DE102013223470B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem (S1, S2), welches aufweist:eine Brennstoffzelle (11), die durch einem Brenngasfluidkanal (11a) zugeführtes Brenngas und durch einem Oxidationsgasfluidkanal (11c) zugeführtes Oxidationsgas Elektrizität erzeugt;einen ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4), durch den zum Brenngasfluidkanal (11a) geleitetes Brenngas fließt;einen Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8), durch den von dem Brenngasfluidkanal (11a) abgegebenes Brenn-Abgas fließt;einen Rücklauffluidkanal (a6), durch den Brenn-Abgas fließt, das von dem Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8) zu dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) zurückkehrt;eine erste Brenngasinjektionsvorrichtung (23A), die in dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (11 a) vorgesehen ist und durch Öffnen und Schließen eines Ventils Brenngas injiziert;einen Ejektor (24), der in dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) stromab der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) vorgesehen ist und Brenn-Abgas, das von dem Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8) über den Rücklauffluidkanal (a6) zu dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) zurückkehrt, mit Brenngas vermischt, das von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) zu injizieren ist;einen zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3), durch den zum Brenngasfluidkanal (11 a) geleitetes Brenngas fließt, und ein stromabwärtiges Ende des zweiten Brenngaszufuhrfluidkanals (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3) mit dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) stromab des Ejektors (24) verbunden ist;eine zweite Brenngasinjektionsvorrichtung (23B), die in dem zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3) vorgesehen ist und durch Öffnen und Schließen eines Ventils Brenngas injiziert; undein Steuermittel (50) zum Steuern oder Regeln der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) und der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B),dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (50) aufweist:ein Intervallsetzmittel (502, 507) zum Setzen eines ersten Intervalls (Int(A)),das aus einer Öffnungszeitdauer und einer Schließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) besteht, und eines zweiten Intervalls (Int(B)), das aus einer Öffnungszeitdauer und einer Schließzeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) besteht;ein Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) zum Berechnen einer angeforderten Brenngasmenge, die zur Elektrizitätserzeugung in der Brennstoffzelle (11) erforderlich ist;wobei das Steuermittel (50)die Strömungsrate des von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) injizierten Brenngases einstellt, indem sie die Ventilöffnungszeitdauer und die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A), die abwechselnd wiederholt werden, einstellt undbewirkt, dass zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) sich mit der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) überschneidet, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) geöffnet ist,wobei das Intervallsetzmittel (502, 207)das erste Intervall (Int(A)) und das zweite Intervall (Int(B)) gleichzeitig startet und beendet, wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist; unddie Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) als das zweite Intervall (Int(B)) setzt, wenn die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der vorbestimmte Wert ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das Brenngaseinspritzvorrichtungen enthält, wie etwa Injektoren.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • In den letzten Jahren sind Brennstoffzellen entwickelt worden, die durch Zufuhr von Wasserstoff (Brenngas) und sauerstoffhaltiger Luft (Oxidationsgas) Elektrizität erzeugen, und die zum Beispiel als Antriebsquellen für Brennstoffzellenfahrzeuge anwendbar sind. Die Strömungsrate und der Druck des der Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem zugeführten Wasserstoffs werden zum Beispiel unter Verwendung von Reglern und Injektoren eingestellt. Insbesondere, wenn Injektoren verwendet werden, können zum Beispiel Einspritzzeitpunkt und Einspritzzeitgebung bzw. -punkt des Wasserstoffs durch Öffnen und Schließen von Ventilkörpern mit elektromagnetischer Antriebskraft eingeregelt werden, die in einer Pulsform mit einem Intervall einer vorbestimmten Zeitdauer (Intervall) angelegt wird.
  • Zum Beispiel beschreibt die JP 2012 - 119 300 A auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, eine Brennstoffsteuervorrichtung, worin eine Mehrzahl von Injektoren in Serie oder parallel zu Sauerstoffzufuhrwegen vorgesehen sind, wo Wasserstoff von einer Wasserstoffzufuhreinheit der Brennstoffzelle zugeführt wird. Darüber hinaus beschreibt die JP 2012 - 119 300 A die Öffnungs- und Schließsteuerung der Injektoren derart, dass die Injektoren in Intervallen mit gleicher Zyklusdauer und mit gleichen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen werden.
  • Darüber hinaus beschreibt die JP 2011 - 179 333 A die Anordnung eines Hauptzufuhrinjektors und eines Hilfszufuhrinjektors jeweils stromauf des Ejektors, wobei der Hauptzufuhrinjektor und der Hilfszufuhrinjektor Wasserstoff im Wesentlichen abwechselnd mit zeitlicher Phasendifferenz einspritzen.
  • In der JP 2010 - 267 551 A wird ein Brennstoffzellensystem mit parallel geschalteten Injektoren für Brenngas beschrieben. Eine Steuereinheit steuert jeden einzelnen Injektor derart, dass die gewünschte Brenngasmenge zugeführt werden kann. Dabei können die einzelnen Injektoren pulsartig angesprochen werden. Pulsdauer und -frequenz der einzelnen Injektoren können wie gewünscht aufeinander abgestimmt werden. Damit werden die Belastungen der einzelnen Injektoren reduziert und deren Lebensdauer erhöht.
  • Die Ventilöffnungszeitdauer des im Injektor enthaltenen Ventilkörpers wird gemäß der Zeitdauer gesteuert, mit der ein Magnetventil unter Strom gesetzt wird, das eine Quelle zur Erzeugung der oben beschriebenen elektromagnetischen Antriebskraft ist. Es sollte angemerkt werden, dass, wenn wir annehmen, dass die EIN-Tastung während eines Antriebsintervalls des Injektors 100% ist (d.h., wenn der Injektor fortlaufend unter Strom gesetzt ist), die Möglichkeit besteht, dass die Vorrichtung durch Überhitzung festhängt. Daher ist es erforderlich, während des Intervalls eine vorbestimmte AUS-Zeitdauer zu setzen, auch wenn die Injektoren mit maximaler EIN-Tastung angetrieben werden. Unterdessen wird in den Brennstoffzellen fortlaufend Wasserstoff verbraucht. Dementsprechend entsteht bei der in JP 2012 - 119 300 A beschriebenen Technik die Möglichkeit, dass, infolge der Einstellung der oben beschriebenen AUS-Zeitperiode, Wasserstoff nicht in einer ausreichenden Menge zugeführt werden kann, die der angeforderten Wasserstoffmenge der Brennstoffzelle entspricht.
  • Wenn darüber hinaus die erforderliche Wasserstoffmenge zu Beginn des Intervalls klein ist, wird die oben beschriebene EIN-Tastung der Mehrzahl von Injektoren natürlich auf einen kleinen Wert gesetzt, und daher ist auch die Wasserstoffzufuhrmenge während des gegenwärtigen Intervalls klein. Wenn hier in der in JP 2012 - 119 300 A beschriebenen Technik die erforderliche Wasserstoffmenge vor der Startzeit des nächsten Intervalls rasch zugenommen hat, könnten Fehler in der Stöchiometrie auftreten, da Wasserstoff nicht sofort gemäß einer solchen Änderung der erforderlichen Wasserstoffmenge zugeführt werden kann.
  • Darüber hinaus sind in der in JP 2011 - 179 333 A beschriebenen Technik der Hauptzufuhrinjektor und der Hilfszufuhrinjektor stromauf des Ejektors angeordnet. Daher gibt es Druckverluste in den Injektoren beim Einspritzen von Wasserstoff von jedem Injektor, und daher könnte der Wasserstoff nicht mit ausreichender Strömungsrate der Brennstoffzelle zugeführt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das Brenngas geeignet zuführen kann.
  • Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 angegeben.
  • Bei dieser Struktur wird das von der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung zu injizierende Brenngas dem Brenngasfluidkanal über den zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal zugeführt (d.h., ohne den Ejektor zu durchfließen, wo der Druckverlust groß ist). Daher ist es möglich, Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden, indem das von der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung injizierte Brenngas mit dem Brenngas und dem Brennabgas vermischt wird, die über den Ejektor zu dem Brenngasfluidkanal geleitet werden.
  • Darüber hinaus bewirkt das Steuermittel, dass zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung sich mit der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung überlappt, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung geöffnet wird. D.h., das Steuermittel bewirkt, dass das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung in zumindest einem Teil der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung von der Ventilöffnungszeitdauer und der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung, die abwechselnd wiederholt werden, öffnet. Daher kann das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht werden, und es ist möglich, den kontinuierlichen Brenngasverbrauch zu berücksichtigen.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Steuermittel bewirkt, dass eine kontinuierliche Zeitdauer, in der die Ventile sowohl der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung als auch der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung geschlossen sind, nicht größer als oder gleich einer vorbestimmten Zeitdauer wird, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung geöffnet ist.
  • Bei dieser Struktur ist es möglich, eine kontinuierliche Zeitdauer, wenn das Brenngas der Brennstoffzelle nicht zugeführt wird, kleiner als oder gleich einer vorbestimmten Zeitdauer zu machen. D.h., Fehler in der Stöchiometrie können vermieden werden, indem das Brenngas, das von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung und der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung injiziert wird und in den ersten Brenngaszufuhrfluidkanal mündet, in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht wird.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Steuermittel bewirkt, dass die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung eine Zeit in der Nähe einer Mitte der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung enthält, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung geöffnet ist.
  • Bei dieser Struktur bewirkt das Steuermittel, dass die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung eine Zeit in der Nähe der Mitte der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung enthält. Daher ist es möglich, die Zeitdauer zu verkürzen, wenn das Brenngas der Brennstoffzelle nicht kontinuierlich zugeführt wird, und Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Steuermittel aufweist: ein erstes Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel zum Berechnen der Ventilöffnungszeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung während des ersten Intervalls; ein zweites Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel zum Berechnen der Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls; und ein Injektionsstartzeitsetzmittel zum Setzen einer Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung derart, dass die zweite Brenngasinjektionsvorrichtung während zumindest die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung in einem offenen Ventilzustand ist, wenn zur Ventilöffnungs-Startzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung hohe Leistung angefordert wird.
  • Bei dieser Struktur setzt das Injektionsstartzeitsetzmittel die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung derart, dass die zweite Brenngasinjektionsvorrichtung während zumindest der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung im Ventilöffnungszustand ist, wenn zur Ventilöffnungs-Startzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung eine hohe Leistung angefordert wird. Daher ist eine Anpassung an hohen Leistungsbedarf möglich, indem das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas zu einer kontinuierlichen Strömung gemacht wird.
  • Darüber hinaus ist es im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Intervallsetzmittel das erste Intervall und das zweite Intervall gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge setzt; das erste Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel eine Ventilöffnungszeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung während des ersten Intervalls gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge berechnet; und das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel eine Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge berechnet.
  • Bei dieser Struktur werden das Intervall (erste Intervall) und die Ventilöffnungszeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung berechnet, und werden das Intervall (zweite Intervall) und die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung gemäß der angeforderten Brenngasmenge berechnet. Daher ist es möglich, das Brenngas in einer Menge entsprechend der angeforderten Brenngasmenge der Brennstoffzelle zuzuführen, weder zu viel noch zu wenig als notwendig.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Injektionsstartzeitsetzmittel die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge derart setzt, dass die Ventilöffnungsendzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung mit der Endzeit des ersten Intervalls übereinstimmt.
  • Bei dieser Struktur bewirkt das Injektionsstartzeitsetzmittel, dass die Ventilöffnungs-Endzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung mit der Endzeit des ersten Intervalls übereinstimmt, gemäß der angeforderten Brenngasmenge, die durch das Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechnet wird. Selbst wenn daher die angeforderte Brenngasmenge rasch zugenommen hat, ist es nach Beendigung der Ventilöffnung der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung möglich, die Brenngaszufuhr mit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung zu unterstützen und Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Intervallsetzmittel die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung während des ersten Intervalls als das zweite Intervall gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge setzt; und das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls zur Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung berechnet.
  • Bei dieser Struktur berechnet das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls als die Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung. D.h., das Brenngas wird zeitlich abwechselnd von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung und der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung zugeführt. Selbst wenn daher nach dem Start der Ventilöffnung der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung hohe Leistung angefordert wird, ist es möglich, mit dieser Situation sofort zurechtzukommen.
  • Darüber hinaus setzt in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel berechneten angeforderten Brenngasmenge, auf Null.
  • Bei dieser Struktur setzt das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung gemäß der angeforderten Brenngasmenge auf Null. Daher ist es möglich, eine unnötige (überschüssige) Brenngaszufuhr zur Brennstoffzelle zu vermeiden.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Injektionsstartzeitsetzmittel bevorzugt, wenn das Injektionsstartzeitsetzmittel die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung setzt.
  • Bei dieser Struktur setzt das Injektionsstartzeitsetzmittel die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung. Daher kann die Injektionszeitgebung der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls korrekt und flexibel gemäß der angeforderten Brenngasmenge gesetzt werden.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Intervallsetzmittel das zweite Intervall auf den gleichen Zeitperiodenabschnitt wie das erste Intervall setzt.
  • Gemäß dieser Struktur setzt das Intervallsetzmittel das zweite Intervall auf den gleichen Zeitperiodenabschnitt wie das erste Intervall. Hierdurch kann die Ventilöffnungs-Startzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung auf eine beliebige Zeit während des Intervalls der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (ersten Intervalls) gesetzt werden. Daher ist es möglich, das Brenngas mit einer Strömungsrate entsprechend dem Sollwert der Brenngaszufuhrmenge zuzuführen.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Injektionsstartzeitsetzmittel die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung derart setzt, dass eine Ventilschließfortsetzungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung während des zweiten Intervalls nicht größer als oder gleich einer vorbestimmten Zeitdauer wird.
  • Bei dieser Struktur ist es möglich, die Zeitdauer, wenn das Brenngas der Brennstoffzelle nicht zugeführt wird, auf kleiner als oder gleich einer vorbestimmten Zeitperiode zu verkürzen. Das heißt, es lassen sich Fehler in der Stöchiometrie vermeiden, indem das von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung und der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung injizierte Brenngas in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht wird.
  • Darüber hinaus ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bevorzugt, wenn das Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel die angeforderte Brenngasmenge gemäß einer Gaspedalstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs berechnet, in das das Brennstoffzellensystem eingebaut ist.
