellensystems möglich.
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Gemäß dem Aspekt der Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zur Erkennung eines Offset-Fehlers der Drucksensoren bereitzustellen, ohne einen Vergleichssensor vorzusehen.
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Figurenliste
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In der Folge werden Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung unter Verweis auf die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei gilt:
- 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Wesenszüge der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Erkennung einer Anomalie in Drucksensoren des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Figurenbezogene Positionsverhältnisse wie oben, unten, rechts und links gründen sich auf die in den Zeichnungen dargestellten Positionsverhältnisse, sofern nicht anders angegeben. Die Maßverhältnisse der Figuren sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Verhältnisse beschränkt. Die folgende Ausführungsform ist außerdem eine beispielhafte Beschreibung der Erfindung, und die Erfindung soll nicht auf die Ausführungsform beschränkt sein. Zudem können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden, solange die Abwandlungen nicht vom Wesen und Umfang der Erfindung abweichen.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 die Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 fungiert zum Beispiel als ein fahrzeuginternes elektrisches Energieversorgungssystem, das in einem als bewegtes Objekt dienenden Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut ist, und umfasst eine Brennstoffzelle 20, die zugeführtes Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) aufnimmt, um elektrische Energie zu erzeugen, ein Oxidationsgaszuführungssystem 30, das Luft als Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20 führt, ein Brenngaszuführungssystem 40, das Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 20 führt, ein elektrisches Leistungssystem 50, das die Ladung und Entladung von elektrischer Leistung ansteuert, und ein Steuergerät (Controller) 60, welches das gesamte System integral steuert.
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Die Brennstoffzelle 20 ist ein Festpolymer-Elektrolytzellenstapel, in dem mehrere Zellen in Reihe geschichtet sind. In der Brennstoffzelle 20 findet eine durch Formel (1) dargestellte Oxidationsreaktion an einer Anodenelektrode und eine durch Formel (2) dargestellte Reduktionsreaktion an einer Kathodenelektrode statt. Für die Brennstoffzelle 20 insgesamt findet eine durch Formel (3) dargestellte elektromotorische bzw. elektrochemische Reaktion statt. H2 → 2H+ + 2e- (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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Jede die Brennstoffzelle 20 bildende Zelle besteht aus einer Polymerelektrolytmembran, einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und einem Separator. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine geschichtete Struktur (Sandwich-Struktur) mit der beidseitig gefassten Polymerelektrolytmembran. Der Separator besteht aus einem gasundurchlässigen leitenden Element und bildet Strömungskanäle für Brenngas und Oxidationsgas zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode unter beidseitiger Umschließung von Anodenelektrode und Kathodenelektrode.
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Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht auf. Die Katalysatorschicht weist als Katalysator katalysatorgeträgerten Kohlenstoff mit zum Beispiel adsorbierten platinbasierten Edelmetallteilchen und einen Polymerelektrolyt auf. Als Material des Platinsystems der Edelmetallteilchen können beispielsweise Metallkatalysatoren (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru und dergleichen) verwendet werden. Als katalysatorgeträgerter Kohlenstoff kann beispielsweise Kohlenstoffruß (Carbon Black) verwendet werden. Als Polymerelektrolyt kann ein protonenleitendes Ionenaustauschharz oder dergleichen verwendet werden. Die Gasdiffusionsschicht ist auf der Oberfläche der Katalysatorschicht luftdurchlässig und elektronisch leitfähig ausgebildet und besteht aus Kohlenstofftuch, Kohlenstoffpapier oder mit Fäden von Kohlefaser gebildetem Kohlenstofffilz.
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Die Polymerelektrolytmembran ist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran, die aus einem Festpolymermaterial, zum Beispiel einem fluorhaltigen Harz, gebildet ist, und weist in einem nassen Zustand eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit auf. Die Polymerelektrolytmembran, die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung.
