DE102011086917A1 - Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zum Regeln deselben - Google Patents

Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zum Regeln deselben Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Regeln einer Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben bereit. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlpumpe, ein Proportional-Magnetventil und eine Regeleinrichtung. Die Strahlpumpe ist an der Seite eines Einlasses eines Brennstoffzellenstapels angeordnet und führt eine Zufuhr und Rückführung von Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel durch. Das Proportional-Magnetventil ist mit einer Wasserstoffversorgungsleitung verbunden und steht strömungst Verbindung, um die Wasserstoffversorgung zu der Strahlpumpe zu regeln. Die Regeleinrichtung regelt einen Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einer Leistung des Brennstoffzellensystems. Hierbei regelt die Regeleinerichtung den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Pulse-Flow-Regelungsverfahren in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich, in welchem eine augenblickliche Leistung niedriger als eine vorbestimmte Referenzleistung ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben, welche eine Funktion zum Regeln des Wasserstoff-Vorlaufs und der Rückführungsleistung der Anode, die für eine Brennstoffzelle in Verbindung mit einer Strahlpumpe erforderlich ist, durch Verwenden der Durchflussregelungs-Eigenschaften eines proportional geregelten Magnetventils für eine Regelung der Wasserstoffversorgung zu einem Brennstoffzellenstapel und Regeln des Betriebs des proportional geregelten Magnetventils unter Verwendung eines Pulse-Flow-Regelungsverfahrens zusammen mit einem Proportional-Regelungsverfahren ausführen kann.
  • (b) Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem, eine Art eines Stromerzeugungssystems, das chemische Energie in elektrische Energie umwandeln kann, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der eingerichtet ist um elektrische Energie zu erzeugen, ein Brennstoffversorgungssystem zum Zuführen von Brennstoff (Wasserstoff) zu dem Brennstoffzellenstapel, ein Luftversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittels (Sauerstoff), das für eine elektrochemische Reaktion erforderlich ist, zu dem Brennstoffzellenstapel, und eine Kühlsystem zum Abführen von Reaktionswärme aus dem System und zum Regeln der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels.
  • Unter Bezugnahme auf 7 umfasst ein mit einem Brennstoffzellenstapel verbundenes Brennstoffversorgungssystem eine Wasserstoffversorgungsleitung 12, die mit einem Wasserstoff-Speicherbehälter 10 verbunden ist, eine Wasserstoffrückführungsleitung 14 zum Rückführen von nicht reagiertem Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel, und eine Strahlpumpe (d. h., einen Ejektor) 16, die an einer Stelle eingebaut ist, wo sich ein Stapeleinlass 13 und die Wasserstoffrückführungsleitung 14 kreuzen, und eingerichtet ist, um neuen Wasserstoff und rückgeführten Wasserstoff zu einer Anode des Brennstoffzellenstapels zu pumpen. Ein Stapeleinlass-Drucksensor 18, der an dem Stapeleinlass eingebaut ist, ist eingerichtet, um den Druck von Wasserstoff und Luft zu messen, und eine ECU 22 ist eingerichtet, um den Durchflussregelungs-Betrieb eines in der Wasserstoffversorgungsleitung eingebauten Regelventils basierend auf einem Signal zu regeln, das von dem Stapeleinlass-Drucksensor 18 gemessen und empfangen wird. Die Strahlpumpe 16 kann ein Vakuum durch Einspritzen von komprimiertem Wasserstoff, der von einem Hochdruckbehälter zugeführt wird, durch eine Düse erzeugen, und kann ebenfalls Wasserstoffgas durch Ansaugen von Abgas in den Brennstoffzellenstapel rückführen. Darüber hinaus umfasst das System ebenfalls ein Ablassventil 25, das mit der Rückführungsleitung 14 verbunden ist, zum Ablassen von überschüssigem Wasserstoff von dem System.
  • Alternativ kann wie in 8 gezeigt, ein Gebläse 24 in der Wasserstoffrückführungsleitung 14 anstatt der Strahlpumpe 16 als ein Mechanismus oder eine Vorrichtung zum Rückführen von Wasserstoff angeordnet sein.
  • Somit können in einem herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeug ein Gebläse oder eine Strahlpumpe für eine gleichmäßige Wasserstoffversorgung und -Rückführung verwendet werden. Die Aufgaben der Wasserstoffrückführung, die durch solch eine Anordnung erreicht wird, liegen in einer Verbesserung der Systemeffizienz durch Brennstoff-Aufladung in einen Anodenkanal eines Stapels, Verbesserung der Befeuchtungseffizienz durch Rückladen von befeuchteten Gas von einem Stapelauslss in einen Stapeleinlass, Verbesserung der Strömungsgleichmäßigkeit in dem Stapel gemäß einer Erhöhung des Flusses der Stapelanode und der gleichmäßigen Zufuhr von Wasserstoffgas zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA) durch Schwitzwasserableitung der Stapelanode.
  • Andererseits muss ein System, welches ein Gebläse wie das in 8 gezeigte einsetzt, um Wasserstoff rückzuführen, mit einem Motor, der kostspielig ist, und Lager und anderen Teilen ausgestattet werden, welche durch Schwitzwasser von zurückgeführtem Wasserstoffgas leicht korrodieren, wodurch das Gebläse beschädigt werden kann. Insbesondere wenn Wasser aus der Kondensation gefriert, kann es verursachen, dass sich ein Rotor in dem Gebläse festläuft, wodurch erforderlich ist, dass der Rotor durch eine Heizung aufgetaut wird.
