DE102013223903B4

DE102013223903B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013223903B4
Application number: DE102013223903.3A
Authority: DE
Inventors: Osamu Ohgami; Koichiro Miyata; Yusai YOSHIMURA
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2033-11-23
Also published as: JP5688067B2; JP2014107107A; US20140147760A1; DE102013223903A1; US9373855B2

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches aufweist:eine Brennstoffzelle (10), der zur Erzeugung von elektrischer Energie Brenngas und Oxidationsgas zugeführt wird;ein Brenngaszufuhrrohr (22), das die Brennstoffzelle (10) mit einem Brennstofftank (21) verbindet;ein Brenn-Abgasabgaberohr (23), in das von der Brennstoffzelle (10) abgegebenes Brenn-Abgas fließt;ein Brenngaszirkulationsrohr (24), das das Brenn-Abgasabgaberohr (23) und das Brenngaszufuhrrohr (22) verbindet;eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A), die in dem Brenngaszufuhrrohr (22) an einer stromaufwärtigen Seite einer Verbindung (30) zwischen dem Brenngaszufuhrrohr (22) und dem Brenngaszirkulationsrohr (24) angeordnet ist;ein Bypassrohr (32), das von dem Brenngaszufuhrrohr (22) abzweigt, einen Bypass der ersten Brenngaszufuhrvorrichtung (28A) und der Verbindung (30) bildet und in das Brenngaszufuhrrohr (22) mündet;eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B), die in dem Bypassrohr (32) angeordnet ist; undeine Steuerungsvorrichtung (6), die den Antrieb der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) und der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) steuert/regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (6) enthält:eine Antriebsintervallsetzeinheit (61), die erste Antriebsintervalle für die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) und zweite Antriebsintervalle für die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) setzt,eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit (66, 67, 68), die Ventilöffnungsdauern der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) gemäß den ersten Antriebsintervallen setzt, undeine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit (69, 70), die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) gemäß den zweiten Antriebsintervallen setzt, worindie Antriebsintervallsetzeinheit (61) die zweiten Antriebsintervalle so setzt, dass sie kürzer sind als die ersten Antriebsintervalle, und die Steuerungsvorrichtung (6) das Ventil der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) öffnet, ohne auf das nächste erste Antriebsintervall der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) zu warten, wenn sich der Anodendruck (Pa) im Anodenströmungsweg (12) der Brennstoffzelle (10) rasch ändert..

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Beschreibung der verwandten Technik
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2007 - 165 186 A ein Brennstoffzellensystem, worin eine Periode (Antriebsintervall genannt) als Summe einer Ventilöffnungsdauer und einer Ventilschließdauer eines Injektors, gemäß der Last an der Brennstoffzelle, so geändert werden kann, dass sie verlängert oder verkürzt wird.
Allgemein kann in Brennstoffzellensystemen in einigen Fällen eine rasche Änderung der Last oder Öffnung eines Spülventils während eines Antriebsintervalls des Injektors eine Schwankung im Anodendruck verursachen. Darüber hinaus ist es in den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen erforderlich, auf das nächste Antriebsintervall zu warten, bevor ein Spülventil zum Steuern des Anodendrucks geöffnet wird. Daher ist es in den herkömmlichen Brennstoffzellensystem unmöglich, den Anodendruck auch dann rasch zu steuern, wenn sich der Anodendruck rasch ändert, so dass in der Brennstoffzelle eine ungenügende Stöchiometrie auftreten kann.
Aus der JP 2002 - 151 116A ist ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
Die JP 2005 - 302 571 A zeigt mehrere Ventile, die im Brenngaszuführweg vom Kraftstofftank zur Brennstoffzelle parallel geschaltet sind und zu unterschiedlichen Zeiten geöffnet und geschlossen werden, um Gaspulse zu erzielen, zu dem Zweck, Eis, Wasser und andere Substanzen von der Wasserstoffelektroden-Seite zu entfernen.
Die DE 10 2009 057 573 A1 zeigt ein Ventil im Kraftstoffzufuhrweg und ein Ablassventil, das periodisch geöffnet wird, um Stickstoff von der Anodenseite zu beseitigen.
In der JP 2007 - 165 186 A sind ein Ejektor und Ventile seriell im Kraftstoffzufuhrweg verbunden. Der Ejektor wird in Zyklen geöffnet, deren Frequenz kürzer wird, wenn der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom schwächer wird.
Im Hinblick auf das oben stehende ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, dessen Druck exzellent steuerbar/regelbar ist, und das den Anodendruck rasch steuern/regeln kann, auch wenn sich der Anodendruck rasch ändert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der obigen Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 angegeben.
Das Brennstoffzellensystem enthält: eine Brennstoffzelle, der zur Erzeugung von elektrischer Energie Brenngas und Oxidationsgas zugeführt wird; ein Brenngaszufuhrrohr, das die Brennstoffzelle und einen Brennstofftank verbindet; ein Brenn-Abgasabgaberohr, in das von der Brennstoffzelle abgegebenes Brenn-Abgas fließt; ein Brenngaszirkulationsrohr, das das Brenn-Abgasrohr und das Brenngaszufuhrrohr verbindet; eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung, die in dem Brenngaszufuhrrohr an einer stromaufwärtigen Seite eine Verbindung zwischen dem Brenngaszufuhrrohr und dem Brenngaszirkulationsrohr angeordnet ist; ein Bypassrohr, das von dem Brenngaszufuhrrohr abzweigt, einen Bypass der ersten Brenngaszufuhrvorrichtung und der Verbindung bildet und in das Brenngaszufuhrrohr mündet; eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung, die in dem Bypassrohr angeordnet ist; und eine Steuerungsvorrichtung, die den Antrieb der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung und der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung steuert/regelt. Die Steuervorrichtung enthält eine Antriebsintervallsetzeinheit, die erste Antriebsintervalle für die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung und zweite Antriebsintervalle für die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung setzt, eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit, die Ventilöffnungsdauern der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung gemäß den ersten Antriebsintervallen setzt, und eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit, die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung gemäß den zweiten Antriebsintervallen setzt. Die Antriebsintervallsetzeinheit setzt die zweiten Antriebsintervalle so, dass sie kürzer sind als die ersten Antriebsintervalle.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die zweiten Antriebsintervalle für die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung kürzer gesetzt als die ersten Antriebsintervalle für die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung. Daher ist es möglich, den Anodendruck durch Öffnen eines Ventils in der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung zu steuern/regeln, ohne auf den nächsten der ersten Antriebsintervalle zu warten, auch wenn sich der Anodendruck rasch ändert. Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, den Anodendruck auch dann rasch zu steuern/regeln, wenn sich der Anodendruck während einem der ersten Antriebsintervalle rasch ändert, und daher die Möglichkeit zu reduzieren, dass in der Brennstoffzelle eine ungenügende Stöchiometrie auftritt.
Darüber hinaus enthält das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner bevorzugt ein Ablassventil in dem Brenn-Abgasabgaberohr, worin die Steuerungsvorrichtung ferner eine Abgasmengenberechnungseinheit enthält, die eine Menge des abgegebenen Brenn-Abgases auf der Basis einer Ventilöffnungsdauer des Ablassventils berechnet, und die Steuerungsvorrichtung die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung auf der Basis der Menge des abgegebenen Brenn-Abgases setzt.
In dem Fall, wo das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben konfiguriert ist, wird, wenn das Brenngas durch Öffnen des Ablassventils abgegeben wird, das Ventil in der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung geöffnet. Darüber hinaus wird die Ventilöffnungsdauer der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung auf der Basis der Menge des abgegebenen Brenn-Abgases gesetzt. Auch wenn daher die Öffnung des Ablassventils und eines der ersten Antriebsintervalle eine starke Druckänderung verursacht, kann der Anodendruck gesteuert/geregelt werden, indem das Ventil in der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung geöffnet wird. Somit ist es möglich, das Auftreten von ungenügender Stöchiometrie zu vermeiden und die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle zu stabilisieren.
Ferner enthält das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner bevorzugt eine Zirkulationsvorrichtung in der Verbindung zwischen dem Brenngaszufuhrrohr und dem Brenngaszirkulationsrohr, worin die Steuerungsvorrichtung der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung mit Präferenz eine Last-basierte Wasserstoffmenge des Brenngases entsprechend einer Last an der Brennstoffzelle zuweist, und der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung einen Überschuss der Last-basierten Wasserstoffmenge über eine Kapazität der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung zuweist.
In dem Fall, wo das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben konfiguriert ist, ist die Zirkulationsvorrichtung in der Verbindung angeordnet, die an der stromabwärtigen Seite der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung angeordnet ist. Daher ist es möglich, die Zirkulationskapazität des Brenngases zu verbessern, das durch die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung injiziert wird.
Darüber hinaus weist die Steuerungsvorrichtung bevorzugt die Last-basierte Wasserstoffmenge des Brenngases der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung zu, welche die hohe Zirkulationskapazität hat. Daher kann die Stabilität der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle verbessert werden, im Vergleich zu dem Fall, wo das Brenngas durch die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung zugeführt wird.
Ferner setzt bevorzugt die Antriebsintervallsetzeinheit die ersten Antriebsintervalle so, dass sie allmählich länger werden, wenn eine auf die Brennstoffzelle wirkende Last abnimmt.