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Wie in 1 dargestellt, sind an der Brennstoffzelle 20 ein Spannungssensor 71, der eine Ausgangsspannung (FC-Spannung) der Brennstoffzelle 20 ausgibt, und ein Stromsensor 72, der einen Ausgangsstrom (FC-Strom) der Brennstoffzelle (FC) 20 ausgibt, angebracht. Die vom Spannungssensor 71 erfasste FC-Spannung und der vom Stromsensor 72 erfasste FC-Strom werden zur Berechnung einer elektrischen Energieerzeugungsmenge (elektrischen FC-Energieerzeugungsmenge) der nachstehend beschriebenen Brennstoffzelle 20 verwendet.
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Das Oxidationsgaszuführungssystem 30 besitzt einen Oxidationsgas-Strömungskanal 33, in dem Oxidationsgas zur Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 geführt wird, und einen Oxidationsabgas-Strömungskanal 34, in dem aus der Brennstoffzelle ausgetragenes Oxidationsabgas 20 strömt. Der Oxidationsgas-Strömungskanal 33 ist versehen mit einem Luftkompressor 32, der Oxidationsgas aus der Atmosphäre über einen Filter 31 ansaugt, und mit einem Absperrventil A1, das die Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20 unterbricht. Der Oxidationsabgas-Strömungskanal 34 ist versehen mit einem Absperrventil A2, das die Abführung von Oxidationsabgas aus der Brennstoffzelle 20 unterbricht, und einem Staudruckregelventil A3, das einen Oxidationsgas-Zufuhrdruck regelt.
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Das Brenngaszuführungssystem 40 hat eine Brennstoffversorgung 41, einen Brennstoffzufuhrkanal 43, der die Brennstoffversorgung 41 und die Brennstoffzelle 20 verbindet und in dem Brenngas strömt, das von der Brennstoffversorgung 41 zur Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 geführt wird, einen Umwälzkanal 44, der aus der Brennstoffzelle 20 abgeführtes Brennstoffabgas zum Brennstoffzufuhrkanal 43 umwälzt, eine Umwälzpumpe 45, die Brennstoffabgas in den Umwälzkanal 44 zum Brennstoffzufuhrkanal 43 pumpt, und einen Abzugs-/Ablaufkanal 46, der vom Umwälzkanal 44 abzweigt.
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Die Brennstoffversorgung 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstoffbehälter oder einer wasserstoffabsorbierenden Legierung und speichert Wasserstoffgas bei hohem Druck (zum Beispiel 35 bis 70 MPa). Ein Hauptabsperrventil H1 ist an einer Zuführöffnung der Brennstoffversorgung 41 vorgesehen, und wird das Hauptabsperrventil H1 geöffnet, strömt Brenngas aus der Brennstoffversorgung 41 zum Brennstoffzufuhrkanal 43. Das Hauptabsperrventil H1 fungiert als erstes Absperrventil der Erfindung.
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Der Brennstoffzufuhrkanal 43 ist versehen mit einem Hochdrucksensor 73, der einen Druck des von der Brennstoffversorgung 41 zugeführten Brennstoffs erfasst, einem Zwischendrucksensor 74, der dem Hochdrucksensor 73 auf einer abstromigen Seite stromabwärtig ist, einem Druckreduzierventil H2, das zwischen dem Hochdrucksensor 73 und dem Zwischendrucksensor 74 vorgesehen ist, und einem Einspritzventil 42, das zwischen dem Zwischendrucksensor 74 und der Brennstoffzelle 20 vorgesehen ist. Der Hochdrucksensor 73 und der Zwischendrucksensor 74 fungieren als erster Drucksensor bzw. zweiter Drucksensor der Erfindung, und das Einspritzventil 42 fungiert als zweites Absperrventil der Erfindung.