  • Darüber hinaus kann eine Strahlpumpe, wie in 7 gezeigt, keinen erforderlichen Rückfluss aufgrund einer Begrenzung von zurückgeführtem Wasserstoff-Brennstoff erzeugen, welcher eine Energiequelle darstellt, die verwendet werden kann, wenn eine Systemlast gering ist. Das heißt, die Strahlpumpe ist nicht in der Lage, den erforderlichen Rückfluss zu erzeugen, wenn die Last in dem Gesamtsystem niedrig ist, aufgrund des Mangels von Wasserstoff, der zu dem System durch die geringe Last zugeführt wird. Das heißt, wie in 9A gezeigt, da sich der zu einer Strahlpumpendüse zugeführte Wasserstoff-Brennstofffluss bezeichnet mit einem Pfeil) erhöht, erhöhen sich der durch die Strahlpumpe erzeugte Fluss und Druck. Ein Kreuzungspunkt zwischen dem Fluss von zurückgeführten Wasserstoff und der Systemdruckkurve entspricht ebenfalls einem Arbeitspunkt einer tatsächlich erzeugten Wasserstoffrückführung.
  • In Bezug auf die Wasserstoff-Ansaugleistung einer Strahlpumpe gemäß einer Erhöhung des Wasserstoff-Brennstoffs bei einem bestimmten Druck, wie in 9B gezeigt, wenn die Vorlaufmenge durch eine Düse der Strahlpumpe gering ist, ist der Wasserstoff-Einspritzdruck an der Düse gering und die Flussgeschwindigkeit ist in hohem Maße verringert. Demzufolge ist der Ansaugdruck an diesem Punkt nicht wesentlich und somit wird der durch die Strahlpumpe angesaugte Wasserstoff-Rückfluss ebenfalls verringert.
  • Demzufolge, wenn an dem Brennstoffzellensystem eine geringe Last angelegt wird, so dass lediglich eine geringe Brennstoffmenge erforderlich ist, die verwendet werden soll, ist der Rückfluss unter den obigen Betriebsbedingungen nicht ausreichend und somit wird der Betriebszustand des Stapelkanals schlechter werden. Die Stapeleffizienz und die Haltbarkeit können ebenso schlechter werden.
  • Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENLEGEUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben bereit, welche einen ausreichenden Wasserstoff-Rückfluss sogar in Brennstoff-Anwendungen in einem unteren Leistungsbereich in einem typischen Rückführungssystem unter Verwendung eines Ejektors gewährleisten können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben bereit, welche eine erforderliche Rückflussmenge durch Verwenden einer einfachen Anordnung ohne ein Gebläse oder andere Rückführungsteile, die hinzugefügt werden, um das Defizit des Wasserstoff-Rückflusses während Brennstoff-Anwendungen im unteren Leistungsbereich in einem typischen Rückführungssystem zu beheben, unter Verwendung eines Ejektors gewährleisten können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben bereit, welche durch Installieren eines Proportional-Magnetventils an einem Anschlussteil der Wasserstoffversorgungsleitung die Effizienz einer Strahlpumpe während Brennstoffanwendungen im unteren Leistungsbereich verbessern können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Regeln derselben bereit, welche durch Beseitigen des Geräusches, das infolge einer Ein-/Aus-Regelung eines Ventils während einer Brennstoffanwendung im unteren Leistungsbereich erzeugt werden kann, einen komfortablen Fahrbetrieb bereitstellen können.
  • In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems bereit, umfassend: eine Strahlpumpe, die an der Seite eines Einlasses eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, und eine Zufuhr und Rückführung von Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel durchführt; ein Proportional-Magnetventil, das mit einer Wasserstoffversorgungsleitung verbunden ist, und mit einem Düseneinlass der Strahlpumpe in Verbindung steht, um die Wasserstoffzufuhr zu der Strahlpumpe zu regeln; und eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Betriebs des Proportional-Magnetventils gemäß einer Leistung des Brennstoffzellensystems, wobei die Regeleinrichtung den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Pulse-Flow-Regelungsverfahren in einem unteren Leistungsbereich regelt, in welchem eine augenblickliche Leistung geringer als eine vorbestimmte Referenzleistung ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Regeleinrichtung den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Proportional-Regelungsverfahren während einer Brennstoffanwendung im hohen Leistungsbereich regeln, in welchem die augenblickliche Leistung höher als die vorbestimmte Referenzleistung ist.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Regelung während der Brennstoffanwendung im hohen Leistungsbereich durch eine Druckregelung mit einer Proportional-Integral-Differenzial-Regelung (proportional integral derivative – (PID) pressure control) durchgeführt werden, die die Regelung durch Berechnen einer Differenz zwischen einem Solldruck für die Wasserstoffzufuhr und einem Stapeleinlassdruck durchführt.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Regelung in dem unteren Leistungsbereich ein Regeln einer Brennstoffzufuhr durch Zuführen eines Spitzenstroms und eines Haltestroms zu dem Proportional-Magnetventil gemäß einem Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren umfassen.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei der in dem unteren Leistungsbereich durch das Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren durchgeführten Regelung, kann die Brennstoffzufuhr durch Ändern von zumindest einem von einem Spitzenstromwert, einer Spitzenstrom-Anwendungszeit, einem Haltestromwert und einer Haltestrom-Anwendungszeit geregelt werden.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Proportional-Magnetventil einen Ventilkolben umfassen, der in einer Gravitationsrichtung betrieben wird, und ein geräuschabsorbierendes Element kann an einem unteren Endbereich des Ventilkolbens oder einem mit dem Ventilkolben aufeinander prallenden Ventilkörper hinzugefügt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, umfassend: Einleiten einer Wasserstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel; Messen einer augenblicklichen Leistung des Brennstoffzellensystems, um die augenblickliche Leistung mit einer vorbestimmten Referenzleistung zu vergleichen; und Bestimmen eines Verfahrens zum Regeln eines Proportional-Magnetventils gemäß einem Ergebnis des Vergleichs und Regeln eines Betriebs des Proportional-Magnetventils durch eine Regeleinrichtung, wobei das Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils ein Regeln des Betriebs des Ventils durch ein Pulse-Flow-Regelungsverfahren während einer Anwendung im unteren Leistungsbereich, in welchem die augenblickliche Leistung niedriger als die Referenzleistung ist, und ein Regeln des Betriebs des Ventils durch ein Proportional-Regelungsverfahren während einer Anwendung im hohen Leistungsbereich, in welchem die augenblickliche Leistung höher als der Referenzwert ist, umfasst.