In dem Fall, wo das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben konfiguriert ist, werden die ersten Antriebsintervalle im das zweite Antriebsintervall überschreitenden Bereich allmählich verlängert, wenn die auf die Brennstoffzelle wirkende Last abnimmt. Wenn daher die auf die Brennstoffzelle wirkende Last gering ist, werden die Intervalle zwischen Injektionen von der ersten Brennstoffzellenzufuhrvorrichtung lang, was erlaubt, dass die Anzahl der Antriebsvorgänge der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung reduziert wird. Wenn andererseits die auf die Brennstoffzelle wirkende Last hoch ist, werden die Intervalle zwischen Injektionen an der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung kurz, so dass es möglich ist, relativ rasch eine erforderliche Wasserstoffmenge der Brennstoffzelle zuzuführen und die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu erhöhen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, dessen Druck exzellent steuerbar/regelbar ist, und das den Anodendruck auch dann rasch steuern/regeln kann, wenn sich der Anodendruck rasch ändert.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das die Hauptkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Blockdiagramm, das zur Erläuterung von Details und Steuerungsfunktionen einer Steuerungsvorrichtung gemäß der Ausführung angegeben ist;
3 ist ein Diagramm, das eine Zuweisungstabelle gemäß der Ausführung darstellt;
4 ist ein Flussdiagramm, das den Zuweisungsprozess gemäß der Ausführung angibt;
5 ist ein Zeitdiagramm, das Betriebsbeispiele der ersten und zweiten Injektoren in dem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der Ausführung angibt;
6 ist Blockdiagramm, das zur Erläuterung Details von Steuerfunktionen einer Steuerungsvorrichtung gemäß einer Variante der Ausführung angegeben wird;
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen den ersten Antriebsintervallen, die durch eine Antriebsintervallsetzeinheit gesetzt sind, und dem Strom eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Variante angibt; und
8 ist ein Diagramm, das eine Zuweisungstabelle gemäß der Variante darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1. Brennstoffzellensystem als Ausführung
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend, bei Bedarf, in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausführung ist an einem Brennstoffzellenfahrzeug (oder Auto und mobilen Körper) angebracht, das von einem Motor 100 angetrieben wird. Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein vier-, drei-, zwei-, einrädriges Fahrzeug oder eine Eisenbahn sein. Der mobile Körper kann ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen sein.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel (oder Brennstoffzelle) 10, ein Anodensystem 2, ein Kathodensystem 4, ein elektrisches Stromsteuerungsystem 5 und eine ECU (elektronische Steuereinheit) 6. Der Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt elektrische Energie, die dem Motor 100 zugeführt wird. Im Übrigen kann der Brennstoffzellenstapel 10 nachfolgend auch als Brennstoffzelle 10 bezeichnet sein. Das Anodensystem 2 führt Wasserstoff (oder Brenngas) dem Brennstoffzellenstapel 10 zu, und gibt Anodenabgas (oder Brenn-Abgas) ab. Das Kathodensystem 4 führt dem Brennstoffzellenstapel 10 sauerstoffhaltige Luft zu (oder Oxidationsgas) und gibt Kathoden-Abgas ab. Das elektrische Stromsteuerungsystem 5 steuert/regelt die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10. Die ECU 6 steuert/regelt den Brennstoffzellenstapel 10, das Anodensystem 2, das Kathodensystem 4 und das elektrische Stromsteuerungsystem 5 elektronisch.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist ein Stapel von Einheitszellen vom Festpolymertyp, die in Serie elektrisch miteinander verbunden sind. Jede der Einheitszellen ist durch eine MEA (Membranelektrodenanordnung) aufgebaut, die zwischen einem Paar von leitfähigen Separatoren aufgenommen ist.
Die MEA ist durch eine Elektrolytmembran (oder Festpolymermembran) aufgebaut, die aus eine monovalenten Kationenaustauschmembran hergestellt ist, die zwischen einer Anode und einer Kathode aufgenommen ist. Nuten und Durchgangslöcher sind in jedem Separator ausgebildet, wobei die Nuten zum Zuführen von Wasserstoff oder Luft zur gesamten Fläche der MEA angeordnet sind, und die Durchgangslöcher zum Zuführen von Wasserstoff oder Luft zu der gesamten Einheitszelle zum Abgeben von Wasserstoff oder Luft von der gesamten Einheitszelle angeordnet sind. Die obigen Nuten und Durchgangslöcher realisieren einen Anodenströmungsweg (oder Brenngasströmungsweg) 12 und einen Kathodenströmungsweg (oder Oxidationsgasströmungsweg) 13.
Ein Zellenspannungsmonitor 15 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Zellenspannung jeder Einheitszelle, die den Brennstoffzellenstapel 10 darstellt, und kann eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung an die ECU 6 ausgeben.
Wie in 1 dargestellt, ist das Anodensystem hauptsächlich aufgebaut aus einem Wasserstofftank (oder Brennstofftank) 21, einem Wasserstoffzufuhrrohr 22, einem Anodenabgasabgaberohr 23 und einem Wasserstoffzirkulationsrohr 24. Der Wasserstofftank 21 ist mit Hochdruckwasserstoff gefüllt. Das Wasserstoffzufuhrrohr 22 verbindet den Wasserstofftank 21 mit einem Einlass des Anodenströmungswegs 12 in dem Brennstoffzellenstapel 10. Das Anodenabgasabgaberohr 23 verbindet einen Auslass des Anodenströmungswegs 12 mit einem Verdünner 46. Das Wasserstoffzirkulationsrohr 24 verbindet das Wasserstoffzufuhrrohr 22 mit dem Anodenabgasabgaberohr 23.
In dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 sind ein normalerweise geschlossenes Absperrventil 25, ein Temperatursensor 26, ein stromaufwärtiger Drucksensor 27, ein erster Injektor 8A, ein stromabwärtiger Drucksensor 29, ein Ejektor 30 und ein Anodendrucksensor 31 in dieser Reihenfolge von Stromauf nach Stromab angeordnet. (Übrigens ist in der Zeichnung der erste Injektor 28A mit „INJ A“ bezeichnet.)
Das Absperrventil 25 wird gemäß einem Befehl der ECU 6 zum Öffnen oder Schließen elektromagnetisch aktiviert. Der Temperatursensor 26 und der stromaufwärtige Drucksensor 27 erfassen jeweils die Temperatur und den Druck des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite des ersten Injektors 28A, um die ineffektive Injektionszeit des ersten Injektors 28A zu berechnen. Die vom Temperatursensor 26 erfasste stromaufwärtige Temperatur T₂₆ und der vom stromaufwärtigen Drucksensor 27 erfasste stromaufwärtige Druck T₂₇ werden an die ECU 6 ausgegeben (wie in 2 dargestellt).
Der erste Injektor 28A ist eine Vorrichtung, die unter der elektronischen Steuerung durch die ECU 6 intermittierend Wasserstoff injizieren kann. Der erste Injektor 28A entspricht der „ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung“, die in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben ist.
Der stromabwärtige Drucksensor 29 erfasst den Druck an der stromabwärtigen Seite des ersten Injektors 28A, um die Differenz zwischen der Wasserstoffmenge, zu deren Injektion der erste Injektor 28A angewiesen wurde, und der Wasserstoffmenge, die von dem ersten Injektor 28A aktuell injiziert wird, zu berechnen. Der stromabwärtige Druck P₂₉, der vom stromabwärtigen Drucksensor 29 erfasst wird, wird an die ECU 6 ausgegeben (wie in 2 dargestellt).
Der Ejektor 30 ist eine Zirkulationsvorrichtung, die an der Verbindung zwischen dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 und dem Wasserstoffzirkulationsrohr 24 angeordnet ist. In dem Ejektor 30 sind eine Düse und ein Diffusor angeordnet. Der Wasserstoff an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffzufuhrrohrs 22 kann durch die Düse in dem Ejektor 30 ejeziert werden, um einen Unterdruck zu erzeugen. Darüber hinaus führt der Diffusor in dem Ejektor 30 ein Mischgas des Wasserstoffs von dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 und des Anodenabgases (oder Brenn-Abgases), das von dem Wasserstoffzirkulationsrohr 24 durch den Unterdruck angesaugt wird, dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 an der stromabwärtigen Seite des Ejektors 30 zu.
Der Anodendrucksensor 31 ist in der Nähe des Einlasses des Anodenströmungswegs 12 angeordnet, erfasst einen Druck Pa in dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 und gibt die erfassten Werte des Drucks Pa an die ECU 6 aus (wie in 2 dargestellt). Hier ist der Druck Pa im Wasserstoffzufuhrrohr 22 angenähert gleich dem Anodendruck Pa im Anodenströmungsweg 12. Alternativ kann der Anodendruck 31 in der Nähe des Auslasses des Anodenströmungswegs 12 in dem Anodenabgasabgaberohr 23 angeordnet sein, anstatt des Wasserstoffzufuhrrohrs 22.
Ferner ist ein Bypassrohr 32 an dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 angeordnet. Das Bypassrohr 32 zweigt an der stromaufwärtigen Seite des ersten Ejektors 28 ab, und vereinigt sich mit dem Wasserstoffzufuhrrohr 22 an der stromabwärtigen Seite des Ejektors 30. Darüber hinaus ist ein zweiter Ejektor 28B an dem Bypassrohr 32 angeordnet. Übrigens kann der zweite Ejektor 28B in den Zeichnungen mit „INJ B“ bezeichnet sein.
