БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
FUEL-CELL BATTERY

Настоящее изобретение относится к батарее топливных элементов, более точно отказоустойчивому способу борьбы с ненормальным функционированием средства определения состояния газа (детектора состояния газа), определяющего состояние химически активного газа.
В транспортном средстве с топливным элементом, у которого тяговый электродвигатель приводится в действие энергией, вырабатываемой батарей топливных элементов, потребности системы в электроэнергии вычисляют на основании, например, разгона и скорости транспортного средства, а расход и давление подачи химически активного газа регулируют таким образом, чтобы электроэнергия, вырабатываемая в батарее топливных элементов, соответствовала расчетной электроэнергии. В выложенной патентной заявке Японии 2003-168467 предложен регулятор батареи топливных элементов для транспортного средства, у которого давление воздуха на воздушной тяге поддерживают на уровне расчетного давления при помощи работающего с расчетной скоростью вращения компрессора, который подает сжатый воздух в воздушную тягу, и пневмораспределителя. В упомянутой заявке описан способ регулирования расчетной скорости вращения путем оценки атмосферного давления на основании рабочих параметров компрессора, необходимых для поддержания расчетной скорости вращения компрессора или расчетного давления воздуха, и ограничения количества электроэнергии, вырабатываемой в топливном элементе, путем регулирования периода времени, на протяжении которого открыт клапан водородного пакера.
Краткое изложение сущности изобретения
В обычной батарее топливных элементов точное регулирование работы воздушного компрессора становится невозможным при ненормальном функционировании датчика давления газообразного оксида. В такой ситуации работа топливного элемента прекращается. В батарее топливных элементов, используемой в качестве источника питания транспортного средства, желательно иметь устройство, обеспечивающее бесперебойную работу на случай ненормального функционирования датчика давления и позволяющее безопасно доехать до ближайшего дилера или мастерской.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание устройство, обеспечивающее бесперебойную работу на случай ненормального функционирования средства определения состояния газа (детектора состояния газа), определяющего состояние химически активного газа, подаваемого в топливный элемент.
Для решения названной задачи в настоящем изобретении предложена батарея топливных элементов, включающая топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию при подаче в него химически активного газа, устройство подачи химически активного газа в топливный элемент, средство определения давления (датчик давления), определяющее давление химически активного газа, клапан регулировки давления химически активного газа и устройство управления, которое регулирует степень открытия клапана регулировки давления в зависимости от давления, определенного средством определения давления (датчиком давления), при этом в случае обнаружения неисправности средства определения давления (датчика давления) устройство управления открывает клапан регулировки давления до заданной степени. За счет данной конструкции в случае неисправности средства определения давления (датчика давления), топливный элемент не прекращает немедленно работать, а продолжает действовать в течение определенного времени.
При обнаружении неисправности средства определения давления (датчика давления) устройство управления предпочтительно устанавливает степень открытия клапана регулировки давления на фиксированном уровне 80% или более (т.е. полное открытие). Если степень открытия клапана регулировки давления установлена на фиксированном уровне 80% или более, предотвращается повреждение деталей системы и т.п. даже при более высокой нагрузке.
Клапан регулировки давления предпочтительно установлен по меньшей мере в одном из каналов, включающих канал газообразного топлива (в том числе канал подачи водорода, канал циркуляции водорода и канал выпуска водорода), по которому перемещается газообразное топливо, подаваемое в топливный элемент или выпускаемое из топливного элемента, и канал окисляющего газа (включая канал подачи кислорода и канал выпуска кислорода), по которому перемещается окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент или выпускаемый из топливного элемента.
При обнаружении неисправности средства определения давления (датчика давления) устройство управления предпочтительно регулирует выработку электроэнергии в топливном элементе, исходя из открытия клапана регулировки давления. Для обеспечения соответствующей работы топливного элемента выработку электроэнергии регулируют, исходя из открытия клапана регулировки давления.
Клапан регулировки давления может быть установлен по меньшей мере в одном из каналов окисляющего газа, включающих подающий канал (канал подачи кислорода) и выпускной канал (канал выпуска кислорода), а при обнаружении неисправности средства определения давления, расположенного в канале окисляющего газа, может быть установлена заданная степень открытия клапана регулировки давления.