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils, kann das Regeln bei der Anwendung im unteren Leistungsbereich ein Regeln einer Brennstoffzufuhr durch Zuführen eines Spitzenstroms und eines Haltestroms zu dem Proportional-Magnetventil gemäß einem Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren umfassen.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren ein Verringern des Geräusches durch Regeln einer Größe und einer Anwendungszeit eines Haltestromwerts umfassen, um das Herunterfallen eines Ventilkolbens in eine Mehrzahl von Stufen zu teilen, und somit einen durch einen Aufprall im unteren Totpunkt erzeugten Anstoß zu verringern.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren ein Verringern des Geräusches durch Regeln einer Größe und einer Anwendungszeit eines Spitzenstromwerts umfassen, um die Position eines oberen Totpunkts eines Ventilkolbens zu regeln, und somit einen Aufprall an dem oberen Totpunkt zu verhindern.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils, kann ein Regeln während einer Anwendung/einem Vorgang im unteren Leistungsbereich ferner umfassen ein Vergleichen eines gemessenen Wasserstoffversorgungsdrucks mit einem vorbestimmten Solldruck und Regeln des Betriebs des Ventils durch das Pulse-Flow-Regelungsverfahren, wenn der gemessene Druck weniger als der Solldruck ist, und Schließen des Proportional-Magnetventils, wenn der gemessene Druck größer als der Solldruck ist.
  • Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend Lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, und wobei:
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung, die eine Strahlpumpe und ein Proportional-Magnetventil einer Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffzufuhr eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 zeigt eine Ansicht, die eine Vorrichtung zum Regeln der Wasserstoffzufuhr eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Regeln einer Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 zeigt einen Graph, der ein Verfahren zum Regeln einer Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 zeigt einen Graph, der eine Brennstoffregulierungs-Kennlinie eines Proportional-Magnetventils einer Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 6 zeigt einen Graph, der ein Stromregelungsverfahren mit Bezug auf ein Proportional-Magnetventil einer Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 7 und 8 zeigen Ansichten, die eine typische Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem darstellen; und
  • 9A und 9B zeigen Graphen, die einen Wasserstoff-Brennstoff-Vorlauf in einer typischen Wasserstoffzufuhr-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem darstellen.
  • Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen einen Bezug auf die folgenden Bauelemente, wie sie nachstehend erläutert werden:
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wasserstoff-Speicherbehälter
    12
    Wasserstoffversorgungsleitung
    14
    Wasserstoffrückführungsleitung
    16
    Strahlpumpe
    18
    Stapeleinlass-Drucksensor
    20
    Regeleinrichtung
    22
    ECU
    24
    Gebläse
    25
    Ablassventil
    26
    Düse
    28
    Wasserstoffrückführungseinlass
    30
    Stapel
    40
    Proportional-Magnetventil
    41
    Einlass
    42
    Auslass
    43
    Öffnung
    44
    Ventilkörper
    45
    Magnetspule
    46
    Gehäuse
    47
    Spule
    48
    Kolben
    49
    Feder
  • Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen veranschaulichenden Merkmalen der Grundsätze der Erfindung darstellen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
  • Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche ein effizientes Wasserstoff-Rückführungssystem bereitstellt, durch den Einsatz einer Anordnung mit einer Kombination einer Strahlpumpe und einem Proportional-Magnetventil, die als eine Einheit zum Zuführen von Wasserstoffgas und einer Wasserstoffgasrückführung zu einer Anode eines Brennstoffzellenstapels ausgeführt sind, und einer unverwechselbaren Anwendung eines Proportional-Regelungsverfahrens und eines Pulse-Flow-Regelungsverfahrens des Proportional-Magnetventils gemäß den Leistungsbereichen.
  • Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt, kann ein Brennstoffversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems eine mit einem Wasserstoff-Speicherbehälter 10 verbundene Wasserstoffversorgungsleitung 12, eine Wasserstoffrückführungsleitung 14 zum Rückführen von Wasserstoff, der nicht in dem Brennstoffzellenstapel reagiert, und eine Strahlpumpe (z. B. einen Ejektor) 16, die zwischen der Wasserstoffversorgungsleitung 12 und der Wasserstoffrückführungsleitung 14 angeordnet ist, umfassen. Die Strahlpumpe 16 pumpt den neuen Wasserstoff und den rückgeführten Wasserstoff zu einer Anode im Brennstoffzellenstapel. Die Strahlpumpe 16 ist eingerichtet, um komprimierten Wasserstoff, der von einem Wasserstoffbehälter mit einem hohen Druck zugeführt wird, d. h., neuen Wasserstoff, in einen Stapeleinlass 13 durch eine Düse 26 einzuspritzen, während zum gleichen Zeitpunkt ein Vakuum erzeugt wird. In diesem Fall, aufgrund des erzeugten Vakuums, kann nicht reagierter Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, durch einen Wasserstoff-Rückführungseinlass 28 angesaugt werden, um zusammen mit dem neuen Wasserstoff über einen Wasserstoff-Rückführungseinlass 28 in den Stapel rückgeführt zu werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Proportional-Magnetventil 40 an einem Einlass der Strahlpumpe 16 innerhalb einem Strömungskanal zwischen der Strahlpumpe 16 und dem Wasserstoffbehälter 10 angeordnet werden, um den Druck an dem Einlass der Düse 26 der Strahlpumpe 16 zu verändern und den Wasserstoffvorlauf zu regeln. Das Proportional-Magnetventil 40 kann eingerichtet sein, um den Wasserstoffvorlauf durch Verändern einer Fläche einer effektiven Öffnung, durch welche neuer Wasserstoff durchgeströmt wird, durch eine vertikale Bewegung eines Kolbens darin und durch Verändern des Einlassdrucks der Düse 26 der Strahlpumpe 16 zu regeln. Die Strahlpumpe 16 kann ebenfalls eingerichtet sein, um Wasserstoffgas in hoher Konzentration, welches durch das Proportional-Magnetventil 40 mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeströmt ist, durch die Düse 26 einzuspritzen. Demzufolge, wenn Wasserstoff durch die Strahlpumpe 16 abgeführt wird, kann ein Vakuum aufgrund des geringen Drucks um die Düse herum erzeugt werden. In diesem Fall kann nicht reagierter Wasserstoff, der von einem Stapelauslass abgeführt wird, zurück in das System durch das erzeugte Vakuum angesaugt werden.
