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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein System und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, die gleichzeitig Wasserstoffspül- und Kondenswasserablass-Funktionen unter Verwendung eines einzigen Ventils ausführen.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von als Energiequelle verwendeten Brennstoffzellen gestapelt ist, ein Brennstoffversorgungssystem, das Wasserstoff, das ein Brennstoff ist, oder dergleichen an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Luftversorgungssystem, das Sauerstoff, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel ist, zuführt, und ein Wasser- und Wärme-Management-System, das die Temperatur des Brennstoffzellenstapel und dergleichen steuert/regelt.
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Insbesondere verringert das Brennstoffversorgungssystem den Druck von komprimiertem Wasserstoff in einem Wasserstofftank und führt den komprimierten Wasserstoff, dessen Druck verringert wird, an eine Anode des Brennstoffzellenstapels zu, und das Luftversorgungssystem führt Außenluft, die durch Betreiben eines Luftgebläses angesaugt wird, an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels zu.
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Wenn Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und Sauerstoff an die Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, werden Wasserstoffionen durch eine katalytische Reaktion in der Anode getrennt. Die getrennten Wasserstoffionen werden an eine Oxidationselektrode, die die Kathode ist, durch eine Elektrolytmembran übertragen und die in der Anode getrennten Wasserstoffionen erzeugen eine elektrochemische Reaktion zusammen mit Elektronen und dem Sauerstoff in der Oxidationselektrode, wodurch elektrische Energie gewonnen werden kann. Im Einzelnen findet eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs in der Anode statt und eine elektrochemische Reduktion des Sauerstoffs findet in der Kathode statt. Elektrizität und Wärme werden aufgrund einer Bewegung von Elektronen durch die oben beschriebenen Prozesse erzeugt und Wasserdampf oder Wasser wird durch eine chemische Reaktion, wobei der Wasserstoff und der Sauerstoff aneinander gebunden werden, erzeugt.
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Um Wasserstoff und Sauerstoff, die keine Reaktion eingehen und zu Nebenprodukten, wie beispielsweise Wasserdampf, Wasser führen, und die in einem elektrischen Energieerzeugungsprozess des Brennstoffzellenstapels erzeugte Wärme freizusetzen, ist eine Ablassvorrichtung/Abführungsvorrichtung vorgesehen. Als solches werden Gase, wie beispielsweise der Wasserdampf, der Wasserstoff, der Sauerstoff und dergleichen an die Atmosphäre durch einen Ableitungsweg abgelassen/abgeführt.
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Unterdessen sollte eine Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel in geeigneter Weise eingestellt werden. Da eine Ionenaustauschmembran, die eine Membranelektrodenanordnung bildet, befeuchtet wird, wird die Ionenleitfähigkeit der Ionenaustauschmembran erhöht, wodurch es möglich ist, die Reaktionseffizienz des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Auf der anderen Seite, wenn eine Wassermenge übertrieben groß ist, tritt leicht ein Verflüssigungsprozess des Wasserdampfes auf, so dass ein Kontakt zwischen einem Katalysator und Reaktionsgasen erschwert wird, wodurch es möglich ist, dass die Reaktionseffizienz des Brennstoffzellenstapels verringert wird.
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In den meisten Brennstoffzellensystemen wird ein Wasserstoffentlüftungsventil zum Einstellen der Menge an Wasserstoff, die von dem System abgelassen/abgeführt wird, und zum Einstellen einer Wassermenge in einem Brennstoffzellenstapel verwendet, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, während immer noch ein Überschuss verhindert wird. In diesen Systemen wird ein Wasserstoffentlüftungsventil durch ein Steuersignal wiederholt geöffnet und geschlossen, um zu ermöglichen, dass ein Brennstoff und Kondenswasser in dem Brennstoffzellenstapel in dem System für eine vorgegebene Zeit bleiben und nach außen abgelassen/abgeführt werden, nachdem die vorgegebene Zeit abgelaufen ist.
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Jedoch können sich der Zeitpunkt, an dem das Kondenswasser abgelassen werden muss, und ein Zeitpunkt, an dem der Brennstoff abgelassen werden muss, voneinander unterscheiden. Als solches besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass ein Überlaufphänomen in dem Brennstoffzellenstapel auftreten wird, der Wasserstoff übermäßig abgelassen/abgeführt wird, wodurch die Kraftstoffeffizienz verringert wird, und die Haltbarkeit des Stapels aufgrund einer Verringerung einer Konzentration eines inneren Reaktionsgases verringert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, die die Kraftstoffeffizienz und Haltbarkeit eines Brennstoffzellenstapels trotz eines Ablassens/Abführens von Kondenswasser und eines Brennstoffs durch ein Ventil verbessern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein System und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend: Ablassen/Abführen von Kondenswasser durch Öffnen eines Ablass-Spül-Ventils zu einem Zeitpunkt, an dem eine Produktionsmenge des Kondenswassers eine Kapazität eines Wasserabscheiders überschreitet; Bestimmen einer Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils in Abhängigkeit von einer Wasserstoffkonzentration einer Anodenseite und einer Soll-Wasserstoffkonzentration nach dem Ablassen/Abführen; und Spülen von Wasserstoff durch Halten des Ablass-Spül-Ventils in einem Zustand, in dem es für die bestimmte Öffnungszeit geöffnet wird.