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Das Druckreduzierventil H2 weist einen mechanischen Druckregulierungsmechanismus auf, in dem das Ventil für den Fall, dass die Differenz zwischen einem Druck auf der stromaufwärtigen Seite und einem Druck auf der stromabwärtigen Seite einen vorherbestimmten Schwellenwert übersteigt, mit der Aktivierungskraft eines elastischen Elements geöffnet wird und das Strömen von Gas gestattet, und senkt den Druck auf der stromaufwärtigen Seite auf einen vorherbestimmten unteren Druckregelgrenzwert (zum Beispiel 1,1 MPa). In dieser Ausführungsform wird das Druckreduzierventil H2 in einen konstant offenen Zustand versetzt, so dass der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite identisch sind, falls der Druck auf der stromabwärtigen Seite einen Wert gleich oder kleiner als der vorherbestimmte untere Druckregelgrenzwert annimmt.
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Das durch Öffnen des Hauptabsperrventils H1 mit hohem Druck (zum Beispiel 2 bis 4 MPa) zugeführte Brenngas erfährt über das Druckreduzierventil H2 eine Druckreduzierung auf zum Beispiel etwa 1,1 bis 1,6 MPa, erfährt weiterhin über das Einspritzventil 42 eine Druckreduzierung auf zum Beispiel etwa 200 bis 300 kPa und wird der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
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Der Abzugs-/Ablaufkanal 46 zweigt vom Umwälzkanal 44 ab, und der Abzugs-/Ablaufkanal 46 ist mit einem Abzugs-/Ablaufventil H3 versehen. Das Abzugs-/Ablaufventil H3 wird ausgehend von einem Befehl des Steuergeräts 60 so betrieben, dass es Brennstoffabgas und verunreinigungsträchtige Feuchte im Umwälzkanal 44 nach draußen abführt.
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Brennstoffabgas, das durch das Abzugs-/Ablaufventil H3 abgeführt wird, wird mit Oxidationsabgas, das im Oxidationsabgas-Strömungskanal 34 strömt, gemischt und durch einen Diluter (nicht dargestellt) verdünnt. Von der Umwälzpumpe 45 wird Brennstoffabgas motorgetrieben in einem Umlaufsystem umgewälzt und zur Brennstoffzelle 20 geführt.
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Das elektrische Energiesystem 50 weist einen DC/DC-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionsstromrichter 53, einen Traktionsmotor 54 und Nebenaggregate 55 auf. Der DC/DC-Wandler 51 hat eine Funktion zum Hochregeln einer von der Batterie 52 gelieferten Gleichspannung und zum Ausgeben der resultierenden Gleichspannung an den Traktionsstromrichter 53 und eine Funktion zum Herunterregeln der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Gleichstromleistung oder der vom Traktionsmotor 54 über das regenerative Bremsen gesammelten regenerativen elektrischen Leistung und zum Laden der Batterie 52 mit der resultierenden elektrischen Leistung.
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Die Batterie 52 arbeitet als Speicherquelle von überschüssiger elektrischer Energie, als Speicherquelle von regenerativer Energie zum Zeitpunkt des regenerativen Bremens, als Energiepuffer zum Zeitpunkt einer Lastschwankung mit Beschleunigung oder Abbremsung eines Brennstoffzellenfahrzeugs und so weiter. Als Batterie 52 wird beispielsweise eine Sekundärbatterie, wie eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithium-Sekundärbatterie, zweckmäßig verwendet.
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Der Traktionsstromrichter 53 ist ein PWM-Inverter, der zum Beispiel über ein Pulsweitenmodulationssystem angetrieben wird, eine von der Brennstoffzelle 20 oder von der Batterie 52 abgegebene Gleichspannung entsprechend einem vom Steuergerät 60 ausgegebenen Steuerbefehl in einen Dreiphasenwechselstrom umwandelt und so das Drehmoment des Traktionsmotors 54 ansteuert. Der Traktionsmotor 54 ist zum Beispiel ein Dreiphasenwechselstrommotor und stellt eine Kraftquelle für ein Brennstoffzellenfahrzeug dar.
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Nebenaggregate 55 bezieht sich kollektiv auf Elektromotoren, die in den jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen sind, auf Wechselrichter zum Ansteuern dieser Motoren und auf verschiedene fahrzeuginterne Zubehörelemente (zum Beispiel Luftkompressor 32, Einspritzventil 42, Umwälzpumpe 45, Kühler, Kühlwasserumwälzpumpe und dergleichen).
