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TECHNOLOGIEGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einfrierbestimmung eines Brennstoffzellensystems
zur Erzeugung von Elektrizität
unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff
und Sauerstoff.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren sind Brennstoffzellen zur Erzeugung von Elektrizität unter
Verwendung einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und
Sauerstoff als eine Energiequelle in den Blickpunkt geraten. Durch
die elektrochemische Reaktion von Brennstoffzellen wird Wasser erzeugt.
Das erzeugte Wasser wird zur Kühlung
des Brennstoffzellensysteminnenbereichs verwendet und aus einem Wasserausstoßrohr nach
außen
ausgestoßen.
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Wenn
diese Art von Brennstoffzellensystemen für eine festgelegte Zeit unter
niedrigen Temperaturbedingungen, bspw. wenn die Außenlufttemperatur
niedriger als der Gefrierpunkt ist, gestoppt ist, friert das Wasser,
das sich in Teilen innerhalb des Systems, wie bspw. einer Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
angesammelt hat, ein. Dies verursacht, dass es unmöglich wird,
Wasser aus dem Wasserausstoßrohr
nach außen
auszustoßen,
was eine Gasansammlung erzeugt, so dass das Brennstoffzellensystem
nicht arbeiten kann, wobei die Gefahr eines Verkürzens der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems
vorhanden ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung dieser Schwierigkeiten
gemacht worden, wobei eine Notwendigkeit besteht, die schädlichen Auswirkungen
zu unterdrücken
oder zu vermeiden, die bei einem Brennstoffzellensystem durch das
Einfrieren von Wasser bei der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung auftreten können.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung wird bereitgestellt, um sich mit den vorstehend beschriebenen
Schwierigkeiten zu befassen. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennstoffzelle,
ein Gaszufuhrrohr zur Zufuhr von Gas zu der Brennstoffzelle, die
zur Erzeugung von Elektrizität
verwendet wird, ein Gasausstoßrohr
zum Ausstoßen
von Gas, das aus der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, eine Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
die sich in zumindest einem des Gaszufuhrrohrs oder des Gasausstoßrohrs befindet,
zum Sammeln von Wasser innerhalb des Gases und eine Einfrierbestimmungsvorrichtung
umfasst, die das Einfrieren von Wasser, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelt wird, bestimmt.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Einfrieren von Wasser
in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
zu erfassen. Folglich ist es möglich,
die schädlichen
Auswirkungen zu vermeiden, die bei der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung während eines
Einfrierens auftreten. Ein Einfrieren kann bei verschiedenen Zeitsteuerungen
bzw. Zeitpunkten bestimmt werden, und wenn dies bspw. bei der Zeit
einer Aktivierung des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird,
ist es möglich,
wenn ein Einfrieren von Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung erfasst wird, eine
Aktivierung des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Folglich
ist es möglich, eine
Verschlechterung des Brennstoffzellensystems auf Grund eines erzwungenen
Betriebs der Brennstoffzelle während
eines Einfrierens zu unterdrücken und
ebenso das Auftreten von Anomalien bei dem System zu vermeiden.
Ebenso ist es, wenn ein Einfrieren erfasst wird, bspw. möglich, ein
Auftauen durch das Betreiben einer Heizeinrichtung unter Verwendung
der Energie einer Batterie oder dergleichen auszuführen und
das Brennstoffzellensystem zu aktivieren, wenn ein Auftauen erfasst
ist.
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Für das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Einfrierbestimmung entsprechend der Einfrierbestimmungsvorrichtung ebenso
ein Einfrieren des Wassers, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung gesammelt
wird, auf der Grundlage der Differenz in den Strömungseigenschaften des in der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelten Wassers, wenn es gefroren ist und wenn es nicht gefroren
ist, bestimmen. In diesem Fall ist es einfach, das Einfrieren von
Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
zu bestimmen.
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Wenn
die Einfrierbestimmung auf den Strömungseigenschaften beruht,
ist es bspw. möglich, ein
bewegliches Element, das in dem Wasser, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelt ist, betreibbar ist, eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben
des beweglichen Elements und eine Betriebserfassungseinrichtung
zu umfassen, die den Betriebszustand des beweglichen Elements erfasst,
sowie die Einfrierbestimmungsvorrichtung das Einfrieren des Wassers,
das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelt ist, auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse unter
Verwendung der Betriebserfassungseinrichtung bestimmen zu lassen.
Indem auf diese Art und Weise gearbeitet wird, ist es möglich, ein
Einfrieren relativ einfach zu bestimmen.
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Bspw.
ist es, wenn das bewegliche Element aus Metall hergestellt ist und
die Betriebsvorrichtung ein Magnet ist, möglich, den Betriebszustand
durch ein Bewegen oder ein Nicht-Bewegen des Metalls bspw. durch
ein Schwimmen oder dergleichen zu erfassen, indem der Magnet nahe
an das Metall während
der Einfrierbestimmung gebracht wird. Die Betriebserfassungseinrichtung
kann ebenso mit einem Sensor zwischen dem beweglichen Element, das sich
bei einer spezifischen Position bei der Bodenfläche befindet, und der Bodenfläche versehen
sein, wobei durch ein Verwenden dieses Sensors ein Auf und Ab des
beweglichen Elements bestätigt
wird. Es ist bspw. ebenso möglich
zu erfassen, ob eine Differenz in dem Zustand des beweglichen Elements
vor und nach der Einfrierbestimmung bei Verwendung der Betriebsvorrichtung
vorhanden ist oder nicht.
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Es
ist bspw. ebenso möglich,
einen Kontaktpunkt zu umfassen, der einen Leitfähigkeitszustand durch des Betreiben
des beweglichen Elements ändert,
und für
die Betriebserfassungseinrichtung möglich, Änderungen in dem Leitfähigkeitszustand
des Kontaktpunkts zu erfassen. Bspw. ist es möglich, eine Einfrierbestimmung
auszuführen,
wenn kein Einfrieren vorliegt, indem sich das bewegliche Element
bewegt und den Kontaktpunkt kontaktiert, wobei der Kontaktpunkt,
der nicht in einem nicht eingefrorenen Zustand gewesen ist, in einem
leitfähigen Zustand
ist, wobei sich, wenn ein Einfrieren vorliegt, da Eis vorhanden
ist, das bewegliche Element nicht bewegt und den Kontaktpunkt nicht
kontaktiert, so dass der nichtleitfähige Zustand bleibt, wie er
ist. Unterschiedlich zu dem Kontaktpunkt, der ein bewegliches Element
ist, kann er ebenso ein Schalter sein, der so aufgebaut ist, dass
der Schalter eingeschaltet wird, wenn sich das bewegliche Element
bewegt, was einen leitfähigen
Zustand zur Folge hat. Ebenso ist es bspw. möglich, ein Einfrieren zu bestimmen,
indem von einem leitfähigen
Zustand ausgegangen wird, wenn das bewegliche Element in Kontakt
mit dem Kontaktpunkt ist, um von dem Kontaktpunkt getrennt zu werden,
wenn sich das bewegliche Element bewegt, was einen nicht-leitfähigen Zustand
zur Folge hat. Diese Einfrierbestimmung kann ebenso mit dem vorstehend
beschriebenen Schalteraufbau angewendet werden. Es gibt keine Begrenzung
hinsichtlich dieser Beispiele, und es besteht eine Akzeptant, solange
sich der Leitfähigkeitszustand
des Kontaktpunktes mit einem Betreiben des beweglichen Elements ändert und
es möglich
ist, dies zu erfassen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Gaszufuhrrohr ein Brennstoffgaszufuhrrohr
zur Zufuhr eines Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle, wobei das
Gaszufuhrrohr ein Brennstoffgaszufuhrrohr zur Zufuhr eines Brennstoffgases
zu der Brennstoffzelle umfasst, das Gasausstoßrohr ein Anodenabgasausstoßrohr zum Ausstoßen eines
Anodenabgases aus der Brennstoffzelle umfasst, die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung über dem
Anodenabgasausstoßrohr
angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine verbundene
Umgehungsrohrleitung, die von dem Anodenabgasausstoßrohr abzweigt
und die sich unter der Wasseroberfläche in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
fortsetzt, eine Umschaltvorrichtung, die den Brennstoffgasweg entweder
zu dem Anodenabgasausstoßrohr
oder der verbundenen Umgehungsrohrleitung umschaltet, und eine Druckmessvorrichtung
umfasst, die den Druck des Anodenabgasausstoßrohrs misst, wobei die Einfrierbestimmungsvorrichtung
ein Einfrieren ebenso auf der Grundlage des Druckwerts bestimmen
kann, der durch die Druckmessvorrichtung bei einem Zustand gemessen
wird, bei dem der Weg, auf den umgeschaltet ist, die Seite der verbundenen
Umgehungsrohrleitungen ist.