  • Wie in 1 gezeigt, kann das Proportional-Magnetventil einen in einer horizontalen Richtung angeordneten Ventilkörper 44 und eine auf dem Ventilkörper 44 in einer vertikalen Richtung angeordnete Magnetspule 45 umfassen. Der Ventilkörper 44 kann einen Einlass 41 zum Aufnehmen von Wasserstoff-Brennstoff an einer Seite davon und einen Auslass 42 umfassen, der mit dem Einlass der Düse 26 der Strahlpumpe 16 an der anderen Seite davon ausgerichtet ist. Eine Öffnung 43 kann innerhalb des mittleren Abschnitts des Ventilkörpers 44 angeordnet sein, um Fluid zwischen dem Einlass 41 und dem Auslass 42 zu übertragen und zu ermöglichen, dass Wasserstoff von dem Wasserstoffbehälter 10 durchströmt.
  • Die auf der Oberseite des Ventilkörpers 44 in der vertikalen Richtung angeordnete Magnetspule kann eine auf dem Innenumfang eines Gehäuses 46 angeordnete Spule 47, einen innerhalb der Spule angeordneten Kolben 48, um die Fläche der Öffnung 43 durch Steigen und Fallen gemäß einer von der Spule 47 zugeführten Stromeinspeisung zu verändern, und eine innerhalb eines oberen Teils/Abschnitts des Gehäuses 46 angeordneten Feder 49 umfassen, um den Kolben 48 elastisch abzustützen.
  • Wie in 1 gezeigt, kann der Kolben innerhalb der Magnetspule eingerichtet sein, um in der Gravitationsrichtung zu steigen und zu fallen. In dem Fall der Strahlpumpe, die Brennstoff in einer zu der Gravitationsrichtung senkrechten Richtung zuführt, kann die Magnetspule senkrecht zu der Brennstoffzufuhrrichtung angeordnet werden, und somit kann eine durch eine Differenz zwischen der Gravitationsrichtung und der Kolbenverfahrrichtung erzeugte Abrasion oder ein Geräusch verhindert werden.
  • Andererseits, obwohl nicht in 1 gezeigt, kann ferner eine Ventilsteuerung in der Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, um die Öffnungs- und Schließfunktion des Proportional-Magnetventils 40 zu regeln. Die in 2 gezeigte ECU 22 kann als eine Ventilsteuerung dienen, um den Betrieb des Proportional-Magnetventils 40 zu regeln.
  • Die Ventilsteuerung kann dazu dienen, um die Problematik zu verhindern, die mit der Sicherstellung des Wasserstoffrückflusses aufgrund der Verringerung der Ansaugleistung während Abschnitten oder Anwendungen im unteren Leistungsbereich wie in 9 gezeigt in Beziehung steht. Dazu kann die Ventilsteuerung das Öffnen und Schließen des Ventils durch Unterscheiden des Betriebszustands gemäß dem Leistungsgrad des Brennstoffzellensystem und Anlegen von vorbestimmten elektrischen Signalen an das Proportional-Magnetventil als einen Steuereingang gemäß dem Betriebszustand regeln.
  • Die Ventilsteuerung kann insbesondere ein Pulse-Flow-Verfahren verwenden, in welchem dem Ventil ein Strom zugeführt wird, um (für eine kurze Zeit) die Wasserstoffmenge zuzuführen, die für den Stapel während einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich erforderlich ist, wo die Ansaugleistung verringert ist, und dann kann die Stromzuführung zu dem Ventil blockiert werden, um die Wasserstoffzufuhr für die restliche Zeit zu stoppen.
  • Das Pulse-Flow-Verfahren bedeutet ein Regeln von genügend Wasserstoff, der für eine sehr kurze Zeit durch ein Proportional-Magnetventil zugeführt werden soll, um einen Wasserstoff-Brennstofffluss zuzuführen, der für einen Betriebszustand mit geringer Last erforderlich ist, so dass er in effizienter Weise vorhanden ist. Solche eine Pulse-Flow-Regelung kann durch Regeln der Zeit und des Stroms, der dem Proportional-Magnetventil zugeführt wird, ausgeführt werden. Durch Vergleichen einer vorbestimmten Referenzleistung mit einer augenblicklichen Leistung des Brennstoffzellensystems kann die Ventilsteuerung eingerichtet sein, um eine typische Ventil-Proportional-Regelung durchzuführen, wenn die augenblickliche Leistung gleich oder größer als die Referenzleistung ist, und eine Ventilsteuerung gemäß dem Pulse-Flow-Verfahren durchführen, wenn die augenblickliche Leistung weniger als die Referenzleistung ist.