  • Bei dieser Struktur berechnet das Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel die angeforderte Brenngasmenge entsprechend der Gaspedalstellung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Daher ist es möglich, das Brenngas in der Menge entsprechend der angeforderten Brenngasmenge der Brennstoffzelle zuzuführen.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches das Brenngas geeignet zuführen kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine Gesamtstrukturansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ist ein Blockdiagramm einer Struktur eines Abschnitts einer ECU in Bezug auf die Steuerung der Injektoren;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU während der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU während der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 5A ist ein Zeitdiagramm das zeitliche Änderungen in der angeforderten Brenngasmenge zeigt;
    • 5B ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors A zeigt;
    • 5C ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors B zeigt;
    • 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU während der Steuerung jedes Injektors in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der vom Betrieb der ECU während der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 8A ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen in der angeforderten Brenngasmenge zeigt;
    • 8B ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors A zeigt;
    • 8C ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors B zeigt;
    • 8D ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors C zeigt;
    • 9 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur eines Abschnitts in Bezug auf die Injektorsteuerung der ECU zeigt, die in dem Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
    • 10 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU bei der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 11 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU bei der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 12 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU bei der Steuerung jedes Injektors zeigt;
    • 13A ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen im Anodendruck zeigt;
    • 13B ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors A zeigt;
    • 13C ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors B zeigt;
    • 14 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU beim Steuern jedes Injektors bei der Hochfahrzeitsteuerung zeigt;
    • 15A bis 15C sind Zeitdiagramme in Bezug auf die Hochfahrzeitsteuerung;
    • 15A ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen in der Anoden-Wasserstoff-Konzentration zeigt;
    • 15B ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors A zeigt;
    • 15C ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors B zeigt;
    • 16 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU bei der Steuerung von einem der Injektoren in der Hochleistungs-Zeitsteuerung zeigt;
    • 17 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsfluss der ECU bei der Steuerung des anderen der Injektoren bei der Hochleistungs-Zeitsteuerung zeigt;
    • 18A bis 18D sind Zeitdiagramme in Bezug auf die Hochleistungs-Zeitsteuerung;
    • 18A ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen im Anodendruck zeigt;
    • 18B ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen in Stromwerten zeigt;
    • 18C ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors A zeigt;
    • 18D ist ein Zeitdiagramm, das zeitliche EIN/AUS-Änderungen des Injektors B zeigt; und
    • 19 ist eine Gesamtstrukturansicht des Brennstoffzellensystems gemäß einem modifizierten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend werden die Ausführungen der vorliegenden Erfindung bei Bedarf in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Obwohl nachfolgend als Beispiel Fälle beschrieben werden, wo die Brennstoffzellensysteme S1 und S2 auf ein Brennstoffzellenfahrzeug angewendet werden, ist die Erfindung nicht auf die Anwendung an Brennstoffzellenfahrzeugen beschränkt. Zum Beispiel können die Brennstoffzellensysteme S1 und S2 auch für bewegliche Objekte verwendet werden, wie etwa Schiffe und Flugzeuge, und können auch für stationäre Systeme verwendet werden.
  • « Erste Ausführung »
  • < Struktur des Brennstoffzellensystems >
  • 1 ist eine Gesamtstrukturansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem S1 enthält: eine Brennstoffzelle 11, ein Anodensystem, das einer Anode der Brennstoffzelle 11 Wasserstoff (Brenngas) zuführt; ein Kathodensystem, das einer Kathode der Brennstoffzelle 11 sauerstoffhaltige Luft (Oxidationsgas) zuführt; ein Stromverbrauchsystem, das den von der Brennstoffzelle 11 erzeugten Strom verbraucht; und eine ECU 50 (Steuermittel), die die obigen Einheiten steuert/regelt.
  • < Brennstoffzelle >
  • Die Brennstoffzelle 11 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) und ist durch Laminieren einer Mehrzahl von Einzelzellen (nicht dargestellt) aufgebaut, worin ein Paar von elektrisch leitfähigen Separatoren (nicht dargestellt) eine Membranelektrodenanordnung (MEA) (nicht dargestellt) zwischen sich aufnehmen und halten. Nuten und Durchgangslöcher sind in jedem Separator der Brennstoffzelle 11 ausgebildet, um den Wasserstoff oder Sauerstoff über die gesamte Oberfläche der Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Diese Nuten und Durchgangslöcher fungieren als Anodenfluidkanal 11a (Brenngasfluidkanal) und Kathodenfluidkanal 11c (Oxidationsgasfluidkanal). Es sollte angemerkt werden, dass in jedem Separator auch ein Kühlmittelfluidkanal (nicht dargestellt) ausgebildet ist, durch den Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 11 fließt.
  • Wenn Wasserstoff dem Anodenfluidkanal 11 a zugeführt wird und sauerstoffhaltige Luft dem Kathodenfluidkanal 11c zugeführt wird, findet eine vorbestimmte Elektrodenreaktion in der Brennstoffzelle 11 statt, und es wird dort eine elektrische Potentialdifferenz (OCV: Leerlaufspannung) in jeder Einzelzelle erzeugt. Wenn anschließend von der Brennstoffzelle 11 elektrischer Strom abgenommen wird und der Antriebsmotor 43 als elektrische Last elektrisch angeschlossen ist, findet die Elektrodenreaktion in der Brennstoffzelle 11 statt.
  • < Anodensystem >
  • Das Anodensystem enthält: einen Wasserstofftank 21, ein Absperrventil 22, einen Injektor 23A (erste Brenngasinjektionsvorrichtung), einen Injektor 23B (zweite Brenngasinjektionsvorrichtung), einen Ejektor 24 und ein Spülventil 25. Der Wasserstofftank 21 ist mit dem Absperrventil 22 über die Rohrleitung a1 verbunden und wird mit hochreinem Wasserstoff mit hohem Kompressionsdruck gefüllt. Das Absperrventil 22 ist ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisches Ventil, das mit dem Injektor 23A über die Rohrleitung a2 verbunden ist, und wird gemäß Anweisungen von der ECU 50 geöffnet und geschlossen.
  • Der Injektor 23A (erste Brenngasinjektionsvorrichtung) ist eine Vorrichtung, die durch Öffnen und Schließen gemäß Anweisungen von der ECU Brenngas injiziert. Die stromaufwärtige Seite des Injektors 23A ist mit dem Absperrventil 22 über die Rohrleitung a2 verbunden, und die stromabwärtige Seite ist mit dem Ejektor 24 über eine Rohrleitung a3 verbunden. Übrigens ist in den Zeichnungen der Ejektor 23A als „INJ A“ oder „INJEKTOR A“ bezeichnet.
  • Wenn das Absperrventil 22 gemäß Anweisungen von der ECU 50 öffnet und der Injektor 23A geöffnet wird, wird der Wasserstoff im Wasserstofftank mit dem Anodenfluidkanal 11a durch den ersten Brenngaszufuhrfluidkanal zugeführt. Hier ist der „erste Brenngaszufuhrfluidkanal“ so konfiguriert, dass er die Rohrleitungen a1, a2, a3 und a4 enthält, und sein eines Ende mit dem Wasserstofftank 21 verbunden ist und sein anderes Ende mit dem Einlass des Anodenfluidkanals 11a verbunden ist.
  • Zum Beispiel enthält der Injektor 23A: einen Ventilkörper (nicht dargestellt), der einen Ventilsitz (nicht dargestellt) berührt und sich davon löst; sowie ein Solenoid (nicht dargestellt), das als Antriebsquelle des Ventilkörpers dient. Wenn eine pulsförmige Spannung gemäß den Anweisungen von der ECU 50 angelegt wird, fließt ein magnetisierender Strom in das Solenoid, und der Injektor 23A öffnet und schließt mit vorbestimmten Intervallen. Übrigens bedeutet das oben beschriebene „Intervall“ eine Zeitdauer oder -periode, die für einen Zyklus beim Öffnen und Schließen des Injektors 23A erforderlich ist (d.h., eine Öffnungszeitdauer und eine Schließzeitdauer des Injektors 23A). Das Gleiche gilt für den Injektor 23B, der später beschrieben wird.
  • Der Injektor 23B (zweite Brenngasinjektionsvorrichtung) ist eine Vorrichtung, die durch Öffnen und Schließen gemäß Anweisungen von der ECU 50 Brenngas injiziert. Die stromaufwärtige Seite des Injektors 23B ist mit der Rohrleitung a2 über die Rohrleitung b1 verbunden, und die stromabwärtige Seite ist mit der Rohrleitung a4 über die Rohrleitung b2 verbunden. Übrigens ist in den Zeichnungen der Injektor 23B als „INJ B“ oder „INJEKTOR B“ bezeichnet.
  • Da die Struktur des Injektors 23B in der vorliegenden Ausführung die gleiche wie jene des Injektors 23A ist, wird die Beschreibung weggelassen. Wenn das Absperrventil 22 gemäß den Anweisungen von der ECU 50 geöffnet wird und der Injektor 23B geöffnet wird, wird Wasserstoff im Wasserstofftank 21 dem Anodenfluidkanal 11a durch den zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal und die Rohrleitung a4 zugeführt. Hier ist der „zweite Brenngaszufuhrfluidkanal“ so konfiguriert, dass er die Rohrleitungen a1, a2, b1 und b2 enthält. Sein eines Ende ist mit dem Wasserstofftank 21 verbunden, und sein anderes Ende ist mit dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (Rohrleitung a4) verbunden. D.h., der zweite Brenngaszufuhrfluidkanal ist mit dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal derart verbunden, dass sich zum Anodenfluidkanal 11 a geleiteter Wasserstoff mit dem Brenngas vereinigt, das durch den ersten Brenngaszufuhrfluidkanal fließt.
  • Den Injektoren 23A und 23B wird von der Brennstoffzelle 11 oder einer Batterie (nicht dargestellt) elektrischer Strom zugeführt. Darüber hinaus kann die Größenrelation zwischen dem Bohrungsdurchmesser der im Injektor 23A enthaltenen Düse (nicht dargestellt) und dem Bohrungsdurchmesser der in dem Injektor 23B enthaltenen Düse (nicht dargestellt) nach Bedarf eingestellt werden.
  • Der Ejektor 24 ist mit dem Einlass des Anodenfluidkanals 11a über die Rohrleitung a4 verbunden, und es wird in der Umgebung seiner Düse 24p ein Unterdruck erzeugt, infolge davon, dass von der Düse 24p der von dem Wasserstofftank 21 zugeführte Wasserstoff ejiziert wird. Das Brenn-Abgas (das nicht-reagierten Wasserstoff enthält), das von einem Auslass des Anodenfluidkanals 11a abgegeben wird, wird dem Anodenfluidkanal 11 a über die Rohrleitung a4 zugeführt, nachdem es über die Rohrleitungen a5 und a6 durch den oben beschriebenen Unterdruck angesaugt und mit Wasserstoff in dem Diffusor 24q vermischt worden ist.
  • Das Spülventil 25 hat die Funktion, Verunreinigungen (z.B. Wasserdampf und Stickstoff), die in dem Zirkulationsfluidkanal einschließlich der Rohrleitung a4, dem Anodenfluidkanal 11a und den Rohrleitungen a5 und a6 akkumuliert worden sind, durch den Brenn-Abgasabführfluidkanal zu einem Verdünner 32 abzuführen, indem das Ventil gemäß den Anweisungen von der ECU 50 intermittierend geöffnet wird. Hier ist der „Brenn-Abgasabführfluidkanal“ so konfiguriert, dass er die Rohrleitungen a5, a7 und a8 enthält. Darüber hinaus ist der „Rücklauffluidkanal“, durch den das Brenn-Abgas fließt, das von dem oben beschriebenen Brenn-Abgasabführfluidkanal zu dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal zurückkehrt, so konfiguriert, dass er die Rohrleitung a6 enthält.
  • Es sollte angemerkt werden, dass das stromabwärtige Ende der in 1 gezeigten Rohrleitung b2 (zweiter Brenngaszufuhrfluidkanal) mit der Rohrleitung a4 (erster Brenngaszufuhrfluidkanal) stromab des Ejektors 24 verbunden ist. Das Abgas, das von dem Anodenfluidkanal 11a abgegeben wird und zur Rohrleitung a4 (erster Brenngaszufuhrfluidkanal) über die Rohrleitung a5 (Brenn-Abgasabführfluidkanal) und die Rohrleitung a6 (Rücklauffluidkanal) zurückkehrt, und der vom Injektor 23A injizierte Wasserstoff werden in dem Ejektor 24 miteinander vermischt, der stromab des Injektors 23A angeordnet ist, und sie werden dem Brenngasfluidkanal 11a über die Rohrleitung a4 zugeführt.
  • < Kathodensystem >
  • Das Kathodensystem enthält einen Kompressor 31 und einen Verdünner 32. Durch Rotation eines internen Impellers (nicht dargestellt), gemäß den Anweisungen von der ECU 50, saugt der Kompressor 31 Luft (Oxidationsgas) von der Außenseite des Fahrzeugs an und komprimiert diese, und führt die Luft dem Kathodenfluidkanal 11c der Brennstoffzelle 11 durch den Oxidationsgaszufuhrfluidkanal zu. Übrigens ist der „Oxidationsgaszufuhrfluidkanal“ so konfiguriert, dass er die Rohrleitung c1 enthält.
  • Der Verdünner 32 verdünnt Brenn-Abgas, das über die Rohrleitung a7 bei der Ventilöffnung des Spülventils 25 fließt, mit Oxidationsabgas, das über die Rohrleitung c2 fließt, und gibt das Brenn-Abgas über die Rohrleitung c3 zur Außenseite des Fahrzeugs ab. Darüber hinaus sind vorgesehen: ein Befeuchter (nicht dargestellt) zur Durchführung eines Wasseraustauschs zwischen niedrigfeuchter Luft, die von dem Kompressor 31 zugeführt wird, und hochfeuchtem Oxidationsabgas, das von dem Kathodenfluidkanal 11c angegeben wird; sowie ein Gegendruckventil (nicht dargestellt), das zwischen dem Befeuchter und dem Verdünner 32 vorgesehen ist, um den Druck in dem Kathodenfluidkanal 11c zu steuern/zu regeln.
  • < Stromverbrauchersystem >
  • Das Stromverbrauchsystem enthält eine VCU 41, eine PCU 42 und den Antriebsmotor 43. Die VCU 41 (Spannungsregeleinheit) regelt die von der Brennstoffzelle 11 erzeugte elektrische Energie und lädt und entlädt eine Batterie (nicht dargestellt), und enthält elektronische Schaltungen, wie etwa einen DC/DC-Zerhacker (nicht dargestellt) und einen DC/DC-Wandler (nicht dargestellt). Die PDU 42 (Leistungstreibereinheit) ist zum Beispiel durch eine Inverterschaltung (nicht dargestellt) konfiguriert und wandelt die von der Brennstoffzelle 11 oder der Batterie (nicht dargestellt) gelieferte Gleichstromenergie in dreiphasige Wechselstromenergie um, und führt die Wechselstromenergie der Last zu, welche den Antriebsmotor 43 enthält. Der Antriebsmotor 43 ist zum Beispiel ein Dreiphasen-Wechselstrom-Permanentmagnet-Synchronmotor und treibt die Antriebsräder des Brennstoffzellenfahrzeugs mit der von der PDU 42 gewandelten Dreiphasen-Wechselstromenergie drehend an.
