ДВИЖУЩИЙСЯ ОБЪЕКТ, ОБОРУДОВАННЫЙ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК B60L11/18 H01M8/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к движущемуся объекту, оборудованному топливными элементами, и, более конкретно, к технике, относящейся к движущемуся объекту, который оборудован топливными элементами и едет по покрытой водой дороге или находится в аналогичных условиях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уже известны различные транспортные средства, оборудованные топливными элементами. В любом из этих транспортных средств электроэнергия, вырабатываемая топливными элементами, используется для привода двигателя. Выходная мощность двигателя используется для вращения ведущего вала и колес транспортного средства, таким образом перемещая транспортное средство. Транспортное средство имеет выхлопную трубу и выпускной патрубок для выпуска выхлопного газа из топливных элементов за пределы транспортного средства. Как и у обычных транспортных средств, движущихся с помощью двигателя внутреннего сгорания, выпускная труба обычно расположена ниже пола на заднем конце кузова транспортного средства (см., например, японский выложенный патент № 2002-289237). Такое устройство выпускной трубы позволяет выпускать выхлопные газы из топливных элементов и воду, образовавшуюся в ходе выработки энергии или в результате электрохимической реакции водорода с кислородом (далее выхлопные газы и полученная вода все вместе могут упоминаться как «выхлопной флюид»), непосредственно на поверхность дороги.

Однако во время движения обычного транспортного средства, оборудованного топливными элементами и имеющего конструкцию, раскрытую в японском выложенном патенте № 2002-289237, по покрытой водой дороге выпускная труба может быть забита водой или осадками, которые присутствуют на поверхности дороги, и препятствовать выпуску выхлопного газа. Это может привести к прекращению выработки электроэнергии топливными элементами и остановить дальнейшее движение транспортного средства. Вода или осадки, попадающие в выхлопную трубу, могут достигнуть внутренней части топливных элементов через трубопровод и вызвать повреждение или отказ в работе топливных элементов. Иными словами, в известном уровне техники нет никаких специальных мер для решения потенциальных проблем из-за забивки выхлопной трубы такими объектами, как вода или осадки, во время движения транспортного средства, оборудованного топливными элементами, по покрытой водой дороге.

Эта проблема обычно не имеет места в транспортных средствах, оборудованных топливными элементами, но часто возникает в любом из различных движущихся объектов, которые перемещаются за счет электроэнергии, произведенной топливными элементами как источниками питания. Типичные примеры таких движущихся объектов включают самолеты, катера и суда, так же как и некоторые наземные транспортные средства.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, существует потребность в технических средствах, применимых к движущемуся объекту, который оборудован топливными элементами и перемещается по покрытой водой дороге или находится в аналогичных условиях.

Настоящее изобретение решает упомянутую выше задачу, по меньшей мере, частично. Согласно одному аспекту изобретение относится к движущемуся объекту, оборудованному топливными элементами. Движущийся объект имеет следующее оборудование: двигатель, работающий на электроэнергии, получаемой из топливных элементов; выхлопную трубу, предназначенную для вывода жидкости, выходящей из топливных элементов, за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок; датчик, реагирующий на среду, окружающую движущийся объект; модуль принятия решений, предназначенный для определения наличия или отсутствия мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, на основе показаний датчика, и контроллер, который при обнаружении мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, прекращает выработку электроэнергии топливными элементами по команде модуля принятия решений. Мешающим объектом могут быть, например, вода на дороге; осадки: грязь, падающая сверху или поднятая с поверхности дорожного покрытия.

В этом аспекте изобретения, например, при движении объекта по покрытой водой дороге соответствующее устройство движущегося объекта определяет состояние окружающей среды и при обнаружении мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, на основе показаний датчиков, прекращает выработку энергии топливными элементами. Это устройство эффективно предотвращает повреждение или неисправность топливных элементов, установленных на движущемся объекте, который перемещается, например, по покрытой водой дороге.

Типичный пример движущегося объекта - транспортное средство. В этом случае указанный датчик может быть, например, датчиком уровня воды, предназначенным для наблюдения за уровнем воды как мешающим объектом, который присутствует в среде, окружающей транспортное средство, т.е. на поверхности дороги, по которой следует транспортное средство. В другом примере датчик может идентифицировать присутствие любого мешающего объекта на поверхности дороги, например, передать информацию о залитой водой дороге, полученную от информационного центра через сеть связи. В еще одном примере датчик может передавать изображение поверхности дороги с помощью камеры, установленной на транспортном средстве, и путем анализа полученного изображения после его обработки идентифицирует наличие любого мешающего объекта на поверхности дороги.

Положение выпускного патрубка на движущемся объекте известно. Например, модуль принятия решений может определить наличие или отсутствие воды на поверхности дороги, которая может попасть в выхлопную трубу через выпускной патрубок, используя данные датчика уровня воды.

В одном предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения движущийся объект дополнительно имеет следующее оборудование: вторую батарею, отличную от батареи топливных элементов, и переключатель, предназначенный для переключения источника энергии двигателя между выходом электроэнергии из топливных элементов и выходом электроэнергии от второй батареи. При наличии любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, управляет работой переключателя, чтобы переключить источник питания двигателя на выход электроэнергии от второй батареи. Даже в случае прекращения выработки энергии топливными элементами во время движения движущегося объекта, например, по покрытой водой дороге в ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, это устройство обеспечивает непрерывное движение транспортного средства, используя выходную мощность двигателя, который питается электроэнергией от второй батареи.

Согласно одному предпочтительному примеру осуществления изобретения выпускной патрубок или выхлопная труба движущегося объекта снабжены запорным клапаном. При обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, закрывает запорный клапан.

В случае прекращения выработки энергии топливными элементами, например, во время движения движущегося объекта по покрытой водой дороге жидкость, выходящая из топливных элементов, не вытекает из выпускного патрубка выхлопной трубы. Это увеличивает потенциальную опасность попадания жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок. В настоящем изобретении в этом случае запорный клапан закрывается и таким образом эффективно предотвращает попадание жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок.

Согласно другому предпочтительному примеру осуществления изобретения движущийся объект дополнительно снабжен устройством подачи воздуха, которое подает воздух с более высоким давлением, чем противодавление флюида в выхлопной трубе, направленное в сторону выхлопной трубы. При обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, направляет струю сжатого воздуха в выхлопную трубу. В случае прекращения выработки энергии топливными элементами в ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, это устройство увеличивает противодавление в выхлопной трубе и таким образом эффективно препятствует проникновению посторонних объектов в выхлопную трубу и предотвращает протекание жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок.

В одной предпочтительной конструкции движущегося объекта согласно данному изобретению топливные элементы снабжены устройством подачи окислительного газа, которое подает окислитель. Устройство подачи окислительного газа включает воздушный компрессор, который служит для сжатия воздуха, используемого как окислитель. Воздушный компрессор также используется как устройство подачи воздуха. Эта конструкция не требует отдельного воздушного компрессора, используемого для подачи воздуха в устройство подачи окислительного газа, и таким образом позволяет уменьшить размеры движущегося объекта.

В одном предпочтительном примере изобретения движущийся объект вышеописанной конструкции дополнительно имеет следующее оборудование: перепускной трубопровод, предназначенный для подачи воздуха, сжатого воздушным компрессором, в выхлопную трубу, обходя топливные элементы, и распределительный клапан, предназначенный для переключения подачи сжатого воздуха между топливными элементами и выхлопной трубой через перепускной трубопровод. При обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок контроллер, управляемый модулем принятия решений, приводит в действие распределительный клапан, который подает сжатый воздух в выхлопную трубу через перепускной трубопровод. Сжатый воздух, нагнетаемый воздушным компрессором, проходит через перепускной трубопровод в выхлопную трубу, обходя топливные элементы. По сравнению с вводом сжатого воздуха непосредственно от воздушного компрессора в выхлопную трубу через топливные элементы это устройство увеличивает противодавление в выхлопной трубе и таким образом усиливает эффект предотвращения проникновения жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок.