  • Demzufolge, in der Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, kann die Strahlpumpe in einem eine relative hohe Effizienz darstellenden Bereich durch das Pulse-Flow-Verfahren sogar während Situationen/Abschnitten im unteren Leistungsbereich wiederholend betrieben werden.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zum Regeln der Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, umfassend die Strahlpumpe, das Proportional-Magnetventil und die Ventilsteuerung ausführlich beschrieben.
  • Wie in einer Brennstoffregulierungs-Kennlinie von 5 gezeigt, kann das Proportional-Magnetventil 40 die Wasserstoff-Brennstoffzufuhr von dem Wasserstoffbehälter 10 genau regeln und den Einlassdruck der Düse 26 der Strahlpumpe 16 gemäß der Wasserstoff-Brennstoffzufuhr regeln, durch verändern der Querschnittsfläche der Öffnung 43, während sich der Kolben 48 gemäß der Größe eines in die Spule 47 eingespeisten Stroms nach oben und nach unten bewegt.
  • Zum Beispiel, wenn der in die Spule 47 des Proportional-Magnetventils 40 eingespeiste Strom weniger als der Wasserstoff-Brennstoffzufuhr-Startstrom ist, wird das Ventil geschlossen. In anderen Worten gesagt, blockiert der Kolben 48 die Öffnung 43 und somit kann der Wasserstoff-Brennstoff nicht zu der Strahlpumpe 16 zugeführt werden. Alternativ, wenn ein größerer Strom schrittweise eingespeist wird, kann der Kolben schrittweise aufsteigen und die Querschnittsfläche der Öffnung 43 kann sich erhöhen, so dass sich die Wasserstoff-Brennstoffzufuhr schrittweise erhöhen kann. Wenn der eingespeiste Strom bei der maximalen Zufuhr verringert wird, kann der Kolben schrittweise fallen und die Querschnittsfläche der Öffnung 43 und die Wasserstoff-Vorlaufmenge kann verringert werden, wodurch Hystereseeigenschaften dargestellt werden.
  • 3 und 4 stellen ein Verfahren zum Regeln einer Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem dar. Wie in dem Flussdiagramm von 3 und dem Graph von 4 gezeigt, können die Wasserstoff-Brennstoffzufuhr und die Wasserstoffversorgungs-Druckregelung unter Verwendung von zwei Fällen gemäß dem Leistungsgrad mit Bezug auf die Referenzleistung durchgeführt werden.
  • In jedem Fall, wie in dem Flussdiagramm von 3 gezeigt, kann zuerst ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein augenblicklicher Leistungsabschnitt eine Anwendung im unteren Leistungsbereich ist, durchgeführt werden, um das Regelungsverfahren durch Vergleichen einer vorbestimmten Referenzleistung mit einer augenblicklichen Leistung auszuwählen. Danach kann eine selektive Regelung durchgeführt werden gemäß, ob der augenblickliche Leistungsabschnitt ein Abschnitt im unteren Leistungsbereich oder ein Abschnitt im hohen Leistungsbereich ist.
  • Zum Beispiel, wie in 3 gezeigt, werden die Referenzleistung und die augenblickliche Leistung miteinander verglichen. Wenn die augenblickliche Leistung größer als die Referenzleistung ist, kann der augenblickliche Leistungsabschnitt als ein Abschnitt im hohen Leistungsbereich angesehen werden, und die Proportional-Regelung kann bei dem Ventil durchgeführt werden. Wenn die augenblickliche Leistung gleich oder weniger als die Referenzleistung ist, kann der augenblickliche Leistungsabschnitt als ein Abschnitt im unteren Leistungsbereich angesehen werden, und das Ventil kann gemäß dem Pulse-Flow-Verfahren betrieben werden. Während dem Abschnitt im unteren Leistungsbereich kann der Druck gemessen und mit einem Solldruck verglichen werden. Wenn der gemessene Druck niedriger als der Solldruck ist, kann das Ventil geschlossen werden. Nur wenn der gemessene Druck größer als der Solldruck ist, kann die Pulse-Flow-Regelung durchgeführt werden.
  • Die Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, wie es nachfolgend ausführlich beschrieben ist, kann aufgeteilt werden in ein Regeln der Wasserstoffzufuhr bei einer niedrigen Leistung des Brennstoffzellensystems durch rasches Ein-/Ausschalten des Proportional-Magnetventils 40 in einem Zustand, wo das Proportional-Magnetventil 40 an dem Einlass der Strahlpumpe 16 angeordnet ist, und einem Fall zum Regeln der Wasserstoffzufuhr bei einer hohen Leistung des Brennstoffzellensystems durch Einstellen der vertikalen Bewegung des Kolbens 48 des Proportional-Magnetventils 40, um die Querschnittsfläche der Öffnung 43 zu verändern, wodurch der Wasserstoff durchströmen kann.
  • Wasserstoffzufuhr-Regelung bei niedriger Leistung
  • In dem Betrieb des Brennstoffzellensystems, bei einer niedrigen Leistung, die weniger als eine Referenzleistung (z. B., vorbestimmter Wert als eine Grenzleistung zwischen einer niedrigen Leistung, z. B. 5–30% der Gesamtleistung, und vorzugsweise 10–20% der Gesamtleistung) ist, kann eine Wasserstoffzufuhr-Regelung im hohen Leistungsbereich durch ein Pulse-Flow-Verfahren durchgeführt werden, in welchem ein Ein-/Ausschalten des Proportional-Magnetventils 40 rasch wiederholt wird.