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Die
Umschaltvorrichtung kann auf einfache Weise unter Verwendung eines
Umschaltens, das bspw. Ventile verwendet, verwirklicht werden. Die Druckmessvorrichtung
kann bspw. einen Drucksensor in dem Anodenabgasausstoßrohr umfassen.
Der Drucksensor kann sich bei der Stromaufwärtsseite der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
befinden oder kann sich ebenso bei der Stromabwärtsseite zwischen der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
und dem Brennstoffzellenstapel befinden.
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Wenn
das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gefroren ist, kann das Wasserstoffgas, das durch die verbundene
Umgehungsrohrleitung hindurchgeht, die Wasseroberfläche der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
nicht. passieren, wobei im Vergleich dazu, wenn das Brennstoffzellensystem
normal arbeitet, genauer gesagt, wenn es nicht eingefroren ist,
eine Änderung
in dem Druckwert auftritt. Die Druckänderung weist Fälle auf,
bei denen sie der spezifizierte Wert oder höher ist, und Fälle auf,
bei denen sie der spezifizierte Wert oder niedriger ist, in Abhängigkeit
von der Seite, bei der sich der Drucksensor befindet. In jedem Fall
ist es, wenn eine Bestimmung auf der Grundlage der Obergrenze und
der Untergrenze des Druckwerts, der während eines normalen Betriebs
des Brennstoffzellensystems gemessen wird, ausgeführt wird,
möglich,
ein Einfrieren mit einem einfachen Aufbau zu bestimmen.
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Das
Wasserstoffgas, das für
diese Einfrierbestimmung verwendet wird, kann von einem Wasserstofftank
zur Zufuhr von Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle über das
Brennstoffgaszufuhrrohr zugeführt
werden, oder es ist ebenso möglich,
Wasserstoffgas zu verwenden, das bereits während des vorangegangenen Betriebs
des Brennstoffzellensystems vorhanden war.
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Für das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Einfrierbestimmungsvorrichtung das Einfrieren
von Wasser, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelt ist, auf der Grundlage von Differenzen in einem Volumen des
Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung, wenn
es gefroren ist und wenn es nicht gefroren ist, bestimmen.
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Im
Allgemeinen durchläuft
Wasser eine Zustandsänderung
zu Eis auf Grund eines Einfrierens und es ist bekannt, dass sich
das Volumen entsprechend dieser Zustandsänderung ausdehnt. Bzgl. der vorliegenden
Erfindung wird es, wenn ein Einfrieren durch die Differenz in dem
Volumen, wenn es gefroren ist und wenn es nicht gefroren ist, entsprechend dieser
Volumenausdehnung bestimmt wird, möglich, auf einfache Weise das
Einfrieren einer mechanischen Vorrichtung, wie bspw. der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
zu bestimmen.
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Was
diese Art von Einfrierbestimmungsvorrichtung betrifft, wenn sie
eine Druckmessvorrichtung umfasst, die einen Druck bei einem Teil
misst, der niedriger als die Wasseroberfläche in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
ist, und ein Einfrieren auf der Grundlage des gemessenen Druckwerts
bestimmt wird, ist dies wünschenswert,
da es möglich ist,
ein Einfrieren mit einem einfachen Aufbau zu bestimmen. In diesem
Fall ist es bspw. möglich,
dies durch Installieren einer Druckmessvorrichtung, wie bspw. eines
Drucksensors, bei einer beliebigen Stelle unter der Wasseroberfläche der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
auf einfache Weise zu verwirklichen.
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Ebenso
ist es bspw. möglich,
dass ein elastisches Element umfasst ist, das eine Form mit einem Druck ändert und
bei einem beliebigen Teil unter der Wasseroberfläche in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
bereitgestellt ist, und dass die Einfrierbestimmungsvorrichtung
ein Einfrieren auf der Grundlage des Formänderungszustands des elastischen
Elements bestimmt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Einfrierbestimmungsvorrichtung
bereit, die ein Einfrieren bei einer Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung bestimmt.
Die Einfrierbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gasrohrleitung, in der
ein Gas strömt,
eine Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
die mit der Gasrohrleitung verbunden ist, zum Trennen und Sammeln
von Feuchtigkeit, die in einem Gas beinhaltet ist, das in der Gasrohrleitung
strömt,
und eine Einfrierbestimmungsvorrichtung umfasst, die das Einfrieren
von Wasser, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelt ist, auf der Grundlage von Differenzen in den Strömungseigenschaften,
wenn das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gesammelte Wasser eingefroren ist und wenn es nicht eingefroren
ist, bestimmt.
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Die
Einfrierbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann in verschiedenen Ausgestaltungen auf die gleiche Weise wie
das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung verwirklicht werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die verschiedenen Eigenschaften,
die vorstehend beschrieben sind, mit geeigneten Kombinationen oder
mit weggelassenen Teilen zu verwenden. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf den Aufbau wie bei dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem
begrenzt, sondern kann ebenso in verschiedenen Ausgestaltungen,
wie bspw. als eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Aktivierung
einer Bestimmung eines Einfrierens des Brennstoffzellensystems,
einem Steuerungsverfahren, einem Einfrierbestimmungsverfahren oder
dergleichen ausgebildet werden. Für jede der Ausgestaltungen
ist es möglich,
die vorstehend beschriebenen, verschiedenen Eigenschaften anzuwenden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Es
zeigen:
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1 eine
beschreibende Darstellung, die den Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems als
ein Ausführungsbeispiel
zeigt,
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2 eine
beschreibende Darstellung, die eine Steuerungseinheit zur Steuerung
des Betriebs des Brennstoffzellensystems zeigt,
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3 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus einer Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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4 ein
Flussdiagramm zur Beschreibung eines Einfrierbestimmungsvorgangs
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
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5 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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7 ein
Flussdiagramm zur Beschreibung eines Einfrierbestimmungsvorgangs
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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8 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
eines veränderten
Beispiels des zweiten Ausführungsbeispiels,
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9 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
und
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10 eine
Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
eines veränderten
Beispiels des dritten Ausführungsbeispiels.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Nachstehend
sind Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel:
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Vorrichtungsaufbau:
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In 1 ist
eine beschreibende Darstellung gezeigt, die den Gesamtaufbau eines
Brennstoffzellensystems als ein Ausführungsbeispiel zeigt. Das Brennstoffzellensystem
gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist als eine Energiequelle in einem elektrischen Fahrzeug eingebaut,
das durch einen Motor angetrieben wird. Eine Elektrizitätserzeugung
wird entsprechend einer Betätigung
einer Beschleunigungseinrichtung durch eine Bedienungsperson ausgeführt, wobei
das Fahrzeug unter Verwendung dieser Energie fahren kann. Das Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel
muss nicht in dem Fahrzeug angeordnet sein, sondern kann verschiedene
Aufbauten aufweisen, wie bspw. als eine stationäre Brennstoffzelle oder dergleichen.