В одном предпочтительном примере движущегося объекта, оборудованного устройством подачи воздуха, выхлопная труба включает выпускной канал отходящего анодного газа, предназначенный для удаления анодного газа от анодов топливных элементов, и выпускной канал отходящего катодного газа, предназначенный для отвода катодного газа от катодов топливных элементов. Выпускной канал отходящего анодного газа соединяется с выпускным каналом отходящего катодного газа. Выпускной канал отходящего анодного газа оборудован распределительным клапаном, служащим для переключения между режимом пропускания и режимом блокировки выпускного канала отходящего анодного газа. При обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, приводит в действие распределительный клапан, чтобы блокировать выпускной канал отходящего анодного газа. В случае прекращения выработки энергии топливными элементами в ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, движущийся объект в этом примере блокирует выпускной канал отходящего анодного газа. Это устройство эффективно предотвращает засасывание окислительного воздуха через выпускной канал отходящего анодного газа к анодам топливных элементов.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения движущийся объект имеет следующее оборудование: двигатель, приводимый в действие электроэнергией от топливных элементов; устройство подачи горючего газа, предназначенное для подачи горючего газа в топливные элементы, устройство подачи окислительного газа, предназначенное для подачи окислительного газа в топливные элементы, выхлопную трубу, служащую для вывода выхлопного газа из топливных элементов за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок; датчик, служащий для определения состава среды, окружающей движущийся объект; модуль принятия решений, предназначенный для определения наличия или отсутствия любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выхлопной трубы или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, на основе показаний указанного датчика, и контроллер, который при обнаружении мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, по команде модуля принятия решений увеличивает, по меньшей мере, на одну единицу расход горючего газа, подаваемого к топливным элементам устройством подачи горючего газа, и расход окислительного газа в топливные элементы устройством подачи окислительного газа, независимо от расхода горючего газа или соответствия расхода окислительного газа расходу тока топливных элементов.

В этом варианте изобретения во время движения движущегося объекта, например, по покрытой водой дороге движущийся объект определяет окружающую среду, и при обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок по показаниям датчиков, увеличивает, по меньшей мере, один из показателей расхода горючего газа, подаваемого к топливным элементам устройством подачи горючего газа, и расход окислительного газа в топливных элементах устройством подачи окислительного газа независимо от расхода горючего газа или соответствия расхода окислительного газа расходу тока топливных элементов. Во время движения движущегося объекта, оборудованного топливными элементами, например, по покрытой водой дороге в ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, выход выходящей жидкости увеличивается независимо от расхода горючего газа или соответствия расхода окислительного газа расходу тока топливных элементов, чтобы повысить противодавление в выхлопной трубе. Это устройство обеспечивает непрерывное движение транспортного средства по покрытой водой дороге, в то же время препятствуя проникновению посторонних объектов в выхлопную трубу, и предотвращает попадание жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок.

В одном предпочтительном примере осуществления движущегося объекта согласно вышеупомянутой цели изобретения выхлопная труба включает следующие элементы: выпускной канал отходящего анодного газа, предназначенный для удаления анодного газа, отходящего от анодов топливных элементов, и выпускной канал отходящего катодного газа, предназначенный для удаления катодного газа, отходящего от катодов топливных элементов. Выпускной канал отходящего анодного газа соединяется с выпускным каналом отходящего катодного газа. Выпускной канал отходящего анодного газа оборудован клапаном распределения потока между режимом пропускания и режимом блокировки выпускного канала отходящего анодного газа. При обнаружении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, приводит в действие распределительный клапан, чтобы блокировать выпускной канал отходящего анодного газа, увеличивая расход окислительного газа в топливные элементы устройством подачи окислительного газа, независимо от расхода тока топливных элементов. В ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, расход окислительного газа в топливные элементы увеличивается, чтобы повысить противодавление в выхлопной трубе. Это устройство эффективно предотвращает попадание жидкости в выхлопную трубу через выпускной патрубок. Блокировка выпускного канала отходящего анодного газа позволяет предотвратить засасывание окислительного воздуха через выпускной канал отходящего анодного газа к анодам топливных элементов.

В одном предпочтительном примере исполнения движущегося объекта, в случае повторного обнаружения любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, модулем принятия решений по истечении заданного промежутка времени после блокирования выпускного канала отходящего анодного газа и увеличения расхода окислительного газа в топливные элементы устройством подачи окислительного газа независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов в ответ на обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, приводит в действие распределительный клапан, чтобы открыть выпускной канал отходящего анодного газа, одновременно увеличивая противодавление отходящего анодного газа в выпускном канале отходящего анодного газа, чтобы повысить противодавление отходящего катодного газа в выпускном канале отходящего катодного газа.

Кислородсодержащий воздух, в целом, используется как окислитель, подаваемый в топливные элементы. Этот воздух включает азот и другие газообразные примеси, которые не участвуют в выработке энергии топливными элементами. Газообразные примеси проходят через электролитические мембраны в топливных элементах по направлению от катодов к анодам. В случае выработки энергии топливными элементами в состоянии забивания выпускного канала для отходящего анодного газа газообразные примеси не выбрасываются наружу, а накапливаются в топливных элементах и в выпускном канале отходящего анодного газа и снижают рабочие характеристики по выработке энергии. Аналогическая проблема возникает при подаче содержащего водород горючего газа, включающего газообразные примеси, которые не участвуют в выработке энергии топливными элементами, к анодам топливных элементов.

В движущемся объекте выработка энергии топливными элементами осуществляется при блокировании выпускного канала для отходящего анодного газа. В ответ на повторное обнаружение любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок даже по истечении заранее установленного промежутка времени, в настоящей заявке движущийся объект приводит в действие распределительный клапан, чтобы открыть проход для отходящего анодного газа через выпускной канал, увеличивая противодавление отходящего анодного газа в выпускном канале отходящего анодного газа, чтобы повысить противодавление отходящего катодного газа в выпускном канале отходящего катодного газа. Это устройство также позволяет очищать газ и выводить наружу газообразные примеси, накопленные в топливных элементах и в выпускном канале отходящего анодного газа, эффективно предотвращая засасывание окислительного воздуха к анодам топливных элементов через выпускной канал отходящего анодного газа.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается движущийся объект, оборудованный топливными элементами, который имеет следующее оборудование: датчик сопротивления изоляции, служащий для измерения сопротивления изоляции между топливными элементами и токопроводящим элементом, который должен быть изолирован от топливных элементов, и контроллер ввода в действие топливных элементов, который запрещает пуск топливных элементов, когда сопротивление изоляции, измеренное датчиком сопротивления изоляции, меньше предварительно заданной величины.

Топливные элементы обычно размещаются в металлическом (токопроводящем) корпусе, и затем корпус устанавливается на подвижный объект. Металлический корпус должен быть изолирован от топливных элементов, чтобы предотвратить повреждение или неисправность топливных элементов из-за короткого замыкания между топливными элементами и корпусом.

Во время движения движущегося объекта, оборудованного топливными элементами, по покрытой водой дороге вода может попасть в металлический корпус. Даже после дренажа воды из корпуса сохраняется опасность короткого замыкания между топливными элементами и корпусом через оставшуюся влагу до тех пор, пока не обсохнет внутренняя часть корпуса. Запуск топливных элементов в состоянии короткого замыкания может привести к повреждению или отказу топливных элементов.