Daher kann, auch während der erste Injektor 28A geschlossen ist, Wasserstoff in dem Wasserstofftank 21 dem Anodenströmungsweg 12 durch das Bypassrohr 32 zugeführt werden, solange das Absperrventil 25 offen ist. Der zweite Injektor 28B entspricht der „zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung“, die in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben ist.
Zum Beispiel können die ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B vom gleichen Typ sein (d.h. die indentische Leistung haben). Alternativ kann einer der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B von einem Typ sein, der Wasserstoff mit einer größeren Strömungrate als der andere der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B injizieren kann. Die ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B können bei Bedarf getauscht werden.
Das Anodenabgasabgaberohr 23 ist eine Rohranordnung zum Abgeben des Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel 10. Darüber hinaus ist in dem Anodenabgasabgaberohr 23 ein Spülventil (oder Ablassventil) 33 angeordnet, um Verunreinigungen (das sind Wasserdampf, Stickstoff und dergleichen) abzuführen (oder zu spülen). Übrigens kann das Spülventil 33 in den beigefügten Zeichnungen mit „PG“ bezeichnet sein.
Das Wasserstoffzirkulationsrohr 24 ist eine Rohranordnung, um zu dem Ejektor 30 das Anodenabgas (oder Brenn-Abgas) zurückzuführen, das von dem Anodenströmungsweg 12 abgegeben wird und nicht verbrauchten Wasserstoff enthält. Darüber hinaus ist ein Rückschlagventil 24 zum Verhindern eines Rückflusses des Anodenabgases in dem Wasserstoffzirkulationsrohr 24 angeordnet.
Das Kathodensystem 4 ist aufgebaut durch eine Luftpumpe 41, ein Sauerstoffzufuhrrohr 42 und ein Kathodenabgasabgaberohr 43. Das Sauerstoffzufuhrrohr 42 verbindet die Luftpumpe 41 mit einem Einlass des Kathodenströmungswegs 13 in dem Brennstoffzellenstapel 10. Das Kathodenabgasabgaberohr 43 verbindet einen Auslass des Kathodenströmungswegs 13 in dem Brennstoffzellenstapel 10 mit der Außenseite des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die Luftpumpe 41 wird von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben, und arbeitet entsprechend einem Befehl von der ECU 6. Die Luftpumpe 41 nimmt sauerstoffhaltige Luft auf und führt die Luft dem Kathodenströmungweg 13 zu.
Das Sauerstoffzufuhrrohr 42 ist eine Rohranordnung, um dem Brennstoffzellenstapel 10 den von der Luftpumpe 41 zugeführten Sauerstoff zuzuführen. Ein Drucksensor 44 ist in der Nähe des Einlasses des Kathodenströmungswegs 13 in dem Sauerstoffzufuhrrohr 42 angeordnet. Der Drucksensor 44 erfasst den Kathodendruck Pc in dem Sauerstoffzufuhrrohr 42 und gibt den erfassten Wert des Kathodendrucks Pc an die ECU 6 aus. Hier ist der Kathodendruck Pc in dem Sauerstoffzufuhrrohr 42 angenähert gleich dem Kathodendruck in dem Kathodenströmungsweg 13.
Das Kathodenabgasabgaberohr 43 ist eine Rohranordnung zum Abgeben des Kathodenabgases (oder Oxidationsmittel-Abgases) von dem Kathodenströmungsweg 13. Darüber hinaus sind ein Gegendruckventil 45 und der Verdünner 46 in dem Kathodenabgasabgaberohr 43 angeordnet. Der Verdünner 46 ist ein Gefäß, in dem das Anodenabgas und das Kathodenabgas vermischt werden, und der Wasserstoff in dem Anodenabgas mit dem Kathodenabgas (oder Verdünnungsgas) verdünnt wird. Der Verdünner 46 ist konfiguriert, um das vermischte und verdünnte Gas zur Außenseite des Fahrzeugs abzugeben.
Das elektrische Stromsteuerungssystem 5 ist hauptsächlich aus einer PDU (Leistungstreibereinheit) 51 und einem Leistungscontroller 52 aufgebaut. Die PDU 51 ist ein Inverter, der die von dem Leistungscontroller 52 ausgegebene Gleichstromenergie gemäß einem Befehl von der ECU 6 in elektrische Dreiphasen-Energie umwandelt, und die elektrische Dreiphasen-Energie dem Motor 100 zuführt.
Der Leistungscontroller 52 hat die Funktion, die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 (d.h. erzeugte Leistung, einen Stromwert und einen Spannungswert) gemäß einem Befehl von der ECU 6 zu steuern/regeln. Darüber hinaus ist der Leistungscontroller aus verschiedenen elektronischen Schaltungen aufgebaut, einschließlich einer DC-DC-Zerhackerschaltung. Ferner ist der Leistungscontroller 52 so konfiguriert, dass er einen Stromwert des von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebenen Stroms I_FC zu der ECU 6 sendet.
Der IG (Zündschalter) 7 ist ein Startschalter des Brennstoffzellenstapels, an dem das Brennstoffzellensystem 1 angebracht ist, und ist in der Nähe des Fahrersitzes angeordnet. Der IG 7 ist mit der ECU 6 verbunden, so dass die ECU 6 ein Ein-Signal (oder Systemstartsignal) und ein Aus-Signal (oder Systemstopsignal) des IG 7 erfassen kann.
Ein Gaspedalstellungssensor 8 ist ein Sensor, der eine Gaspedalstellung θ erfasst, welcher einen Druckbetrag eines Gaspedals (nicht gezeigt) angibt, das in dem Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet ist. Der Gaspedalstellungssensor 8 gibt an die ECU 6 die erfasste Gaspedalstellung θ aus (wie in 2 dargestellt).
Die ECU 6 ist eine Steuerungsvorrichtung, die das Brennstoffzellensystem 1 elektronisch steuert/regelt und ist aufgebaut aus einer CPU (zentralen Prozessoreinheit), einem ROM (Festwertspeicher), einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff), verschiedenen Schnittstellen, elektronischen Schaltern und anderen Elementen. Die ECU 6 ist konfiguriert, um durch Steuern/Regeln der verschiedenen Vorrichtungen gemäß der in der ECU 6 gespeicherten Programmen verschiedene Prozesse auszuführen.
Darüber hinaus hat die ECU 6 eine Funktion, die Ventilöffnungsdauer Tia des ersten Injektors 28A und die Ventilöffnungsdauer Tib des zweiten Injektors 28B zu steuern/regeln, indem PWM(Pulsweitenmodulation)-Signale zu den ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B geschickt werden. Das heißt, die ECU 6 steuert/regelt die Mengen (oder Strömungsraten) des von den ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B injizierten Wasserstoffs, indem in den jeweiligen Antriebsintervallen die Tastverhältnisse der an die ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B ausgegebenen PWM-Signale so verändert werden, dass die Strömungsrate des dem Anodenströmungsweg 12 zugeführten Wasserstoffs und der Anodendruck Pa gesteuert/geregelt werden kann.
2. Funktionen der ECU 6
Ferner enthält die ECU 6 eine Konfiguration zum Berechnen der für den Brennstoffzellenstapel 10 geforderten Wasserstoffmenge. Die ECU 6 ist aufgebaut aus einer Antriebsintervallsetzeinheit 61, einer Stromverbrauchsberechnungseinheit 62, einer Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63, einer Abgasmengenberechnungseinheit 64, einer Zuweisungseinheit 65, einer ersten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66, einer ersten Begrenzungseinheit 67, einer Konversionseinheit 68, einer zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 und einer zweiten Begrenzungseinheit 70, wie in 2 dargestellt.
Die Antriebsintervallsetzeinheit 61 ist konfiguriert, um periodische Signale A und B zur Zuweisungseinheit 65 zu schicken, wobei das periodische Signal A eine Referenzzeitgebung für den ersten Injektor 28A zum Starten (zum Öffnen) der Wasserstoffinjektion liefert, und das periodische Signal B eine Referenzzeitgebung für den zweiten Injektor 28B zum Starten (zum Öffnen) der Wasserstoffinjektion liefert.
Darüber hinaus ist, gemäß der vorliegenden Ausführung, die Periode des periodischen Signals A auf 200 msec vorbestimmt, und die Periode des periodischen Signals B ist auf 100 msec vorbestimmt. Daher betragen die ersten Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A 200 msec und betragen die zweiten Antriebsintervalle für den zweiten Injektor 28B 100 msec. Das heißt, die zweiten Antriebsintervalle für den zweiten Injektor 28B sind kürzer eingestellt als die ersten Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A.
Da ferner gemäß der vorliegenden Ausführung, die Periode (200 msec) des periodischen Signals A das Doppelte der Periode (100 msec) des periodischen Signals B beträgt, ist der Start jedes anderen zweiten Antriebssignals mit dem Start von einem der ersten Antriebsintervalle synchronisiert (wie in 5 angegeben).
Die Stromverbrauchsberechnungseinheit 62 berechnet die Wasserstoffmenge, die für die elektrische Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbraucht wird, unter den Wasserstoffmengen, die für den Brennstoffzellenstapels 10 gefordert werden. Die Wasserstoffmenge, die für die elektrische Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbraucht wird, wird nachfolgend als „Last-basierte Wasserstoffmenge“ bezeichnet.