Клапан регулировки давления может быть установлен по меньшей мере в одном из каналов газообразного топлива, включающих подающий канал (канал подачи водорода, канал циркуляции водорода) и выпускной канал (канал циркуляции водорода, канал выпуска водорода), а при обнаружении неисправности средства определения давления, расположенного в канале газообразного топлива, степень открытия клапана регулировки давления может быть установлена на заданном уровне.
Устройство управления способно определять, что средство определения давления неисправно, если показание средства определения давления выходит за пределы установленного диапазона (если показание датчика равно или больше верхнего предельного значения или меньше нижнего предельного значения).
Устройство управления способно определять, что средство определения давления неисправно, если показание средства определения давления в течение определенного периода времени выходит за пределы установленного диапазона (если показание датчика равно или больше верхнего предельного значения или меньше нижнего предельного значения).
Устройство управления способно определять, что средство определения давления неисправно, если обнаружено выключение средства определения давления.
При обнаружении неисправности средства определения давления устройство управления способно определять давление химически активного газа, соответствующее степени открытия клапана регулировки давления, и регулировать выработку электроэнергии в топливном элементе в зависимости от полученного результата.
Устройство управления способно сохранять в виде данных соответствия показания давления окисляющего газа, проходящего по участкам канала окисляющего газа, если степень открытия клапана регулировки давления, установленного в канале окисляющего газа, зафиксирована на определенном уровне, определять на основании данных соответствия значения давления окисляющего газа, проходящего по каналу окисляющего газа, и регулировать выработку электроэнергии в топливном элементе в зависимости от полученного результата.
В настоящем изобретении также предложена батарея топливных элементов, включающая топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию при подаче в него химически активного газа, устройство подачи химически активного газа в топливный элемент, средство определения состояния газа (датчик состояния газа), определяющее состояние химически активного газа, вентильное устройство для изменения состояния химически активного газа и устройство управления, которое управляет открытием вентильного устройства в зависимости от состояния газа, определенного средством определения состояния газа (датчиком состояния газа), при этом в случае обнаружения неисправности средства определения состояния газа (датчика состояния газа) устройство управления открывает вентильное устройство до заданной степени. За счет данной конструкции в случае неисправности средства определения состояния газа (датчика состояния газа), топливный элемент не прекращает немедленно работать, а продолжает действовать в течение определенного времени. Вентильное устройство включает различные клапаны, такие как клапан регулировки давления, запорный клапан (двухпозиционный клапан) и линейный клапан.
Состоянием газа, которое определяет средство определения состояния газа, является, например, один из параметров, включающих давление, расход, температуру и концентрацию химически активного газа. Иными словами, термин "средство определения состояния газа (детектор состояния газа)" относится в целом к средству определения давления (датчику давления) химически активного газа, средству определения расхода (измерителю расхода, датчику расхода) химически активного газа, средству определения температуры (детектору температуры, датчику температуры) химически активного газа и средству определения концентрации (детектору концентрации, датчику концентрации) химически активного газа.
При обнаружении неисправности средства определения состояния газа (детектора состояния газа) устройство управления предпочтительно определяет значение состояния химически активного газа, которое соответствует открытию клапана вентильного устройства, и регулирует выработку электроэнергии в топливном элементе в зависимости от полученного результата. Для обеспечения соответствующей работы топливного элемента выработку электроэнергии регулируют, исходя из открытия клапана вентильного устройства.
Устройство управления способно сохранять показания давления окисляющего газа, проходящего по участкам канала окисляющего газа, в виде данных соответствия, если степень открытия клапана вентильного устройства, установленного в канале окисляющего газа, зафиксирована на определенном уровне, определять на основании данных соответствия значения давления окисляющего газа, проходящего по каналу окисляющего газа, и регулировать выработку электроэнергии в топливном элементе в зависимости от полученного результата.
При обнаружении неисправности средства определения состояния газа устройство управления способно регулировать выработку электроэнергии в топливном элементе, исходя из открытия клапана вентильного устройства.
Вентильное устройство может быть установлено по меньшей мере в одном из каналов, включающих канал газообразного топлива, по которому перемещается газообразное топливо, подаваемое в топливный элемент или выпускаемое из топливного элемента, и канал окисляющего газа, по которому перемещается окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент или выпускаемый из топливного элемента.
Вентильное устройство может быть установлено по меньшей мере в одном из каналов окисляющего газа, включающих подающий канал (канал подачи кислорода) и выпускной канал (канал выпуска кислорода), а при обнаружении неисправности средства определения давления, расположенного в канале окисляющего газа, степень открытия клапана вентильного устройства может быть установлена на заданном уровне.