Движущийся объект согласно этому варианту осуществления изобретения измеряет сопротивление изоляции между топливными элементами и токопроводящим элементом (например, корпусом), который при включении топливных элементов в работу должен быть изолирован от топливных элементов. Когда измеренное сопротивление изоляции меньше заранее заданной величины, запуск топливных элементов запрещен. Это устройство эффективно предотвращает потенциальное повреждение или неисправность топливных элементов из-за короткого замыкания между топливными элементами и токопроводящим элементом, гарантируя таким образом безопасный пуск топливных элементов.

Настоящее изобретение не ограничено описанным выше движущимся объектом, но может быть реализовано в различных других областях применения, например в способе управления топливными элементами, установленными на любом из таких движущихся объектов, с использованием компьютерной программы и носителя, на котором записана такая компьютерная программа, и также в виде управляющего сигнала, который включает такую компьютерную программу и передается на несущей частоте. Любое из описанных выше различных дополнительных устройств может быть применено в любом из этих приложений.

В применениях изобретения, типа компьютерной программы и носителе, на котором записана компьютерная программа, изобретение может быть в целом представлено как программа управления операциями топливных элементов, установленными на движущемся объекте, или как подпрограмма, которая воздействует только на определенные функции объекта. Примерами носителя записи являются гибкие диски, CD-ROM, DVD-ROM, оптические магнитные диски, интегральные платы, ROM-картриджи, перфокарты, печати со штриховыми или другими кодами, внутренние устройства памяти (память ОЗУ и ПЗУ) и внешние устройства памяти для компьютера, а также различные другие среды, считываемые компьютером.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 схематично иллюстрирует конфигурацию транспортного средства 1000 согласно одному примеру осуществления изобретения.

Фиг.2 схематично иллюстрирует конструкцию системы топливных элементов 100, установленной на транспортном средстве 1000 в первом примере осуществления изобретения.

Фиг.3 - блок-схема подпрограммы управления приводом, выполняемая в первом примере осуществления изобретения.

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая пуск управляющей подпрограммы.

Фиг.5 схематично иллюстрирует конструкцию системы топливных элементов 100А во втором примере осуществления изобретения.

Фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом, выполняемую во втором примере осуществления изобретения.

Фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом, выполняемую в третьем примере осуществления изобретения.

Фиг.8 схематично иллюстрирует конструкцию системы топливных элементов 100В в четвертом примере осуществления изобретения.

Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом в четвертом примере осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Некоторые варианты осуществления изобретения описаны ниже как предпочтенные примеры осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи.

А. Первый пример осуществления изобретения

A1. Конфигурация транспортного средства

Фиг.1 схематично иллюстрирует конфигурацию транспортного средства 1000 в одном примере осуществления изобретения. Как показано на чертеже, транспортное средство 1000 является электромобилем и включает систему электропитания PS и двигатель 600.

Двигатель 600 получает электроэнергию от системы электропитания PS и соответственно создает мощность привода. Выходная мощность двигателя 600 передается через выходной вал 700 и карданный вал 800 на колеса 900L и 90OR. Датчик скорости 810 транспортного средства соединен с карданным валом 800. Двигатель 600 может быть любым из различных типов двигателей, но в этом примере осуществления изобретения он является синхронным двигателем. Транспортное средство 1000 эквивалентно движущемуся объекту по настоящему изобретению.

А2. Конструкция системы электропитания

Система электропитания PS является системой топливных элементов 100, содержащей батарею топливных элементов, вторичную батарею 200, преобразователь постоянного тока 300, инвертор 400 и контроллер 500. Вторичная батарея 200 эквивалентна второй батарее, описанной выше. Подробное описание системы топливных элементов 100 также приведено ниже.

Как показано на чертеже, вторичная батарея 200 подключена параллельно батарее топливных элементов, включенной в систему топливных элементов 100 через преобразователь постоянного тока 300. Вторичная батарея 200 может быть любой из различных аккумуляторных батарей, например батареей свинцово-кислотных аккумуляторов, батарей никель-кадмиевых аккумуляторов, батарей типа «никель-метал-гидрид» или литиевой перезаряжаемой батарей. В центре параллельного подключения вторичной батареи 200 к батарее топливных элементов установлены переключатели режима 320а и 320b. При пуске системы топливных элементов 100 переключатели 320а и 320b ставятся в положение подачи электроэнергии от вторичной батареи 200 для активизации соответствующих составляющих секций системы топливных элементов 100. В случае недостатка электрической мощности от системы топливных элементов 100 переключатели 320а и 320b ставятся в положение подачи электроэнергии от вторичной батареи 200 для компенсации недостатка мощности. Вторичная батарея 200 соединена с датчиком состояния заряда 210, который измеряет оставшийся заряд или проверяет состояние заряда вторичной батареи 200. Вторичная батарея 200 соответствующим образом заряжается электроэнергией от батареи топливных элементов, включенной в систему топливных элементов 100, или электроэнергией, произведенной регенеративным торможением, на основе измерения состояния ее заряда.

Преобразователь постоянного тока 300 регулирует выходное напряжение, получаемое от батареи топливных элементов, включенной в систему топливных элементов 100, или от вторичной батареи 200. Инвертор 400 преобразует электроэнергию постоянного тока, подаваемую от батареи топливных элементов или вторичной батареи 200, в трехфазный переменный ток и подает трехфазный переменный ток на двигатель 600.

Контроллер 500 выполнен как микрокомпьютер, включающий центральный процессор, ПЗУ, оперативную память и таймер. Контроллер 500 получает различные входные сигналы и выполняет разнообразие действия по управлению, например ряд операций по управлению приводом, как описано ниже, в ответ на входные сигналы по программам, хранящимся в ПЗУ. Входные сигналы включают сигналы, которые представляют эксплуатационные режимы транспортного средства 1000, и сигналы, которые представляют эксплуатационные режимы системы электропитания PS. Первые входные сигналы включают, например, сигналы скорости транспортного средства от датчика скорости 810 транспортного средства 1000, сигнал включения-выключения пускового переключателя двигателя 600, положение коробки скоростей, сигнала включения-выключения ножного тормоза, а также степень нажатия педали акселератора. Вторые входные сигналы включают, например, сигналы состояния заряда вторичной батареи 200, полученные от датчика состояния заряда 210, сигналы температуры и давления от соответствующих узлов системы топливных элементов 100 и выходные сигналы датчика уровня воды и датчика сопротивления изоляции. Выходные сигналы от блока управления 500 включают, например, управляющие сигналы, управляющие работой соответствующих составляющих компонентов системы топливных элементов 100, преобразователь постоянного тока 300 и инвертор 400. Контроллер 500 соответствует модулю принятия решений, контроллеру и пусковому контроллеру по настоящему изобретению.

A3. Конструкция системы топливных элементов

На фиг.2 схематично показана конструкция системы топливных элементов 100, установленной на транспортном средстве 1000. В ответ на нажатие водителем педали акселератора (не показан), установленного в транспортном средстве 1000, система топливных элементов 100 начинает вырабатывать электроэнергию, соответствующую величине воздействия на акселератор, измеряемую датчиком открытия дроссельной заслонки (не показана).

Батарея 10 топливных элементов (FC) в системе топливных элементов 100 представляет собой многослойную конструкцию топливных элементов, предназначенных для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции водорода с кислородом. Каждый топливный элемент имеет водородный электрод (анод) и кислородный электрод (катод), расположенные поперек протонпроводящей электролитической мембраны, хотя эта конструкция конкретно не показана. Топливные элементы, используемые в этом примере осуществления изобретения, являются топливными элементами полимерного электролита с мембранами из твердого полимера, например из нафиона (зарегистрированная торговая марка) для электролитических мембран, хотя батарея топливных элементов 10 может состоять из любых других типов топливных элементов.