Insbesondere ist die Stromverbrauchsberechnungseinheit 62 konfiguriert, um einen Wert der Last-basierten Wasserstoffmenge entsprechend einem Sollbetrag der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Basis der von dem Gaspedalstellungssensor 8 erfassten Gaspedalstellung θ in Bezug auf ein Gaspedalstellungskennfeld (nicht gezeigt) zu berechnen, und den Wert der Last-basierten Wasserstoffmenge zur Zuweisungseinheit 65 zu senden.
Die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnet die Wasserstoffmenge, die zum Steuern/Regeln des Anodendrucks Pa in dem Anodenströmungsweg 12 im Brennstoffzellenstapel 10 erforderlich ist, unter den Wasserstoffmengen, die für den Brennstoffzellenstapel 10 erforderlich sind. Die Wasserstoffmenge, die zum Steuern/Regeln des Anodendrucks Pa in dem Anodenströmungsweg 12 erforderlich ist, wird nachfolgend als „Drucksteuerungswasserstoffmenge“ bezeichnet.
Um die Drucksteuerung der Wasserstoffmenge zu berechnen, ist insbesondere die Stromverbrauchsberechnungseinheit 62 konfiguriert, um die folgenden Operationen durchzuführen.
Zuerst berechnet die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 den Solldruck des Anodenströmungswegs 12 auf der Basis des vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebenen Stroms I_FC in Bezug auf ein Solldruckkennfeld, das eine Beziehung zwischen dem Strom I_FC und dem Solldruck angibt. In der Beziehung nimmt der Solldruck zu, wenn der Strom I_FC zunimmt, während der Solldruck abnimmt, wenn der Strom I_FC abnimmt (wie in 5 angegeben).
Dann berechnet die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 den Veränderungsbetrag im Anodendruck Pa im Anodenströmungsweg 12 durch Vergleichen des oben berechneten Solldrucks mit dem zuvor berechneten Solldruck.
Anschließend sendet die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 zur Zuweisungseinheit 65 eine Wasserstoffmenge entsprechend dem berechneten Veränderungsbetrag im Anodendruck Pa als die Drucksteuerungswasserstoffmenge, so dass der Anodendruck Pa in dem Anodenströmungsweg 12 auf den Solldruck eingestellt wird.
Darüber hinaus ist die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 konfiguriert, um zu der ersten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 Daten zum Solldruck zu senden, die in Bezug auf das Solldruckkennfeld berechnet werden.
Ferner kann die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 konfiguriert sein, um die wie oben berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge auf der Basis der Drainierbarkeit des Anodensystems 12 oder dem Befeuchtungsgrad der Elektrolytmembran korrigieren zu können.
Die Abgasmengenberechnungseinheit 64 berechnet die Wasserstoffmenge, die zum Kompensieren des Wasserstoffs erforderlich ist, der durch Öffnen des Spülventils 33 abgegeben wird (in 1 dargestellt) unter den Wasserstoffmengen, die für den Brennstoffzellenstapel 10 erforderlich sind. Die Wasserstoffmenge, die zum Kompensieren des Wasserstoffs erforderlich ist, die durch das Öffnen des Spülventils 33 abgeführt wird, wird nachfolgend als die „abgegebene Wasserstoffmenge“ bezeichnet.
Insbesondere ist die Abgasmengenberechnungseinheit 64 konfiguriert, um die abgegebene Wasserstoffmenge auf der Basis der Ventilöffnungsdauer des Spülventils 33 in Bezug auf ein Kennfeld zu berechnen, das vorab durch Experimentieren erhalten wird, und die abgegebene Wasserstoffmenge zur Zuweisungseinheit 65 zu senden.
Darüber hinaus ist die Abgasmengenberechnungseinheit 64 konfiguriert, um die abgegebene Wasserstoffmenge zu korrigieren, die zu der Zuweisungseinheit 65 zu senden ist, so dass die abgegebene Wasserstoffmenge erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass der ausgegebene Strom I_FC hoch ist.
Die Zuweisungseinheit 65 führt auf der Basis einer Zuweisungstabelle (wie in 3 dargestellt) einen Zuweisungsprozess für die erforderlichen Wasserstoffmengen durch (d.h. die Last-basierte Wasserstoffmenge, die Drucksteuerungswasserstoffmenge und die abgegebene Wasserstoffmenge).
3. Zuweisungsprozess
Der Zuweisungsprozess ist ein Prozess, um jedem der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B den Injektionsbetrieb jeweils der Last-basierten Wasserstoffmenge, der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge zuzuweisen.
Wie in 3 dargestellt, bezeichnet die Zuweisungstabelle den Injektor, dem die Injekton jeweils der Last-basierten Wasserstoffmenge, der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge zugewiesen werden soll, jeweils für den Fall, wo die Zuweisungseinheit 65 von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 beide periodischen Signale A und B erhält, und den Fall, wo die Zuweisungseinheit 65 nur das periodische Signal B erhält.
Darüber hinaus startet, wie in 4 mit der Angabe „START“ angegeben, die Zuweisungseinheit 65 den Zuweisungsprozess, wenn die Zuweisungseinheit 65 das/die Periodensignal(e) von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 erhält. Nachfolgend wird der Zuweisungsprozess hauptsächlich in Bezug auf 4 erläutert.
Zuerst bestimmt die Zuweisungseinheit 65, ob die von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 beide periodischen Signale A und B erhält oder nicht (in Schritt S1). Gemäß der Bestimmung der/des empfangenen periodischen Signals/Signale lässt sich bestimmen, dass beide ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B oder nur der zweite Injektor 28B der/die anzutreibende Injektor(en) ist/sind.
Wenn bestimmt wird, dass beide periodischen Signale A und B von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 empfangen werden (d.h. wenn in Schritt S1 Ja bestimmt wird), bestimmt die Zuweisungseinheit 65, ob die Drucksteuerungswasserstoffmenge einen vorbestimmten Wert überschreitet oder nicht (in Schritt S2), um die Zuweisung der Drucksteuerungswasserstoffmenge zu bestimmen. Der vorbestimmte Wert ist nicht besonders eingeschränkt und kann nach Bedarf verändert werden.
Wenn bestimmt wird, dass die Drucksteuerungswasserstoffmenge den vorbestimmten Wert überschreitet (d.h. wenn in Schritt S2 Ja bestimmt wird), weist die Zuweisungseinheit 65 die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Hälfte (50%) der Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zu, und weist die abgegebene Wasserstoffmenge und die verbleibende Hälfte (50%) der Drucksteuerungswasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zu (in Schritt S3).
Dann sendet die Zuweisungseinheit 65 eine erste angeforderte Wasserstoffmenge zur ersten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66, und eine zweite angeforderte Wasserstoffmenge zu der zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69, wobei die erste angeforderte Wasserstoffmenge die Summe der Last-basierten Wasserstoffmenge und der Hälfte der Drucksteuerungswasserstoffmenge ist, und die zweite angeforderte Wasserstoffmenge die Summe der abgegebenen Wasserstoffmenge und der verbleibenden Hälfte der Drucksteuerungswasserstoffmenge ist. Danach beendet die Zuweisungseinheit 65 den Zuweisungsprozess (wie mit „ENDE“ angegeben).
Wenn andererseits bestimmt wird, dass die Drucksteuerungswasserstoffmenge den vorbestimmten Wert nicht überschreitet (d.h. wenn in Schritt S2 Nein bestimmt wird), weist die Zuweisungseinheit 65 die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zu, und weist die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zu (in Schritt S4).
Dann sendet die Zuweisungseinheit 65 eine dritte angeforderte Wasserstoffmenge zur ersten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66, und die abgegebene Wasserstoffmenge zur zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69, wobei die dritte angeforderte Wasserstoffmenge die Summe der Last-basierten Wasserstoffmenge und der Drucksteuerungswasserstoffmenge ist. Danach beendet die Zuweisungseinheit 65 den Zuweisungsprozess (wie mit „ENDE“ angegeben).
Wenn bestimmt wird, dass die Antriebsintervallsetzeinheit 61 zumindest eines der periodischen Signale A und B nicht empfängt (d.h. wenn in Schritt S1 Nein bestimmt wird), bestimmt die Zuweisungseinheit 65, dass der zweite Injektor 28B angetrieben werden soll. Um die Zuweisung zu der Drucksteuerungswasserstoffmenge zu bestimmen, bestimmt dann die Zuweisungseinheit 65, ob die Drucksteuerungswasserstoffmenge einen Schwellenwert überschreitet oder nicht (in Schritt S5). Der Schwellenwert ist ein Kriterium zur Bestimmung, ob eine Wasserstoffmenge eine ungenügende Stöchiometrie verursachen kann oder nicht, wenn der zweite Injektor 28B nicht geöffnet wird, und Wasserstoff bis zum nächsten ersten Antriebsintervall nicht injiziert wird. Der Schwellenwert wird durch Experimente oder dergleichen vorab bestimmt.
Wenn bestimmt wird, dass die Drucksteuerungswasserstoffmenge den Schwellenwert überschreitet (d.h. wenn in Schritt S5 Ja bestimmt wird), weist die Zuweisungseinheit 65 die Drucksteuerungswasserstoffmenge und die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zu (in Schritt S6). Darüber hinaus weist die Zuweisungseinheit 65 die Last-basierte Wasserstoffmenge keinem der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B zu, und überträgt die Last-basierte Wasserstoffmenge (Schritt S6). Dann sendet die Zuweisungseinheit 65 zur zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 die Summe der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge als angeforderte Wasserstoffmenge. Danach beendet die Zuweisungseinheit 65 den Zuweisungsprozess (wie mit „ENDE“ angegeben).