  • Es kann ein Strom, der gleich oder größer als ein Brennstoff-Startstrom ist, in das Proportional-Magnetventil 40 eingespeist werden. In diesem Fall, wie in 4 gezeigt, kann der Strom bei einer hohen Geschwindigkeit gemäß einer optimalen Frequenz wiederholt eingespeist werden, um das Proportional-Magnetventil 40 rasch und wiederholt ein-/auszuschalten. In anderen Worten, kann gemäß der Ein-/Aus-Wiederholung der Stromeinspeisung in die Spule 47 des Proportional-Magnetventils 40 das Steigen und Fallen des Kolbens 48 wiederholt werden und ein relatives Öffnen und Schließen der Öffnung 43 kann wiederholt werden. Durch Regeln des eingespeisten Stroms des Proportional-Magnetventils 40, um bei einer optimalen Frequenz ein-/auszuschalten, wie in dem Schwingungsverlauf gezeigt, kann eine Wasserstoff-Brennstoffzufuhr in einer Form einer Pulse-Flow-Regelung ausgeführt werden, und der Wasserstoff-Brennstoff kann durch die Düse 26 der Strahlpumpe in einem Zeitintervall eingespritzt werden, so dass er zu dem Stapel 30 über den Stapeleinlass 13 zugeführt wird.
  • Gleichzeitig, wenn der Wasserstoff-Brennstoff durch die Düse 26 der Strahlpumpe 16 eingespritzt wird, kann ein Vakuum auf der Seite des Wasserstoff-Rückführungseinlasses 28 der Strahlpumpe 16 erzeugt werden, so dass nicht reagierter Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, durch den Wasserstoffrückführungseinlass 28 angesaugt werden kann und in den Stapel zusammen mit neuen Wasserstoff rückgeführt werden kann.
  • Andererseits kann in der Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem die Ein-/Aus-Regelung des Proportional-Magnetventils 40 wiederholt durchgeführt werden, bis der Wasserstoffversorgungsdruck einen vorbestimmten Solldruck erreicht. Wenn der Wasserstoffversorgungsdruck den vorbestimmten Solldruck erreicht, kann das Proportional-Magnetventil 40 geschlossen werden. Wenn der Wasserstoffversorgungsdruck den vorbestimmten Solldruck nicht erreicht, kann das Proportional-Magnetventil 40 für eine bestimmte Zeit geöffnet werden, um den Einlassdruck der Düse gemäß einer Erhöhung der Wasserstoffzufuhr zu erhöhen. Demzufolge ist es wie in 3 gezeigt erforderlich, zu sehen, ob der Wasserstoffversorgungsdruck den Solldruck erreicht hat. Nur wenn er den Solldruck nicht erreicht hat, kann die Pulse-Flow-Regelung an dem Ventil durchgeführt werden. Solch ein Regelverfahren während einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich kann in einer geräuscharmen Art und Weise ausgeführt werden, obwohl das Ein-/Ausschalten des Ventils bei einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt wird.
  • Insbesondere, wenn das Ein-/Ausschalten des Ventils für einen kurzen Zyklus in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich wiederholt wird, schlägt oder prallt der Kolben gegen ein oberen oder unteren Teil der internen Ventilanordnung, um wiederholt ein Geräusch zu verursachen. Um eine solche Beschränkung in dieser Ventilanordnung zu überwinden, kann das Proportional-Magnetventil anstatt des Ein-/Aus-Ventils verwendet werden und das Ventil kann durch das Pulse-Flow-Regelverfahren betrieben werden.
  • Genauer gesagt kann in Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für die Pulse-Flow-Regelung in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich wie oberhalb beschreiben, ein Strom durch ein Spitzen- und Haltestrom-Verfahren wie in 6 gezeigt eingespeist werden, und ein Spitzenstromwert und eine Anwendungszeit kann geregelt werden, so dass der Ventilkolben die Oberseite der internen Ventilanordnung nicht erreichen kann, sondern lediglich einen Punkt mit einem vorbestimmten Abstand unter der Oberseite der internen Ventilanordnung erreicht. Demzufolge kann der Ventilkolben eingerichtet sein, um nicht gegen einen oberen Teil der Ventilanordnung zu schlagen, wodurch ein Geräusch während einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich verhindert wird.
  • Auf diese Art und Weise kann eine Wegstrecke des Kolbens verringert werden, wodurch die Fallhöhe des Kolbens verringert wird. Demzufolge kann ein durch einen Aufprall zwischen der Blechoberfläche des Ventils und dem Kolben erzeugter Anstoß minimiert werden, wodurch ein Geräusch an dem unteren Teil des Ventils verringert wird. Durch Einspeisen eines Haltestroms zusammen mit einem Spitzenstrom kann eine Kraft in der Gegenrichtung zu der Fallrichtung des Kolbens während dem Fall des Kolbens aufgebracht werden, wodurch die Fallgeschwindigkeit des Kolbens relativ verringert wird und somit ein durch den Aufprall verursachtes Geräusch zusätzlich verringert wird. Ein geräuschabsorbierendes Element, das aus einem ein Geräusch absorbierbaren Material gebildet ist, kann auf der Blechoberfläche des Ventils hinzugefügt werden, um die Erzeugung eines Geräuschs vollständig zu verhindern.
  • In einer Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem kann ein Kontakt mit dem oberen Teil des Ventils an dem Kolben-Steigungsabschnitt blockiert werden und die Fallgeschwindigkeit und Fallhöhe kann an der Kolben-Fallstrecke geregelt werden, wodurch ein durch einen Kontakt mit dem unteren Teil des Ventils verursachtes Geräusch in hohem Maße verringert wird.
  • Demzufolge, in einem Verfahren zum Regeln der Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, kann ein Geräusch durch Regeln eines eingespeisten Stroms unter Verwendung des Spitzen- und Haltestrom-Verfahrens in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich bedeutsam verringert werden. In diesem Fall kann die Pulse-Flow-Regelung durch Anpassen des Grades der Verringerung eines Geräusches auf einen erforderlichen Grad durch geeignetes Regeln von vier Parametern des Spitzenstromwerts mit Bezug auf den eingespeisten Strom, die Spitzenstrom-Anwendungsdauer, den Haltestromwert und der Haltestrom-Anwenungsdauer durchgeführt werden.