В конструкции одного примера осуществления батарея топливных элементов 10 находится в металлическом корпусе 12, как показано на чертеже. Датчик сопротивления изоляции 74 используется для измерения сопротивления изоляции между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи. Этот датчик находится в корпусе 12 батареи. Датчик сопротивления изоляции 74 используется в последовательности операций управления при пуске, как описано ниже.

Транспортное средство 1000 в этом примере осуществления изобретения также имеет датчик уровня воды 72, используемый для наблюдения за уровнем воды на поверхности дороги. Датчик уровня воды 72 может быть контактного типа и быть в контакте с водой, чтобы контролировать уровень воды, или типа реле расхода, или емкостным датчиком, или датчиком бесконтактного типа, который не находится в контакте с водой, а измеряет расстояние от водной поверхности, например, как ультразвуковой датчик. Датчик уровня воды 72 используется в системах управления приводом при движении транспортного средства по покрытой водой дороге, как описано ниже. Датчик уровня воды 72 является датчиком по настоящему изобретению.

Водород подается как топливный газ из водородного баллона 20, который приспособлен для хранения водорода под высоким давлением. Водород подается через трубопровод 26 к анодам батареи топливных элементов 10. Водородный баллон 20 может быть заменен водородным генератором, который производит водород в результате реакции реформинга исходного материала, такого как спирт, углеводород или альдегид.

Водород высокого давления, хранящийся в водородном баллоне 20, подлежит снижению давления и расхода с помощью запорного клапана 22 и регулятора 24, смонтированных на выпускном патрубке водородного баллона 20 и используемых для подвода водорода низкого давления к анодам батареи топливных элементов 10. Водородный баллон 20 и его соответствующие компоненты соответствуют устройству подачи топливного газа по настоящему изобретению. Выхлопной газ от анодов (далее называемый отходящим анодным газом) поступает в трубопровод 28. Трубопровод 28 эквивалентен выпускному каналу отходящего анодного газа по настоящему изобретению. Отходящий анодный газ содержит остатки водорода, не используемого при выработке энергии батареей топливных элементов 10.

Сжатый воздух подается к катодам батареи топливных элементов 10 как содержащий кислород окисляющий газ. Воздух проходит через воздухоочиститель 30, сжимается воздушным компрессором 32 и проходит через трубопровод 34, чтобы поступить к катодам батареи топливных элементов 10. На трубопроводе 34 может быть предусмотрен увлажнитель для увлажнения воздуха, поступающего к батарее топливных элементов 10. Воздушный компрессор 32 и его соответствующие компоненты соответствуют устройству подачи газа по настоящему изобретению. Выхлопной газ от катодов (далее именуемый как отходящий катодный газ) поступает в трубопровод 36. Трубопровод 36 эквивалентен выпускному каналу отходящего катодного газа по настоящему изобретению. Отходящий катодный газ содержит воду, полученную в результате электрохимической реакции водорода с кислородом.

Отходящий анодный газ, проходящий по трубопроводу 28, и отходящий катодный газ, проходящий по трубопроводу 36, поступают в разбавитель 50. Разбавитель 50 смешивает введенный в него отходящий анодный газ с введенным отходящим катодным газом и снижает концентрацию водорода, содержавшегося в отходящем анодном газе.

Выхлопной газ, выходящий из разбавителя 50, поступает в отделитель газа от жидкости 52 через трубопровод 60. Отделитель газа от жидкости 52 отделяет и удаляет воду, попавшую в выхлопной газ, выходящий из разбавителя 50 (главным образом воду, содержащуюся в отходящем катодном газе). После отделения и удаления воды отделителем газа от жидкости 52 выхлопной газ проходит через глушитель 54 и выходит из выпускного патрубка на одном конце трубопровода 60 за пределы транспортного средства 1000. Вода, отделенная отделителем газа от жидкости 52, проходит через водовыпускной патрубок (не показан), предусмотренный в отделителе газа от жидкости 52, и выпускается наружу. Трубопровод 60 эквивалентен выхлопной трубе по настоящему изобретению. Выход трубы расположен ниже пола на заднем конце транспортного средства 1000 (не показано).

Батарея топливных элементов 10 в процессе электрохимической реакции выделяет тепло, которое удаляется охлаждающей водой, протекающей через батарею топливных элементов 10 для охлаждения батареи топливных элементов 10. Охлаждающаяся вода проходит через охлаждающий трубопровод 42 с помощью циркуляционного насоса 41, охлаждается в радиаторе 40 и поступает в батарею топливных элементов 10. Охлаждающий трубопровод 42 соединен с перепускным трубопроводом 43 и служит для пропуска потока охлаждающей воды параллельно радиатору 40. На одном конце трубопровода 42 с перепускным трубопроводом 43 установлен трехходовой клапан 44. Переключение трехходового клапана позволяет направить поток охлаждающей воды через трубопровод 42 и перепускной трубопровод 43. К трубопроводу 42 также подключен ионообменник 45. Ионообменник 45 удаляет различные ионы из охлаждающей воды, которая могли бы вызвать снижение сопротивления изоляции в батарее топливных элементов 10.

Корпус 12 батареи топливных элементов 10, вставленной в этот корпус, расположен ниже пола транспортного средства 1000, хотя эта схема размещения конкретно не показана. Разбавитель 50, отделитель газа от жидкости 52, глушитель 54 и трубопровод 60, соединяющий все эти элементы, также расположены ниже пола транспортного средства 1000. Водородный баллон 20 расположен под задней частью кузова транспортного средства 1000. Это устройство позволяет эффективно использовать пространства ниже пола транспортного средства 1000. Расположение батареи топливных элементов 10 и ее соответствующих компонентов ниже пола транспортного средства 1000 позволяет понизить центр тяжести транспортного средства 1000 и увеличить надежность управления транспортным средством 1000.

Радиатор 40, циркуляционный насос 41, ионообменник 45, вторичная батарея 200, преобразователь постоянного тока 300, инвертор 400, контроллер 500 и двигатель 600 расположены в передней части транспортного средства 1000. По сравнению с устройством расположения батареи топливных элементов 10 и ее соответствующих компонентов по соседству с радиатором 40 это расположение в данном примере осуществления оставляет больше свободного пространства, окружающего радиатор 40. Это эффективно увеличивает скорость рассеивания тепла радиатором 40 и таким образом увеличивает эффективность охлаждения воздуха потоком охлаждающей воды.

А4. Система управления приводом

Транспортное средство 1000 из данного примера осуществления настоящего изобретения имеет два различных типа режимов привода: режим привода FC и режим привода EV. В режиме привода FC транспортное средство 1000 движется за счет выходной мощности двигателя 600, который приводится в действие электроэнергией, произведенной батареей топливных элементов 10. В режиме привода EV транспортное средство 1000 движется за счет выходной мощности двигателя 600, который приводится в действие электроэнергией от вторичной батареи 200. Контроллер 500 управляет действием переключателей 320а и 320b (фиг.1) для переключения режима привода. Например, система управления приводом может выборочно активизировать режим привода FC в ответ на относительно высокое требование по отбору мощности в системе электропитания PS и выборочно активизировать режим привода ЕС в ответ на требование относительно малой мощности в системе электропитания PS. В этом примере осуществления изобретения, в режиме привода FC, транспортное средство 1000 не может двигаться только за счет электроэнергии, произведенной батареей топливных элементов 10, но может двигаться за счет электроэнергии от вторичной батареи 200 как вспомогательной секции в комбинации с электроэнергией, произведенной батареей топливных элементов 10, как основной части.