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Das Steuergerät (Controller) 60 ist ein Computersystem, das eine CPU, einen ROM, einen RAM und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle umfasst, und steuert die jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems 10. Falls beispielsweise ein von einem Zündschalter kommendes Startsignal IG empfangen wird, startet das Steuergerät 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und berechnet die erforderliche elektrische Leistung des gesamten Systems ausgehend von einem ausgegebenen Gaspedalwinkel-Signal ACC eines Gaspedalsensors, einem ausgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors und dergleichen. Die erforderliche elektrische Leistung des Gesamtsystems ist ein Gesamtwert der elektrischen Leistung für das Fahren des Fahrzeugs und der elektrischen Nebenaggregatsleistung.
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Die elektrische Nebenaggregatsleistung umfasst die elektrische Leistung, die durch die fahrzeuginternen Nebenaggregate (Luftkompressor 32, Umwälzpumpe 45, Kühlwasserumlaufpumpe und so weiter) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die in den für die Fortbewegung des Fahrzeugs notwendigen Einrichtungen (Getriebe, Radkontrolleinrichtung, Lenkeinrichtung, Aufhängung und so weiter) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von in einem Fahrgastraum vorgesehenen Einrichtungen (Klimaanlage, Beleuchtungseinrichtung, Audioeinrichtung und dergleichen) verbraucht wird, und so weiter.
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Das Steuergerät 60 bestimmt die Verteilung der von der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52 jeweils abgegebenen elektrischen Leistung, steuert das Oxidationsgaszuführungssystem 30 und das Brenngaszuführungssystem 40 so, dass die Leistungserzeugungsmenge der Brennstoffzelle 20 mit der elektrischen Soll-Leistung übereinstimmt, und steuert den DC/DC-Wandler 51 zur Regulierung der Ausgabespannung der Brennstoffzelle 20 und steuert dadurch den Betriebspunkt (Ausgabespannung und Ausgabestrom) der Brennstoffzelle 20 an.
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Beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 werden in der Brennstoffzelle 20, wie in der oben beschriebenen Formel (1) dargestellt, an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoff-Ionen durch die Elektrolytmembran permeiert und zur Kathodenelektrode geführt, und die zur Kathodenelektrode geführten Wasserstoff-Ionen unterliegen einer elektrochemischen Reaktion mit dem Sauerstoff im zur Kathodenelektrode geführten Oxidationsgas, wie in der oben beschriebenen Formel (2) dargestellt, und bewirken eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffs zur Erzeugung von Wasser.
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Das Steuergerät 60 arbeitet so, dass es das Hauptabsperrventil H1 und das Einspritzventil 42 ansteuert und bestimmt, ob der Hochdrucksensor 73 oder der Zwischendrucksensor 74 eine Anomalie aufweist. Insbesondere schließt das Steuergerät 60 das Hauptabsperrventil H1, um die Brennstoffzufuhr aus der Brennstoffversorgung 41 zum Hochdrucksensor 73 zu unterbrechen, öffnet daraufhin das Einspritzventil 42 und gestattet die Zufuhr von Brennstoff im Brennstoffzufuhrkanal 43 zur Brennstoffzelle 20, um den Druck auf der stromaufwärtigen Seite und den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils H2 auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert zu senken. Anschließend schließt das Steuergerät 60 das Einspritzventil 42 und vergleicht die Druckerfassungswerte des Hochdrucksensors 73 und des Zwischendrucksensors 74 miteinander, um zu bestimmen, ob der Hochdrucksensor 73 oder der Zwischendrucksensor 74 eine Anomalie aufweist oder nicht. Das heißt, das Steuergerät 60 fungiert als Steuerungs- und Bestimmungseinheit der Erfindung.