  • < Steuersystem >
  • Die ECU 50 (Steuermittel: Elektronische Steuereinheit) ist so konfiguriert, dass sie eine CPU (Zentrale Prozessoreinheit), ein ROM (Direktzugriffspeicher), ein RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) und elektrische Schaltungen enthält, wie etwa verschiedene Schnittstellen, und führt verschiedene Funktionen gemäß darin gespeicherten Programmen aus. Die ECU 50 enthält eine Funktion zur Ausführung von PWM-(Pulsweitenmodulations)-Steuerung der Injektoren 23A und 23B. Das heißt, die ECU 50 hat eine Funktion zum Steuern/Regeln der Wasserstoffinjektionsmenge der Injektoren 23A und 23B, indem das Verhältnis von Öffnungsanweisungen, die an die Injektoren 23A und 23B ausgegeben werden, zum Intervall (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]; EIN-Tastung) variabel gemacht wird.
  • < Andere Vorrichtung >
  • Das Gaspedal 61 ist ein Pedal, das vom Fahrer getreten wird, wenn er das die Brennstoffzelle 11 enthaltende Brennstoffzellenfahrzeug fährt, und ist in der Nähe der Fußposition beim Fahrersitz angeordnet. Darüber hinaus gibt das Gaspedal 61 an die ECU 50 Gaspedalstellungsinformation aus, welche die Gaspedalstellung (d.h. den Betätigungsbetrag) des Gaspedals 61 angibt.
  • < Struktur der ECU 50 >
  • 2 ist in Blockdiagramm, das die Struktur eines Abschnitts der ECU 50 in Bezug auf die Steuerung des Injektors zeigt. Die Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit 501 (Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel) berechnet die Wasserstoffmenge, die für die elektrische Stromerzeugung von der Brennstoffzelle 11 erforderlich ist. D.h., die Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit 501 berechnet die Wasserstoffmenge (angeforderte Brenngasmenge), die der Brennstoffzelle 11 zugeführt werden sollte, z.B. basierend auf dem Soll-Erzeugungsstrom der Brennstoffzelle 11, dem Soll-Druck des Anodenfluidkanals 11a und der Spülmenge bei Öffnung des Spülventils 25. Übrigens wird der Soll-Erzeugungsstrom gemäß der oben beschriebenen Gaspedalstellungsinformation berechnet und hat positive Korrelationen mit der Öffnung des Gaspedals 61. Der Soll-Druck des Anodenfluidkanals 11 wird zum Beispiel basierend auf dem erfassten Wert eines Drucksensors (nicht dargestellt) berechnet, der zum Beispiel in der Rohrleitung a4 (siehe 1) angebracht ist. Die Spülmenge wird basierend auf der Ventilöffnungszeitdauer des Spülventils 25 berechnet.
  • Die INJ A-Intervallsetzeinheit 502 (Intervallsetzmittel) setzt das Intervall des Injektors 23A (erstes Intervall) gemäß der von der Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit 501 berechneten angeforderten Brenngasmenge. Wie oben beschrieben, bedeutet „Intervall“ eine Zeitdauer oder -periode (zum Beispiel Int(A) in 5B), die beim Öffnen und Schließen des Injektors 23A (oder 23B) für einen Zyklus erforderlich ist. Obwohl in der vorliegenden Ausführung Fälle beschrieben werden, wo das Intervall Int(A) des Injektors 23A konstant ist, kann die Länge des Intervalls Int(A) gemäß der angeforderten Brenngasmenge verändert werden.
  • Zur Intervallstartzeit des Injektors 23A (Zeit t1 in den 5A bis 5C) vergleicht die erste Vergleichseinheit 503 die angeforderte Brenngasmenge mit einem Schwellenwert Q1 (erster Schwellenwert - siehe 5A) und gibt das Vergleichsergebnis an die INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 504 und die INJ B-Intervallsetzeinheit 507 aus. Übrigens ist der oben beschriebene Wert Q1 ein solcher Wert, der als Kriterium benutzt werden kann, ob es möglich ist oder nicht, Wasserstoff in einer Menge entsprechend der angeforderten Brenngasmenge zuzuführen, wenn Wasserstoff mit der maximalen EIN-Tastung nur von dem Injektor 23A mit dem Intervall Int(A) des Injektors 23A (A) injiziert wird.
  • Die INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 504 (erstes Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel) berechnet die Wasserstoffmenge (d.h., die Ventilöffnungszeit [Ti-Wert] oder EIN-Tastung), die während eines von der INJ A-Intervallsetzeinheit 502 gesetzten Intervalls des Injektors 23A von diesem Injektor 23A injiziert werden sollte. Übrigens wird die Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23A gemäß der von der Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit 501 eingegebenen angeforderten Brenngasmenge berechnet.
  • Die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 505 (zweites Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel) berechnet die Wasserstoffmenge (d.h. die Ventilöffnungszeit [Ti-Wert] oder EIN-Tastung), die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist. Übrigens wird die Injektionsmenge berechnet, indem die Injektionsmenge des Injektors 23A von der angeforderten Brenngasmenge subtrahiert wird. D.h., in der vorliegenden Ausführung hat der Injektor 23B die Funktion, Wasserstoff entsprechend einer Menge zu ergänzen, die mit der Injektionsmenge des Injektors 23A in Bezug auf die angeforderte Brenngasmenge nicht ausreicht.
  • Die INJ B-Injektionsstartzeitsetzeinheit 506 (Injektionsstartzeitsetzmittel) setzt die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B (Zeit t2 in den 5A bis 5C) derart, dass die Injektionsendzeit des Injektors 23B (Zeit t4 in den 5A bis 5C) mit der Endzeit des Intervalls des Injektors 23A (Int(A) in 5B) übereinstimmt.
  • Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist (siehe 5A), führt die INJ B-Intervallsetzeinheit 507 (Intervallsetzmittel) die Einstellung derart aus, dass das Intervall des Injektors 23B (Int(B) in 5C) in der gleichen Teilperiode wie das Intervall des Injektors 23A (Int(A) in 5B) liegt. Wenn darüber hinaus die angeforderte Brenngasmenge geringer als der Schwellenwert Q1 ist, setzt die INJ B-Intervallsetzeinheit 507 die Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A (z.B. Zeit t5 bis t7 in 5C) während des Intervalls Int(A) als das Intervall des Injektors 23B (Int(B2) in 5C).
  • Die INJ B-Injektionsmengenfixierzeitsetzeinheit 508 setzt die Zeit, wenn der Injektor 23A von VENTIL OFFEN (EIN) zu VENTIL GESCHLOSSEN (AUS) umschaltet (d.h., die Zeit, wenn das Intervall des Injektors 23B beginnt - z.B. die Zeit in 5C).
  • Die Angeforderte-Brenngasmengen-Integriereinheit 509 (Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel) integriert die angeforderte Brenngasmenge während der Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23A (zum Beispiel Zeit t4 bis t5 in 5B) mit dem Intervall einer vorbestimmten Zykluszeitdauer (sequentiell summiert). D.h., die Angeforderte-Brenngasmengen-Integriereinheit 509 berechnet eine Menge entsprechend der Zunahme der angeforderten Brenngasmenge ab dann, wenn der Injektor 23A geöffnet wird, bis das Intervall des Injektors 23B beginnt. Die INJ A-Ist-Injektionsmengen-Integriereinheit 510 berechnet die aktuell von dem Injektor 23A injizierte Wasserstoffmenge in einer Dauer ab dann, wenn der Injektor 23A geöffnet wird, bis das Intervall des Injektors 23B beginnt (zum Beispiel Zeit t4 bis t5 in 5C).
  • Ein Addierer/Subtrahierer 511 subtrahiert die oben beschriebene Ist-Injektionsmenge des Injektors 23A von der angeforderten Brenngasmenge, die zur Intervallstartzeit des Injektors 23A berechnet wird (z.B. Zeit t4 in 5B). Ein Addierer 512 berechnet die Summe einer Menge entsprechend der Zunahme der angeforderten Brenngasmenge, die von der Angeforderte-Brenngasmengen-Integriereinheit 509 eingegeben wird, und des von dem Addierer/Subtrahierer 511 eingegebenen Werts, und gibt die Summe an die zweite Vergleichseinheit 513 aus. D.h., der von dem Addierer 512 ausgegebene Wert ist eine Wasserstoffmenge entsprechend einer Menge, die nur mit dem Injektor 23A zur Intervallstartzeit des Injektors 23B nicht ausreicht.
  • Die zweite Vergleichseinheit 513 vergleicht den vom Addierer 512 eingegebenen Wert mit dem vorbestimmten Schwellenwert Q1, Q2 und Q3 (Q1 > Q2 > Q3 - siehe 5A) und gibt das Vergleichsergebnis an die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514 aus. Die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514 (zweites Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel) berechnet die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]), basierend auf dem vom Addierer 512 eingegebenen Wert und dem Vergleichsergebnis in der zweiten Vergleichseinheit 513. Die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515 (Injektionsstartzeitsetzmittel) setzt die Injektionszeitgebung (Ventilöffnungszeit) des Injektors 23B und gibt sie an den Injektor 23B aus, basierend auf dem von dem INJ B-Intervallsetzeinheit eingegebenen Intervall und der von der INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514 eingegebenen Injektionsmenge.
  • < Betrieb des Brennstoffzellensystems >
  • Nachfolgend werden die in 3 und 4 gezeigten Flussdiagramme in Bezug auf ein Zeitdiagramm in den 5A bis 5C beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass die in 3 und 4 gezeigten Flussdiagramme dem Prozess, der während eines Intervalls der Injektoren 23A und 23B durchgeführt wird (z.B. Zeit t1 bis t4, Zeit t4 bis t7 und Zeit t7 bis t10, wie in den 5B und 5C gezeigt), entsprechen. D.h., die ECU 50 wiederholt den Prozess in den Schritten S101 bis S127 aufeinanderfolgend für jedes Intervall der Injektoren 23A und 23B.
  • In Schritt S101 in 3 berechnet die ECU 50 (Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit 501) die angeforderte Brenngasmenge. D.h., die ECU 50 berechnet die Wasserstoffmenge, die der Brennstoffzelle 11 zugeführt werden sollte, zum Beispiel basierend auf dem Soll-Erzeugungsstrom der Brennstoffzelle 11, dem Soll-Druck des Anodenfluidkanals 11a und der Spülmenge bei Öffnung des Spülventils 25. In Schritt S102 setzt die ECU 50 (INJ A-Intervallsetzeinheit 502) das Intervall des Injektors 23A basierend auf der in Schritt S101 berechneten angeforderten Brenngasmenge. Übrigens zeigt das in 5B gezeigte Beispiel ein solches, das das Intervall (Int(a)) des Injektors 23A als konstant annimmt (z.B. 100 Millisekunden).
  • In Schritt S103 bestimmt die ECU 50 (erste Vergleichseinheit 503), ob die angeforderte Brenngasmenge zur Intervallstartzeit des Injektors 23A größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 (erster Schwellenwert) ist oder nicht. Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist, d.h., wenn hohe Leistung angefordert wird (S103 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S104 weiter. Es sollte angemerkt werden, dass die folgenden Schritte S104-S107 Prozesse eines Falls sind, wo die Unterstützung der Wasserstoffzufuhr durch den Injektor 23B sicher erforderlich ist, und entsprechen den Intervallen Int(A) und Int(B1) während der Zeit t1 bis t4, wie in den 5B und 5C gezeigt (die angeforderte Brenngasmenge überschreitet den Schwellenwert Q1 zur Zeit t1 in 5A).
  • In Schritt S104 in 3 setzt die ECU 50 (INJ B-Intervallsetzeinheit 507) das Intervall des Injektors 23B gemäß der in Schritt S101 berechneten angeforderten Brenngasmenge. D.h., in Schritt S104 setzt die ECU 50 das Intervall des Injektors 23B auf die gleiche Teilperiode wie das Intervall des Injektors 23A (Int(B1) in 5C wird auf die gleiche Teilperiode wie in Int(A) gesetzt). Hierdurch kann die Ventilöffnungs-Startzeit des Injektors 23B während des Intervalls Int(A) des Injektors 23A auf eine beliebige Zeit gesetzt werden. Daher ist es möglich, das Brenngas mit einer großen Strömungsrate gemäß der angeforderten Brenngasmenge der Brennstoffzelle 11 zuzuführen.
  • Es sollte angemerkt werden, dass in der vorliegenden Ausführung, wie in 5B gezeigt, die ECU 50 den Injektor 23A in der Reihenfolge OFFEN (EIN) → GESCHLOSSEN (AUS) öffnet und schließt, und den Injektor 23B in der Reihenfolge GESCHLOSSEN (AUS) → OFFEN (EIN) öffnet oder schließt (oder GESCHLOSSEN → OFFEN → GESCHLOSSEN - in Bezug auf die Zeit t14 bis t17).
  • In Schritt S105 berechnet die ECU 50 (INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 504) die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23A injiziert werden sollte (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]). Es sollte angemerkt werden, dass, da der Wert der angeforderten Brenngasmenge größer als oder gleich Q1 ist (S103 → Ja), die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23A auf das Maximum (z.B. 90%) setzt. Da, wie oben beschrieben, eine Zeitverzögerung (Leerzeit) als der Unterstromsetzung, bis das Ventil tatsächlich in den Injektoren 23A und 23B geöffnet wird, vorhanden ist, nimmt der Ti-Wert einen Wert ein, der kleiner als 100% ist, auch wenn der Ti-Wert das Maximum ist.
  • In Schritt S106 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 505) eine Injektionsmenge des Injektors 23B durch Subtrahieren der Injektionsmenge des Injektors 23A von der angeforderten Brenngasmenge. In Schritt S107 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 506) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B. D.h., die ECU 50 setzt die Injektionsstartzeit des Injektors 23B derart, dass der Injektor 23B im VENTIL-OFFEN-Zustand ist, zumindest während der Injektor 23A im VENTIL-GESCHLOSSEN-Zustand ist.
  • Hierdurch wird die Ventilöffnung des Injektors 23B auch während jener Zeit gestartet, wenn der Injektor 23A geöffnet ist, und es wird möglich, den Wasserstoff auch dann kontinuierlich zuzuführen, wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist. Im in 5C gezeigten Beispiel setzt die ECU 50 die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B (Zeit t2 in 5C) derart, dass die Ventilschließzeit des Injektors 23B (Zeit t4 in 5C) mit der Endzeit des Intervalls des Injektors 23A (Int(A) in 5B) zusammenfällt. In Schritt S108 steuert die ECU 50 das Öffnen und Schließen der Injektoren 23A und 23B basierend auf dem Intervall, der Injektionsmenge und der Injektionszeitgebung, die in dem Prozess in den Schritten S101 bis S107 gesetzt sind.