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Ein
Brennstoffzellenstapel 10 ist ein geschichteter Körper, der
durch Schichten einer Vielzahl einzelner Zellen zur Erzeugung von
Elektrizität mittels
einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff
gebildet ist. Jede einzelne Zelle weist einen Aufbau auf, bei dem
ein Wasserstoffpol (nachstehend als Anode bezeichnet) und ein Sauerstoffpol
(nachstehend als Kathode bezeichnet) so angeordnet sind, dass sie
eine elektrolytische Membrane umgeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Zelle eines festen Polymertyps mit einer festen Polymermembrane,
wie bspw. Nafion (eingetragene Marke), als die elektrolytische Membrane
verwendet, wobei aber die Erfindung nicht hierauf begrenzt ist und
verschiedene Typen von Zellen verwendet werden können.
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Komprimierte
Luft wird als ein Gas, das Sauerstoff beinhaltet, der Kathode des
Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt. Die Luft wird von einem
Filter 40 aufgenommen und wird, nachdem sie durch einen Kompressor 41 komprimiert
ist, durch eine Befeuchtigungseinrichtung bzw. einen Befeuchter 42 befeuchtet
und dem Brennstoffzellenstapel 10 über eine Rohrleitung 35 zugeführt. Ein
Temperatursensor 202, der eine Einlasslufttemperatur erfasst,
ist bei der Rohrleitung 35 bereitgestellt. Das Abgas von
der Kathode (nachstehend als Kathodenabgas bezeichnet) wird nach
außen über eine
Rohrleitung 36 und einen Schalldämpfer bzw. Auspufftopf 43 ausgestoßen. Der
Luftzufuhrdruck wird durch einen Drucksensor 53, der bei
der Rohrleitung 36 bereitgestellt ist, erfasst und wird
durch den Öffnungsgrad
bzw. Öffnungspegel
eines Druckregulierventils 27 gesteuert.
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Wasserstoff
wird der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 von einem
Wasserstofftank 20, in dem Wasserstoff unter einem hohen
Druck gespeichert ist, über
eine Rohrleitung 32 zugeführt. An Stelle des Wasserstofftanks 20 ist
es ebenso möglich, Wasserstoff
oder ein Gas, das Wasserstoff beinhaltet, unter Verwendung einer
Reforming-Reaktion bzw. Reformierungsreaktion mit Alkohol, Kohlenwasserstoff,
Aldehyd und dergleichen als Grundmaterialien zu erzeugen, wobei
das erzeugte Gas der Anode zugeführt
werden kann.
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Der
Druck und die Menge, die von dem unter hohem Druck in dem Wasserstofftank 20 gespeicherten
Wasserstoff zugeführt
wird, werden durch ein Sperrventil 21, eine Reguliereinrichtung 22,
ein Hochdruckventil 23 und ein Niedrigdruckventil 24,
die bei dem Auslass bereitgestellt sind, eingestellt, wobei der
Wasserstoff dann der Anode zugeführt
wird. Das Abgas von der Anode (nachstehend als Anodenabgas bezeichnet)
wird zu einer Rohrleitung 33 ausgelassen. Ein Drucksensor 51 und
ein Ventil 25 sind bei dem Anodenauslass bereitgestellt,
wobei diese zur Steuerung des Zufuhrdrucks und der Zufuhrmenge zu
der Anode verwendet werden.
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Die
Rohrleitung 33 verzweigt in der Mitte in zwei Wege, wobei
der eine mit einem Ausstoßrohr 37 zum
Ausstoßen
des Anodenabgases nach Außen verbunden
ist und der andere mit der Rohrleitung 32 über ein
Rückschlagventil 28 verbunden
ist. Als Ergebnis eines Verbrauchs des Wasserstoffs durch die Erzeugung
von Elektrizität
bei dem Brennstoffzellenstapel 10 befindet sich der Druck
des Anodenabgases in einem relativ niedrigen Zustand, so dass eine Wasserstoffpumpe 45 bei
der Rohrleitung 33 bereitgestellt ist, um das Anodenabgas
unter Druck zu setzen.
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Während das
Ausstoßventil 26,
das bei dem Ausstoßrohr 37 bereitgestellt
ist, geschlossen ist, wird das Anodenabgas über die Rohrleitung 32 wieder
in den Brennstoffzellenstapel 10 eingebracht. Der Wasserstoff,
der durch eine Erzeugung von Elektrizität nicht verbraucht ist, verbleibt
in dem Anodenabgas, so dass es, indem es auf diese Art und Weise zirkulieren
gelassen wird, möglich
ist, Wasserstoff auf effektive Weise zu verwenden.
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Während eines
Zirkulierens des Anodenabgases wird der Wasserstoff durch die elektromotorische
Reaktion verbraucht, wobei aber Verunreinigungen, die zu Wasserstoff
verschieden sind, wie bspw. Stickstoff, der von der Kathode durch
die elektrolytische Membrane übertragen
wird, oder dergleichen, nicht verbraucht werden und zurück bleiben,
so dass die Konzentration von Verunreinigungen bei der Anode allmählich zunimmt.
In diesem Zustand geht, wenn das Ausstoßventil 26 sich öffnet, das
Anodenabgas durch das Ausstoßrohr 37,
wobei nach einer Verdünnung
durch die Luft bei einer Verdünnungseinrichtung
bzw. einem Verdünner 44 das
Zirkulationsvolumen der Verunreinigungen, die nach außen ausgestoßen werden,
abnimmt. Zu dieser Zeit wird jedoch, da gleichzeitig ebenso Wasserstoff
ausgestoßen
wird, das Öffnungsvolumen
des Ausstoßventils 26 so
weit wie möglich
unterdrückt,
wobei dies vom Standpunkt einer Verbesserung eines Brennstoffverbrauchs
wünschenswert
ist.
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Durch
Kühlen
des Anodenabgases, das hindurchgeht, trennt eine Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 das
Wasser, das in dem Anodenabgas beinhaltet ist, in Dampf (Gas) und
Wasser (Flüssigkeit) und
sammelt das Wasser. Das gesammelte Wasser wird zur Befeuchtung von
Wasserstoff oder Sauerstoff, die der Brennstoffzelle zugeführt werden,
oder dergleichen verwendet. Eine Heizeinrichtung, die ein Abtauen
ausführt,
wenn die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 einfriert,
ist nahe bei der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 bereitgestellt.
Die Heizeinrichtung 47 führt ein Abtauen unter Verwendung
einer Energie, für
die Elektrizität
durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt worden ist,
einer Wärme,
die durch die Elektrizitätserzeugung
erzeugt wird, oder einer Batterieenergie aus.