Как описано выше, в известном уровне техники не предусмотрены средства для управления движением транспортного средства, оборудованного топливными элементами, по покрытой водой дороге. В противоположность этому транспортное средство 1000 из примера осуществления настоящего изобретения позволяет управлять движением транспортного по покрытой водой дороге. Ниже описывается ряд средств, управляющих движением транспортного средства 1000 в режиме привода FC с учетом условий движения по покрытой водой дороге.

На фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом, выполняемую в первом примере осуществления настоящего изобретения. Это система управления приводом выполняется центральным процессором блока управления 500 при движении транспортного средства 1000 в режиме привода FC.

Центральный процессор сначала получает сигнал об обнаруженном уровне воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 (стадия S100) и определяет, находится ли наблюдаемый уровень воды Hw ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S110). Пороговое значение Н установлено на основе местоположения (высоты) выпускного патрубка на конце трубопровода 60 транспортного средства 1000 и используется как критерий для идентификации возможности проникновения воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок при движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге. То же самое пороговое значение Н используется в процессе управления приводом четвертого примера осуществления, описанным ниже.

Когда уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S110, положение: «да»), центральный процессор идентифицирует потенциальную опасность попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Центральный процессор, соответственно, прекращает подачу водорода и воздуха в батарею топливных элементов 10 (стадия S120), чтобы прекратить выработку энергии батарей топливных элементов 10. Центральный процессор затем закрывает выпускной клапан 62 (стадия S130). Закрытие выпускного клапана 62 эффективно предотвращает попадание воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок и таким образом позволяет защитить батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности.

Центральный процессор управляет переключателями 320а и 320b, показанными на фиг.1, для перехода от режима привода FC в режим привода EV (стадия S140).

Когда уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S110, позиция, положение «нет»), центральный процессор не идентифицирует наличия мешающего объекта, который может вызвать попадание воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок, и возвращает программу управления приводом на стадию S100.

Как описано выше, при движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге в режиме движения FC в ответ на обнаружение уровня воды на поверхности дороги, величина которого равна предварительно установленному пороговому значению или превышает этот уровень Н, система управления приводом первого примера осуществления изобретения немедленно прекращает выработку энергии батареей топливных элементов 10, чтобы защитить батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности, обеспечивая транспортному средству 1000 непрерывное движение путем переключения из режима привода FC в режим привода EV.

А5. Управление пуском

При движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге вода может попасть в корпус батареи 12. Даже после дренажа воды от корпуса батареи 12 может произойти короткое замыкание между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи из-за влаги, если не будет высушена внутренняя часть корпуса батареи 12.

Пуск системы топливных элементов 100 в этом состоянии короткого замыкания может привести к повреждению или отказу системы топливных элементов 100. Транспортное средство 1000 данного примера осуществления выполняет управление пуском при последующем пуске транспортного средства 1000 после движения транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге, как описано ниже.

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления пуском, выполняемую при активизации системы топливных элементов 100. Управление пуском осуществляется центральным процессором блока управления 500 в ответ на действие водителя, переводящего пусковой переключатель транспортного средства 1000 в положение ON («включено»). Управление пуском в данном примере осуществления изобретения осуществляется при повторном пуске транспортного средства 1000 после движения транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге. Альтернативно управление пуском может быть осуществлено при каждом включении системы топливных элементов 100.

Центральный процессор сначала получает данные о сопротивлении изоляции Ri между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи от датчика сопротивления изоляции 74 (стадия S200) и определяет, не является ли измеренное сопротивление изоляции Ri ниже предварительно установленной величины сопротивления R (стадия S210). Сопротивление R имеет достаточно высокую величину для того, чтобы гарантировать должную изоляцию между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи.

Когда сопротивление изоляции Ri, измеренное датчиком сопротивления изоляции 74, выше предварительно установленной величины сопротивления R (стадия S210, положение «да»), центральный процессор идентифицирует достаточную изоляцию между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи. Центральный процессор затем разрешает активизацию системы топливных элементов 100 (стадия S220) и выполняет требуемые действия по пуску системы топливных элементов 100, например операцию прогрева батареи топливных элементов 10 (стадия S230). Когда сопротивление изоляции Ri, измеренное датчиком сопротивления изоляции 74, ниже предварительно установленной величины сопротивления R (стадия S210, положение «нет»), центральный процессор идентифицирует недостаточную изоляцию между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи.

В этом случае центральный процессор запрещает активизацию системы топливных элементов 100 (стадия S240) и выдает сигнал тревоги (стадия S250), чтобы предупредить водителя о ненормальной работе системы топливных элементов 100. Выдаваемый сигнал тревоги может быть, например, световым или звуковым сигналом.

Как описано выше, управление пуском в этом примере осуществления изобретения эффективно предотвращает потенциальную опасность повреждения или неисправности батареи топливных элементов 10 из-за короткого замыкания между батареей топливных элементов 10 и корпусом 12 батареи, гарантируя таким образом безопасный пуск системы топливных элементов 100.

В. Второй пример осуществления изобретения

Конфигурация транспортного средства 1000 во втором примере осуществления изобретения идентична конфигурации транспортного средства 1000 в первом примере осуществления изобретения, за исключением частичного отличия системы топливных элементов 100А, установленных на транспортном средстве 1000. Ниже описывается конструкция и работа системы топливных элементов 100А, установленной на транспортном средстве 1000 второго примера осуществления изобретения.

B1. Конструкция системы топливных элементов

На фиг.5 схематично показана конструкция системы топливных элементов 100А во втором примере осуществления изобретения. Как показано на чертеже, система топливных элементов 100А второго примера осуществления аналогична системе топливных элементов 100 первого примера осуществления. Таким образом, ниже описываются только отличия конструктивной части системы топливных элементов 100А второго примера осуществления от системы топливных элементов 100 первого примера осуществления, а описание общих частей опущено.

Как показано на чертеже, в системе топливных элементов 100А второго примера осуществления изобретения трубопровод 28 имеет клапан 29, используемый для открытия и закрытия трубопровода 28 и, соответственно, разрешения или запрещения пропуска потока отходящего анодного газа. Клапан 29 эквивалентен переключающему клапану по настоящему изобретению.

В системе топливных элементов 100А второго примера осуществления перепускной трубопровод 35 подключен как к трубопроводу 34, так и к трубопроводу 36 в виде тройника. Для соединения трубопровода 34 с перепускным трубопроводом 35 предусмотрен трехходовой клапан 37. Трехходовой клапан 37 переключает путь потока сжатого воздуха от воздушного компрессора 32 между потоком в батарею топливных элементов 10 и потоком в трубопровод 36 через параллельные ветви батареи топливных элементов 10. Трехходовой клапан 37 эквивалентен переключающему клапану по настоящему изобретению. Воздушный компрессор 32 и его соответствующие компоненты соответствуют устройству подачи воздуха по настоящему изобретению.

В2. Система управления приводом

Фиг.6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую программу управления приводом, выполняемую во втором примере осуществления настоящего изобретения. Это система управления приводом осуществляется центральным процессором блока управления 500 при движении транспортного средства 1000 в режиме привода FC.

Центральный процессор сначала получает данные измерения уровня воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 (стадия S300) и определяет, находится ли измеренный уровень воды Hw выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S310).