  • Wenn darüber hinaus die angeforderte Brenngasmenge geringer als der Schwellenwert Q1 ist, d.h., wenn wenig Leistung angefordert wird (S103 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S109 weiter. Es sollte angemerkt werden, dass der Prozess in den Schritten S109 bis S127 dem Pfeil entspricht, wo die Bestimmung davon, ob die Wasserstoffzufuhr durch den Injektors 23B erforderlich ist oder nicht, zur Ventilschließzeit des Injektors 23A durchgeführt wird (z.B. Zeit t5 in 5B).
  • In Schritt S109 berechnet die ECU 50 (INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 504) die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23A injiziert werden sollte (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]). Die Wasserstoffmenge wird gemäß dem Wert der angeforderten Brenngasmenge zur Intervallstartzeit des Injektors 23A berechnet (z.B. Zeit t4 in 5B).
  • In Schritt S110 setzt die ECU 50 (INJ B-Intervallsetzeinheit 507) das Intervall des Injektors 23B. D.h., die ECU 50 setzt die Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A (z.B. Zeit t5 bis t7 in 5B) auf das Intervall des Injektors 23B. Übrigens kann die Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A erhalten werden, indem die Ventilöffnungszeit des Injektors 23A (Zeit t4 bis t5 in 5B) von dem Intervall des Injektors 23A (Int(A) in 5B) subtrahiert wird.
  • Darüber hinaus ist z.B. die in 5C gezeigte Teilperiode t4 bis t5 nicht in dem Intervall des Injektors 23B enthalten. Während der Teilperiode überwacht die ECU 50, ob sich die Ventilöffnungszeitperiode des Injektors 23A geändert hat oder nicht, und daher der Injektor 23B im VENTIL-GESCHLOSSEN-Zustand ist. In Schritt S111 öffnet die ECU 50 den Injektor 23A derart, dass die in Schritt S109 berechnete Injektionsmenge zugeführt wird.
  • In Schritt S112 integriert die ECU 50 (Angeforderte-Brenngasmengen-Integriereinheit 509) die Menge entsprechend der Zunahme der angeforderten Brenngasmenge, während der Injektor 23A mit Intervallen einer vorbestimmten Zykluszeitdauer (z.B. 10 Millisekunden) geöffnet ist. In Schritt S113 bestimmt die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengenfixierzeitsetzeinheit 508), ob sie die Injektionsmengen-Fixierzeit des Injektors 23B geworden ist oder nicht, d.h. die Zeit, wenn der Injektor 23A von VENTIL OFFEN (EIN) zu VENTIL GESCHLOSSEN (AUS) umschaltet (z.B. Zeit t5 in 5B).
  • Wenn sie zur Injektionsmengen-Fixierzeit des Injektors 23B geworden ist (S113 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S114 weiter. Es sollte angemerkt werden, dass der Injektor 23A vom VENTIL-OFFEN-Zustand zum VENTIL-GESCHLOSSEN-Zustand zur Injektionsmengen-Fixierzeit des Injektors 23B umschaltet. Wenn dies, unterdessen, vor der Injektionsmengen-Fixierzeit des Injektors 23B ist (S113 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S112 zurück.
  • In Schritt S114 berechnet die ECU 50 (Addierer/Subtrahierer 511 und Addierer 512) die oben beschriebene angeforderte Brenngasmenge zu der Injektionsmengen-Fixierzeit des Injektors 23B. D.h., die ECU 50 subtrahiert die Ist-Injektionsmenge während der Ventilöffnungszeit des Injektors 23A (Zeit t4 bis t5 in 5B) zur bei der Intervallstartzeit des Injektors 23A berechneten angeforderten Brenngasmenge (z.B. Zeit t4 in 5B) und addiert ferner eine Menge entsprechend der Zunahme der angeforderten Brenngasmenge während der Zeit t4 bis t5. Hierdurch wird es möglich, die Wasserstoffmenge zu berechnen, die vom Injektor 23B zur Ventilschließzeit des Injektors 23A im Wesentlichen angefordert wird (Zeit t5 in den 5B und 5C).
  • In Schritt S115 in 1 bestimmt die ECU 50 (zweite Vergleichseinheit 513), ob die in Schritt S114 berechnete angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist oder nicht. Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist (S115 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S116 weiter. In Schritt S116 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514) die Wasserstoffmenge (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]), die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, basierend auf der in Schritt S114 berechneten angeforderten Brenngasmenge und dem Vergleichsergebnis in Schritt S115.
  • Zum Beispiel ist die angeforderte Brenngasmenge zur Zeit t7 in 5A kleiner als Q1 (S103 → Nein), und hat damit einen relativ kleinen Wert. Danach nimmt, durch rasches Betätigen des Gaspedals 61, die angeforderte Brenngasmenge rasch zu, und daher ist die angeforderte Brenngasmenge zur Zeit t8 größer als oder gleich Q1 (S115 → Ja). In diesem Fall führt die ECU 50 eine derartige Einstellung aus, dass der Ti-Wert des Injektors 23B maximal ist. Hierdurch wird eine unmittelbare Reaktion möglich, auch wenn die angeforderte Brenngasmenge rasch zunimmt.
  • In Schritt S117 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B (Ventilöffnungszeit) und der Injektionsmenge des Injektors 23B. D.h., wenn die angeforderte Brenngasmenge bei der Ventilschließzeit des Injektors 23A (z.B. Zeit t8 in 5B) größer als oder gleich Q1 ist (S115 → Ja), setzt die ECU 50 die Injektionszeitgebung des Injektors 23B (Zeit t8 in 5C) derart, dass die Ventilschließzeit des Injektors 23B (Zeit t10 in 5C) mit der Beendigungszeit des Intervalls Int(A) des Injektors 23A übereinstimmt. Hierdurch wird es möglich, Wasserstoff geeignet zuzuführen und eine fehlerhafte Stöchiometrie auch dann zu vermeiden, wenn die angeforderte Brenngasmenge nach dem Ventilschließen des Injektors 23A weiter zugenommen hat. In Schritt S118 steuert die ECU 50 das Öffnen und Schließen des Injektors 23B basierend auf der Injektionsmenge und der Injektionszeitgebung, die in den Schritten S116 und S117 gesetzt sind.
  • Wenn darüber hinaus die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q1 ist (S115 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S119 weiter. In Schritt S119 bestimmt die ECU 50 (zweite Vergleichseinheit 513), ob die in Schritt S114 berechnete angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich einem Schwellenwert Q2 ist oder nicht (zweiter Schwellenwert). Es sollte angemerkt werden, dass der Schwellenwert Q2 ein kleinerer Wert ist als der oben beschriebene Schwellenwert Q1, und vorab gesetzt und in einem Speichermittel (nicht dargestellt) gespeichert ist. Der Schwellenwert Q2 ist ein Wert, der als Kritierium dafür dient, ob die Unterstützung der Wasserstoffzufuhr durch den Injektor 23B zur Ventilschließzeit des Injektors 23A erforderlich ist oder nicht. Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q2 ist (S119 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S120 weiter.
  • In Schritt S120 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514) die Wasserstoffmenge (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]), die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, basierend auf der in Schritt S114 berechneten angeforderten Brenngasmenge und dem Vergleichsergebnis in Schritt S119, wobei z.B. die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23B gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Zeit t11 in 5A berechnet (größer als/gleich Q2 und kleiner als Q1). In Schritt S121 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23B basierend auf dem Intervall und der Injektionsmenge des Injektors 23B (S118).
  • D.h., die ECU 50 setzt die Injektionszeitgebung des Injektors 22B (Zeit t12 in 5C) derart, dass die Ventilschließzeit des Injektors 23B (z.B. die Zeit t13 in 5C) mit der Endzeit des Intervalls Int(A) des Injektors 23A übereinstimmt. Somit ist es durch Öffnen des Ventils des Injektors 23B in der zweiten Hälfte des Intervalls möglich, Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden, wenn die angeforderte Brenngasmenge während der Ventilschließzeit des Injektors 23A zunimmt.
  • Wenn in Schritt S119 die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q2 ist (S119 → Nein), geht der Prozess zu Schritt S122 weiter. In Schritt S122 bestimmt die ECU 50 (zweite Vergleichseinheit 513), ob die in Schritt S114 berechnete angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q3 ist oder nicht (dritter Schwellenwert). Es sollte angemerkt werden, dass der Schwellenwert Q3 ein Wert kleiner als der oben beschriebene Schwellenwert Q2 ist, und vorab gesetzt und in einem Speichermittel (nicht dargestellt) gespeichert ist. Der Schwellenwert Q3 ist ein Wert, der als Kriterium dafür dient, ob die Unterstützung der Wasserstoffzufuhr durch den Injektor 23B während des Intervalls Int(A) zur Startzeit des Intervalls Int(A) des Injektors 23A unnötig ist oder nicht. Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q3 ist (S122 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S123 weiter.
  • In Schritt S123 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 514) die Wasserstoffmenge (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]), die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, basierend auf der in Schritt S114 berechneten angeforderten Brenngasmenge und dem Vergleichsergebnis in Schritt S122. Z.B. berechnet die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23B gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Zeit t14 in 5A (größer als oder gleich Q3 und kleiner als Q2). In Schritt S124 bestimmt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515), ob die in Schritt S114 in 3 gesetzte Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert Δt1 ist oder nicht. Die oben beschriebene „Ventilschließfortsetzungszeit“ wird berechnet, indem die Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B von dem Intervall Int(B) des Injektors 23B subtrahiert wird. Es sollte angemerkt werden, dass der vorbestimmte Wert Δt1 ein Zeitwert ist, der kürzer als das Intervall Int(A) des Injektors 23A und vorab gesetzt ist.
  • Wenn die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert Δt1 ist (S124 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S125 weiter. In Schritt S125 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B (Zeit t15 in 5C) und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23B derart, dass die Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B (Zeit t15 bis t16 in 5C) im Wesentlichen in der mittleren Stufe in dem Intervall Int(B5) des Injektors 23B ist (S118). D.h., die ECU 50 setzt die Injektionsstartzeit des Injektors 23B derart, dass die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B während des Intervalls Int(B5) nicht größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert wird. Hierdurch wird der von den Injektoren 23A und 23B zugeführte Wasserstoff in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht und es können Fehler in der Stöchiometrie vermieden werden.
  • Wenn darüber hinaus die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B kleiner als ein vorbestimmter Wert Δt1 ist (S124 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S126 weiter. In Schritt S126 setzt die ECU 50 (INJ B-Intervallsetzeinheit 515) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B (Zeit t6 in 5C) und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23B derart, dass die Schließzeit des Ventils des Injektors 23B (z.B. die Zeit t7 in 5C) zur Endzeit des Intervalls Int(A) des Injektors 23A passt (S118). Selbst wenn z.B. die angeforderte Brenngasmenge während der Zeit t5 bis t7 in 5A zunimmt, wird es hierdurch möglich, durch Öffnen des Ventils des Injektors 23B in der zweiten Hälfte des Intervalls die Wasserstoffzufuhr geeignet auszuführen.
  • Wenn in Schritt S122 die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q3 ist (S122 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S127 weiter. In Schritt S127 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 515) die Injektionsmenge des Injektors 23B auf Null. Z.B. ist die angeforderte Brenngasmenge zur in 5A gezeigten Zeit t18 kleiner als der Schwellenwert Q3. Da in diesem Fall die Möglichkeit besteht, dass die Zunahme der angeforderten Brenngasmenge während des Intervalls Int(B6) des Injektors 23B niedrig ist, setzt die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23B auf Null. Hierdurch wird es möglich, eine überflüssige Wasserstoffzufuhr zu verhindern und den Wasserstoff effizient zu nutzen.
  • < Vorteilhafte Effekte >
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführung wird der Wasserstoff von dem Injektor 23A grundlegend während Intervallen der Injektoren 23A und 23B injiziert, und der Wasserstoff wird dem Anodenfluidkanal 11a durch den Ejektor 24 zugeführt (siehe 1). Weil in der Umgebung der Düse 23p (nicht dargestellt) des Ejektors 24 ein Unterdruck erzeugt wird und der nicht-reagierte Wasserstoff in dem Zirkulationsfluidkanal zirkuliert, der die Rohrleitung a4, den Anodenfluidkanal 11a und die Rohrleitungen a5 und a6 enthält, kann hierdurch der Wasserstoff effizient genutzt werden.
  • Wenn darüber hinaus zur Intervallstartzeit des Injektors 23A die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist (S103 → Ja), macht die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23A maximal (S105) und bewirkt, dass der Wasserstoff entsprechend der Fehlmenge durch den Injektor 23B unterstützt wird (S106). Daher ist es möglich, auch dann geeignet zu reagieren, wenn von der Intervallstartzeit des Injektors 23A Wasserstoff mit großer Strömungsrate notwendig ist. Darüber hinaus wird in diesem Fall die Ventilschließzeit des Injektors 23B (Zeit t4 in 5C) so gemacht, dass sie mit der Intervall-Endzeit des Injektors 23A übereinstimmt (S107). Hierdurch wird es möglich, während der Intervallschnittperiode des Injektors 23A dauerhaft Wasserstoff zuzuführen. Im Ergebnis wird es möglich, Fehler in der Stöchiometrie zuverlässig zu vermeiden und die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 11 zu verbessern.
  • Wenn darüber hinaus während der Intervallstartzeit des Injektors 23A die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q1 ist (S103 → Nein), berechnet die ECU 50 die Injektionsmenge des Injektors 23B (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]) gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Intervallventilschließzeit des Injektors 23A. Somit ist es durch Berechnen der Injektionsmenge des Injektors 23B zur Ventilschließzeit des Injektors 23A möglich, das Brenngas entsprechend einer Menge, die während der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A nicht ausgegeben werden kann, durch den Injektor 23B weder zu stark noch zu gering zu unterstützen.
  • Darüber hinaus ist es durch Verzögern der Berechnungszeitgebung der Injektionsmenge des Injektors 23B im Vergleich zur Berechnungszeitgebung der Injektionsmenge des Injektors 23A möglich, durch sofortige Handlung auch dann, wenn die angeforderte Brenngasmenge rasch zunimmt, Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden. Ferner kann die Wasserstoffzufuhr in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht werden, indem die Injektoren 23A und 23B zeitlich abwechselnd geöffnet werden.