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Zusätzlich zu
Wasserstoff und Sauerstoff wird dem Brennstoffzellenstapel 10 ebenso
Kühlwasser
zugeführt.
Das Kühlwasser
wird durch die Pumpe 46 in dem Ausstoßrohr 37 zur Kühlung fließen gelassen,
wird in einem Radiator bzw. einem Kühler 38 gekühlt und
wird dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Ein
Temperatursensor 203, der die Temperatur des Kühlwassers
erfasst, ist bei dem Auslass von dem Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt.
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Steuerungseinheit:
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In 2 ist
eine beschreibende Darstellung gezeigt, die eine Steuerungseinheit
bzw. Regeleinheit 200 zur Steuerung bzw. Regelung des Betriebs des
Brennstoffzellensystems zeigt. Die Steuerungseinheit 200 ist
als ein Mikrocomputer aufgebaut, der intern eine CPU, ein RAM und
ein ROM umfasst, wobei der Systembetrieb entsprechend einem Programm
gesteuert wird, das in dem ROM gespeichert ist. Die Steuerungseinheit 200 fungiert
als eine Einfrierbestimmungsvorrichtung. In 2 ist ein
Beispiel einer Signaleingabe und -ausgabe bei der Steuerungseinheit 200 zur
Verwirklichung dieser Steuerung durch eine durchgezogene Linie angegeben. Als
Eingabe sind bspw. die Erfassungssignale von dem Temperatursensor 202,
dem Drucksensor 51, dem Drucksensor 53, der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 und
des Beschleunigungseinrichtungsöffnungsgradsensors 201 umfasst.
Eine Erzeugung von Elektrizität
wird entsprechend dem Betätigungsvolumen
der Beschleunigungseinrichtung ausgeführt, die durch den Beschleunigungseinrichtungsöffnungsgradsensor 201 erfasst
wird, wobei das Fahrzeug durch diese Energie fahren kann. Als Ausgabe
sind bspw. Steuerungssignale zu der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60,
der Wasserstoffpumpe 45, der Heizeinrichtung 47 und
einer Anzeige 210 umfasst. In der Anzeige 210 werden
Benachrichtigungsinformationen für
einen Benutzer angezeigt, bspw. bei einer Verarbeitung während eines
Einfrierens eine Aktivierungsverhinderung des Brennstoffzellensystems
oder dass eine Abtauverarbeitung läuft.
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Aufbau der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung:
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In 3 ist
eine Querschnittsdarstellung zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel gezeigt.
Die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 umfasst
einen Wasserausstoßmechanismus
und einen Einfrierbestimmungsmechanismus des gesammelten Wassers
Wa. Was den Wasserausstoßmechanismus
betrifft sind ein Schwimmer 103, ein Träger 104 zum Halten,
um in der Lage zu sein, den Schwimmer 103 zu bewegen, und
eine Düse
bzw. ein Auslass 105 umfasst, der sich von dem Träger 104 erstreckt,
um ein Öffnen
und Schließen
einer Wasserausstoßöffnung 106 auszuführen. Wenn
der Wasserpegel des Wassers Wa einen spezifizierten Wert oder höher erreicht,
steigt der Schwimmer 103 an, wobei dies den Träger 104 und
den Auslass 105, der sich von dem Träger 104 erstreckt,
anhebt. Wenn der Auslass 105 angehoben wird, wird die Wasserausstoßöffnung 106 geöffnet und
das Wasser, das bis zu dem spezifizierten Wert oder höher angesammelt worden
ist, wird nach außen
ausgelassen.
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Was
den Einfrierbestimmungsmechanismus betrifft sind Elektroden 100a und 100b,
ein Eisenkern 101, der sich zwischen den Elektroden 100a und 100b befindet,
eine magnetische Absorptionssubstanz bzw. ein magnetischer Anziehkörper 110a,
die sich in dem Wasser unter dem Eisenkern 101 befindet,
und Führungen 102a und 102b zum
Regulieren des Betriebs der magnetischen Absorptionssubstanz 110a umfasst.
Die Elektroden 100a und 100b sind mit der Steuerungseinheit 200 durch
Verbindungsleitungen 200a und 200b, die eine elektrische
Schaltung bilden, verbunden. Auch wenn eine Spannung an die Elektroden 100a und 100b angelegt
wird, fließt
kein Strom in dieser Schaltung, da Kontaktpunkte A und B bei dem
sich im Wasser befindlichen Ende der Elektroden 100a und 100b offen
sind. Die elektrische Schaltung wird zu einer geschlossenen Schaltung, indem
jeder Kontaktpunkt geschlossen wird, wenn leitfähige Substanzen bzw. Körper die
Kontaktpunkte A und B kontaktieren, was einen leitfähigen Zustand, genauer
gesagt das Fließen
eines Stromes zur Folge hat. Die Steuerungseinheit 200 erfasst
diesen leitfähigen
Zustand und führt
eine Einfrierbestimmung aus.
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Die
Steuerungseinheit 200 erzeugt durch ein Anlegen einer Spannung
an die Elektroden 100a und 100b ein magnetisches
Feld zwischen den Elektroden 100a und 100b, wobei
der Eisenkern 101 die Wirkung des magnetischen Felds empfängt und
sich in einen Elektromagneten verwandelt. Nachstehend wird der Eisenkern 101 in
diesem Zustand als Elektromagnet 101 bezeichnet. Wenn kein
Einfrieren vorliegt, wird, nachdem eine Spannung an die Steuerungseinheit 200 angelegt
wird, nach Ablauf einer spezifischen Zeit die magnetische Absorptionssubstanz 110a zu
dem Elektromagneten 101 gezogen, sie schwimmt zusammen
mit den Führungen 102a und 102b,
steigt zu der Position der magnetischen Absorptionssubstanz 110b an,
die durch die gestrichelte Linie angezeigt ist, und kontaktiert
die Kontaktpunkte A und B bei dem sich im Wasser befindlichen Ende der
Elektroden 100a und 100b. Indem die magnetische
Absorptionssubstanz 110a die Kontaktpunkte A und B kontaktiert,
wird die vorstehend beschriebene elektrische Schaltung eine geschlossene
Schaltung, ein Strom fließt
und die Steuerungseinheit 200 erfasst einen leitfähigen Zustand.
Genauer gesagt bestimmt die Steuerungseinheit 200, wenn
sie in der Lage ist, einen leitfähigen
Zustand zu erfassen, dass das Wasser Wa in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
nicht gefroren ist.
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Wenn
es gefroren ist, befindet sich, auch wenn der Elektromagnet 101 und
die magnetische Absorptionssubstanz 110a zueinander angezogen werden,
Eis zwischen den Elementen, so dass es schwierig für die magnetische
Absorptionssubstanz 110a ist, aufzuschwimmen. Deswegen
bestimmt, nachdem eine Spannung an die Elektroden 100a und 100b angelegt
ist, die Steuerungseinheit 200, wenn ein leitfähiger Zustand
auch nach Ablauf der spezifizierten Zeit nicht erfasst wird, dass
das Wasser Wa in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 gefroren
ist.
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Unter
Verwendung dieser Art von Aufbau wird es möglich, unter Verwendung eines
einfachen Aufbaus das Einfrieren einer mechanischen Vorrichtung,
für die
eine Bestimmung eines Einfrierens schwierig ist, wie bspw. einer
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
oder dergleichen, zu bestimmen. Ein Einfrieren kann nicht allein
durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Leitfähigkeit bestimmt werden, es ist
ebenso möglich
die abgelaufene Zeit bis zu einer Erfassung einer Leitfähigkeit
zu berücksichtigen.