Вентильное устройство может быть установлено по меньшей мере в одном из каналов газообразного топлива, включающих подающий канал (канал подачи водорода, канал циркуляции водорода) и выпускной канал (канал циркуляции водорода, канал выпуска водорода), а при обнаружении неисправности средства определения состояния газа, расположенного в канале газообразного топлива, степень открытия клапана вентильного устройства может быть установлена на заданном уровне.
Устройство управления способно распознавать неисправность средства определения состояния газа, если показания средства определения состояния газа выходят за пределы установленного диапазона (если показания датчика равны или больше верхнего предельного значения или меньше нижнего предельного значения).
Устройство управления способно распознавать неисправность средства определения состояния газа, если показания средства определения состояния газа в течение определенного периода времени выходят пределы установленного диапазона (если показания датчика равны или больше верхнего предельного значения или меньше нижнего предельного значения).
Устройство управления способно распознавать неисправность средства определения состояния газа, если обнаружено выключение средства определения состояния газа.
Описанное выше открытие клапана может означать открытое/закрытое состояние клапана регулировки давления или вентильного устройства или проходное сечение клапана, образующееся в результате открытия/закрытия клапана.
Описанное выше устройство подачи химически активного газа может включать по меньшей мере одно из устройств для хранения газа, такое как газовый баллон, газогенераторное устройство, такое как реформинг-установка, каналы подачи химически активного газа (например, канал подачи водорода, канал циркуляции водорода и канал подачи кислорода) и канал выпуска химически активного газа (например, канал циркуляции водорода, канал выпуска водорода и канал выпуска кислорода).
Транспортное средство с топливным элементом согласно настоящему изобретению представляет собой транспортное средство, на котором в качестве источника питания установлена описанная выше батарея топливных элементов. В случае неисправности средства определения давления (датчика давления) за счет данной конструкции транспортное средство с топливным элементом может продолжать движение без остановки работы топливного элемента.
Описание чертежей
На фиг.1 схематически показана компоновка батареи топливных элементов согласно варианту осуществления,
на фиг.2 показана процедура определения неисправности датчика давления и
на фиг.3 показана процедура управления клапаном регулировки давления.
Подробное описание
Далее со ссылкой на чертежи описан вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 схематически показана компоновка батареи 10 топливных элементов согласно варианту осуществления. Батарея 10 выполнена в виде энергоустановки (установки энергоснабжения транспортного средства) для транспортного средства с топливным элементом и включает топливный элемент 20, который вырабатывает электроэнергию при подаче в него химически активного газа (газообразного топлива, окисляющего газа). Топливный элемент 20 имеет мембранное электродное устройство 24 с анодом 22 и катодом 23, выполненными методом трафаретной печати или подобным методом на обеих сторонах полимерной электролитической мембраны 21, которая представляет собой протонпроводящую ионообменную или подобную мембрану на основе фторполимера или подобного вещества. Мембранное электродное устройство 24 помещается между разделителями с ребрами (не показаны), а между разделителями, анодом 22 и катодом 23 проходят, соответственно, каналы 25 анодного газа и каналы 26 катодного газа в виде канавок. Электроэнергию, вырабатываемую в топливном элементе 20, потребляет внешняя нагрузка R. Термин "внешняя нагрузка" R является родовым наименованием, например, инвертора для преобразования питания постоянного тока в питание переменного тока, тягового электродвигателя, создающего силу тяги, и вспомогательного оборудования транспортного средства.
Источник 30 подачи водорода (устройство подачи газообразного топлива) представляет собой баллон высокого давления для водорода, сплавной баллон для водорода или аналогичную емкость. Газообразный водород, поступающий из источника 30 подачи водорода, направляют через канал 31 подачи водород на анод 22. Давление водорода, подаваемого на анод 22, поддерживают (снижают) на заданном уровне при помощи клапана А1 регулировки давления. Отходящий газообразный водород, который участвовал в реакции топливного элемента, сжимают при помощи циркуляционного насоса А2 и направляют через канал 32 циркуляции водорода для возврата в канал 31 подачи водорода. Предусмотрен канал 33 выпуска водорода, который отходит от канала 32 циркуляции водорода и по которому выпускают газообразный водород с высокой концентрацией примесей, открывая выпускной клапан A3. При помощи датчика Р1 давления (средства определения давления, датчика давления, средства определения состояния газа, детектора состояния газа) определяют давление подачи водорода. В тоже время, поступающий из окружающей среды воздух (газообразный кислород) сжимают при помощи воздушного компрессора С1 (устройства подачи окисляющего газа) и направляют через канал 41 подачи кислорода для подачи на катод 23. Отходящий газообразный кислород, который участвовал в реакции топливного элемента, направляют через канал 42 выпуска кислорода для выпуска. При помощи клапана С2 регулировки давления поддерживают давление газообразного кислорода, подаваемого на катод 23, на заданном уровне. При помощи датчика Р2. давления (средства определения давления, датчика давления, средства определения состояния газа, детектора состояния газа) определяют давление подачи кислорода.