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Das Steuergerät 60 bestimmt ausgehend von einer Wasserstoffverbrauchsmenge, die anhand einer von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Energiemenge geschätzt wird, ob der Hochdrucksensor 73 eine Anomalie aufweist oder nicht. Insbesondere berechnet das Steuergerät 60 die Restmenge an Brennstoff (Referenz-Brennstoffmenge) ausgehend vom Erfassungswert des Hochdrucksensors 73 und berechnet die Restmenge (Brennstoffmenge für den Bestimmungsbeginn) bei einem Druckwert, der erhalten wird, indem ein vorherbestimmter Druckwert (zum Beispiel 3 MPa) vom Erfassungswert subtrahiert wird. Das Steuergerät 60 berechnet die dem vorherbestimmten Druckwert entsprechende Brennstoffmenge, indem die Brennstoffmenge für den Bestimmungsbeginn von der Referenz-Brennstoffmenge subtrahiert wird, und berechnet eine geschätzte Brennstoffverbrauchsmenge ausgehend von der elektrischen FC-Energieerzeugungsmenge und führt auf folgende Weise die Bestimmung einer Anomalie im Hochdrucksensor 73 durch, wenn die geschätzte Brennstoffverbrauchsmenge die dem vorherbestimmten Druck entsprechende Brennstoffmenge übersteigt.
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Das heißt, das Steuergerät 60 berechnet den Wert (A), der dadurch erhalten wird, dass die geschätzte Brennstoffverbrauchsmenge von der Referenz-Brennstoffmenge subtrahiert wird, die Brennstoff-Restmenge (B) bei dem Druckwert, der erhalten wird, indem der vorherbestimmte Druckwert (zum Beispiel 1 MPa) zum Ist-Erfassungswert des Hochdrucksensors 73 hinzuaddiert wird, und die Brennstoff-Restmenge (C) bei dem Druckwert, der erhalten wird, indem der vorherbestimmte Druckwert (zum Beispiel 1 MPa) vom Ist-Erfassungswert des Hochdrucksensors 73 subtrahiert wird, und kommt, falls B gleich oder größer als A und C gleich oder kleiner als A ist, zu dem Bestimmungsergebnis, dass der Hochdrucksensor 73 keine Anomalie aufweist. Das Steuergerät 60 schließt auf eine Anomalie des Hochdrucksensors 73, wenn der Fall vorliegt, dass B größer als A ist, oder der Fall, dass C kleiner als A ist.
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Nunmehr wird ein Verfahren zur Erkennung einer Anomalie in einem Drucksensor des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verweis auf das Flussdiagramm von 2 beschrieben. Das Verfahren zur Erkennung einer Anomalie gemäß der Ausführungsform ist ein Verfahren, in dem ein so genannter gasfreier Zustand absichtlich geschaffen wird, der Hochdrucksensor 73 und der Zwischendrucksensor 74 im gleichen Druckraum vorgesehen sind und die Erfassungswerte der beiden Drucksensoren miteinander verglichen werden, wodurch ein Offset-Fehler des Hochdrucksensors 73 (oder des Zwischendrucksensors 74) erkannt wird.
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Zuerst schließt das Steuergerät 60 des Brennstoffzellensystems 10 das Hauptabsperrventil H1 zum Absperren der Brennstoffzufuhr aus der Brennstoffversorgung 41 zum Hochdrucksensor 73 (Brennstoffabsperrschritt S1). Als nächstes öffnet das Steuergerät 60 das Einspritzventil 42 und gestattet die Zufuhr von Brennstoff im Brennstoffzufuhrkanal 43 zur Brennstoffzelle 20, um den Druck auf der stromaufwärtigen Seite und den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils H2 auf einen Wert gleich oder kleiner als der untere Druckregelgrenzwert zu senken (Drucksenkungsschritt S2).