Indem dies getan wird, ist es möglich,
einen halbgefrorenen Zustand zu erfassen. Nachstehend ist der Einfrierbestimmungsvorgang
beschrieben.
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Einfrierbestimmungsvorgang:
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In 4 ist
ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Einfrierbestimmungsvorgangs
gezeigt. Der Einfrierbestimmungsvorgang ist ein Vorgang für die Steuerungseinheit 200,
die eine Steuerung jedes Funktionsblocks entsprechend dem Aktivierungsbetrieb
des Brennstoffzellensystems, der durch die Bedienungsperson ausgeführt wird,
ausführt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel
wird eine Bestimmung, ob das Wasser, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 gesammelt
ist, gefroren ist oder nicht, unter Verwendung der Wasserströmungseigenschaften ausgeführt. Es
ist anzumerken, dass Strömungseigenschaften
das Verhalten eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit bezeichnen, das sich
entsprechend den Bedingungen bei unterschiedlichen Zeiten ändert, wodurch
bspw. Wasser, das in einem Behälter
gesammelt ist, entsprechend der Bewegung, wenn der Behälter gekippt
wird, fließt,
wenn es nicht gefroren ist, und zu einem Eiszustand wechselt, wenn
es gefroren ist, so dass es, auch wenn der Behälter gekippt wird, in dem Behälter nicht
fließt.
Genauer gesagt kann gesagt werden, dass Wasser die Eigenschaft zum
Fließen
aufweist, wenn es nicht gefroren ist, und die Eigenschaft zum Nicht-Fließen aufweist,
wenn es gefroren ist.
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Wenn
dieser Vorgang gestartet wird, liest die Steuerungseinheit 200 die
externe Temperatur von dem Temperatursensor 202 aus (Schritt
S11). Wenn die externe Temperatur, die bei dem Temperatursensor 202 gemessen
wird, ein spezifischer Wert oder höher ist (Schritt S12), wird
bestimmt, dass die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 nicht
gefroren ist, und eine normale Systemaktivierungsverarbeitung wird
ausgeführt
(Schritt S18). Es ist ebenso möglich,
auf die Vorgeschichte der externen Temperatur, die durch den Temperatursensor 202 gemessen
wird, Bezug zu nehmen, um eine Einfrierbestimmung auszuführen. Der
spezifizierte Wert ist eine Temperatur, die zumindest höher als
der Gefrierpunkt von Wasser ist, sowie eine, für die ein Einfrieren möglich ist.
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Wenn
die externe Temperatur nicht der spezifizierte Wert oder größer ist
(Schritt S12), wird bestimmt, dass es eine hohe Wahrscheinlichkeit
gibt, dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 gefroren
ist, und eine Einfrierbestimmungsverarbeitung wird ausgeführt. Durch
Anlegen einer Spannung an die Elektroden 100a und 100b, die
sich in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 befinden,
(Schritt S13) und durch ein Erzeugen eines magnetischen Feldes um
die Elektroden 100a und 100b herum verwandelt
die Steuerungseinheit 200 den Eisenkern 101 in
den Elektromagneten 101 (Schritt S14).
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Nachdem
eine Spannung an die Elektroden 100a und 100b angelegt
ist und nachdem die spezifizierte Zeit abgelaufen ist, bestimmt
die Steuerungseinheit 200, ob eine Leitfähigkeit
erfasst worden ist oder nicht (Schritt S15). Wenn eine Leitfähigkeit
erfasst werden kann, wird bestimmt, dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 nicht
gefroren ist, und das System wird aktiviert (Schritt S18). Wenn
die Steuerungseinheit 200 keine Leitfähigkeit erfassen kann, wird
bestimmt, dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 gefroren
ist, die Heizeinrichtung wird aktiviert (Schritt S16) und ein Abtauen
des Eises in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 wird
ausgeführt.
Der Abtauvorgang kann bspw. ebenso ausgeführt werden, indem eine Energie
von der Batterie zugeführt
wird und die Heizeinrichtung 47 aktiviert wird. Wie es
in der Figur gezeigt ist, benachrichtigt die Steuerungseinheit 200 den
Benutzer über
die Anzeige 210, dass der Abtauvorgang im Gang ist (Schritt
S17).
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Mit
dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend
beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
ist es unter Verwendung eines einfachen Aufbaus möglich, das
Einfrieren des Wassers in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung zu
bestimmen und die Aktivierung des Systems auf der Grundlage der Ergebnisse
dieser Einfrierbestimmung zu steuern, so dass es möglich ist,
im Vorfeld zu verhindern, dass es nicht möglich ist, der Bremsstoffzelle
Gas in ausreichender Weise zuzuführen,
was es ermöglicht,
eine Verschlechterung des Systems zu vermeiden.
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Variationen:
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
ist ein Magnetfeld zwischen zwei Elektroden erzeugt worden, der
Eisenkern, der zwischen diesen bereitgestellt ist, ist als ein Elektromagnet
verwendet worden und ein Einfrieren ist durch den Zustand, ob die
magnetische Absorptionssubstanz in der Lage gewesen ist, sich in
dem Wasser zu bewegen, bestimmt worden, wobei es aber ebenso möglich ist,
eine Einfrierbestimmung unter Verwendung des in 5 gezeigten
Aufbaus auszuführen.
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In 5 ist
eine Querschnittdarstellung zur Beschreibung des Aufbaus einer Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß einem
veränderten
Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 gemäß diesem
veränderten
Beispiel umfasst ein Stabelement 121, das in der Lage ist,
sich in dem Wasser zu bewegen, einen Träger 122 zum Halten
des Stabelements 121 bei einer spezifizierten Position,
einen Haltepunkt 120 zum Drehen des Stabelements 121, wie
es durch einen Pfeil in der Figur gezeigt ist, und einen Kontaktpunkt 123 für das Stabelement 121,
um einen Kontakt herzustellen, wenn es dem Pfeil folgend gedreht
wird.
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Der
Kontaktpunkt 123 weist einen Sensor auf, der sich in Kontakt
mit der Steuerungseinheit 200 befindet, wobei, wenn das
Stabelement 121 einen Kontakt herstellt, ein Signal an
die Steuerungseinheit 200 gemeldet wird. Durch Drehen des
Haltepunkts 120 unter Verwendung bspw. eines Motors dreht
die Steuerungseinheit 200 das Stabelement 121 dem Pfeil
nachfolgend. Wenn kein Einfrieren vorliegt, kontaktiert das Stabelement 121 den
Kontaktpunkt 123, wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt
ist (angezeigt durch einen Kreis C in der Figur). Zu dieser Zeit hat
die Steuerungseinheit 200 Signale von dem Sensor empfangen
und bestimmt den Zustand als nicht eingefroren.
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Wenn
ein Einfrieren vorliegt, kann das Stabelement 121 nicht
betrieben werden, so dass es, wenn die Steuerungseinheit 200 den
Haltepunkt 120 unter Verwendung eines Motors dreht und
nicht durch Signale von dem Sensor benachrichtigt wird, nachdem
eine spezifizierte Zeit abgelaufen ist, ebenso möglich ist, dies als in gefrorenem
Zustand befindlich zu bestimmen. Es ist ebenso möglich zu bestimmen, in gefrorenem
Zustand zu sein, indem erfasst wird, dass sich der Haltepunkt 120 nicht
dreht.