Устройство 50 управления представляет собой системный контроллер, регулирующий выработку электроэнергии в топливном элементе 20 в соответствии с необходимой нагрузкой. Устройство 50 управления вычисляет необходимую для системы электроэнергию, исходя, например, из разгона и скорости транспортного средства, и регулирует давление газообразного водорода газообразного кислорода, чтобы электроэнергия, вырабатываемая в топливном элементе 20, соответствовала расчетной электроэнергии. Более точно, устройство 50 управления регулирует степень открытия клапана А1 регулировки давления, исходя из давления, определенного при помощи датчика Р1 давления, чтобы давление подачи водорода соответствовало расчетному давлению, а также регулирует степень открытия клапана А2 регулировки давления, исходя из давления, определенного при помощи датчика Р2 давления, чтобы давление подачи кислорода соответствовало расчетному давлению.
Далее описан отказоустойчивый способ реагирования на неисправность датчика Р2 давления.
На фиг.2 показана процедура определения неисправности датчика Р2 давления. Устройство 50 управления многократно повторяет данную процедуру через определенные интервалы (например, 2 миллисекунды). При вызове данной процедуры устройство 50 управления осуществляет аналого-цифровое преобразование аналогового выходного показания датчика Р2 давления в цифровые данные (шаг S11). Затем устройство 50 управления определяет, является ли данное показание датчика (цифровое значение) равным или большим, чем верхнее предельное значение или меньшим, чем нижнее предельное значение (шаг S12). Если показание датчика меньше, чем верхнее предельное значение и равно или больше, чем нижнее предельное (шаг S12; нет), датчик Р2 давления работает в нормальном режиме, и устройство 50 управления завершает данную процедуру. Если показание датчика равно или больше, чем верхнее предельное значение или меньше, чем нижнее предельное значение (шаг S12; да), вероятна возможность неисправности датчика Р2 давления из-за выключения или подобной причины, и устройство 50 управления определяет, остается ли данное показание датчика (цифровое значение) равным или большим, чем верхнее предельное значение или меньшим, чем нижнее предельное значение на протяжении определенного времени (шаг S13). Если показание датчика не остается в диапазоне аномальных значений на протяжении определенного времени (шаг S13; нет), считается, что показание датчика в диапазоне аномальных значений вызвано временной ошибкой датчика Р2 давления или подобной причиной, и устройство 50 управления определяет, что датчик Р2 давления работает в нормальном режиме и завершает данную процедуру. Если показание датчика на протяжении определенного времени остается в диапазоне аномальных значений (шаг S13; да), может быть установлено, что датчик Р2 давления неисправен, и устройство 50 управления устанавливает флаг неисправности датчика давления в положение 1 (шаг S14) и завершает процедуру.
На фиг.3 показана процедура управления клапаном С2 регулировки давления. Устройство 50 управления многократно повторяет ее через определенные интервалы (например, 8 миллисекунд). После вызова данной процедуры устройство 50 управления определяет, установлен ли флаг неисправности датчика давления в положение 1 (шаг S21). Если флаг неисправности датчика давления не установлен в положение 1 (шаг S21; нет), считается, что датчик Р2 давления работает нормально, и устройство 50 управления осуществляет обычное управление клапаном регулировки давления (шаг S22). Обычное управление клапаном регулировки давления заключается, например, в регулировании степени открытия клапана С2 регулировки давления, исходя из давления, определенного датчиком Р2 давления, чтобы давление подачи кислорода в топливный элемент 20 соответствовало расчетному давлению. В тоже время, если флаг неисправности датчика давления установлен в положение 1 (шаг S21; да), считается, что датчик Р2 давления неисправен, и устройство 50 управления управляет клапаном С2 регулировки давления таким образом, чтобы степень открытия клапана была равна или превышала заданную степень открытия (шаг S23). В этот момент степень открытия клапана предпочтительно составляет 80% или выше, более предпочтительно, клапан открыт полностью. Клапан С2 регулировки давления может являться двухпозиционным клапаном или линейным клапаном.