Wenn andererseits bestimmt wird, dass die Drucksteuerungswasserstoffmenge den Schwellenwert nicht überschreitet (d.h. wenn in Schritt S5 Nein bestimmt wird), weist die Zuweisungseinheit 65 nur die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zu (in Schritt S7). Darüber hinaus weist die Zuweisungseinheit 65 die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge keinem der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B zu und überträgt die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge (in Schritt S7). Dann sendet die Zuweisungseinheit 65 zur zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 eine angeforderte Wasserstoffmenge entsprechend der abgegebenen Wasserstoffmenge. Danach beendet die Zuweisungseinheit 65 den Zuweisungsprozess (wie mit „ENDE“ angegeben).
Im oben erläuterten Zuweisungsprozess wird die Last-basierte Wasserstoffmenge in den ersten Antriebsintervallen für den ersten Injektor 28A (in Schritt S3 oder S4) zugewiesen, wenn die Zuweisungseinheit 65 beide periodischen Signale A und B erhält. Daher wird bevorzugt die Last-basierte Wasserstoffmenge, die insgesamt größer ist als die Drucksteuerungswasserstoffmenge und die abgegebene Wasserstoffmenge, dem ersten Injektor 28A zugewiesen, der die hohe Zirkulationseffizienz hat. Daher wird die Wasserstoffmenge, die im Brennstoffzellenstystem 1 zirkuliert, durch den obigen Zuweisungsprozess erhöht.
Andererseits wird die abgegebene Wasserstoffmenge in den zweiten Antriebsintervallen für den zweiten Injektor 28B zugewiesen (in Schritt S3, S4, S6 oder S7), wenn die Zuweisungseinheit 65 beide periodischen Signale A und B erhält, oder wenn die Zuweisungseinheit 65 nur das periodische Signals B erhält. Selbst wenn daher das Spülventil 33 an einem der ersten Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A geöffnet wird, wird die abgegebene Wasserstoffmenge vom zweiten Injektor 28B zugeführt, so dass eine ungenügende Stöchiometrie in dem Brennstoffzellenstapel 10 rasch aufgehoben werden kann.
Insbesondere ist die Zuweisungseinheit 65 konfiguriert, um die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B auch dann zuzuweisen, wenn die Zuweisungseinheit 65 beide periodischen Signale A und B erhält, d.h. auch wenn der Injektor 28A angetrieben werden kann. Daher ist des möglich, die Anzahl der Operationen des ersten Injektors 28A zu reduzieren, und daher die Lebensdauer des ersten Injektors 28A zu verlängern.
Ferner wird die Drucksteuerungswasserstoffmenge in den zweiten Antriebsintervallen für den zweiten Injektor 28B zugewiesen (in Schritt S3, S4, S6 oder S7), wenn die Zuweisungseinheit 65 beide periodischen Signale A und B erhält, oder wenn die Zuweisungseinheit 65 nur das periodische Signal B erhält. Wenn daher die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 hoch wird und sich der Anodendruck Pa während einem der ersten Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A rasch ändert, wird die Drucksteuerungswasserstoffmenge von dem zweiten Injektor 28B zugeführt, so dass die ungenügende Stöchiometrie im Brennstoffzellenstapel 10 rasch aufgehoben werden kann.
In der vorliegenden Ausführung wird die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zugewiesen, wenn die Zuweisungseinheit 65 nur das periodische Signal B erhält (in Schritt S6 oder S7).
Im Gegensatz hierzu wird die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A oder beiden ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B zugewiesen, wenn die Zuweisungseinheit 65 beide periodischen Signale A und B erhält (in Schritt S3 oder S4). Da der erste Injektor 28A eine größere Zirkulationskapazität hat als der zweite Injektor 28B, erhöht die bevorzugte Zuweisung der angeforderten Wasserstoffmengen zum ersten Injektor 28A die Stromerzeugungseffizienz und verbessert die Drainage des erzeugten Wassers.
Zurück zu 2 wird nachfolgend die Konfiguration der ECU 6 weiter erläutert.
Die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 berechnet die Ventilöffnungsdauer Tia des ersten Injektors 28A entsprechend der jeweiligen angeforderten Wasserstoffmengen, die von der Zuweisungseinheit 65 ausgegeben werden, durch Bezugnahme auf ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen der angeforderten Wasserstoffmenge und der Ventilöffnungsdauer Tia angibt.
Zusätzlich ist die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 so konfiguriert, dass sie einen Rückkopplungswert in die Ventilöffnungsdauer Tia des ersten Injektors 28A einbaut, um die Differenz der injizierten Menge zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Wert in den einen vorherigen der ersten Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A zu korrigieren. Die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 ist auch konfiguriert, um den Rückkopplungswert zu bestimmen, durch Berechnung der Differenz zwischen dem stromabwärtigen Druck P₂₉ (als dem gemessenen Wert), der von dem stromabwärtigen Drucksensor 29 erfasst wird (in 1 dargestellt), und dem Solldruck des Anodendrucks Pa an dem Anodenströmungsweg 12, der von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 gesendet wird.
Ferner hat die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 6 ein Ineffektive-Injektionszeit-Kennfeld, das eine Beziehung zwischen der ineffektiven Injektionszeit des ersten Injektors 28A und der Kombination des Drucks und der Temperatur des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite des ersten Injektors 28A angibt.
Ferner ist die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 konfiguriert, um die ineffektive Injektionszeite des ersten Injektors 28A auf der Basis der stromaufwärtigen Temperatur T₂₆ und des stromaufwärtigen Drucks P₂₇ zu berechnen, gemessen durch den Temperatursensor 26 und den stromaufwärtigen Drucksensor 27, in Bezug auf das Ineffektive-Injektionszeit-Kennfeld, und die berechnete ineffektive Injektionszeit in die Ventilöffnungsdauer Tia einzubauen.
Die erste Begrenzungseinheit 67 bestimmt, ob eine von der ersten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 gesendete Ventilöffnungsdauer Tia einen Grenzwert (d.h. eine Obergrenze der Zeit, in der die PWM-Steuerung möglich ist) des ersten Injektors 28A überschreitet oder nicht, und begrenzt die Ventilöffnungsdauer Tia auf die obere Grenzzeit.
Insbesondere ist die erste Begrenzungseinheit 67 konfiguriert, um ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis zu erzeugen, das der oberen Grenzzeit entspricht, wenn die Ventilöffnungsdauer Tia die obere Grenzzeit überschreitet, und um ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis zu erzeugen, das der Ventilöffnungsdauer Tia entspricht, wenn die Ventilöffnungsdauer Tia die obere Grenzzeit nicht überschreitet, und um das PWM-Signal zum ersten Injektor 28A zu schicken.
Darüber hinaus ist die erste Begrenzungseinheit 67 konfiguriert, um zu der Konversionseinheit 68 eine zusätzliche Ventilöffnungsdauer zu schicken, die den Überschuss über die obere Grenzzeit in der Ventilöffnungsdauer Tia entspricht, wenn die Ventilöffnungsdauer Tia die obere Grenzzeit überschreitet.
Die Konversionseinheit 68 wandelt die zusätzliche Ventilöffnungsdauer (die dem Überschuss über die obere Grenzzeit in der Ventilöffnungsdauer Tia für den ersten Injektor 28A entspricht und von der ersten Begrenzungseinheit 67 gesendet wird) in eine Ventilöffnungsdauer für den zweiten Injektor 28B durch Bezugnahme auf ein Konversionskennfeld. Die Konversion erfolgt wie oben, weil der Ejektor 30 an der stromabwärtigen Seite des ersten Injektors 28A angeordnet ist, und daher die Wasserstoffmenge, die vom zweiten Injektor 28B dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt wird, größer wird als die Wasserstoffmenge, die vom ersten Injektor 28A dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt wird. Daher kann ein Teil der Ventilöffnungsdauer, die dem ersten Injektor 28A zugeordnet ist, wieder dem zweiten Injektor 28B zugewiesen werden, indem die Konversion durch die Konversionseinheit 68 durchgeführt wird und die Ventilöffnungsdauern wie oben gesteuert werden.
Die Konfiguration, welche die Konversionseinheit 68, die Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66 und die erste Begrenzungseinheit 67 enthält, entspricht der „ersten Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit“, wie in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben.
Die zweite Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 ist konfiguriert, um durch Bezug auf ein Angeforderte-Wasserstoffmenge-Kennfeld die Ventilöffnungsdauer Tib des zweiten Injektors 28B entsprechend der angeforderten Wasserstoffmenge zu berechnen, die dem zweiten Injektor 28B zugewiesen wird und um die Ventilöffnungsdauer Tib zur zweiten Begrenzungseinheit 70 zu senden.
Die zweite Begrenzungseinheit 70 ist konfiguriert, um zu bestimmen, ob eine gesamte Ventilöffnungsdauer als die Summe der Ventilöffnungsdauer Tib (die von der zweiten Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 gesendet wird) und der zusätzlichen Ventilöffnungsdauer (die von der Konversionseinheit 68 umgewandelt und gesendet wird) einen Grenzwert (obere Grenzzeit) des zweiten Injektors 28B überschreitet oder nicht.