  • Anschaulich kann eine Verringerung der Haltbarkeit und Geräuscherzeugung aufgrund einer Abrasion durch Anpassen der Bewegungsrichtung des Ventilkolbens mit der Gravitationsrichtung verhindert werden, und ein Geräusch kann durch Hinzufügen eines geräuschabsorbierenden Elements auf dem unteren Endbereich des Ventilkolbens vollständig verhindert werden.
  • 6 stellt ein konkretes Beispiel zum Durchführen der Spitzen- und Haltestrom-Regelung dar. Wie in 6 gezeigt, in der Spitzen- und Haltestrom-Regelung, kann ein bestimmter Spitzenstromwert (p1) für eine bestimmte Spitzenstrom-Anwendungsdauer (t1) eingespeist werden, und dann kann ein bestimmter Haltestromwert (h1) für eine bestimmte Haltestrom-Anwendungsdauer (t2) eingespeist werden. Nach einer bestimmten Zeitdauer (t3), gemäß einem vorbestimmten Ein-/Aus-Zyklus, kann die Einspeisung des Spitzenstroms und des Haltestroms wie oberhalb beschrieben wiederholt werden. 6 zeigt einen Brennstoffvorlaufmengen/Ansaugstrom-Graph und den Kolbenpositions-Graph des durch die Stromreglung des Spitzen- und Haltestrom-Verfahrens geregelten Proportional-Magnetventils.
  • Wie in dem Kolbenpositions-Graph von 6 gezeigt, wird der Spitzenstrom derart geregelt, so dass die Position des Kolbens nicht den einer 100% Öffnung entsprechenden oberen Totpunkt erreicht. Es kann ebenfalls überprüft werden, dass das Fallen des Ventils schrittweise durchgeführt und ein Geräusch verringert wird.
  • Ebenfalls, wie indem Brennstoffvorlaufmengen-/Ansaugstrom-Graph gezeigt, wird die Wasserstoffrückführleistung durch periodisches Bereitstellen der Kraftstoffvorlaufmenge/des Ansaugstroms mit einer bestimmten Höhe oder mehr noch in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich verbessert.
  • Wasserstoffzufuhr-Regelung bei hoher Leistung
  • Andererseits kann die Wasserstoffzufuhr-Regelung bei einer höheren Leistung als die Referenzleistung durch Regeln von sowohl des Wasserstoffversorgungsdrucks als auch der -Menge geregelt werden. Der Wasserstoffversorgungsdruck kann durch eine Proportional-Integral-Differenzial-(PID)Druckregelung eingestellt werden, die eine Regelung durch Berechnen der Differenz zwischen einem Solldruck für eine Wasserstoffzufuhr und einem Stapeleinlassdruck durchführt. Die Wasserstoff-Vorlaufmenge kann durch Einstellen des Ansteigens und Fallens in der Höhe des Kolbens gemäß dem eingestellten Wasserstoffversorgungsdruck geregelt werden, um die Querschnittsfläche einer Öffnung zu verändern.
  • Demzufolge kann sich die Querschnittsfläche der Öffnung 43, durch welche Wasserstoff durchströmt, erhöhen, und gleichzeitig kann sich der von einem Wasserstoffbehälter durch die Öffnung 43 zugeführte Wasserstoff linear erhöhen, was dadurch ermöglicht wird, dass der Kolben 48 des Proportional-Magnetventils 40 gemäß dem durch die PID-Druckregelung eingestellten Wasserstoffversorgungsdruck linear hochsteigt und fällt.
  • Gleichzeitig, wenn Wasserstoff-Brennstoff kontinuierlich durch die Düse 26 der Strahlpumpe 16 eingespritzt wird, kann ein Vakuum an der Seite des Wasserstoffrückführungseinlasses 28 der Strahlpumpe 16 erzeugt werden. Demzufolge kann nicht reagierter Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, in einfacher Weise durch den Wasserstoff-Rückführungseinlass 28 angesaugt werden und kann in den Stapel zusammen mit neuen Wasserstoff rückgeführt werden. Auf diese Weise kann ein Geräusch durch Regeln des Wasserstoffdurchflusses mit einer linearen Bewegung des Kolbens des Proportional-Magnetventils verhindert werden und eine Wasserstoffrückführung kann einfach erreicht werden, weil die durch die Strahlpumpe eingespritzte Wasserstoff-Brennstoffversorgung ausreichend ist.
  • Die vorliegende Erfindung weist die folgenden Vorteile auf.
  • Gemäß den Ausführungsbeispielen, da eine Brennstoffversorgung durch ein Pulse-Flow-Regelverfahren während einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems im unteren Leistungsbereich durchgeführt wird, und die Ansauleistung von rückgeführten Gas einer Strahlpumpe (Ejektor) maximiert wird, kann ein ausreichender Rückfluss selbst bei einem Betrieb im unteren Leistungsbereich gewährleistet werden. Ein unterer Leistungsbereich, der das obige ermöglicht, befindet sich zum Beispiel in dem Bereich von 5–30% der Gesamtleistung, vorzugsweise 10–20% der Gesamtleistung. Ebenfalls, da ein Kolben keinen starken Stoß erzeugt und Gas aufgrund der Eigenschaften des Proportional-Magnetventils komprimiert, wird kein wesentliches Geräusch erzeugt.