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Zusätzlich hierzu
ist es als ein Einfrierbestimmungsverfahren, das die Strömungseigenschaften von
Wasser verwendet, möglich,
durch das Fließen von
Wasser, wenn die Gas-Flüssigkeit- Trenneinrichtung 60 gekippt
wird oder schwingen gelassen wird, zu bestimmen oder auf der Grundlage
der Schwingungsfrequenz, wenn sie schwingen gelassen wird, eine
Bestimmung auszuführen.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist das Einfrieren des Wassers in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A durch
den Betriebszustand des beweglichen Elements, das sich in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
befindet, bestimmt worden. Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
wird das Einfrieren des Wassers in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A auf der
Grundlage des Druckwerts des Wasserstoffgases bestimmt, der durch
den Drucksensor gemessen wird, der sich in der Rohrleitung befindet,
die von der Anodenabgasrohrleitung abzweigt, für das eine Umgehungsrohrleitung
so angeordnet ist, dass es in das Wasser der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
strömt.
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Aufbau der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung:
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In 6 ist
eine Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das Anodenabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird,
wird zu der Rohrleitung 33 ausgelassen. Ein Ventil 25 zur
Regulierung des Ausströmvolumens
des Anodenabgases ist in der Rohrleitung 33 angeordnet.
Wie es in der Figur gezeigt ist, ist eine Umgehungsrohrleitung bzw.
Nebenschlussrohrleitung 70 von der Rohrleitung 33 abgezweigt
und so angeordnet, dass das Anodenabgas strömt, wobei das Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtungsende
der Umgehungsrohrleitung 70 unter der Wasseroberfläche der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A angeordnet
ist. Ein Ventil 71 zur Einstellung des Ausströmvolumens
des Anodenabgases ist in der Umgehungsrohrleitung 70 angeordnet,
wobei, wenn die Steuerungseinheit 200 die Einfrierbestimmung
des Wassers der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A ausführt, sie
das Öffnen
und Schließen des
Ventils 25 und des Ventils 71 steuert und so umschaltet,
dass das Anodenabgas zu der einen oder der anderen der Rohrleitung 33 oder
der Umgehungsrohrleitung 70 ausströmt. An Stelle des Ventils 25 oder 71 ist
es ebenso möglich,
ein Umschaltventil bei der Verzweigungsstelle bereitzustellen.
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Das
Anodenabgas, das durch die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A hindurchgeht,
strömt
in eine Rohrleitung 34. In der Rohrleitung 34 sind
eine Wasserstoffpumpe 45, um das Anodenabgas unter Druck
zu setzen, ein Drucksensor 55, der den Stromaufwärtsseitendruck
der Wasserstoffpumpe 45 misst, und ein Drucksensor 56 angeordnet,
der den Stromabwärtsseitendruck
misst. Die Steuerungseinheit 200 bestimmt das Einfrieren
auf der Grundlage des Messwerts der Drucksensoren 55 und 56.
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Wenn
das Einfrieren des Wassers Wa in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
bestimmt wird, ist, da es vor der Aktivierung des Systems ist, das
Ventil 25 im Vorfeld geschlossen. Die Steuerungseinheit 200 öffnet das
Ventil 71 und steuert derart, dass das Anodenabgas, das
von dem Brennstoffzellenstapel 10 herausströmt, zu der
Umgehungsrohrleitung 70 strömt. Da sich das bei der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A befindliche
Ende der Umgehungsrohrleitung 70 im Wasser befindet, fließt das Wasser ebenso
in die Umgehungsrohrleitung 70, wobei die Wasseroberfläche sf bei
der gleichen Position wie die Wasseroberfläche der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A ist.
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Wenn
kein Einfrieren vorliegt, geht das Anodenabgas durch das Wasser
in der Umgehungsrohrleitung 70, wird innerhalb des Wassers
als Luftblasen bub von dem Auslass der Umgehungsrohrleitung 70 freigegeben,
was durch den Kreis D in der Figur angezeigt ist, und strömt in die
Rohrleitung 34. Das Anodenabgas wird durch die Wasserstoffpumpe 45 unter
Druck gesetzt und strömt
in die Rohrleitung. In diesem Fall unterscheiden sich die Druckwerte,
die bei den Drucksensoren 55 und 56 gemessen werden, nicht
von einem Zeitpunkt während
einer normalen Aktivierung des Brennstoffzellensystems.
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Wenn
ein Einfrieren vorliegt, wird die Wasserstoffpumpe 45 betrieben,
wobei das Anodenabgas, das in die Umgehungsrohrleitung 70 strömt, innerhalb
des Wassers der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A nicht
freigegeben bleibt, so dass der Druckwert, der durch den Drucksensor 55 gemessen wird,
niedriger ist als während
einer normalen Aktivierung des Brennstoffzellensystems. Die Steuerungseinheit 200 bestimmt,
dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A gefroren
ist, wenn die Differenz zwischen diesem Druckwert und dem Druckwert,
der durch den Drucksensor 55 während eines normalen Betriebs
gemessen wird, ein spezifizierter Wert oder größer ist.
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Einfrierbestimmungsvorgang:
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In 7 ist
ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Einfrierbestimmungsvorgangs
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Dieser Vorgang ist ein Vorgang für die Steuerungseinheit 20, um
eine Steuerung jedes Funktionsblocks auszuführen. Schritt S11 bis Schritt S12
sowie Schritte S16 bis S18 sind die gleichen wie diejenigen gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
so dass eine Beschreibung hiervon weggelassen ist.
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Die
Steuerungseinheit 200 führt
den Einfrierbestimmungsvorgang aus, wenn die externe Temperatur
nicht ein spezifizierter Wert oder mehr ist (Schritt S12). Zuerst
wird das Verschlussventil 21 geöffnet (Schritt S13) und das
Wasserstoffgas wird von dem Wasserstofftank 20 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt (Schritt
S31). Als nächstes
wird, damit das Anodenabgas, das von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird,
zu der Seite der Umgehungsrohrleitung 70 strömt, das
Ventil 71 geöffnet (Schritt
S32). Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird
die Einfrierbestimmung vor der Systemaktivierung ausgeführt und
das Ventil 25, das in der Rohrleitung 33 angeordnet
ist, ist im Vorfeld geschlossen.
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Nach
Ablauf der spezifizierten Zeit bestimmt die Steuerungseinheit 200,
ob der Druckwert, der durch den Drucksensor 55 gemessen
wird, ein spezifizierter Wert oder weniger ist oder nicht (Schritt
S33). Wenn der Druckwert der spezifizierte Wert oder weniger ist,
wird bestimmt, dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A gefroren
ist, und eine Verarbeitung bei einem Einfrieren gemäß Schritt
S16 bis Schritt S17 wird ausgeführt.
Wenn der Druckwert nicht der spezifizierte Wert oder weniger ist,
wird bestimmt, dass kein Einfrieren vorliegt, und das System wird
aktiviert (Schritt S18).
-
Mit
dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend
beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel
ist es wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel möglich, ein
Einfrieren eines mechanischen Geräts, für das eine Erfassung eines
Einfrierens schwierig ist, wie bspw. einer Gas-Flüssigkeit- Trenneinrichtung oder
dergleichen, auf einfache Weise zu erfassen, wobei, wenn ein Einfrieren
vorliegt, eine Aktivierung des Systems verhindert wird, so dass
es möglich
ist, schädliche
Auswirkungen während
eines Startens des Brennstoffzellensystems zu vermeiden, während gleichzeitig
eine Verschlechterung des Brennstoffzellensystems verhindert wird.