  • Wenn darüber hinaus die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B relativ kurz ist (S124 → Nein), wird der Injektor 23B in der späten Stufe des Intervalls geöffnet (S126). Auch wenn die angeforderte Brenngasmenge während der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A zugenommen hat, ist es hierdurch möglich, die Fehlmenge mit Wasserstoff zu ergänzen, der von dem Injektor 23B injiziert wird. Somit kann in der vorliegenden Ausführung weder zu viel noch zu wenig Wasserstoff geeignet zugeführt werden, durch Berechnen der angeforderten Brenngasmenge zur Zeit der Ventilöffnung und des Ventilendes des Injektors 23A, und Setzen der Injektionsmenge und der Injektionszeitgebung des Injektors 23B gemäß dem berechneten Ergebnis. Im Ergebnis ist es möglich, die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems S1 zu verbessern, indem Fehler in der Stöchiometrie in der Brennstoffzelle 11 verhindert werden.
  • « Zweite Ausführung »
  • Die zweite Ausführung unterscheidet sich von der ersten Ausführung darin, dass ein Injektor 23C (nicht dargestellt), der parallel mit dem Injektor 23B verbunden ist, hinzugefügt ist, und in der Art zur Steuerung der Injektoren. Jedoch sind die anderen Punkte die gleichen wie in der ersten Ausführung. Daher werden unterschiedliche Abschnitte beschrieben, aber sich mit der ersten Ausführung überschneidende Ausführungen werden weggelassen.
  • Der Injektor 23C (nicht dargestellt) ist parallel mit dem Injektor 23B verbunden, wie oben beschrieben. D.h., die stromaufwärtige Seite des Injektors 23C ist mit der Rohrleitung a2 (siehe 1) durch eine Rohrleitung (nicht dargestellt) verbunden, und die stromabwärtige Seite des Injektors 23C ist mit der Rohrleitung a4 (siehe 1) durch eine Rohrleitung (nicht dargestellt) verbunden. Es sollte angemerkt werden, dass der Bohrungsdurchmesser der in dem Injektor 23C enthaltenen Düse in der vorliegenden Ausführung kleiner ist als der Bohrungsdurchmesser der in dem Injektor 23B enthaltenen Düse.
  • < Betrieb des Brennstoffzellensystems >
  • Als nächstes werden die in 6 und 7 gezeigten Flussdiagramme in Bezug auf das Zeitdiagramm in den 8A bis 8D beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass die gleiche Schrittzahl für den Prozess genutzt wird, der ähnlich dem Prozess (3 und 4) ist, der in der ersten Ausführung in dem Flussdiagramm in 6 und 7 beschrieben ist. Die Schritte S101 bis S103 in 6 sind ähnlich den Schritten S101 bis S103 (siehe 1), die für die erste Ausführung beschrieben sind. Als nächstes setzt die ECU 50 in Schritt S201 das Intervall der Injektoren 23B und 23C in die Nähe der in Schritt S101 berechneten angeforderten Brenngasmenge.
  • Das heißt, die ECU 50 setzt in Schritt S201 die Intervalle Int(B) und Int(C) der Injektoren 23B und 23C als die gleiche Teilperiode wie das Intervall Int(A) des Injektors 23A. Wie in Zeit t1 bis t4 in den 5B und 5C gezeigt, dient dies zum Öffnen der Ventile des Injektors 23A und des Injektors 23B derart, dass sie sich zeitlich überschneiden, und um den Injektor 23C in den Ventilschließzustand zu bringen.
  • Die Schritte S105 bis S107 und S108 in 6 sind ähnlich jenem des Prozesses in den Schritten S105 bis S107 und S108 (siehe 3), die für die erste Ausführung beschrieben sind. D.h., die ECU 50 berechnet zum Beispiel eine Einspritzmenge der Injektoren 23A und 23B derart, dass die zur Zeit t1 berechnete angeforderte Kraftstoffmenge erreicht wird. Als nächstes macht die ECU 50 in Schritt S102 die Einspritzmenge des Injektors 23C zu Null. D.h., wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich Q1 ist (S103 → Ja), führt die ECU 50 eine Wasserstoffzufuhr nur mittels der Injektoren 23A und 23B durch. Somit wird es möglich, die Wasserstoffzufuhr des Injektors 23A geeignet zu unterstützen, durch Verwendung eines Injektors 23B, dessen Düse einen großen Bohrungsdurchmesser hat. Es sollte angemerkt werden, dass der Injektor 23C anstelle des Injektors 23B geöffnet werden könnte, um die Injektoren 23B und 23C mit angenähert der zueinander gleichen Frequenz zu benutzen.
  • Wenn die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q1 ist (S103 → Nein), setzt die ECU 50 das Intervall der Injektoren 23B und 23C (S203) und öffnet das Ventil des Injektors 23A (S111) nach Berechnung der Einspritzmenge des Injektors 23A (S109). D.h., in Schritt S203 setzt die ECU 50 die Ventilschließzeit des Injektors 23A (z.B. Zeit t8 bis t10 in 8B) auf die Intervalle Int(B3) und Int(C3) der Injektoren 23B und 23C.
  • Als nächstes berechnet die ECU 50 eine Menge entsprechend der Zunahme der angeforderten Brenngasmenge (S112) und bestimmt, ob die Menge die Injektionsmengen-Fixierzeit der Injektoren 23B und 23C geworden ist (z.B. Zeit t5 in den 8C und 8D) (S204). Wenn sie zur Injektionsmengen-Fixierzeit der Injektoren 23B und 23C geworden ist (S204 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S114 weiter. Wenn sie unterdessen nicht zur Injektionsmengen-Fixierzeit der Injektoren 23B und 23C geworden ist (S204 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S112 zurück.
  • Als nächstes berechnet die ECU 50 die angeforderte Brenngasmenge zur Ventilöffnungs-Endzeit des Injektors 23A (S1 14), und bestimmt in Schritt S205 in 7, ob die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q2 ist oder nicht. Wie oben beschrieben, ist der Schwellenwert Q2 ein kleinerer Wert als der Schwellenwert Q1 und ist vorab gesetzt. In Schritt S206 berechnet die ECU 50 die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte. Als nächstes setzt die ECU 50 in Schritt S207 die Injektionszeitgebung des Injektors 23B, um das Ventil in der späten Stufe des Intervalls Int(B) zu öffnen (z.B. Zeit t9 und 12 in 8C). Da, wie oben beschrieben, der Bohrungsdurchmesser der Düse des Injektors 23B relativ groß ist, ist es möglich, die angeforderte Brenngasmenge bereitzustellen, welche größer als oder gleich dem Schwellenwert Q2 ist, und die Injektionsmenge geeignet zu steuern, indem der Ti-Wert nach Bedarf gesetzt wird.
  • Darüber hinaus kann Wasserstoff mit hoher Strömungsrate bei kurzzeitiger Unterstromsetzung injiziert werden, indem die Wasserstoffzufuhr mittels des Injektors 23B durchgeführt wird, der den relativ großen Bohrungsdurchmesser der Düse hat. Daher ist es möglich, die Unterstromsetzungszeit zum Injektor 23B zu verkürzen und die Leistungsstreuung des Injektors 23B zu reduzieren. In Schritt S208 setzt die ECU 50 die Injektionsmenge des Injektors 23C auf Null und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23B (S209).
  • Wenn darüber hinaus die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q2 ist (S205 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S210 weiter. In Schritt S210 setzt die ECU 50 die Injektionsmenge des Injektors 23B auf Null. In Schritt S211 bestimmt die ECU 50, ob die in Schritt S114 berechnete angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q3 ist oder nicht. Wie oben beschrieben, ist der Schwellenwert Q3 ein kleinerer Wert als der Schwellenwert Q2 und ist vorab gesetzt.
  • Wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich dem Schwellenwert Q3 ist (S211 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S212 weiter. In Schritt S212 berechnet die ECU 50 die Wasserstoffmenge (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]), die von dem Injektor 23C injiziert werden sollte. Z.B. berechnet die ECU 50 den Ti-Wert des Injektors 23C gemäß der angeforderten Brenngasmenge (größer als oder gleich Q3 und kleiner als Q2) zur Zeit t5 in 8A.
  • In Schritt S213 bestimmt die ECU 50, ob die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23C größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert Δt2 ist oder nicht. Es sollte angemerkt werden, dass der vorbestimmte Wert Δt2 eine kürzere Zeit ist als das Intervall Int(A) des Injektors 23A und vorab gesetzt ist. Wenn die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23C größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert Δt2 ist (S213 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S214 weiter. In Schritt S214 setzt die ECU 50 die Injektionszeitgebung des Injektors 23C (Zeit t15 in 8D) und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23C (S215) derart, dass die Ventilöffnungszeit des Injektors 23C (Zeit t15 bis t16 in 8D) angenähert in der mittleren Stufe des Intervalls Int(C5) des Injektors 23C liegt.
  • Wenn darüber hinaus die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23C kleiner als der vorbestimmte Wert Δt2 ist (S213 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S216 weiter. In Schritt S216 setzt die ECU die Injektionszeitgebung des Injektors 23C, um das Ventil in der späten Stufe des Intervalls Int(C2) zu öffnen (z.B. Zeit t6 in 8D), und steuert das Öffnen und Schließen des Injektors 23C (S217).
  • Wenn in Schritt S211 die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der Schwellenwert Q3 ist (S211 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S218 weiter. In Schritt S218 setzt die ECU 50 die Injektionsmenge des Injektors 23C (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]) auf Null.
  • Wenn somit in der vorliegenden Ausführung die angeforderte Brenngasmenge zur Ventilschließzeit des Injektors 23A kleiner als der Schwellenwert Q2 ist (S205 → Nein), wird die Wasserstoffzufuhr mittels des Injektors 23B unterstützt, dessen Düse den kleinen Bohrungsdurchmesser hat. Hierdurch wird es möglich, die Wasserstoffinjektionsmenge fein zu steuern und weder zu viel noch zu wenig Wasserstoff der Brennstoffzelle 11 zuzuführen.
  • < Vorteilhafte Effekte >
  • Die vorliegende Ausführung hat eine Struktur, worin die Wasserstoffzufuhr des Injektors 23A durch die Injektoren 23B und 23C unterstützt wird, deren Düsen unterschiedliche Bohrungsdurchmesser haben. Wenn man annimmt, dass die angeforderte Brenngasmenge rasch angestiegen ist (S205 → Ja), ist es möglich, den Wasserstoff entsprechend der Fehlmenge sofort zuzuführen, durch Einstellung des Ti-Werts des Injektors 23B nach Bedarf, und Fehler in der Stöchiometrie zu vermeiden. Darüber hinaus ist es möglich, die Unterstromsetzungszeit zu verkürzen und die Leistungsstreuung zu reduzieren, welche der Injektor 23B fordert, durch Verwendung des Injektors 23B, dessen Düse den großen Bohrungsdurchmesser hat, und daher ist es möglich, die geforderte Leistungsstreuung zu reduzieren.
  • Wenn darüber hinaus die angeforderte Brenngasmenge zur Ventilschließzeit des Injektors 23A kleiner als der Schwellenwert Q2 ist (S205 → Nein), wird der Injektor 23A mit Wasserstoffzufuhr durch Öffnen des Injektors 23C unterstützt. Somit kann gemäß der angeforderten Brenngasmenge weder zu viel noch zu wenig Wasserstoff zugeführt werden, indem der Ti-Wert des Injektors 23C, dessen Düse den kleinen Bohrungsdurchmesser hat, geeignet eingestellt wird.
  • « Dritte Ausführung »
  • Als nächstes wird die dritte Ausführung in Bezug auf 9 bis 18D beschrieben. Die dritte Ausführung unterscheidet sich von der ersten Ausführung darin, dass der Wasserstoffdruck, der durch den Anodenfluidkanal 11a fließt, einer rückkoppelnden Regelung unterzogen wird, so dass er mit dem Soll-Druck P0 übereinstimmt (siehe 13A), und die Struktur der ECU 50 ist, bis auf andere Teile, die gleiche wie jene der ersten Ausführung. Daher werden unterschiedliche Abschnitte beschrieben, und Beschreibungen für Abschnitte, die sich mit der ersten Ausführung überschneiden, werden weggelassen.
  • Dort ist ein Drucksensor (nicht dargestellt) vorgesehen, der in der Rohrleitung a4, die mit dem Einlass des Anodenfluidkanals 11 verbunden ist (siehe 1), den Wasserstoffdruck erfasst, der zum Anodenfluidkanal 11a geleitet wird (nachfolgend als „Anodendruck“ bezeichnet).
  • Die ECU 50 (siehe 9) steuert/regelt die Injektoren 23A und 23B durch Vergleichen des Anodendrucks, der die zu regelnde Größe ist, mit dem Soll-Druck P0, und gemäß dem Vergleichsergebnis der Anodendruck mit dem Soll-Druck P0 in Übereinstimmung gebracht wird. Es sollte angemerkt werden, dass der Soll-Druck P0 in der vorliegenden Ausführung ein Festwert ist.
  • < Struktur der ECU >
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur eines sich auf die Steuerung des Injektors beziehenden Abschnitts der ECU zeigt, die in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführung enthalten ist. Der Addierer/Subtrahierer 521 berechnet eine Abweichung ΔP durch Subtrahieren des Anodendrucks von dem oben beschriebenen Soll-Druck P0, und gibt die Abweichung ΔP an die INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522, die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 und die Abweichungsvergleichseinheit 524 aus. Es sollte angemerkt werden, dass der Soll-Druck P0 dem Sollwert der Wasserstoffmenge (Brenngaszufuhrmenge) entspricht, die der Brennstoffzelle 11 zugeführt wird.
  • Die INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 berechnet die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23A injiziert werden sollte (Ventilöffnungszeit [Ti-Wert]) basierend auf der Abweichung ΔP, die von dem Addierer/Subtrahierer 521 eingegeben wird. Es sollte angemerkt werden, dass die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23A injiziert werden sollte, zunimmt, wenn die Abweichung ΔP größer wird (d.h., wenn der Fehlbetrag des Anodendrucks in Bezug auf den Soll-Druck P0 größer wird). Die INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 gibt die so berechnete Wasserstoffmenge an die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523, die INJ B-Intervallsetzeinheit 525 und die INJ A-Antriebssteuereinheit 528 aus.
  • Die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 berechnet die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, basierend auf der Abweichung ΔP, die von dem Addierer/Subtrahierer 521 eingegeben wird, und der Wasserstoffmenge, die von der INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 eingegeben wird. D.h., die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 berechnet die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte, um die Wasserstoffmenge entsprechend der Fehlmenge mit nur dem Injektor 23A zu ergänzen. Die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 gibt die berechnete Wasserstoffmenge an die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 und die INJ B-Antriebssteuereinheit 529 aus.