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Anschließend schließt das Steuergerät 60 das Einspritzventil 42 und vergleicht die Druckerfassungswerte des Hochdrucksensors 73 und des Zwischendrucksensors 74 miteinander, um zu bestimmen, ob ein Offset-Fehler im Hochdrucksensor 73 oder im Zwischendrucksensor 74 auftritt oder nicht (Anomaliebestimmungsschritt S3). Im Anomaliebestimmungsschritt S3 kann das Steuergerät 60 bestimmen, dass ein Offset-Fehler im Hochdrucksensor 73 oder im Zwischendrucksensor 74 auftritt, wenn zum Beispiel der Fall eintritt, dass die Differenz zwischen den Druckerfassungswerten des Hochdrucksensors 73 und des Zwischendrucksensors 74 den vorherbestimmten Schwellenwert übersteigt. Das Steuergerät 60 kann die Zeitverläufe (Wellenformen) der Druckerfassungswerte des Hochdrucksensors 73 und des Zwischendrucksensors 74 miteinander vergleichen und kann für den Fall, dass die Differenz zwischen den beiden Wellenformen einen vorherbestimmten Referenzwert übersteigt, zum Bestimmungsergebnis kommen, dass ein Offset-Fehler im Hochdrucksensor 73 oder im Zwischendrucksensor 74 vorliegt.
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Im Brennstoffzellensystem 10 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform werden in einem Zustand, in dem das Hauptabsperrventil H1 und das Einspritzventil 42 so betrieben werden, dass der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils H2 auf einen Wert gleich oder kleiner als der vorherbestimmte untere Druckregelgrenzwert abgesenkt wird (in einem Zustand, in dem der Druck auf der stromaufwärtigen Seite und der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Druckreduzierventils H2 auf einen gleichen Wert gestellt werden), die Druckerfassungswerte des Hauptabsperrventils H1 und des Einspritzventils 42 miteinander verglichen, wodurch es möglich ist, einen Offset-Fehler des Hochdrucksensors 73 oder des Zwischendrucksensors 74 zu erkennen. Dadurch besteht kein Bedarf an der Bereitstellung eines Vergleichssensors für die Erkennung eines Offset-Fehlers des Hochdrucksensors 73 (oder des Zwischendrucksensors 74), und dies ermöglicht eine Vereinfachung (Redundanzfreiheit) der Ausgestaltung. Dadurch lässt sich eine Erhöhung der Herstellungskosten für das System vermeiden.
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Obwohl ein Beispiel beschrieben wurde, in dem die jeweiligen Schritte (der Brennstoffabsperrschritt S1, der Drucksenkungsschritt S2 und der Anomaliebestimmungsschritt S3) zur Erkennung eines Offset-Fehlers der Drucksensoren durch das Steuergerät 60 (Steuer- und Bestimmungseinheit) des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt werden, können in dieser Ausführungsform die Schritte zur Erkennung eines Offset-Fehlers der Drucksensoren von einem Bediener ausgeführt werden. Obwohl ein Beispiel beschrieben wurde, in dem das Einspritzventil 42 (Injektor) als zweites Absperrventil verwendet wird, kann in dieser Ausführungsform als zweites Absperrventil ein vom Einspritzventil 42 abweichendes elektromagnetisches Steuerventil eingesetzt werden.
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Obwohl in dieser Ausführungsform als bewegtes Objekt das „Brennstoffzellenfahrzeug“ dargestellt wurde, kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in verschiedenen vom Brennstoffzellenfahrzeug abweichenden bewegten Objekte (Roboter, Schiff, Flugzeug und dergleichen) eingebaut werden.
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Das erfinderische Prinzip (zwischen einem Hochdruckraum mit einem Hochdrucksensor und einem Niederdruckraum mit einem Niederdrucksensor wird ein mechanisches Druckreduzierventil vorgesehen, die Gaszufuhr zum Hochdrucksensor wird abgesperrt und Gas wird aus dem Niederdruckraum ausgetragen, um absichtlich einen gasfreien Zustand herzustellen, der Hochdrucksensor und der Niederdrucksensor sind im gleichen Druckraum bereitgestellt, und die Erfassungswerte der beiden Drucksensoren werden miteinander verglichen, um einen Offset-Fehler des Hochdrucksensors oder des Niederdrucksensors zu erkennen) kann auf ein vom Brennstoffzellensystem abweichendes System (zum Beispiel auf ein Erdgasfahrzeug, eine Gaspipeline oder dergleichen) angewendet werden.