Insbesondere ist die zweite Begrenzungseinheit 70 konfiguriert, um ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis entsprechend der oberen Grenzzeit zu erzeugen, wenn die gesamte Ventilöffnungsdauer Tib die obere Grenzzeit überschreitet, und um ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis entsprechend der gesamten Ventilöffnungsdauer Tib zu erzeugen, wenn die gesamte Ventilöffnungsdauer Tib die obere Grenzzeit nicht überschreitet, und um das PWM-Signal zum zweiten Injektor 28B zu schicken.
Die Konfiguration, welche die zweite Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 und die zweite Begrenzungseinheit 70 enthält, entspricht der „zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit“, die in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben ist.
4. Betriebsbeispiele
Nachfolgend werden Betriebsbeispiele in einer Periode (von 0 bis 800 msec) der ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B in dem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Ausführung hauptsächlich in Bezug auf 5 erläutert. In 5 bezeichnen die sich in der vertikalen Richtung erstreckenden gestrichelten Linien die Grenzen zwischen den Intervallen von 100 msec, und die Zeit schreitet im Zeitdiagramm von links nach rechts fort. In den folgenden Erläuterungen wird angenommen, dass in der in 5 angegebenen Periode das periodische Signal A von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 zu der Zuweisungseinheit 65 zu den Zeiten von 0, 200, 400, 600 und 800 msec geschickt wird, und das periodische Signal B von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 zu der Zuweisungseinheit 65 zu den Zeiten von 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 msec geschickt wird.
Im Beispiel der in 5 angegebenen Periode (von 0 bis 800 msec) ist der Pegel des vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebenen Stroms I_FC im Intervall von 0 bis 100 msec angenähert konstant (oder niedrig), nimmt im Intervall von 400 bis 550 msec (oder während der Beschleunigung) zu, ist im Intervall von 550 bis 650 msec angenähert konstant (oder hoch), und nimmt im Intervall von 650 bis 800 msec (oder während Verzögerung) ab.
Das Spülventil 33, mit PG bezeichnet, öffnet zu den Zeiten von 150, 450 und 650 msec, und der Anodendruck Pa im Anodenströmungsweg 12 verändert sich (d.h. nimmt zu oder nimmt ab) insgesamt entsprechend dem Strom I_FC, außer um das Intervall für die Zeit von 500 msec herum.
Nachfolgend wird der Betrieb für jedes der Intervalle von 100 msec beschrieben.
<Zur Zeit von 100 msec>
Da, wie in 5 dargestellt, das Spülventil 33 in dem Intervall von 0 bis 100 msec geschlossen ist, ist die abgegebene Wasserstoffmenge, die durch die Abgasmengenberechnungseinheit 64 berechnet wird, null.
Darüber hinaus ist die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck klein, und die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge ist ebenfalls klein. Daher wird im zur Zeit von 100 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der Schwellenwert (d.h. in Schritt S5 im Flussdiagramm von 4 wird Nein bestimmt). Daher wird dem zweiten Injektor 28B nur die abgegebene Wasserstoffmenge zugewiesen (d.h. es werden die Operationen in Schritt S7 im Flussdiagramm von 4 durchgeführt). Jedoch wird, wie in 5 angegeben, der zweite Injektor 28B zur Zeit von 100 msec nicht geöffnet, da die abgegebene Wasserstoffmenge null ist.
<Zur Zeit von 200 msec>
Da während des Intervalls von 100 bis 200 msec das Spülventil 33 geöffnet ist, berechnet die Abgasmengenberechnungseinheit 64 die abgegebene Wasserstoffmenge.
Andererseits ist die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck klein, und die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge ist ebenfalls klein. Daher wird im zur Zeit von 200 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der vorbestimmte Wert (d.h. in Schritt S2 im Flussdiagramm von 4 wird Nein bestimmt).
Im Ergebnis werden die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zugewiesen, und die abgegebene Wasserstoffmenge wird dem zweiten Injektor 28B zugewiesen (d.h. die Operationen in Schritt S4 im Flussdiagramm von 4 werden durchgeführt).
Somit wird zur Zeit von 200 msec der erste Injektor 28A geöffnet, und es wird eine Wasserstoffmenge, die der Summe der Last-basierten Wasserstoffmenge und der Drucksteuerungswasserstoffmenge entspricht, dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt. Darüber hinaus wird auch der zweite Injektor 28B geöffnet, und eine Wasserstoffmenge, die der abgegebenen Wasserstoffmenge entspricht, wird dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt.
<Zur Zeit von 300 msec>
Im Intervall von 200 bis 300 msec ist das Spülventil 33 geschlossen. Darüber hinaus ist die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck klein, und auch die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge ist klein. Daher wird im zur Zeit von 300 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der vorbestimmte Wert (d.h. in Schritt S5 im Fluss von 4 wird Nein bestimmt), und es wird nur die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zugewiesen (d.h. die Operationen in Schritt S7 im Fluss von 4 werden durchgeführt). Jedoch wird zur Zeit von 300 msec der zweite Injektor 28B nicht geöffnet, da die abgegebene Wasserstoffmenge null ist.
<Zur Zeit von 400 msec>
Im Intervall von 300 bis 400 msec ist das Spülventil 33 geschlossen. Darüber hinaus ist die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck klein, und auch die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge ist klein. Daher wird in dem zur Zeit von 400 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der vorbestimmte Wert (d.h. in Schritt S2 im Fluss von 4 wird Nein bestimmt).
Im Ergebnis werden die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zugewiesen, und die abgegebene Wasserstoffmenge wird dem zweiten Injektor 28B zugewiesen (d.h. die Operationen in Schritt S4 im Fluss von 4 werden durchgeführt).
Somit wird zur Zeit von 400 msec der erste Injektor 28A geöffnet, und es wird eine Wasserstoffmenge, die der Summe der Last-basierten Wasserstoffmenge und der Drucksteuerungswasserstoffmenge entspricht, den Anodenströmungsweg 12 zugeführt. Andererseits wird zur Zeit von 400 msec der zweite Injektor 28B nicht geöffnet, da die abgegebene Wasserstoffmenge null ist.
<Zur Zeit von 500 msec>
Im Intervall von 400 bis 500 msec (oder während der Beschleunigung) nimmt der vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebene Strom I_FC zu, und das Spülventil 33 wird geöffnet. Daher verändert sich der Anodendruck Pa rasch (oder fällt rasch ab), so dass die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck ansteigt. Im Ergebnis wird im zur Zeit vom 600 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie einen vorbestimmten Wert überschreitet (d.h. in Schritt S5 im Fluss von 4 wird JA bestimmt), und es werden die Drucksteuerungswasserstoffmenge und die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zugewiesen (d.h. es werden die Operationen in Schritt S6 im Fluss von 4 durchgeführt). Somit wird der zweite Injektor 28B geöffnet, so dass eine Wasserstoffmenge, die der Summe der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge entspricht, dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt wird.
<Zur Zeit von 600 msec>
Während des Intervalles von 500 bis 600 msec ist das Spülventil 33 geschlossen. Weil darüber hinaus die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck durch die Wasserstoffinjektion vom zweiten Injektor 28B zur Zeit von 500 msec reduziert ist, ist die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge klein. Daher wird im zur Zeit von 600 msec durchgeführten Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der vorbestimmte Wert (d.h. in Schritt S2 im Fluss von 4 wird NEIN bestimmt).
Als Ergebnis werden die Last-basierte Wasserstoffmenge und die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zugewiesen, und die abgegebene Wasserstoffmenge wird dem zweiten Injektor 28B zugewiesen (d.h. die Operationen im Schritt S4 im Fluss von 4 werden durchgeführt).
Jedoch wird, wie im Graph des Stroms I_FC angegeben, die Beschleunigung im Intervall von 400 bis 500 msec durchgeführt, und der Ausgangspegel des Stroms I_FC ist im Intervall von 500 bis 600 msec hoch. Daher wird die Drucksteuerungswasserstoffmenge, die durch die Stromverbrauchsberechnungseinheit 62 berechnet und dem ersten Injektor 28A zugewiesen wird, groß, und die Ventilöffnungsdauer Tia des ersten Injektors 28A überschreitet den Grenzwert (obere Grenzzeit), der durch die erste Begrenzungseinheit 67 gesetzt ist.
Daher wird der Überschuss über die obere Grenzzeit der Ventilöffnungsdauer Tia von der ersten Begrenzungseinheit 67 zur Konversionseinheit 68 gesendet, wird der Überschuss durch die Konversionseinheit 68 ungewandelt und der umgewandelte Überschuss zu der zweiten Begrenzungseinheit 70 gesendet.
Im Ergebnis wird zur Zeit von 600 msec der erste Injektor 28A für die Dauer entsprechend der oberen Grenzzeit geöffnet, und der zweite Injektor 28B wird für die umgewandelte Ventilöffnungsdauer geöffnet, die von der Konversionseinheit 68 übertragen wird, obwohl die abgegebene Wasserstoffmenge null ist. Dementsprechend wird Wasserstoff von beiden ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B dem Anodenströmungsweg 12 zugeführt.
<Zur Zeit von 700 msec>
Da während des Intervalls von 600 bis 700 msec das Spülventil 33 geöffnet ist, berechnet die Abgasmengenberechnungseinheit 64 die abgegebene Wasserstoffmenge.