Ebenso wird, wenn ein Einfrieren vorliegt, die Heizeinrichtung aktiviert,
um ein Abtauen auszuführen,
so dass es, wenn ein Abtauen erfasst ist, möglich ist, das Brennstoffzellensystem
schnell zu aktivieren.
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Variationen:
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel
ist das Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 20 zugeführt worden,
aber es ist ebenso möglich,
den Restwasserstoff während des
vorangegangenen Betriebs des Brennstoffzellensystems zu verwenden.
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In 8 ist
eine Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
für ein
verändertes
Beispiel des zweiten Ausführungsbeispiels
gezeigt. Wie es in der Figur gezeigt ist, zweigt die Umgehungsrohrleitung 70 von der
Stromabwärtsseite
der Wasserstoffpumpe 45 ab, das andere Ende der Umgehungsrohrleitung 70 ist
so angeordnet, dass es sich unter der Wasseroberfläche der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60 befindet,
und das Ventil 71 zur Einstellung des Einströmens des
Anodenabgases ist bei der Umgehungsrohrleitung 70 angeordnet.
Ebenso wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist die Wasseroberfläche
sf bei der gleichen Position wie die Wasseroberfläche der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60.
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Wenn
eine Einfrierbestimmung ausgeführt wird, öffnet die
Steuerungseinheit 200 ein Ventil 81 und aktiviert
die Wasserstoffpumpe 45. Die Wasserstoffpumpe 45 setzt
den Restwasserstoff, der in der Rohrleitung 33, 34 und
der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A während des
vorangegangenen Betriebs des Brennstoffzellensystems verblieben
ist, unter Druck und lässt
diesen zu der Umgehungsrohrleitung 70 strömen. Wenn
die Einfrierbestimmung während
einer Aktivierung ausgeführt
wird, ist jedes der verschiedenen Ventile im Vorfeld geschlossen.
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Wenn
kein Einfrieren vorliegt, geht das Anodenabgas durch die Umgehungsrohrleitung 70 hindurch,
wird innerhalb des Wassers als die Luftblasen bub von dem Auslass
der Umgehungsrohrleitung 70 freigegeben, wie es durch den
Kreis E in der Figur angezeigt ist, und strömt in die Rohrleitung 34.
Die verschiedenen Ventiltypen, die zu dem Ventil 71 verschieden
sind, sind geschlossen, so dass das Anodenabgas in einem geschlossenen
Weg der Rohrleitung 34 zu der Umgehungsrohrleitung 70 zu
der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A zirkuliert,
so dass während
der Einfrierbestimmung die Druckwerte, die durch die Drucksensoren 55 und 56 gemessen werden,
Werte innerhalb des spezifizierten Bereichs sind.
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Wenn
ein Einfrieren vorliegt, wird das Anodenabgas, das in die Umgehungsrohrleitung 70 strömt, gelassen
wie es ist, ohne innerhalb des Wassers der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A freigegeben
zu werden, und die Wasserstoffpumpe 45 arbeitet, so dass
der Druckwert, der durch den Drucksensor 55 gemessen wird,
kleiner als der spezifizierte Wert oder darüber ist. Die Steuerungseinheit 200 bestimmt,
dass das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A gefroren
ist, wenn der Druckwert, der durch den Drucksensor 55 gemessen wird,
kleiner als der spezifizierte Wert oder mehr ist.
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Unter
Verwendung dieser Art von Aufbau, wobei der verbleibende Wasserstoff
des vorangegangenen Betriebs des Brennstoffzellensystems verwendet
wird, ohne zu warten, bis neues Wasserstoffgas zugeführt ist,
ist es möglich,
eine Einfrierbestimmung unter Verwendung eines einfachen Aufbaus auszuführen, was
wünschenswert
ist.
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Drittes Ausführungsbeispiel:
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel wird
ein Einfrieren auf der Grundlage des Betriebszustands des beweglichen
Elements, das in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B bereitgestellt ist,
bestimmt. Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist die Umgehungsrohrleitung in dem Wasser der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B von
der Rohrleitung bereitgestellt, wobei ein Einfrieren durch den Druckwert,
der durch den Drucksensor gemessen wird, bestimmt wird. Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
wird mit einem Vorgang, der Wasser in Eis umwandelt, indem es eingefroren
wird, auf der Grundlage der Tatsache, dass sich das Volumen ausdehnt,
ein Einfrieren auf der Grundlage der Differenz in dem Volumen des
Wassers, wenn es gefroren ist und wenn es nicht gefroren ist, bestimmt.
-
Aufbau der
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung-
-
In 9 ist
eine Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
gezeigt. Eine dünne
Gummischicht 80a ist bei der Seitenfläche der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60A angeordnet
und ein bewegliches Element 81a, das von einer Feder 82 gehalten wird,
ist so angeordnet, dass es in Kontakt mit der dünnen Schicht 80a ist.
Das andere Ende der Feder 82 ist mit einem fixierten Drucksensor 83 versehen.
Zusammen mit der Ausdehnung des Volumens, wenn das Wasser- Wa einfriert,
dehnt sich die dünne
Schicht 80a zu der Außenseite
der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B aus,
wie es durch die dünne
Schicht 80b der gestrichelten Linie gezeigt ist. Das bewegliche
Element 81a wird, wie es durch einen Pfeil gezeigt ist,
durch die dünne
Schicht 80b gedrückt,
wobei es sich, während
die Feder 82 damit zusammengedrückt wird, zu der Position des
beweglichen Elements 81b bewegt, das durch die gestrichelte
Linie gezeigt ist.
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Der
Drucksensor 83 misst den Druck bei der Feder 82,
wobei auf der Grundlage des gemessenen Druckwerts und des Druckwerts,
der gemessen wird, wenn der vorangegangene Betrieb des Brennstoffzellensystems
beendet ist, eine Bestimmung bezüglich
des Einfrierens des Wassers Wa der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B ausgeführt wird.
Genauer gesagt tritt, wenn kein Einfrieren vorliegt, während einer
Einfrierbestimmung des Brennstoffzellensystems keine Differenz eines
spezifizierten Werts oder mehr zwischen dem Druckwert, der bei dem Drucksensor 83 gemessen
wird, und dem Druckwert auf, der bei dem Ende des vorangegangenen
Betriebs des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Im Vergleich
hierzu dehnt sich, wenn ein Einfrieren vorliegt, die dünne Schicht 80a aus,
wie es durch die in der Figur gezeigte, dünne Schicht 80b gezeigt
ist, wobei hinsichtlich des beweglichen Elements 81a sich
dieses auf ähnliche
Weise zu der Position des beweglichen Elements 81b bewegt.
Deshalb wird eine Kraft in der Pfeilrichtung auf die Feder 83 ausgeübt, wobei
im Vergleich zu dem Druckwert, der bei dem Ende des vorangegangenen
Betriebs des Brennstoffzellensystems gemessen wird, der Druckwert,
der bei dem Drucksensor 83 gemessen wird, größer als
der spezifizierte Wert oder höher
ist. Auf diese Weise bestimmt, wenn der Druckwert, der durch den
Drucksensor 83 gemessen wird, im Vergleich zu dem Druckwert,
der bei dem Ende des vorangegangenen Betriebs des Brennstoffzellensystems
gemessen wird, größer als
der spezifizierte Wert oder höher
ist, die Steuerungseinheit 200 den Zustand als gefroren.