  • Wenn darüber hinaus Information, wonach der Anodendruck kleiner als ein Schwellenwert P1 ist, von der Druckvergleichseinheit 527 eingegeben wird, berechnet die INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 die Injektionsmenge des Injektors 23B basierend auf dem Vergleichsergebnis.
  • Die Abweichungsvergleichseinheit 524 vergleicht zur Intervallstartzeit des Injektors 23A die Abweichung ΔP, die von dem Addierer/Subtrahierer 521 eingegeben wird, jeweils mit vorbestimmten Schwellenwerten ΔPα und ΔPβ (ΔPα >ΔPβ). Die Abweichungsvergleichseinheit 524 gibt das Vergleichsergebnis an die INJ B-Intervallsetzeinheit 525 und die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 aus. Es sollte angemerkt werden, dass die Schwellenwerte ΔPα und ΔPβ später beschrieben werden.
  • Die INJ B-Intervallsetzeinheit 525 setzt das Intervall des Injektors 23B basierend auf der von der INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 eingegebenen Injektionsmenge und dem von der Abweichungsvergleichseinheit 524 eingegebenen Vergleichsergebnis. Wenn z.B. die Abweichung ΔP zur Intervallstartzeit relativ groß ist (größer als oder gleich ΔPα), bewirkt die INJ B-Intervallsetzeinheit 525, dass das Intervall lnt(B1) des Injektors 23B mit dem Intervall Int(A) des Injektors 23A übereinstimmt (Zeit t1 bis t4 in den 13B und 13C).
  • Die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 berechnet die Injektionszeitgebung (Ventilöffnungszeit) des Injektors 23B basierend auf der von der INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523 eingegebenen Injektionsmenge, dem von der Abweichungsvergleichseinheit 524 eingegebenen Vergleichsergebnis und dem von der INJ B-Intervallsetzeinheit 525 eingegebenen Intervall. Die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 gibt die so berechnete Injektionszeitgebung an die INJ B-Antriebssteuereinheit 529 aus.
  • Wenn darüber hinaus Information, wonach der Anodendruck kleiner als oder gleich dem Schwellenwert P1 ist, von der Druckvergleichseinheit 527 eingegeben wird, setzt die INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B erneut (Zeit t19 in 13C).
  • Die Druckvergleichseinheit 527 vergleicht den Anodendruck mit dem Soll-Druck P0 und dem Schwellenwert P1 für jede vorbestimmte Zeitperiode (z.B. 10 Millisekunden) und gibt das Vergleichsergebnis an die INJ A-Antriebssteuereinheit 528 und die INJ B-Antriebssteuereinheit 529 aus. Es sollte angemerkt werden, dass der Schwellenwert P1 später beschrieben wird.
  • Die INJ A-Antriebssteuereinheit 528 steuert den Antrieb des Injektors 23A gemäß dem Signal, das von der INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 und der Druckvergleichseinheit 527 eingegeben wird. Die INJ B-Antriebssteuereinheit 529 steuert den Antrieb des Injektors 23B gemäß dem Signal, das von der INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523, der INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526 und der Druckvergleichseinheit 527 eingegeben wird.
  • < Betrieb des Brennstoffzellensystems >
  • Nachfolgend wird die normale Steuerung, die Hochfahrzeitsteuerung und die Hochleistungs-Zeitsteuerung, die von der ECU 50 ausgeführt werden, in der Präzedenzfolge beschrieben. Zuerst wird die normale Steuerung in Bezug auf die Flussdiagramme von 10 bis 12 und das Zeitdiagramm in den 13A bis 13C beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass, wenn die normale Steuerung ausgeführt wird, das Intervall Int(A) des Injektors 23A konstant gemacht wird, und das Intervall Int(B) des Injektors 23B gemäß Änderungen im Anodendruck eingestellt wird.
  • < Normale Steuerung >
  • Zur Intervallstartzeit (START) des Injektors 23A berechnet die ECU 50 (Addierer/Subtrahierer 521) in Schritt S301 die Abweichung ΔP des Anodendrucks zum Soll-Druck P0 (d.h. den Fehlbetrag). In Schritt S302 bestimmt die ECU (Abweichungsvergleichseinheit 524), ob die in Schritt S301 berechnete Abweichung ΔP größer als oder gleich einem Schwellenwert Pα ist oder nicht. Der oben beschriebene Schwellenwert Pα ist ein Wert, der als Kriterium dafür dient, ob während des Intervalls Int(A), wenn Wasserstoff mit der größten EIN-Tastung nur von dem Injektor 23A injiziert wird, die Abweichung ΔPα auf weniger als oder gleich einem vorbestimmten Wert verringert werden kann. Wie in 13A gezeigt, wird in der vorliegenden Ausführung angenommen: ( Schwellenwer P α ) = ( Soll-Druck P0 ) − ( vorbestimmter Wert P1 )
    Figure DE102013223470B4_0001
  • Wenn die Abweichung ΔP größer als oder gleich dem Schwellenwert Pα ist (S302 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S303 weiter. Da in diesem Fall der Fehlbetrag des Anodendrucks in Bezug auf den Soll-Druck P0 groß ist und hohe Leisung gefordert wird, ist die Unterstützung durch den Injektor 23B sicher erforderlich (Zeit t1 in 13A). In Schritt S303 bewirkt die ECU 50 (INJ B-Intervallsetzeinheit 525), dass das Intervall Int(B1) des Injektors 23B mit dem Intervall Int(A) des Injektors 23A übereinstimmt (Zeit t1 bis t4 in 13B).
  • In Schritt S304 berechnet die ECU 50 (INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522) die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23A injiziert werden sollte. Zum Beispiel berechnet die ECU 50 die Wasserstoffmenge entsprechend dem oberen Grenzwert (z.B. 90%) des Ti-Werts des Injektors 23A.
  • In Schritt S305 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523) die Wasserstoffmenge, die von dem Injektor 23B injiziert werden sollte. D.h., die ECU 50 bewirkt, dass die Abweichung des Anodendrucks in Bezug auf den Soll-Druck P0 klein wird, und berechnet die Injektionsmenge des Injektors 23B, um die Fehlmenge der Injektionsmenge des Injektors 23A zu ergänzen.
  • In Schritt S306 setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526) die Injektionszeitgebung des Injektors 23B derart, dass zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B mit der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A überlappt. D.h., die ECU 50 setzt die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B (Zeit t2 in 13C) derart, dass die Ventilschließzeit des Injektors 23B (Zeit t4 in 13C) mit der Endzeit des Intervalls des Injektors 23A (Int(A) in 13B) übereinstimmt. Indem die Injektionszeitgebung des Injektors 23B auf diese Weise gesetzt wird, kann der Wasserstoff mit großer Strömungsrate kontinuierlich zugeführt werden.
  • In Schritt S307 in 11 öffnet die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528) das Ventil des Injektors 23A (Zeit t1 in 13B). In Schritt S308 bestimmt die ECU 50 (Druckvergleichseinheit 527), ob der Anodendruck kleiner als oder gleich dem Soll-Druck P0 ist oder nicht. Wenn der Anodendruck kleiner als oder gleich dem Soll-Druck P0 ist (S308 → Ja), bestimmt die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529), ob er die Injektionsstartzeit des Injektors 23B in Schritt S309 erreicht hat oder nicht.
  • Wenn sie die Injektionsstartzeit des Injektors 23B nicht erreicht hat (S309 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S307 zurück. Wenn sie unterdessen die Injektionsstartzeit des Injektors 23B erreicht hat (S309 → Ja), öffnet die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529) das Ventil des Injektors 23B in Schritt S310 (Zeit t2 in 13C).
  • In Schritt S311 bestimmt die ECU 50, ob die Injektionszeitdauer des Injektors 23A abgelaufen ist oder nicht. Es sollte angemerkt werden, dass die Injektionszeitdauer der Injektionsmenge entspricht, die in der INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 522 berechnet ist. Wenn die Injektionszeitdauer des Injektors 23A nicht abgelaufen ist (S311 -> Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S307 zurück. Wenn unterdessen die Injektionszeitdauer des Injektors 23A abgelaufen ist (S311 -> Ja), schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528) das Ventil des Injektors 23A in Schritt S312 (Zeit t3 in 13B).
  • In Schritt S313 bestimmt die ECU 50 (Druckvergleichseinheit 527), ob der Anodendruck kleiner als oder gleich dem Soll-Druck P0 ist oder nicht. Wenn der Anodendruck P kleiner als oder gleich dem Soll-Druck P0 ist (S313 → Ja), bestimmt die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 528), ob die Injektionszeitdauer des Injektors 23B abgelaufen ist oder nicht, in Schritt S314. Wenn die Injektionszeitdauer des Injektors 23B nicht abgelaufen ist (S314 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S310 zurück. Wenn unterdessen die Injektionszeitdauer des Injektors 23B abgelaufen ist (S314 → Ja), schließt die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529) das Ventil des Injektors 23B in Schritt S315 (Zeit t4 in 13C).
  • Wenn darüber hinaus der Anodendruck P größer als der Soll-Druck P0 in Schritt S308 ist (S308 -> Ja), schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528) das Ventil des Injektors 23A in Schritt S316 (Zeit t12, t18 in 13B). Wenn, wie in diesem Fall, der Anodendruck größer als der Soll-Druck P0 ist, kann unnötiger Wasserstoffverbrauch vermieden werden, indem das Ventil des Injektors 23A sofort geschlossen wird.
  • In Schritt S317 bestimmt die ECU 50 (Druckvergleichseinheit 527), ob der Anodendruck P größer als oder gleich dem Schwellenwert P1 ist oder nicht. Der oben beschriebene Schwellenwert P1 (siehe 13A) ist ein Wert, der als Kriterium dafür dient, ob es erforderlich ist oder nicht, den Anodendruck durch Öffnen des Ventils des Injektors 23B zu erhöhen. Wenn der Anodendruck größer als oder gleich dem Schwellenwert P1 ist (S317 → Ja), bestimmt die ECU 50 in Schritt S318, ob das Intervall des Injektors 23B zu dieser Zeit geendet hat oder nicht.
  • Wenn das Intervall des Injektors 23B nicht geendet hat (S318 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 59 zu Schritt S317 zurück. Wenn unterdessen das Intervall des Injektors 23B geendet hat (S318 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zum nächsten Intervall (ENDE) weiter.
  • Wenn darüber hinaus in Schritt S317 der Anodendruck kleiner als der Schwellenwert P1 ist (S317 → Nein), berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523) in Schritt S319 die Injektionsmenge des Injektors 23B. Zum Beispiel berechnet die ECU 50, gemäß dem Anodendruck zur Zeit des Prozesses von Schritt S319, die Injektionsmenge des Injektors 23B derart, dass sich der Anodendruck dem Soll-Druck P0 annähert.
  • In Schritt S320 öffnet und schließt die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529) den Injektor 23B (Zeit t19, t20 in 13C). Wie oben beschrieben, ist es möglich, den Anodendruck durch Öffnen des Ventils des Injektors 23B auch dann zu erhöhen, wenn der Anodendruck mit dem Schließen des Ventils des Injektors 23A plötzlich abfällt (S317 → Nein).
  • Wenn in Schritt S302 in 10 die Abweichung ΔP nicht größer als oder gleich dem Schwellenwert Pα ist (S302 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S321 weiter. In diesem Fall ist der Fehlbetrag des Anodendrucks in Bezug auf den Soll-Druck P0 relativ klein, und es wird wenig Leistung angefordert. In Schritt S321 bringt die ECU 50 (INJ B-Intervallsetzeinheit 525) das Intervall Int(B2) des Injektors 23B auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A (z.B. Zeit t5 bis t7 in 13B).
  • In Schritt S322 bestimmt die ECU 50 (Abweichungsvergleichseinheit 524), ob die Abweichung ΔP größer als oder gleich einem Schwellenwert Pβ ist oder nicht. Der in 13A gezeigte Schwellenwert Pβ ist ein solcher Schwellenwert, der als Kriterium zur Zeit des Setzens der Injektionszeitgebung des Injektors 23B dient (ob dies unmittelbar nach dem Schließen des Ventils des Injektors 23A ist und ob dies in der mittleren Stufe der Ventilschließzeit ist), um die Ventilschließfortsetzungszeitdauer des Injektors 23B auf kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert zu drücken.
  • Wenn die Abweichung ΔP größer als oder gleich dem Schwellenwert Pβ ist (S322 → Ja), berechnet die ECU 50 die Injektionsmenge der Injektoren 23A und 23B sequentiell in Schritt S323 und S324. In Schritt S325 setzt die ECU 50 die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A (Zeit t5, t15 in den 13B und 13C). Hierdurch wird es möglich, durch die Injektoren 23A und 23B kontinuierlich Wasserstoff zuzuführen.
  • Es sollte angemerkt werden, dass es bevorzugt ist, dass die ECU 50 die Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B so macht (z.B. Zeit t15 bis t16 in 13C), dass sie die Zeit in der Nähe der Mitte der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A enthält (Zeit t15 bis t17 in 13B). Hierdurch kann der der Brennstoffzelle 11 zugeführte Wasserstoff in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht werden.
  • Wenn in Schritt S322 die Abweichung ΔP kleiner als der Schwellenwert Pβ ist (S322 → Nein), berechnet die ECU 50 die Injektionsmenge der Injektoren 23A und 23B sequentiell in den Schritten S326 und S327. In Schritt S328 setzt die ECU 50 die Injektionsstartzeit des Injektors 23B auf die Zeit in der mittleren Stufe der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A (Zeit t9 in 13B). D.h., die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B wird derart gesetzt, dass die kontinuierliche Zeitdauer, wenn die Ventile der Injektoren 23A und 23B alle geschlossen sind (z.B. Zeit (t8 bis t9): siehe 13B und 13C), nicht länger als oder gleich der vorbestimmten Zeitdauer wird. Die oben beschriebene vorbestimmte Zeitdauer wird geeignet so gesetzt, dass keine Fehler in der Stöchiometrie in der Brennstoffzelle vorhanden sind.
  • Nach dem Setzen der Injektionszeitgebung des Injektors 23B (S325, S328) geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S307 in 12 weiter. Der in 12 gezeigte Prozess unterscheidet sich von dem Prozess in 11 darin, dass das Ventil des Injektors 23B geöffnet wird (S352), wenn dies die Injektionsstartzeit des Injektors 23B geworden ist, nachdem die ECU 50 das Ventil des Injektors 23A geschlossen hat (S312) (S351 → Ja). Es sollte angemerkt werden, dass der andere Prozess der gleiche ist wie in 11 (die Schrittzahlen in 12 entsprechen jenen von 11). Daher werden detaillierte Beschreibungen für das in 12 gezeigte Flussdiagramm weggelassen.