Если степень открытия клапана С2 регулировки давления зафиксирована на определенном уровне, показания состояния газа, включая давление и расход окисляющего газа, проходящего через канал окисляющего газа (включая канал 41 подачи кислорода и канал 42 выпуска кислорода) на случай неисправности датчика Р2 давления получают заблаговременно опытным или подобным путем и хранят в виде данных соответствия в устройстве 50 управления. В случае неисправности датчика Р2 давления устройство 50 управления поддерживает степень открытия клапана С2 регулировки давления С2 на заданном уровне, определяет показания, включая давление и расход окисляющего газа, проходящего через каналы окисляющего газа, исходя из упомянутых данных соответствия, и управляет циркуляционным насос А2 и выпускным клапаном A3 водорода на основании оценки показаний, за счет чего обеспечивается регулирование давления и расхода газообразного топлива, проходящего через каналы газообразного топлива (включая канал 31 подачи водорода, канал 32 циркуляции водорода и канал 33 выпуска водорода), и расхода холодильного агента в системе охлаждения (не показана). В случае неисправности датчика Р2 давления верхнее предельное значение вырабатываемой в топливном элементе 20 электроэнергии устанавливают на более низком уровне, чем при нормальной работе. Соответственно, подачу электроэнергии регулируют таким образом, чтобы нагрузка, необходимая в качестве внешней нагрузки R, не превышала верхнее предельное значение вырабатываемой электроэнергии.
В данном варианте осуществления даже при неисправности датчика Р2 давления, определяющего давление кислорода, из-за выключения или подобной причины клапан С2 регулировки давления открыт, поскольку степень его открытия установлена на уровне, равном или более высоком, чем заданная степень открытия, чтобы обеспечить работу топливного элемента и предотвратить чрезмерное повышение давления на катоде даже в случае увеличения расхода воздуха при высокой нагрузке и предотвратить повреждение компонентов системы. Если нагрузка и расход воздуха являются невысокими, рабочее давление на катоде близко к атмосферному давлению, и легко происходит высыхание. Топливный элемент способен работать даже в таком случае. Таким образом, даже при неисправности датчика Р2 давления не требуется немедленно прекращать работу топливного элемента и можно спокойно доехать до ближайшего дилера, мастерской или безопасного места.
Несмотря на то, что изобретение в качестве примера описано применительно к отказоустойчивому способу реагирования на неисправность датчика Р2 давления, определяющего давление кислорода, возможность безопасного возвращения также может быть обеспечена за счет того, что при неисправности датчика Р1 давления, определяющего давление водорода, клапан А1 регулировки давления открывают до уровня, превышающего заданную степень открытия.
Кроме того, в соответствии с описанием из каналов окисляющего газа, включающих канал 41 подачи кислорода и канал 42 выпуска кислорода, только в канале 42 выпуска кислорода расположен клапан С2 регулировки давления, а из каналов газообразного топлива, включающих канал 31 подачи водорода, канал 32 циркуляции водорода и канал 33 выпуска водорода, только в канале 31 подачи водорода расположен клапан А1 регулировки давления. Тем не менее, каждый из клапанов С2 и А1 регулировки давления может быть расположен по меньшей мере в одном из каналов 41, 31 или 32 подачи и каналов 42, 32 или 33 выпуска.
Несмотря на то, что датчики Р1 и Р2 давления в качестве примера описаны как средства определения показаний состояния химически активного газа, настоящее изобретение не ограничено данным вариантом осуществления и может также применяться в случае, когда возникает неисправность средства определения состояния газа, такого как средство определения расхода химически активного газа, средство определения температуры химически активного газа и средство определения концентрации химически активного газа.
В соответствии с настоящим изобретением в случае неисправности средства определения состояния газа (детектора состояния газа) топливный элемент не прекращает немедленно работать, а способен продолжать работу в течение некоторого времени. Таким образом, настоящее изобретение может широко применяться в батареях топливных элементов, в которых требуется такая работа.