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S310, положение «да»), центральный процессор определяет потенциальную опасность попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Центральный процессор соответственно прекращает подачу водорода в батарею топливных элементов 10 (стадия S320), чтобы прекратить выработку энергии батарей топливных элементов 10. Затем центральный процессор переключает трехходовой клапан 37, чтобы разрешить подачу сжатого воздуха от воздушного компрессора 32 в трубопровод 36 через перепускной трубопровод 35, и закрывает клапан 29 (стадия S330). В этот момент центральный процессор может дополнительно увеличить выход воздушного компрессора 32, чтобы повысить расход сжатого воздуха. Увеличенный расход может быть доведен до максимально возможного расхода или может изменяться в зависимости от уровня воды Hw, измеряемого датчиком уровня воды 72. Поток сжатого воздуха в трубопровод 36 повышает противодавление в трубопроводе 60 и таким образом более эффективно предотвращает попадание воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок и защищает батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности. Закрытие клапана 29 препятствует поступлению сжатого воздуха, проходящего через трубопровод 36, к анодам батареи топливных элементов 10 через трубопровод 28.

Центральный процессор последовательно управляет условиями работы переключателей 320а и 320b, показанных на фиг.1, чтобы переключить двигатель из режима привода FC в режим привода EV (стадия S340).

Когда уровень воды Hw, измеряемый датчиком уровня воды 72, ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S310, положение «нет»), центральный процессор не находит мешающего объекта, создающего опасность попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок, и возвращает программу управления приводом на стадию S300.

Как описано выше, во время движения транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге в режиме FC в ответ на обнаружение уровня воды на поверхности дороги равным или выше заранее установленному пороговому значению Н система управления приводом второго примера осуществления немедленно прекращает выработку энергии батареей топливных элементов 10, чтобы защитить батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности, обеспечивая непрерывное движение транспортного средства 1000 в режиме привода EV.

С. Третий пример осуществления изобретения

Конфигурация транспортного средства 1000 в третьем примере осуществления изобретения совершенно идентична конфигурации транспортного средства 1000 в первом примере осуществления, включая конструкцию системы топливных элементов 100, установленной на транспортном средстве 1000. Таким образом, ниже описывается только ряд управляющих функций, выполняемых в третьем примере осуществления настоящего изобретения.

При движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге в режиме привода FC в ответ на обнаружение уровня воды на поверхности дороги, величина которой равна предварительно установленному пороговому значению Н или превышает этот уровень, описанный выше процесс управления приводом первого примера осуществления и второго примера осуществления переходит к прекращению выработки энергии батареей топливных элементов 10 и переходит в режим EV привода транспортного средства. Процессы управления приводом третьего примера осуществления и четвертого примера осуществления, описанные ниже, со своей стороны, обеспечивают непрерывное движение транспортного средства 1000 в режиме привода FC, даже когда уровень воды на поверхности дороги достигает или превышает предварительно установленное пороговое значение Н.

На фиг.7 представлена блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом, выполняемую в третьем примере осуществления настоящего изобретения. Это управление приводом осуществляется центральным процессором блока управления 500 при движении транспортного средства 1000 в режиме привода F.

Центральный процессор сначала получает данные об измеренном уровне воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 (стадия S400) и определяет, является ли измеренный уровень воды Hw выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S410).

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S410, положение «да»), центральный процессор определяет потенциальную опасность попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Центральный процессор соответственно увеличивает расход водорода и воздуха в батарее топливных элементов 10 до предопределенного расхода, независимо от требований по отбору мощности от батареи топливных элементов 10 (стадия S420). Увеличенные расходы водорода и воздуха могут быть доведены до максимальных возможных значений расхода водорода и воздуха или могут изменяться в зависимости от уровня воды Hw, обнаруженного датчиком уровня воды 72. Увеличенные расходы водорода и воздуха повышают противодавление в трубопроводе 60 и таким образом эффективно предотвращают попадание воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок, защищая батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности.

Если уровень воды Hw, обнаруженный датчиком уровня воды 72, ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S410, положение "нет"), центральный процессор в основном не находит опасности попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок и возвращает программу управления приводом на стадию S400.

Как описано выше, при движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге в режиме привода FC, даже при обнаружении уровня воды на поверхности дороги, который равен или превышает предварительно установленное пороговое значение Н, управление приводом по третьему примеру осуществления обеспечивает непрерывное движение транспортного средства 1000 в режиме привода FC, защищая батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности.

D. Четвертый пример осуществления изобретения

Конфигурация транспортного средства 1000 в четвертом примере осуществления изобретения идентична конфигурации транспортного средства 1000 в первом примере осуществления, кроме частичного отличия системы топливных элементов 100В, установленной на транспортном средстве 1000. Ниже описывается конструкция и работа системы топливных элементов 100В, установленной на транспортном средстве 1000 в четвертом примере осуществления изобретения.

На фиг.8 схематично показаны конструкция системы топливных элементов 100В в четвертом примере осуществления настоящего изобретения. Как показано на чертеже, система топливных элементов 100В четвертого примера осуществления подобна системе топливных элементов 100 первого примера осуществления, кроме клапана 29, который установлен в трубопроводе 28 и служит для открытия и закрытия трубопровода 28 и соответственно разрешения или запрещения прохода потока отходящего анодного газа.

Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления приводом, выполняемую в четвертом примере осуществления настоящего изобретения. Эта система управления приводом осуществляется центральным процессором блока управления 500 при движении транспортного средства 1000 в режиме привода FC. Центральный процессор сначала получает данные об уровне воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 (стадия S500) и определяет, является ли измеренный уровень воды Hw ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S510).

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S510, положение «да»), центральный процессор определяет потенциальную опасность попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Центральный процессор соответственно увеличивает расход воздуха в батарею топливных элементов 10 до предварительно установленного расхода независимо от требований по отбору мощности от батареи топливных элементов 10 (стадия S520) и закрывает клапан 29 (стадия S530). Увеличенный расход воздуха может быть доведен до максимально возможного расхода воздуха или может изменяться в зависимости от уровня воды Hw, измеряемой датчиком уровня воды 72. Увеличенный расход воздуха повышает противодавление в трубопроводе 60 и таким образом эффективно предотвращает попадание воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок и защищает батарею топливных элементов 10 от повреждения или неисправности. Закрытие клапана 29 предотвращает протечку отходящего катодного газа, текущего через трубопровод 36 к анодам батареи топливных элементов 10 через трубопровод 28.

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S510, положение «нет»), центральный процессор не находит опасности попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок и возвращает программу управления приводом на стадию S500.

В системе топливных элементов 100В четвертого примера осуществления изобретения воздух подается как окислитель в батарею топливных элементов 10. Воздух содержит азот и другие газообразные примеси, которые не участвуют в выработке энергии батареей топливных элементов 10. Газообразные примеси проходят через электролитическую мембрану в направлении от катода к аноду батареи топливных элементов 10. В случае выработки энергии батареей топливных элементов 10 при закрытом состоянии трубопровода 28 клапаном 29 на стадии S530 газообразные примеси не выбрасываются наружу и накапливаются в батарее топливных элементов 10 и в трубопроводе 28, снижая производительность по выработке электроэнергии. Система управления приводом четвертого примера осуществления изобретения соответственно производит очистку внутренней части батареи топливных элементов 10 и внутренней части трубопровода 28 через определенные промежутки времени.

Центральный процессор ожидает истечения предварительно установленного периода времени (стадия S540), начиная с момента закрытия клапана 29 на стадии S530. Этот период времени установлен в конкретном диапазоне для предотвращения снижения производительности по выработке электроэнергии батарей топливных элементов 10 из-за накопления газообразных примесей в батарее топливных элементов 10 и в трубопроводе 28.

После истечения предварительно установленного периода времени, начиная с момента закрытия клапана 29 (стадия S540, положение «да»), центральный процессор снова получает данные об уровне воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 (стадия S550) и определяет, является ли измеренный уровень воды Hw ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S560).