  • < Hochfahrzeitsteuerung >
  • Als nächstes wird die Steuerung zur Systemhochfahrzeit in Bezug auf das Flussdiagramm in 14 und das Zeitdiagramm in den 15A bis 15C beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass die Hochfahrzeitsteuerung enthält: einen Wasserstoffgaseinführprozess, der Wasserstoffgas in den Anodenfluidkanal 11a einführt; und einen Anodengasaustauschprozess, der das Gas in dem Anodenfluidkanal 11a gegen Wasserstoff ersetzt (siehe 15A).
  • Die ECU 50 startet die Hochfahrzeitsteuerung, wenn ein EIN-Signal von dem Startschalter (IG) eingegeben wird (START). In Schritt S1401 liest die ECU 50 das Intervall und die EIN-Tastung der Injektoren 23A und 23B. In der vorliegenden Ausführung sind die Intervalle der Injektoren 23A und 23B zur Systemhochfahrzeit Festwerte, und auch jede EIN-Tastung ist ein Festwert (Zeit t1 bis t2 in den 15A bis 15C).
  • In Schritt S402 öffnet und schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528) den Injektor 23A basierend auf dem Intervall und der EIN-Tastung, die in Schritt S401 gelesen werden. Ähnlich öffnet und schließt die ECU 50 in Schritt S403 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529) den Injektor 23B. Hier setzt die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526) die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A. Hierdurch kann Wasserstoff, der infolge der Injektion der zwei Injektoren 23A und 23B durch den Anodenfluidkanal 11a fließt, in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht werden.
  • Es sollte angemerkt werden, dass nur zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B mit der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A überlappen muss, und die Injektionszeitgebung des Injektors 23B nicht auf das in den 15B und 15C gezeigte Beispiel beschränkt ist. Infolge des Prozesses in Schritt S402 und S403 nimmt die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenfluidkanal 11a (Rohrleitung a4) im Verlauf der Zeit zu (Zeit t1 bis t2 in den 15A bis 15C).
  • In Schritt S404 bestimmt die ECU 50, ob die Wasserstoffkonzentration QH, die mit einem in der Rohrleitung a4 angebrachten Konzentrationssensor (nicht dargestellt) erfasst wird, größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert Q1 ist oder nicht. Der vorbestimmte Wert Q1 ist ein Schwellenwert, der als Kriterium dafür dient, ob der Anodengasaustauschprozess gestartet werden soll oder nicht, welcher das Gas in dem Anodenfluidkanal 11 a ersetzt (siehe 1). Wenn die Wasserstoffkonzentration QH kleiner als der vorbestimmte Wert Q1 ist (S404 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S402 zurück. Wenn unterdessen die Wasserstoffkonzentration QH größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert Q1 ist (S404 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S405 weiter.
  • In Schritt S405 ändert die ECU 50 das Intervall und die EIN-Tastung der Injektoren 23A und 23B, um den Anodengasaustausch durchzuführen. D.h., wie in den 15B und 15C gezeigt, wird ein Intervall Int(A2) gesetzt, das länger ist als im Falle des Wasserstoffgaseinführprozesses.
  • In Schritt S406 öffnet und schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528 und INJ B-Antriebssteuereinheit 529) die Injektoren 23A und 23B. Es sollte angemerkt werden, dass die ECU 50 (INJ B-Injektionszeitsetzeinheit 526) die Ventilöffnungszeit des Injektors 23B auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A setzt. Hierdurch kann Wasserstoff mit großer Strömungsrate kontinuierlich zum Anodenfluidkanal 11a gefördert werden. Darüber hinaus öffnet die ECU 50 das Ventil des Spülventils 25 (siehe 1) zur Zeit t2 bis t3 in den 15A bis 15C. Hierdurch fließt das Gas, das sich in der Rohrleitung a4, dem Anodenfluidkanal 11a und der Rohrleitung a5 und 6 angesammelt hat (siehe 1), über die Rohrleitungen a7 und a8 in den Verdünner 32 und wird zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben.
  • In Schritt S405 bestimmt die ECU 50, ob die Wasserstoffkonzentration QH größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert Q2 ist oder nicht. Der oben beschriebene vorbestimmte Wert Q2 ist ein Schwellenwert, der als Kriterium dafür dient, ob nach Austausch des Anodengases mit Wasserstoff zur Systemhochfahrzeit zur normalen Steuerung geschaltet werden soll oder nicht. Wenn die Wasserstoffkonzentration QH kleiner als der vorbestimmte Wert Q2 ist (S407 → Nein), kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S407 zurück. Wenn unterdessen die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert Q2 ist (S407 → Ja), beendet die ECU 50 die Hochfahrzeitsteuerung (ENDE) und geht zur normalen Steuerung weiter.
  • < Hochleistungs-Zeitsteuerung: INJ A >
  • Als nächstes wird der Prozess zum Antreiben des Injektors 23A mit Hochleistungs-Zeitsteuerung in Bezug auf das Flussdiagramm in 16 und das Flussdiagramm in den 18A bis 18D beschrieben. In Schritt S411 in 16 bestimmt die ECU 50, ob der Erfassungswert eines mit einer VCU 41 verbundenen Stromdetektors (nicht dargestellt) größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert I1 ist oder nicht. Der vorbestimmte Wert I1 ist ein Schwellenwert, der als Kriterium dafür dient, ob von der oben beschriebenen normalen Steuerung zur Hochleistungs-Zeitsteuerung umgeschaltet werden soll oder nicht. Wenn der Stromwert kleiner als der vorbestimmte Wert I1 ist (S411 → Nein), wiederholt die ECU 50 den Prozess von Schritt S411, während die normale Steuerung fortgesetzt wird. Wenn unterdessen der Stromwert größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert I1 ist (S411 → Nein), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S412 weiter.
  • In Schritt S412 liest die ECU 50 das Intervall und die EIN-Tastung (z.B. 80%) des Injektors 23A. In Schritt S413 öffnet und schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 528) den Injektor 23A mit dem Intervall und der EIN-Tastung, die in Schritt S412 gesetzt sind. In Schritt S414 bestimmt die ECU 50, ob der Stromwert kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Wert I2 ist oder nicht. Der oben beschriebene vorbestimmte Wert I2 ist ein Schwellenwert, der als Kriterium dafür dient, ob die EIN-Tastung des Injektors 23A weiter erhöht werden soll oder nicht.
  • Wenn der Stromwert kleiner als der vorbestimmte Wert I2 ist (S414 → Ja), beendet die ECU 50 den Prozess (ENDE - geht zum nächsten Intervall weiter). Wenn unterdessen der Stromwert größer als der vorbestimmte Wert I2 ist (S414 → Nein), liest die ECU 50 in Schritt S415 erneut das Intervall und die EIN-Tastung des Injektors 23A. Es sollte angemerkt werden, dass in der vorliegenden Ausführung das Intervall des Injektors 23A nicht verändert wird, aber die EIN-Tastung von 80% (S412) auf 90% (S413) erhöht wird.
  • In Schritt S416 öffnet und schließt die ECU 50 (INJ A-Antriebssteuereinheit 537) den Injektor 23A mit der EIN-Tastung und dem Intervall, die in Schritt S415 gelesen werden. D.h., wenn der von der Brennstoffzelle 11 abgenommene Stromwert groß ist (S414 → Ja), treibt die ECU 50 den Injektor 23A mit einer relativ hohen EIN-Tastung an (S415, S416). Hierdurch wird Wasserstoff mit großer Strömungsrate dem Anodenfluidkanal 11a der Brennstoffzelle 11 zugeführt, und es wird möglich, einen Hochleistungszustand einzuhalten.
  • < Hochleistungs-Zeitsteuerung: INJ B >
  • Als nächstes wird der Prozess zum Antrieb des Injektors 23B mit Hochleistungs-Zeitsteuerung in Bezug auf das Flussdiagramm in 17 und das Zeitdiagramm in den 18A bis 18D beschrieben. In Schritt S421 in 17 bestimmt die ECU 50 (Druckvergleichseinheit 527), ob der Anodendruck kleiner als oder gleich einem Schwellenwert P3 ist oder nicht. Der oben beschriebene Schwellenwert P3 (siehe 18A) ist ein solcher Schwellenwert, der als Kriterium dafür dient, ob das Ventil des Injektors 23B zur Wasserstoffunterstützung entsprechend der Fehlmenge mit nur dem Injektor 23A geöffnet werden soll oder nicht.
  • Wenn der Anodendruck größer als der Schwellenwert P3 ist (S421 → Nein), wiederholt die ECU 50 den Prozess von Schritt S421. Wenn unterdessen der Anodendruck kleiner als oder gleich dem Schwellenwert P3 ist (S421 → Ja), geht der Prozess der ECU 50 zu Schritt S422 weiter. In Schritt S422 berechnet die ECU 50 (INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit 523) die Injektionsmenge des Injektors 23B (d.h., die EIN-Tastung) z.B. basierend auf PID-(Proportional-Integral-Derivativ)-Regelung.
  • In Schritt S423 öffnet die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 529) das Ventil des Injektors 23B mit einer EIN-Tastung entsprechend der in Schritt S422 berechneten Injektionsmenge. In Schritt S424 bestimmt die ECU 50, ob die Injektionszeitdauer abgelaufen ist oder nicht. Wenn die Injektionszeitdauer (S424 → Nein) nicht abgelaufen ist, kehrt der Prozess der ECU 50 zu Schritt S423 zurück. Wenn unterdessen die Injektionszeitdauer abgelaufen ist (S424 → Ja), schließt die ECU 50 (INJ B-Antriebssteuereinheit 538) das Ventil des Injektors 23B und beendet den Prozess (ENDE: wechselt zur normalen Steuerung).
  • < Vorteilhafte Effekte >
  • In der vorliegenden Ausführung werden die Ventilöffnungszeit und die Ventilschließzeit des Injektors 23B nach Bedarf gemäß der Abweichung ΔP des Anodensdrucks in Bezug auf den Soll-Druck P0 gesetzt (S302, S322, s326). Hierdurch wird es möglich, eine genaue Rückkopplungsregelung auszuführen und somit jeden Injektor 23A und 23B so anzusteuern, dass die Abweichung ΔP in Bezug auf den Soll-Druck P0 zu Null wird.
  • Darüber hinaus führt die vorliegende Ausführung einen Prozess zur Überwachung der ECU 50 durch, ob der Anodendruck größer als der Soll-Druck P0 ist oder nicht, während das Ventil von zumindest einem der Injektoren 23A und 23B geöffnet ist (S308, S313). Wenn der Anodendruck größer als der Soll-Druck P0 ist (S308 → Nein, S313 → Nein), kann unnötiger Wasserstoffverbrauch reduziert werden, indem die von jedem Injektor 23A und 23B ausgeführte Wasserstoffzufuhr auf einmal gestoppt wird (S315, S316). Wenn darüber hinaus der Anodendruck auf weniger als den vorbestimmten Druck P1 verringert ist, während die Ventile von beiden Injektoren 23A und 23B geschlossen sind (S317 → Nein), können Fehler in der Stöchiometrie sicher vermieden werden, indem sofort Wasserstoff von dem Injektor 23B injiziert wird (S320).
  • Darüber hinaus wird in der Umgebung der in dem Ejektor 24 enthaltenen Düse 24p Unterdruck erzeugt (siehe 1), indem Wasserstoff vom Injektor 23A injiziert wird, und daher kann Abgas in dem Zirkulationsfluidkanal zirkuliert werden, der die Rohrleitung a4, den Anodenfluidkanal 11a und die Rohrleitungen a5 und a6 enthält. D.h., durch Rückfluss des Wasserstoffs, der noch nicht reagiert hat, zum Anodenfluidkanal 11a, ist es möglich, Wasserstoff effizient zu verbrauchen. Unterdessen wird, durch Injizieren des Wasserstoffs von dem Injektor 23B, Wasserstoff mit hoher Konzentration direkt dem Anodenfluidkanal 11 a über die Rohrleitungen b2 und a4 zugeführt, und der Wasserstoffdruck in dem Anodenfluidkanal 11a ändert sich mit rascher Reaktion. Daher wird es möglich, den Druck und die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenfluidkanal 11 a innerhalb eines geeigneten Bereichs zu halten, indem die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung des Injektors 23B eingestellt werden.
  • Darüber hinaus wird beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems eine sequentielle Steuerung durchgeführt, indem das Intervall und die EIN-Tastung jedes Injektors 23A und 23B fixiert werden. Wenn eine solche sequentielle Steuerung durchgeführt wird, kann der zum Anodenfluidkanal 11a geleitete Wasserstoff in die Nähe einer kontinuierlichen Strömung gebracht werden, indem das Ventil des Injektors 23B in der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A geöffnet wird (S402, S403). Daher kann die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenfluidkanal 11a rasch erhöht werden.
  • Wenn darüber hinaus in der vorliegenden Ausführung die Hochleistungs-Zeitsteuerung durchgeführt wird, wird die EIN-Tastung des Injektors 23A fixiert (S412, S415) und die nur mit dem Injektor 23B ungenügende Menge wird durch den Injektor 23A ergänzt (S421 → Ja, S423). D.h., durch Zufuhr des Wasserstoffs mit großer Strömungsrate von dem Injektor 23A und durch Unterstützung der Wasserstoffzufuhr durch den Injektor 23B wird Wasserstoff mit der geeigneten Strömungsrate dem Anodenfluidkanal 11 zugeführt, und es kann der Hochleistungszustand eingehalten werden.
  • << Modifiziertes Beispiel >>
  • Obwohl, wie oben beschrieben, jede der oben beschriebenen Ausführungen für das Brennstoffzellensystem S1 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist die Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Aussagen beschränkt und kann verschiedene Änderungen erfahren. 19 ist eine Gesamtstrukturansicht des Brennstoffzellensystems gemäß dem modifizierten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 19 gezeigte Brennstoffzellensystem S2 enthält zwei Wasserstofftanks 21A und 21B. Wie in der ersten Ausführung ist die stromaufwärtige Seite des Injektors 23A (erste Brenngasinjektionsvorrichtung) mit dem Wasserstofftank 21A über die Rohrleitung a2, das Absperrventil 22A und die Rohrleitung a1 verbunden, und die stromabwärtige Seite ist mit dem Ejektor 24 über die Rohrleitung a3 verbunden. Unterdessen ist die stromaufwärtige Seite des Injektors 23B (zweite Brenngasinjektionsvorrichtung) mit dem Wasserstofftank 21B über die Rohrleitung b2, das Absperrventil 22B und die Rohrleitung d1 verbunden, und die stromabwärtige Seite ist mit der Rohrleitung a4 über die Rohrleitung d3 verbunden.