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Bezüglich des
Einfrierbestimmungsvorgangs in dem Flussdiagramm gemäß 7 zur
Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels
können Schritt
S30 als "Druckmessung", Schritt S31 als "Auslesen von Druckwerten
während
des Endes des vorangegangenen Betriebs", Schritt S32 als "Vergleich von Druckwerten" und Schritt S33
als "gibt es eine
Differenz eines spezifizierten Werts oder mehr in den Druckwerten?" beschrieben werden.
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
die Einfrierbestimmung auf der Grundlage der Differenz in einem
Volumen des Wassers, wenn es gefroren ist und wenn es nicht gefroren
ist, auszuführen,
so dass es möglich
ist, ein Einfrieren der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
unter Verwendung eines einfachen Aufbaus zu bestimmen. Folglich
ist es möglich
zu verhindern, dass eine ausreichende Zufuhr des Abgases zu dem
Brennstoffzellenstapel nicht möglich
ist, und eine Verschlechterung des Brennstoffzellensystems zu unterdrücken.
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Variationen:
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel
ist ein Einfrieren auf der Grundlage des Ausdehnens der dünnen Schicht,
die unter der Wasseroberfläche
der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung angeordnet
ist, bestimmt worden, wobei es aber an Stelle der dünnen Schicht ebenso
möglich
ist, einen Drucksensor unter der Wasseroberfläche bereitzustellen.
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In 10 ist
eine Querschnittansicht zur Beschreibung des Aufbaus der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
gemäß einem
veränderten
Beispiel des dritten Ausführungsbeispiels
gezeigt. Die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B umfasst
einen Drucksensor 90 unter der Wasseroberfläche. Ein
Wasserdruck wird, wie es durch einen Pfeil gezeigt ist, durch das
Wasser Wa unter der Wasseroberfläche
der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B ausgeübt, wobei
die Steuerungseinheit 200 ein Einfrieren auf der Grundlage
des Wasserdrucks bestimmt, der durch den Drucksensor 90 gemessen
wird.
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Wenn
kein Einfrieren vorliegt, erscheint keine Differenz eines spezifizierten
Werts oder höher zwischen
dem Druckwert, der durch den Drucksensor 90 gemessen wird,
und dem Druckwert, der bei dem Ende des vorangegangenen Betriebs
des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Wenn ein Einfrieren vorliegt,
dehnt sich das Volumen mit dem Zustandsänderungsvorgang von Wasser
zu Eis aus, so dass der Druckwert, der bei dem Drucksensor 90 gemessen
wird, höher
ist als der Druckwert, der bei dem Ende des vorangegangenen Betriebs
des Brennstoffzellensystems gemessen wird.
-
Durch
ein Verwenden dieser Art von Aufbau ist es möglich, die Ausdehnung des Volumens
von Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
anders ausgedrückt
ein Einfrieren unter Verwendung eines einfachen Aufbaus zu bestimmen,
was wünschenswert
ist.
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Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
und dem vorstehend beschriebenen veränderten Beispiel ist ein Einfrieren
auf der Grundlage des Druckwerts, der während der Einfrierbestimmung
gemessen wird, die vor eine Aktivierung des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird,
und des Druckwerts, der bei dem Ende des vorangegangenen Betriebs
des Brennstoffzellensystems gemessen wird, bestimmt worden, wobei
es aber ebenso möglich
ist, unabhängig
von dem Druckwert, der bei dem Ende des vorangegangenen Betriebs
gemessen wird, ein Einfrieren zu bestimmen, wenn der Druckwert der
spezifizierte Wert oder größer ist.
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Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
ist das bewegliche Element verwendet worden, wobei es aber an Stelle
des beweglichen Elements ebenso möglich ist, einen Schalter bereitzustellen.
Indem dies getan wird, ist es möglich,
ein Einfrieren auf der Grundlage des Schalters, der entsprechend
der Ausdehnung der dünnen
Schicht eingeschaltet oder ausgeschaltet ist, zu bestimmen und eine
Einfrierbestimmung mit einem einfachen Aufbau zu verwirklichen.
-
Ebenso
ist gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
Gummi für
die dünne
Schicht verwendet worden, aber die Erfindung ist nicht hierauf begrenzt,
wobei die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann, solange
es ein elastisches Element ist, das eine Form bei einem spezifizierten
Druckwert oder höher ändert. Es
ist anzumerken, dass der "spezifizierte
Druckwert" ein Wert
innerhalb eines spezifizierten Bereichs von dem Druckwert, der erfasst
wird, wenn das Wasser in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung 60B gefroren
ist, sein kann oder auch ein Wert sein kann, der aus der Volumenausdehnungsrate
berechnet wird. Ebenso kann die Einfrierbestimmung bspw. ausgeführt werden,
indem das bewegliche Element, das in einen Kontakt mit dem elastischen
Element zu bringen ist, bei der Außenseite der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung bereitgestellt
ist, wobei das elastische Element zu der Außenseite zusammen mit der Volumenausdehnung
auf Grund des Einfrierens des Wassers in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
ausgedehnt wird, wobei der Betriebszustand des beweglichen Elements
auf Grund dieser Ausdehnung erfasst wird.
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Des
Weiteren ist es im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Verfahren
möglich,
als das Verfahren zum Bestimmen eines Einfrierens verschiedene Verfahren,
wie bspw. eine Ausbreitung oder Reflexion von Schall oder eine Reflexion,
Transmission oder Brechung von Licht innerhalb der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung,
zu verwenden.
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Wenn
ein Einfrieren in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
für das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung erfasst wird, ist die Aktivierung des Systems verhindert
worden, wobei es aber danach, wenn ein Abtauen der eingefrorenen
Stellen erfasst ist, möglich
ist, Aktivierungsverzögerungen
zu verhindern, wenn das System schnell aktiviert wird.
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Vorstehend
sind verschiedene Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, aber die vorliegende
Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt und
es ist ersichtlich, das verschiedene Aufbauten innerhalb eines Bereichs
verwendet werden können,
der nicht vom Bereich der Erfindung abweicht.
-
Zusammenfassung
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(3)
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Eine
Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
(60) ist als ein Einfrierbestimmungsmechanismus mit Elektroden
(100a, 100b), einem Eisenkern (101),
einem Magnetanziehelement (110a), das unter Wasser angebracht
ist, und Führungen
(102a, 102b) zur Steuerung des Betriebs des Magnetanziehelements (110a)
versehen. Eine Steuerungseinheit legt eine Spannung an die Elektroden
an und wandelt den Eisenkern (101) in einen Elektromagneten
(101) durch ein magnetisches Feld um, das zwischen den
Elektroden erzeugte wird. Während
einer nicht eingefroren Zeit ziehen sich der Elektromagnet (101)
und das Magnetanziehelement (110a) einander an, um Kontakte
(A, B) zu schließen
und einen leitfähigen
Zustand zu erzeugen. Während
einer eingefrorenen Zeit ist es schwierig, das Magnetanziehelement
(110) auf Grund des Vorhandenseins von Eis zwischen dem
Elektromagneten (101) und dem Magnetanziehelement (110a)
aufschwimmen zu lassen, auch wenn sie sich einander anziehen. Die
Steuerungseinheit bestimmt, wenn ein leitfähiger Zustand nicht in einer spezifizierten
Zeit nach dem Anlegen der Spannung an die Elektroden erfasst wird,
dass das Wasser (Wa) in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung
(60) gefroren ist.