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, ниже предварительно установленного порогового значения Н (стадия S56 (К не), центральный процессор не находит опасности попадания воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Центральный процессор соответственно возвращает расход воздуха в батарее топливных элементов 10 к ее первоначальному расходу, соответствующему требованию отбора мощности от батареи топливных элементов 10 (стадия S570), открывает клапан 29 (стадия S575) и возвращает транспортное средство 1000 в обычный режим привода FC.

Если уровень воды Hw, измеренный датчиком уровня воды 72, все еще выше предварительно установленного порогового значения Н (стадия S560, положение «да»), центральный процессор увеличивает расход водорода в батарее топливных элементов 10 до предварительно установленного расхода (например, до максимально возможного расхода водорода) независимо от требований по отбору мощности от батареи топливных элементов 10 (стадия S580), чтобы повысить противодавление в трубопроводе 28 и противодавление в трубопроводе 36. Затем центральный процессор открывает клапан 29, и выполняет продувку внутренней части водородного канала в батарее топливных элементов 10 и в трубопроводе 28 в течение заранее заданного промежутка времени, и закрывает клапан 29 (стадия S585). Эта операция позволяет очистить водородный канал в батарее топливных элементов 10 и в трубопроводе 28, предотвращая поступление отходящего катодного газа из трубопровода 36 в трубопровод 28.

Центральный процессор затем восстанавливает увеличенный расход водорода в батарее топливных элементов 10 до его первоначальной величины, соответствующей требованию по отбору мощности от батареи топливных элементов 10 (стадия S590), и возвращается на стадию S540.

Как описано выше, при движении транспортного средства 1000 по покрытой водой дороге в режиме привода FC, даже в ответ на обнаружение уровня воды на поверхности дороги, величина которого равна предварительно установленному пороговому значению или превышает этот порог Н, система управления приводом в четвертом примера осуществления изобретения обеспечивает непрерывное движение транспортного средства 1000 в режиме привода FC, защищая батарею топливных элементов 10 от потенциального повреждения или неисправности.

Е. Модификации изобретения

Обсужденные выше примеры осуществления следует считать только иллюстративными и не ограничивающими объем изобретения. Могут быть выполнены различные модификации и изменения не выходя из духа и объема настоящего изобретения. Некоторые примеры возможной модификации приведены ниже.

El. Измененный пример 1

В управлении приводом второго примера осуществления изобретения (фиг.6), после стадии S340, одно модифицированное устройство может снова получить данные об уровне воды Hw на поверхности дороги от датчика уровня воды 72 и определить, является ли измеренный уровень воды Hw выше предопределенного значения порогового значения Н. Если измеренный уровень воды Hw выше предопределенного значения величины Н, измененный поток, устройство закрывает выпускной клапан 62. Значение величины Н может быть установлено произвольно. В случае, когда противодавление сжатого воздуха недостаточно для предотвращения поступления воды и осадков в трубопровод 60 через выпускной патрубок, это устройство эффективно предотвращает попадание воды и осадков.

Е2. Измененный пример 2

Транспортные средства 1000 из первого примера осуществления, второго примера осуществления и четвертого примера осуществления изобретения соответственно снабжены системой топливных элементов 100, системой топливных элементов 100А и системой топливных элементов 100В. Система топливных элементов 100А второго примера осуществления может быть применена и к другим примерам осуществления. Одно модифицированное устройство управления приводом третьего примера осуществления (фиг.7) может дополнительно выполнить функции системы управления приводом первого примера осуществления (фиг.3) или системы управления приводом второго примера осуществления (фиг.6) после стадии S420.

Точно так же одно модифицированное устройство управления приводом четвертого примера осуществления (фиг.9) может дополнительно выполнять функции системы управления приводом первого примера осуществления (фиг.3) или системы управления приводом второго примера осуществления (фиг.6) после стадии S590. В таких случаях предварительно установленное пороговое значение Н, используемое на стадии S110 или на стадии S310, заменяется предопределенным значением, которое больше предварительно установленного порогового значения Н.

Е3. Измененный пример 3

В конструкции любого из описанных выше примеров осуществления датчик уровня воды 72 используется как датчик по настоящему изобретению. Однако датчик уровня воды 72 не является ни ограничительным, ни существенным признаком изобретения. Датчик уровня воды 72 может быть заменен любым другим средством, способным выполнять функцию обнаружения среды, окружающей транспортное средство 1000. Одно такое средство может определить наличие любого мешающего объекта на поверхности дороги, например, на базе информации о покрытой водой поверхности, полученной от информационного центра через сеть связи. Другое известное устройство может создавать изображение поверхности дороги с помощью камеры, установленной на транспортном средстве, и анализа полученного изображения средством обработки изображения, чтобы обнаружить присутствие любого мешающего объекта на поверхности дороги.

Е4. Измененный пример 4

В конструкции любого из описанных выше примеров осуществления изобретения вторичная батарея 200 используется как вторая батарея по настоящему изобретению. Однако вторичная батарея 200 не является ни ограничительным, ни существенным признаком изобретения. Вторая батарея по настоящему изобретению может быть любой батареей, за исключением батареи топливных элементов, например аккумуляторной батареей или солнечной батареей.

Е5. Измененный пример 5

В системе топливных элементов 100А установленный на транспортном средстве 1000 второго примера осуществления воздушный компрессор 32 используется и как устройство подачи окислительного газа, и как устройство подачи воздуха. Это устройство не является, однако, ни ограничительным, ни существенным признаком изобретения. Дополнительный воздушный компрессор может быть установлен отдельно от воздушного компрессора 32, чтобы использоваться исключительно для повышения противодавления в трубопроводе 36 на стадии S330 в системе управления приводом второго примера осуществления (фиг.6). В этой модификации перепускной трубопровод 35 и трехходовой клапан 37 могут быть исключены из системы топливных элементов 100А. Однако конструкция второго примера осуществления является предпочтительной для уменьшения габаритов системы топливных элементов 100А и всего транспортного средства 1000, так как один воздушный компрессор 32 по настоящему изобретению используется и как устройство подачи окислительного газа, и как устройство подачи воздуха.

Е6. Измененный пример 6

В конструкции любого из описанных выше примеров осуществления изобретения отходящий анодный газ, выделяющийся из батареи топливных элементов 10, проходит через трубопровод 28 и выбрасывается наружу. В одной измененной конструкции циркуляционная труба и циркуляционный насос могут быть установлены между трубопроводом 28 и трубопроводом 26. Такая модификация позволяет использовать водород, содержащийся в отходящем анодном газе, для выработки электроэнергии батареей топливных элементов 10 и позволяет увеличить эффективность использования водорода.

Е7. Измененный пример 7

Все вышеописанные примеры осуществления изобретения относятся к применению изобретения на транспортных средствах 1000. Однако такое применение не является ни ограничительным, ни существенным. Методика настоящего изобретения применима к любому из различных движущихся объектов, которые снабжены топливными элементами и перемещаются, используя электроэнергию, произведенную топливными элементами, как источником питания. Типичные примеры таких движущихся объектов включают самолеты, лодки и суда, так же как и описанные транспортные средства.

Е8. Измененный пример 8

В любом из описанных выше примеров осуществления изобретения транспортное средство 1000 выполняет управление приводом при езде по покрытой водой дороге с величиной уровня воды Hw, измеряемой датчиком уровня воды 72. Это устройство не является, однако, ни ограничительным, ни существенным признаком изобретения. В целом, методика изобретения обнаруживает среду, окружающую движущийся объект, определяет присутствие или отсутствие любого мешающего объекта, чтобы при его наличии блокировать выпускной патрубок на конце трубопровода 60 и предотвратить попадание жидкости в трубопровод 60 через выпускной патрубок, и выполняет все требуемые действия управления при определении любого мешающего объекта, чтобы блокировать выпускной патрубок на конце трубопровода 60 и предотвратить попадание жидкости в трубопровод 60 через выпускной патрубок. Объект, мешающий движению, не ограничивается наличием воды на поверхности дороги, но также включает атмосферные осадки и грязь на поверхности дороги, падающие сверху объекты и плавающие объекты. Наблюдение и управление могут быть основаны на обнаружении любого из этих мешающих объектов.