Andererseits ist die Differenz zwischen dem Anodendruck Pa und dem Solldruck klein, und auch die von der Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63 berechnete Drucksteuerungswasserstoffmenge ist klein. Daher wird im zur Zeit von 700 msec durchgeführte Zuweisungsprozess die Drucksteuerungswasserstoffmenge so bestimmt, dass sie kleiner ist als der Schwellenwert (d.h. in Schritt S5 im Fluss von 4 wird NEIN bestimmt). Im Ergebnis wird zur Zeit von 700 msec nur die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zugewiesen, so dass der zweite Injektor 28B geöffnet wird.
Weil darüber hinaus der Ausgangspegel des Stroms I_FC im Intervall von 600 bis 700 msec hoch ist, korrigiert die Abgasmengenberechnungseinheit 64 die abgegebene Wasserstoffmenge so, dass sie höher wird als in einem Intervall, wenn der Ausgangspegel des Stroms I_FC niedrig ist. Daher ist die Ventilöffnungsdauer Tib des zweiten Injektors 28B zur Zeit von 700 msec länger als die Ventilöffnungsdauer Tib, wenn der Ausgangspegel des Stroms I_FC niedrig ist (wie zur Zeit von 200 msec).
5. Vorteile der Ausführung
In dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben erläuterten Ausführung werden durch die Antriebsintervallsetzeinheit 61 die zweiten Intervalle kürzer gesetzt als die ersten Intervalle. Selbst wenn daher die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 hoch wird, und sich der Anodendruck Pa während einem der Antriebsintervalle für den ersten Injektor 28A rasch ändert, z.B. im in 5 angegebenen Intervall von 400 bis 500 msec, ist es möglich, dem Anodenströmungsweg 12 im Brennstoffzellenstapel 10 Wasserstoff zuzuführen und den Anodendruck Pa im Anodenströmungsweg 12 zu steuern, indem der zweite Injektor 28B zur Zeit von 500 msec geöffnet wird, ohne auf das nächste der ersten Antriebsintervalle zu warten, das zur Zeit von 600 msec beginnt.
Das heißt, das Brennstoffzellensystem 1 mit der Antriebsintervallsetzeinheit 61 erlaubt eine rasche Drucksteuerung in Antwort auf rasche Druckänderung und reduziert daher die Möglichkeit, dass ein ungenügendes Stöchiometrie auftritt.
Selbst wenn darüber hinaus in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der erläuterten Ausführung durch Öffnen des Spülventils 33 sich der Anodendruck Pa rasch verändert (rasch fällt), was unregelmäßig durchgeführt wird, kann der Anodendruck Pa durch Öffnen des zweiten Injektors 28B gesteuert werden, der mit relativ kurzen Intervallen geöffnet werden kann. Daher ist es möglich, eine ungenügende Stöchiometrie zu vermeiden und die Stromerzeugung zu stabilisieren.
Ferner wird in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der erläuterten Ausführung die Last-basierte Wasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zugewiesen, so dass eine größere Wasserstoffmenge durch den Ejektor 30 zirkuliert. Daher ist es möglich, die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenstapels 10 zu verbessern und die Drainage von Wasser zu ermöglichen, das im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird und im Anodensystem 2 verbleibt.
6. Variante der Ausführung
Als nächstes wird ein nachfolgend eine Variante der ECU 6 gemäß der erläuterten Ausführung erläutert.
Wie in 6 dargestellt, ist die ECU 6a als Variante aufgebaut durch eine Antriebsintervallsetzeinheit 61a, die Stromverbrauchsberechnungseinheit 62, die Solldruckveränderungsberechnungseinheit 63, die Abgasmengenberechnungseinheit 64, eine Zuweisungseinheit 65a, die erste Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 66, die erste Begrenzungseinheit 67, die Konversionseinheit 68, die zweite Ventilöffnungsdauerberechnungseinheit 69 und die zweite Begrenzungseinheit 70.
Die ECU 6a der Variante unterscheidet sich von der ECU 6 gemäß der erläuterten Ausführung darin, dass die Antriebsintervallsetzeinheit 61 und die Zuweisungseinheit 65 in der ECU 6 jeweils durch die Antriebsintervallsetzeinheit 61a und die Zuweisungseinheit 65a in der ECU 6a ersetzt sind.
Wie die Antriebsintervallsetzeinheit 61, ist die Antriebsintervallsetzeinheit 61a konfiguriert, um periodisch Signale A und B zu der Zuweisungseinheit 65a zu schicken, wobei das periodische Signal A eine Referenzzeitgebung für den ersten Injektor 28A zum Starten (zum Öffnen) der Wasserstoffinjektion liefert, und das periodische Signal B eine Referenzzeitgebung für den zweiten Injektor 28B zum Starten (zum Öffnen) der Wasserstoffinjektion liefert.
Andererseits unterscheidet sich, wie in 7 dargestellt, die Antriebsintervallsetzeinheit 61a der Variante von der Antriebsintervallsetzeinheit 61 der erläuterten Ausführung darin, dass sich die Periode des periodischen Signals A mit dem Ausgangspegel (des Stroms I_FC) des Brennstoffzellenstapels 10 verändert.
Insbesondere ist die Antriebsintervallsetzeinheit 61a wie folgt konfiguriert.
Die Periode des periodischen Signals B wird konstant auf 100 msec gesetzt. Die Periode des periodischen Signals A wird auf 100 msec gesetzt, was identisch mit der Periode des periodischen Signals B ist, wenn der Strom I_FC 100 A oder mehr beträgt. Ferner wird die Periode des periodischen Signals A so gesetzt, dass sie mit abnehmendem Strom I_FC (d.h. mit abnehmender Last, die auf den Brennstoffzellenstapel 10 wirkt) allmählich zunimmt, wenn der Strom I_FC unter 100 A liegt. Das heißt, die Antriebsintervallsetzeinheit 61a in der Variante ist so konfiguriert, dass die zweiten Antriebsintervalle nur dann kürzer gesetzt sind als die ersten Antriebsintervalle, wenn die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 niedrig ist. Daher ist in der Antriebsintervallsetzeinheit 61a in der Variante das periodische Signal B nicht notwendigerweise mit dem periodischen Signal A synchronisiert, da die Perioden der ersten Antriebsintervalle variieren.
Wie die Zuweisungseinheit 65 der erläuterten Ausführung, erhält die Zuweisungseinheit 65a die periodischen Signale an der Antriebsintervallsetzeinheit 61a, und führt eine Zuweisung der angeforderten Wasserstoffmengen (der Last-basierten Wasserstoffmenge, der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge) basierend auf einer Zuweisungstabelle (wie in 8 dargestellt) durch. Wie zuvor erwähnt, ist in der Antriebsintervallsetzeinheit 61a in der Variante das periodische Signal B nicht notwendigerweise mit dem periodischen Signal A synchronisiert.
Daher gibt, wie in 8 dargestellt, die Zuweisungstabelle für die Zuweisungseinheit 65a in der Variante den Injektor an, zu dem die Injekton jeweils der Last-basierten Wasserstoffmenge, der Drucksteuerungswasserstoffmenge und der abgegebenen Wasserstoffmenge zugewiesen werden soll, so dass die Zuweisungseinheit 65a die Zuweisung jeweils in dem Fall durchführen kann, wo die Zuweisungseinheit 65a das periodische Signal A von der Antriebsintervallsetzeinheit 61a erhält, und dem Fall, wo die Zuweisungseinheit 65a das periodische Signal B von der Antriebsintervallsetzeinheit 61a erhält. Details der Zuweisungstabelle in der Variante werden nachfolgend erläutert.
Wie in 8 angegeben, gibt die Zuweisungstabelle an, dass die Zuweisungseinheit 65a die Last-basierte Wasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A zuweisen sollte, wenn das periodische Signal A empfangen wird. Gemäß dieser Angabe wird die Last-basierte Wasserstoffmenge mit Präferenz dem ersten Injektor 28A zugewiesen, der die hohe Zirkulationsfrequenz hat, so dass eine größere Wasserstoffmenge in dem Brennstoffzellensystem 1 zirkuliert.
Wenn darüber hinaus in der Variante die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 niedrig ist, nehmen die Intervalle zwischen Injektionen von dem ersten Injektor 28A mit den Perioden der ersten Antriebsintervalle ab, so dass Wasserstoff immer dann zugeführt werden kann, wenn es notwendig ist. Daher ist es möglich, die Möglichkeit des Auftretens von ungenügender Stöchiometrie zu verringern.
Wie in 8 angegeben, gibt die Zuweisungstabelle an, dass die Zuweisungseinheit 65a die abgegebene Wasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zuweisen sollte, wenn das periodische Signal B empfangen wird. Selbst wenn daher während einem der ersten Intervalle das Spülventil 33 geöffnet wird, während die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 niedrig ist, und die zweiten Antriebsintervalle kürzer gesetzt sind als die ersten Antriebsintervalle, kann die abgegebene Wasserstoffmenge von dem zweiten Injektor 28B zugeführt werden, und daher kann eine ungenügende Stöchiometrie, die in dem Brennstoffzellenstapel 10 auftreten könnte, rasch aufgehoben werden.