  • Darüber hinaus, da der Betrieb zum Hochsteigen und Fallen des Ventilkolbens durch Einstellen eines Spitzenstroms und eines Haltestroms unter Verwendung einer Ventilsteuerung stufenweise geregelt werden kann, kann der allgemeine Lärm in hohem Maße verhindert werden, um ein geräuscharmes Fahrverhalten bereitzustellen. Darüber hinaus wird die Ventil-Proportional-Regelung (z. B. PID-Druckregelung) durch Berechnen der Differenz zwischen einem Solldruck für eine Wasserstoffversorgung und einem Stapeleinlassdruck durchgeführt, wenn die Wasserstoffversorgung bei einem Abschnitt im hohen Leistungsbereich geregelt wird. In diesem Fall kann die für einen Stapel erforderliche Wasserstoffmenge zugeführt werden und es kann eine die optimale Leistung aufweisende Strahlpumpe betrieben werden. Demzufolge kann ein ausreichender Saugstrom einer Wasserstoffrückführung erreicht werden.
  • Demzufolge können in einer Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung eines Brennstoffzellensystems und einem Verfahren zum Regeln derselben ein effizientes Wasserstoffrückführungssystem durch Verbinden eines Proportional-Magnetventils mit einer Strahlpumpe und Regeln derselben gemäß einer Referenzleistung ohne zusätzliche Komponenten wie zum Beispiel einem Gebläse oder einer Mehrzahl von Strahlpumpen ausgeführt werden.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Regeln einer Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems, aufweisend: eine Strahlpumpe, die an einem Einlass eines Brennstoffzellenstapels angeordnet und direkt mit diesem verbunden ist, und eingerichtet ist, um Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel zuzuführen und rückzuführen; ein Proportional-Magnetventil, das mit einer Wasserstoffversorgungsleitung verbunden ist, und mit einem Düseneinlass innerhalb der Strahlpumpe strömungstechnisch in Verbindung steht, um die Wasserstoffversorgung zu der Strahlpumpe zu regeln; und eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Betriebs des Proportional-Magnetventils basierend auf einer von dem Brennstoffzellensystem angeforderten Leistungsmenge, wobei die Regeleinrichtung den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Pulse-Flow-Regelverfahren während einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich regelt, in welchem eine augenblickliche Leistung weniger als eine vorbestimmte Referenzleistung ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regeleinerichtung den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Proportional-Regelverfahren während einem Abschnitt im hohen Leistungsbereich regelt, in welchem die augenblickliche Leistung größer als die vorbestimmte Referenzleistung ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Regelung während dem Abschnitt im hohen Leistungsbereich durch eine Proportional-Integral-Differenzial-(PID)Druckregelung durchgeführt wird, die eine Differenz zwischen einem Solldruck für die Wasserstoffversorgung und einem Stapeleinlassdruck berechnet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regelung während dem Abschnitt im unteren Leistungsbereich ein Regeln einer Brennstoffversorgung durch Einspeisen eines Spitzenstroms und eines Haltestroms in das Proportional-Magnetventil gemäß einem Spitzen- und Haltestromverfahren aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei, in der in dem Abschnitt im unteren Leistungsbereich durch das Spitzen- und Haltestromverfahren durchgeführten Regelung, die Brennstoffversorgung durch Verändern von zumindest einem aus einem Spitzenstromwert, einer Spitzenstromanwendungsdauer, einem Haltestromwert und einer Haltestromanwendungsdauer geregelt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Proportional-Magnetventil einen Ventilkolben, der in einer Gravitationsrichtung betrieben wird, und ein geräuschabsorbierendes Element aufweist, das zu einem unteren Endbereich des Ventilkolbens oder einem mit dem Ventilkolben zusammenprallenden Ventilkörper hinzugefügt ist.
  7. Verfahren zum Regeln einer Wasserstoff-Brennstoffversorgungs-Regelvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: Einleiten einer Wasserstoffversorgung zu einem Brennstoffzellenstapel; Messen einer augenblicklichen Leistung des Brennstoffzellensystems, um die augenblickliche Leistung mit einer vorbestimmten Referenzleistung zu vergleichen; und Bestimmen eines Verfahrens zum Regeln eines Proportional-Magnetventils gemäß einem Ergebnis des Vergleichs und Regeln eines Betriebs des Proportional-Magnetventils durch eine Regeleinrichtung, wobei das Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils ein Regeln des Betriebs des Ventils durch ein Pulse-Flow-Regelungsverfahren während einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich, in welchem die augenblickliche Leistung niedriger als die Referenzleistung ist, und ein Regeln des Betriebs des Ventils durch ein Proportional-Regelungsverfahren bei einem Abschnitt im hohen Leistungsbereich, in welchem die augenblickliche Leistung höher als der Referenzwert ist, aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei, in dem Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils, das Regeln bei dem Abschnitt im unteren Leistungsbereich ein Regeln einer Brennstoffversorgung durch Einspeisen eines Spitzenstroms und eines Haltestroms in das Proportional-Magnetventil gemäß einem Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren ein Verringern des Geräusches durch Regeln einer Größe und einer Anwendungszeit eines Haltestromwerts aufweist, um das Herunterfallen eines Ventilkolbens in eine Mehrzahl von Stufen zu teilen, und somit einen durch einen Aufprall im unteren Totpunkt erzeugten Anstoß zu verringern.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Spitzen- und Halte-Regelungsverfahren ein Verringern des Geräusches durch Regeln einer Größe und einer Anwendungszeit eines Spitzenstromwerts aufweist, um eine Position eines Ventilkolbens zu regeln, und somit einen Aufprall an einer inneren Oberfläche eines Ventilkörpers des Proportional-Magnetventils zu verhindern.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei, in dem Regeln des Betriebs des Proportional-Magnetventils, das Regeln während dem Abschnitt im unteren Leistungsbereich ferner aufweist ein Vergleichen eines gemessenen Wasserstoffversorgungsdrucks mit einem vorbestimmten Solldruck, und Regeln des Betriebs des Ventils durch das Pulse-Flow-Regelungsverfahren, wenn der gemessene Druck niedriger als der Solldruck ist, und Schließen des Proportional-Magnetventils, wenn der gemessene Druck größer als der Solldruck ist.
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