  • In diesem Fall ist der „erste Brenngaszufuhrfluidkanal“, in dem der Injektor 23A vorgesehen ist, so konfiguriert, dass er die Rohrleitungen a1, a2, a3 und a4 enthält. Darüber hinaus ist der „zweite Brenngaszufuhrfluidkanal“, in dem der Injektor 23B vorgesehen ist, so konfiguriert, dass er die Rohrleitungen d1, d2 und d3 enthält. Es sollte angemerkt werden, dass, da die anderweitige Struktur und das Steuerverfahren der Injektoren 23A und 23B gleich jenen der ersten Ausführung sind, die Beschreibungen weggelassen werden. Die in 19 gezeigte Struktur hat die gleichen Funktionen und vorteilhaften Effekte wie in den Fällen, die in Bezug auf die erste Ausführung beschrieben sind.
  • Obwohl darüber hinaus in jeder der oben beschriebenen Ausführungen ein Beispiel gezeigt ist, das drei Schwellenwerte Q1, Q2 und Q3 verwendet, wenn die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung durch den Injektor 23B (und 23C) gesetzt wird, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., der zu verwendende Schwellenwert kann zwei oder weniger und kann vier oder mehr sein. Darüber hinaus ist die erste Ausführung für Fälle beschrieben worden, wo die angeforderte Brenngasmenge zur Ventilschließzeit des Injektors 23A größer als oder gleich einem Schwellenwert Q1 ist (S115 → Ja - siehe 4), größer als oder gleich dem Schwellenwert Q2 und kleiner als Q1 ist (S119 → Ja - siehe 4), und Fälle, wo das Ventil des Injektors 23B in der späteren Stufe des Intervalls geöffnet wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., die Zeitgebung zum Öffnen des Injektors 23B kann nach Bedarf geändert werden. Z.B. kann der Injektor 23B in der frühen Stufe oder der mittleren Stufe des Intervalls geöffnet werden.
  • Darüber hinaus ist die erste Ausführung für Fälle beschrieben worden, wo die angeforderte Brenngasmenge zur Intervallstartzeit des Injektors 23A größer als oder gleich dem Schwellenwert Q1 ist (S103 → Ja - siehe 3), und Fälle, wo das Intervall des Injektors 23B auf der gleichen Teilperiode wie das Intervall des Injektors 23A liegt (S104 - siehe 3). Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. D.h., das Intervall des Injektors 23B kann nach Bedarf derart gesetzt werden, dass die Ventilöffnung des Injektors 23B zur Intervall-Endzeit des Injektors 23A endet, und die oben beschriebene angeforderte Brenngasmenge erreicht wird. Darüber hinaus kann z.B. die Injektionszeitgebung des Injektors 23B so gesetzt werden, dass unabhängig von der Größe oder Kleinheit der angeforderten Brenngasmenge das Ventil in der mittleren Stufe des Intervalls Int(B) geöffnet wird.
  • Obwohl darüber hinaus die zweite Ausführung für den Fall beschrieben worden ist, wo die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung der Injektoren 23B und 23C zur Ventilschließzeit des Injektors 23A gesetzt werden, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung des Injektors 23B können auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A gesetzt werden, und ferner können die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung des Injektors 23C auf die Ventilschließzeit des Injektors 23B gesetzt werden. Dies ermöglicht eine noch feinere Durchführung der Wasserstoffzufuhr.
  • Obwohl darüber hinaus die zweite Ausführung für den Fall beschrieben worden ist, wo die Startzeit und die Endzeit des Intervalls der Injektoren 23B und 23C auf die zueinander gleiche Zeit gesetzt werden, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Z.B. kann sie so konfiguriert sein, dass die Ventilschließzeit des Injektors 23A in zwei gleiche Teile aufgeteilt
    ist, und die erste Hälfte als das Intervall des Injektors 23B gesetzt ist und die zweite Hälfte als das Intervall des Injektors 23C gesetzt ist. In diesem Fall können die Injektionsmenge und die Injektionszeitgebung des Injektors 23C auf die Ventilschließzeit des Injektors 23A gesetzt werden und können auf die Ventilschließzeit des Injektors 23B gesetzt werden. Obwohl darüber hinaus die zweite Ausführung für den Fall beschrieben worden ist, wo der Bohrungsdurchmesser der Düse des Injektors 23B größer als der Bohrungsdurchmesser der Düse des Injektors 23C ist, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., die Düsen der Injektoren 23B und 23C können auch den gleichen Bohrungsdurchmesser aufweisen.
  • Obwohl darüber hinaus jede der oben beschriebenen Ausführungen für Fälle beschrieben worden ist, wo die ECU 50 die angeforderte Brenngasmenge z.B. Beispiel basierend auf dem Soll-Erzeugungsstrom der Brennstoffzelle 11, dem Soll-Druck des Anodenfluidkanals 11a und der Spülmenge bei der Ventilöffnung des Spülventils 25 berechnet, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Z.B. kann die angeforderte Brenngasmenge auch unter Berücksichtigung der Zellenspannung und der Temperatur der Brennstoffzelle 11 berechnet werden. Darüber hinaus kann die angeforderte Brenngasmenge auch gemäß der Gaspedalbetätigung des Brennstoffzellenfahrzeugs berechnet werden, das die Brennstoffzellensysteme S1 und S2 enthält. Obwohl darüber hinaus jede der oben beschriebenen Ausführungen für den Fall beschrieben worden ist, wo Wasserstoff als das Brenngas verwendet wird, kann auch Naturgas oder dergleichen als das Brenngas verwendet werden.
  • Obwohl darüber hinaus in den obigen Ausführungen Fälle beschrieben worden sind, wo die Intervalle der Injektoren 23A und 23B variabel sind, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., die Intervalle der Injektoren 23A und 23B können auch Festwerte sein.
  • Obwohl darüber hinaus in der ersten Ausführung ein Fall beschrieben worden ist, wo hohe Leistung angefordert wird (S103 → Ja), sowie ein Fall, wo das Intervall der Injektoren 23A und 23B in den gleichen Zeitperiodenabschnitt gesetzt sind (S104), ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. D.h., die Intervalle der Injektoren 23A und 23B können, unabhängig von der Höhe der angeforderten Leistung, auf den gleichen Zeitperiodenabschnitt gesetzt werden.
  • Darüber hinaus ist in der ersten Ausführung ein Fall beschrieben worden, wo wenig Leistung angefordert wird (S103 → Nein) und ein Fall, wo die Injektionsmenge des Injektors 23B gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Zeit des Endes der Ventilöffnung des Injektors 23A gesetzt wird (S116), aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. D.h., die Injektionsmenge des Injektors 23B kann gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Beendigungszeit der Ventilöffnung des Injektors 23A gesetzt werden, unabhängig von der Höhe der angeforderten Leistung.
  • Beschreibung der Bezugszahlen
    • S1, S2
    Brennstoffzellensystem
    11
    Brennstoffzelle
    11a
    Anodenfluidkanal (Brenngasfluidkanal)
    11c
    Kathodenfluidkanal (Oxidationsgasfluidkanal)
    21, 21A, 21B
    Wasserstofftank
    23A
    Injektor (erste Brenngasinjektionsvorrichtung)
    23B
    Injektor (zweite Brenngasinjektionsvorrichtung)
    24
    Ejektor
    25
    Spülventil
    50
    ECU (Controller)
    501
    Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungseinheit (Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel)
    502
    INJ A-Intervallsetzeinheit (Intervallsetzmittel)
    503
    erste Vergleichseinheit
    504
    INJ A-Injektionsmengen-Berechnungseinheit (erstes Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel)
    505, 514
    INJ B-Injektionsmengen-Berechnungseinheit (zweites Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel)
    506, 515
    INJ B-Injektionszeitsetzeinheit (Injektionsstartzeitsetzmittel)
    507
    INJ B-Intervallsetzeinheit (Intervallsetzmittel)
    508
    INJ B-Injektionsmengen-Fixierzeitsetzeinheit
    509
    Angeforderte-Brenngasmengen-Integriereinheit (Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel)
    510
    INJ A-Ist-Injektionsmengen-Integriereinheit
    511
    Addierer/Subtrahierer
    512
    Addierer
    513
    zweite Vergleichseinheit
    61
    Gaspedal
    a1, a2, a3, a4
    Rohrleitung (erster Brenngaszufuhrfluidkanal)
    a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3
    Rohrleitung (zweiter Brenngaszufuhrfluidkanal)
    a5, a7, a8
    Rohrleitung (Brenn-Abgasabführfluidkanal)
    a6
    Rohrleitung (Rücklauffluidkanal)
  • Es wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das Brenngas geeignet zuführen kann. Das Brennstoffzellensystem enthält einen Injektor 23A und einen Injektor 23B, die Brenngas injizieren, sowie eine ECU 50. Die ECU 50 justiert die Strömungsrate des Brenngases, das von dem Injektor 23A injiziert wird, durch Einstellung der Ventilöffnungszeitdauer und der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A, welche abwechselnd wiederholt werden, und bewirkt, dass zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 23B mit der Ventilschließzeitdauer des Injektors 23A überlappt, wenn das Ventil des Injektors 23B offen ist.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem (S1, S2), welches aufweist: eine Brennstoffzelle (11), die durch einem Brenngasfluidkanal (11a) zugeführtes Brenngas und durch einem Oxidationsgasfluidkanal (11c) zugeführtes Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einen ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4), durch den zum Brenngasfluidkanal (11a) geleitetes Brenngas fließt; einen Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8), durch den von dem Brenngasfluidkanal (11a) abgegebenes Brenn-Abgas fließt; einen Rücklauffluidkanal (a6), durch den Brenn-Abgas fließt, das von dem Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8) zu dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) zurückkehrt; eine erste Brenngasinjektionsvorrichtung (23A), die in dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (11 a) vorgesehen ist und durch Öffnen und Schließen eines Ventils Brenngas injiziert; einen Ejektor (24), der in dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) stromab der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) vorgesehen ist und Brenn-Abgas, das von dem Brenn-Abgasabführfluidkanal (a5, a7, a8) über den Rücklauffluidkanal (a6) zu dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) zurückkehrt, mit Brenngas vermischt, das von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) zu injizieren ist; einen zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3), durch den zum Brenngasfluidkanal (11 a) geleitetes Brenngas fließt, und ein stromabwärtiges Ende des zweiten Brenngaszufuhrfluidkanals (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3) mit dem ersten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, a3, a4) stromab des Ejektors (24) verbunden ist; eine zweite Brenngasinjektionsvorrichtung (23B), die in dem zweiten Brenngaszufuhrfluidkanal (a1, a2, b1, b2, d1, d2, d3) vorgesehen ist und durch Öffnen und Schließen eines Ventils Brenngas injiziert; und ein Steuermittel (50) zum Steuern oder Regeln der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) und der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (50) aufweist: ein Intervallsetzmittel (502, 507) zum Setzen eines ersten Intervalls (Int(A)), das aus einer Öffnungszeitdauer und einer Schließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) besteht, und eines zweiten Intervalls (Int(B)), das aus einer Öffnungszeitdauer und einer Schließzeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) besteht; ein Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) zum Berechnen einer angeforderten Brenngasmenge, die zur Elektrizitätserzeugung in der Brennstoffzelle (11) erforderlich ist; wobei das Steuermittel (50) die Strömungsrate des von der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) injizierten Brenngases einstellt, indem sie die Ventilöffnungszeitdauer und die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A), die abwechselnd wiederholt werden, einstellt und bewirkt, dass zumindest ein Teil der Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) sich mit der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) überschneidet, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) geöffnet ist, wobei das Intervallsetzmittel (502, 207) das erste Intervall (Int(A)) und das zweite Intervall (Int(B)) gleichzeitig startet und beendet, wenn die angeforderte Brenngasmenge größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist; und die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) als das zweite Intervall (Int(B)) setzt, wenn die angeforderte Brenngasmenge kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
  2. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel (50) bewirkt, dass eine kontinuierliche Zeitdauer, in der die Ventile sowohl der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) als auch der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) geschlossen sind, nicht größer als oder gleich einer vorbestimmten Zeitdauer wird, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) geöffnet ist.
  3. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuermittel (50) bewirkt, dass die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) eine Zeit in der Nähe einer Mitte der Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) enthält, wenn das Ventil der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) geöffnet ist.
  4. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel (50) aufweist: ein erstes Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (504) zum Berechnen der Ventilöffnungszeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) während des ersten Intervalls (Int(A)); ein zweites Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (505, 514) zum Berechnen der Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während des zweiten Intervalls (Int(B)); und ein Injektionsstartzeitsetzmittel (506, 515) zum Setzen einer Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) derart, dass die zweite Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während zumindest die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) in einem offenen Ventilzustand ist, wenn zur Ventilöffnungs-Startzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) hohe Leistung angefordert wird.
  5. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Intervallsetzmittel (502, 207) das erste Intervall (Int(A)) und das zweite Intervall (Int(B)) gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen- Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge setzt; das erste Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (504) eine Ventilöffnungszeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) während des ersten Intervalls (Int(A)), gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge berechnet; und das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (505, 514) eine Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während des zweiten Intervalls (Int(B)) gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge berechnet.
  6. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Injektionsstartzeitsetzmittel (506, 515) die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge derart setzt, dass die Ventilöffnungsendzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) mit der Endzeit des ersten Intervalls (Int(A)) übereinstimmt.
  7. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das Intervallsetzmittel (502, 507) die Ventilschließzeitdauer der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) während des ersten Intervalls als das zweite Intervall gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge setzt; und das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (505, 514) die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während des zweiten Intervalls zur Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) berechnet.
  8. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das zweite Ventilöffnungszeitdauer-Berechnungsmittel (505, 514) die Ventilöffnungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während des zweiten Intervalls, gemäß der vom Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) berechneten angeforderten Brenngasmenge, auf Null setzt.
  9. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das Injektionsstartzeitsetzmittel (506, 515) eine Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) gemäß der angeforderten Brenngasmenge zur Ventilöffnungs-Endzeit der ersten Brenngasinjektionsvorrichtung (23A) setzt.
  10. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 5, wobei das Intervallsetzmittel (502, 507) das zweite Intervall auf den gleichen Zeitperiodenabschnitt wie das erste Intervall setzt.
  11. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Injektionsstartzeitsetzmittel (506, 515) die Injektionsstartzeit der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) derart setzt, dass eine Ventilschließfortsetzungszeitdauer der zweiten Brenngasinjektionsvorrichtung (23B) während des zweiten Intervalls nicht größer als oder gleich einer vorbestimmten Zeitdauer wird.
  12. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das Angeforderte-Brenngasmengen-Berechnungsmittel (501, 509) die angeforderte Brenngasmenge gemäß einer Gaspedalstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs berechnet, in das das Brennstoffzellensystem (S1, S2) eingebaut ist.
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