Darüber hinaus gibt die Zuweisungstabelle in 8 an, dass die Zuweisungseinheit 65a die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B bei Empfang des periodischen Signals B nur dann zuweisen sollte, wenn die Drucksteuerungswasserstoffmenge gleich oder größer als ein Schwellenwert ist.
Selbst wenn daher sich während einem der ersten Intervalle der Anodendruck Pa rasch ändert, während die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 niedrig ist und die zweiten Antriebsintervalle kürzer gesetzt sind als die ersten Antriebsintervalle, kann die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem zweiten Injektor 28B zugeführt werden, und daher kann eine ungenügende Stöchiometrie, die in dem Brennstoffzellenstapel 10 auftreten könnte, rasch aufgehoben werden.
Andererseits gibt die Zuweisungstabelle von 8 an, dass die Zuweisungseinheit 65a bei Empfang des periodischen Signals A die Drucksteuerungswasserstoffmenge dem ersten Injektor 28A in dem Fall zuweisen sollte, wo die Drucksteuerungswasserstoffmenge unter dem Schwellenwert liegt, und daher, auch ohne Wasserstoffzufuhr vom zweiten Injektor 28B, keine ungenügende Stöchiometrie auftritt.
Da, wie oben erläutert, der erste Injektor 28A, der ein große Zirkulationskapazität hat, mit Präferenz Wasserstoff zuführt, ist es möglich, die Drainage des Wassers zu begünstigen, das im Anodensystem verbleibt.
Ferner sind in dem Brennstoffzellensystem, das die ECU 6a der Variante enthält, die zweiten Antriebsintervalle kürzer gesetzt als die ersten Antriebsintervalle, wenn die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 niedrig ist, z.B. dann, wenn der Strom I_FC des Brennstoffzellenstapels 10 unter 100A beträgt. Selbst wenn daher sich der Anodendruck Pa während einem der ersten Intervalle rasch ändert, ist es möglich, durch Öffnen des zweiten Injektors 28B Wasserstoff zuzuführen, den Anodendruck Pa im Anodenströmungsweg im Brennstoffzellenstapel 10 zu steuern und die Möglichkeit des Auftretens von ungenügender Stöchiometrie zu reduzieren, ohne auf das nächste der ersten Antriebsintervalle zu warten.
Ferner werden in dem Brennstoffzellensystem, das die ECU 6a der Variante enthält, die Perioden der ersten Antriebsintervalle so gesetzt, dass sie mit zunehmender Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 allmählich abnehmen, und gleich der Periode der zweiten Antriebsintervalle werden, wenn der Strom I_FC des Brennstoffzellenstapels 10 100A oder mehr beträgt, d.h. wenn die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 hoch ist. Daher werden Intervalle zwischen Injektionen von dem ersten Injektor 28A verkürzt, wenn die Last an dem Brennstoffzellenstapel 10 zunimmt, d.h. wenn die angeforderte Wasserstoffmenge zunimmt. Somit kann eine erforderliche Wasserstoffmenge relativ rasch dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden, und kann die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 10 verlängert werden.
7. Weitere Varianten
Obwohl oben das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausführung und die ECU 6a gemäß der Variante der Ausführung erläutert sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die erläuterte Ausführung und die Variante beschränkt.
Zum Beispiel ist die Antriebsintervallsetzeinheit 61 gemäß der erläuterten Ausführung so konfiguriert, dass die Periode des periodischen Signals A auf 200 msec vorbestimmt ist, die Periode des periodischen Signals B auf 100 msec vorbestimmt ist, und daher die Zeitgebung des Starts von jedem der ersten Intervalle mit der Zeitgebung des Starts von einem der zweiten Intervalle synchronisiert ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann die Antriebsintervallsetzeinheit 61 auch so konfiguriert sein, dass die Periode des periodischen Signals A auf 190 msec vorbestimmt ist, die Periode des periodischen Signals B auf 90 msec vorbestimmt ist, und daher die Zeitgebung des Starts von jedem der ersten Antriebsintervalle mit der Zeitgebung des Starts von einem der zweiten Antriebsintervalle nicht synchronisiert ist. In dem Fall, wo die Antriebsintervallsetzeinheit 61 wie oben konfiguriert ist, sollte die Zuweisungseinheit 65 die erforderlichen Wasserstoffmengen gemäß der Zuweisungstabelle von 8 zuweisen, anstatt von 3.
Obwohl darüber hinaus in der erläuterten Ausführung und der Variante der Ausführung ein Beispiel verwendet wird, worin das Brennstoffzellensystem 10 die zwei Injektoren (die ersten und zweiten Injektoren 28A und 28B) enthält, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die erläuterte Ausführung und die Variante beschränkt. Es genügt, dass das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens zwei Kraftstoffzufuhrvorrichtungen aufweist. Das heißt, das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch drei oder mehr Kraftstoffzufuhrvorrichtungen aufweisen.
Obwohl darüber hinaus in der erläuterten Ausführung und der Variante der Ausführung der stromabwärtige Abschnitt des Bypassrohrs 32 (in dem der zweite Injektor 28B angeordnet ist) an der stromabwärtigen Seite des Injektors 30 in das Wasserstoffzufuhrrohr 22 mündet, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Zum Beispiel kann der stromabwärtige Abschnitt des Bypassrohrs 32 (in dem der zweite Injektor 28B angeordnet ist) auch an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 30 in das Wasserstoffzufuhrrohr 22 münden. Gemäß dieser Anordnung kann die Zirkulationseffizienz des von zweiten Injektor 28B injizierten Wasserstoffs weiter erhöht werden, und kann das Auftreten von ungenügender Stöchiometrie weiter gedrückt werden.
Es wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerungsvorrichtung angegeben, die den Antrieb einer ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung und einer zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung steuert/regelt. Die Steuerungsvorrichtung enthält eine Antriebsintervallsetzeinheit, die erste Antriebsintervalle für die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung und zweite Antriebsintervalle für die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung setzt, eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit, die Ventilöffnungsdauern der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung gemäß den ersten Antriebsintervallen setzt, und eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit, die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung gemäß den zweiten Antriebsintervallen setzt. Die Antriebsintervallsetzteinheit setzt die zweiten Antriebsintervalle so, dass sie kürzer sind als die ersten Antriebsintervalle.

Claims

Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle (10), der zur Erzeugung von elektrischer Energie Brenngas und Oxidationsgas zugeführt wird; ein Brenngaszufuhrrohr (22), das die Brennstoffzelle (10) mit einem Brennstofftank (21) verbindet; ein Brenn-Abgasabgaberohr (23), in das von der Brennstoffzelle (10) abgegebenes Brenn-Abgas fließt; ein Brenngaszirkulationsrohr (24), das das Brenn-Abgasabgaberohr (23) und das Brenngaszufuhrrohr (22) verbindet; eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A), die in dem Brenngaszufuhrrohr (22) an einer stromaufwärtigen Seite einer Verbindung (30) zwischen dem Brenngaszufuhrrohr (22) und dem Brenngaszirkulationsrohr (24) angeordnet ist; ein Bypassrohr (32), das von dem Brenngaszufuhrrohr (22) abzweigt, einen Bypass der ersten Brenngaszufuhrvorrichtung (28A) und der Verbindung (30) bildet und in das Brenngaszufuhrrohr (22) mündet; eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B), die in dem Bypassrohr (32) angeordnet ist; und eine Steuerungsvorrichtung (6), die den Antrieb der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) und der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) steuert/regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (6) enthält: eine Antriebsintervallsetzeinheit (61), die erste Antriebsintervalle für die erste Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) und zweite Antriebsintervalle für die zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) setzt, eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit (66, 67, 68), die Ventilöffnungsdauern der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) gemäß den ersten Antriebsintervallen setzt, und eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtungssteuereinheit (69, 70), die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) gemäß den zweiten Antriebsintervallen setzt, worin die Antriebsintervallsetzeinheit (61) die zweiten Antriebsintervalle so setzt, dass sie kürzer sind als die ersten Antriebsintervalle, und die Steuerungsvorrichtung (6) das Ventil der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) öffnet, ohne auf das nächste erste Antriebsintervall der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) zu warten, wenn sich der Anodendruck (Pa) im Anodenströmungsweg (12) der Brennstoffzelle (10) rasch ändert..
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner ein Ablassventil (33) in dem Brenn-Abgasabgaberohr (23) aufweist, worin die Steuervorrichtung (6) ferner eine Abgasmengenberechnungseinheit (64) enthält, die eine Menge des abgegebenen Brenn-Abgases auf der Basis einer Ventilöffnungsdauer des Ablassventils (33) berechnet, und die Steuerungsvorrichtung (6) die Ventilöffnungsdauern der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) auf der Basis der Menge des abgegebenen Brenn-Abgases setzt.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner eine Zirkulationsvorrichtung (30) in der Verbindung zwischen dem Brenngaszufuhrrohr (22) und dem Brenngaszirkulationsrohr (24) aufweist, worin die Steuerungsvorrichtung (6) der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) mit Präferenz eine Last-basierte Wasserstoffmenge des Brenngases entsprechend einer Last an der Brennstoffzelle (10) zuweist, und der zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28B) ein Überschuss der Last-basierten Wasserstoffmenge über eine Kapazität der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung (28A) zuweist.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin die Antriebsintervallsetzeinheit (61) die ersten Antriebsintervalle so setzt, dass sie allmählich länger werden, wenn eine auf die Brennstoffzelle (10) wirkende Last abnimmt.