Изобретение относится к движущемуся объекту, оборудованному топливными элементами. По первому варианту движущийся объект содержит двигатель, который работает на электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами, выхлопную трубу, датчик обнаружения среды, модуль принятия решений для выявления наличия или отсутствия мешающего объекта, контроллер для выявления мешающего объекта. Контроллер по команде модуля принятия решений прекращает выработку энергии топливными элементами. По второму варианту движущийся объект дополнительно содержит устройство подачи топливного газа в топливные элементы, устройство подачи окислительного газа в топливные элементы. При этом модуль принятия решений увеличивает показатель расхода топливного газа и расхода окислительного газа, независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов. Способ управления топливными элементами по первому варианту заключается в определении наличия или отсутствия мешающего объекта, прекращении выработки электроэнергии топливными элементами при выявлении мешающего объекта. Способ управления топливными элементами по второму варианту заключается в принятии решения при определении наличия или отсутствия мешающего объекта, увеличении показателя расхода топливного газа независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов при выявлении мешающего объекта. Технический результат заключается в предотвращении повреждения топливных элементов. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Движущийся объект, оборудованный топливными элементами, содержащий двигатель, который работает на электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами, выхлопную трубу, предназначенную для выброса выхлопных газов из топливных элементов за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок, датчик, предназначенный для обнаружения среды, окружающей движущийся объект, модуль принятия решений, предназначенный для выявления наличия или отсутствия любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок на основании показаний датчика, и контроллер, служащий для выявления любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, при этом указанный контроллер по команде модуля принятия решений прекращает выработку энергии топливными элементами.

2. Движущийся объект по п.1, дополнительно содержащий вторую батарею, отличную от топливных элементов, и переключатель, предназначенный для переключения источника энергии двигателя от выхода электроэнергии от топливных элементов к выходу электроэнергии от второй батареи, в котором при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер, управляемый модулем принятия решений, приводит в действие переключатель, чтобы подключить источник питания двигателя к выходу электроэнергии от второй батареи.

3. Движущийся объект по любому из пп.1 и 2, в котором у выпускного отверстия или в выхлопной трубе установлен выпускной клапан, и при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер закрывает выпускной клапан.

4. Движущийся объект по любому из пп.1 и 2, дополнительно содержащий устройство подачи воздуха, предназначенное для подачи воздуха с более высоким давлением, чем противодавление выхлопного газа в выхлопной трубе, в котором при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер направляет струю сжатого воздуха в выхлопную трубу.

5. Движущийся объект по п.4, в котором топливные элементы снабжены устройством подачи окислительного газа, при этом устройство подачи окислительного газа включает воздушный компрессор, который служит для сжатия воздуха, используемого как окислитель, и воздушный компрессор также используется как устройство подачи воздуха.

6. Движущийся объект по п.5, дополнительно содержащий перепускной трубопровод, служащий для подачи сжатого воздуха воздушным компрессором в выхлопную трубу параллельно топливным элементам, и распределительный клапан, предназначенный для изменения подачи сжатого воздуха между топливными элементами и выхлопной трубой через перепускной трубопровод, в котором при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер приводит в действие распределительный клапан для подачи сжатого воздуха в выхлопную трубу через перепускной трубопровод.

7. Движущийся объект по п.4, в котором выхлопная труба включает выпускной канал отходящего анодного газа, предназначенный для удаления анодного газа, выходящего из анодов топливных элементов, и
выпускной канал отходящего катодного газа, предназначенный для удаления катодного газа, выходящего из катодов топливных элементов, при этом выпускной канал отходящего анодного газа соединен с выпускным каналом отходящего катодного газа, выпускной канал отходящего анодного газа оборудован распределительным клапаном, предназначенным для переключения между открытием и закрытием выпускного канала для отходящего анодного газа, и при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер приводит в действие распределительный клапан, чтобы перейти в режим закрытия выпускного канала для отходящего анодного газа.

8. Движущийся объект, оборудованный топливными элементами, содержащий двигатель, который работает на электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами, устройство подачи топливного газа в топливные элементы, устройство подачи окислительного газа в топливные элементы, выхлопную трубу, предназначенную для выброса выхлопного газа из топливных элементов за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок, датчик, предназначенный для обнаружения среды, окружающей движущийся объект, модуль принятия решений, предназначенный для выявления наличия или отсутствия любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, на основании показаний датчика, контроллер, который при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, по команде модуля принятия решений увеличивает, по меньшей мере, один показатель расхода топливного газа, подаваемого к топливным элементам топливным устройством подачи газа, и расхода окислительного газа, подаваемого к топливным элементам устройством подачи окислительного газа, независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов.

9. Движущийся объект по п.8, в котором выхлопная труба включает выпускной канал отходящего анодного газа, предназначенный для удаления анодного газа, выходящего из анодов топливных элементов, и выпускной канал отходящего катодного газа, предназначенный для удаления катодного газа, выходящего из катодов топливных элементов, при этом выпускной канал отходящего анодного газа соединен с выпускным каналом отходящего катодного газа, выпускной канал отходящего анодного газа оборудован распределительным клапаном, предназначенным для открытия и закрытия выпускного канала для отходящего анодного газа, и при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер приводит в действие распределительный клапан, чтобы перейти в режим запирания выпускного канала для отходящего анодного газа, увеличивая расход окислительного газа в топливных элементах устройством подачи окислительного газа, независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов.

10. Движущийся объект по п.9, в котором в случае повторного выявления любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, по истечении заранее установленного промежутка времени, модуль принятия решений выдает команду контроллеру на переключение распределительного клапана для входа в режим запирания выпускного канала для отходящего анодного газа и увеличения расхода окислительного газа в топливных элементах устройством подачи окислительного газа независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов в ответ на выявление любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, контроллер приводит в действие распределительный клапан для переключения на проход отходящего анодного газа через выпускной канал, увеличивая противодавление отходящего анодного газа в выпускном канале отходящего анодного газа, чтобы повысить противодавление отходящего катодного газа в выпускном канале отходящего катодного газа.

11. Способ управления топливными элементами, установленными на движущемся объекте, который имеет двигатель, который получает электроэнергию с выхода топливных элементов, и выхлопную трубу, предназначенную для выброса выхлопных газов из топливных элементов за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок указанной трубы, включающий следующие стадии контроля с определением наличия или отсутствия любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, и прекращения выработки электроэнергии топливными элементами при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок.

12. Способ управления топливными элементами, установленными на движущемся объекте, который имеет двигатель, работающий от электроэнергии, произведенной топливными элементами; устройство подачи топливного газа в топливные элементы; устройство подачи окислительного газа в топливные элементы и выхлопную трубу, предназначенную для выброса выхлопного газа из топливных элементов за пределы движущегося объекта через выпускной патрубок указанной трубы, включающий в себя следующие стадии контроля среды, окружающей движущийся объект: принятия решения при определении наличия или отсутствия любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок, на основе данных контроля среды, и увеличения, по меньшей мере, одного показателя расхода топливного газа, подаваемого к топливным элементам топливным устройством подачи газа и расхода окислительного газа в топливные элементы устройством подачи окислительного газа, независимо от требований по отбору мощности от топливных элементов при выявлении любого мешающего объекта, который может вызвать забивание выпускного патрубка или попадание воды в выхлопную трубу через выпускной патрубок.