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Als solches kann das Ablassen/Abführen des Kondenswassers ein Berechnen einer Produktionsmenge des Kondenswassers in Abhängigkeit von einer Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers umfassen, die auf der Grundlage eines mittleren Ausgangsstromes eines Brennstoffzellenstapels berechnet wird.
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Der mittlere Ausgangsstrom kann ein Mittelwert einer Mehrzahl von für eine voreingestellte Zeit gemessenen Ausgangsstromdaten sein. Dieser mittlere Ausgangsstrom kann bei einer voreingestellten Periode aktualisiert werden.
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Beim Berechnen der Produktionsmenge des Kondenswassers, wenn sich eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von einer Soll-Temperatur unterscheidet, kann die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers durch Multiplizieren einer Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers bei der Soll-Temperatur mit einem Skalierungsfaktor berechnet werden.
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Das Bestimmen der Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils kann umfassen: Berechnen einer aufgelaufenen (akkumulierten) elektrischen Korrektur-Ladungsmenge auf der Grundlage eines Ausgangsstromes des Brennstoffzellenstapels und eines Korrekturfaktors, der in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom verschieden wird; und Bestimmen der Öffnungszeit gemäß einer Wasserstoffkonzentration in Abhängigkeit von der berechneten aufgelaufenen elektrischen Korrektur-Ladungsmenge und einer voreingestellten Soll-Wasserstoffkonzentration. Dieser Korrekturfaktor kann in Abhängigkeit von einer mittleren Stromänderungsrate geändert werden.
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Die mittlere Stromänderungsrate kann bestimmt werden in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis zwischen einem Mittelwert von allen Stromdaten und einem Mittelwert einer voreingestellten Anzahl von Stromdaten, die unter allen Stromdaten zuletzt gemessen werden.
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Der Korrekturfaktor kann derart geändert werden, so dass er kleiner als ein Korrekturfaktor ist, der dem Ausgangsstrom entspricht, wenn die mittlere Stromänderungsrate erhöht wird oder ansteigt, und kann derart geändert werden, so dass er größer ist als der Korrekturfaktor, der dem Ausgangsstrom entspricht, wenn die mittlere Stromänderungsrate verringert wird oder abnimmt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es sind ausführliche Beschreibungen der beigefügten Zeichnungen vorgesehen, um die beigefügten Zeichnungen, die in einer ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung erwähnt werden, ausreichend zu verstehen:
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1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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3 zeigt einen Graphen, der einen Betrieb eines Ablass-Spül-Ventils in Bezug auf die Zeit in dem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und Änderungen der Konzentrationen des Kondenswassers und von Wasserstoff entsprechend dem Betrieb darstellt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Spezifische strukturelle und funktionelle Beschreibungen werden lediglich dazu vorgesehen, um verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die in der vorliegenden Beschreibung oder Offenbarung offenbart sind, zu beschreiben. Demzufolge können die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt werden und die vorliegende Erfindung soll nicht derart ausgelegt werden, dass sie auf die in der vorliegenden Beschreibung oder Offenbarung beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
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Da die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verschiedenartig verändert werden können und verschiedene Formen aufweisen, werden bestimmte Ausführungsbeispiele in den beigefügten Zeichnungen gezeigt und in der vorliegenden Beschreibung oder Offenbarung im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle Änderungen, Äquivalente und Ersetzungen umfasst, die in der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
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Begriffe wie ”erste” und/oder ”zweite” können verwendet werden, um verschiedene Komponenten zu beschreiben, aber die Komponenten sollen nicht derart ausgelegt werden, dass sie auf die Begriffe beschränkt sind. Die Begriffe werden lediglich verwendet, um eine Komponente von einer weiteren Komponente zu unterscheiden. Zum Beispiel kann die 'erste' Komponente als die 'zweite' Komponente bezeichnet werden und die 'zweite' Komponente kann auch in ähnlicher Weise als die 'erste' Komponente bezeichnet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”verbunden” oder ”gekoppelt” ist, es mit dem weiteren Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann, oder mit einem weiteren Element verbunden oder gekoppelt sein kann, aufweisend das dazwischen angeordnete weitere Element. Andererseits versteht es sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”direkt gekoppelt” oder ”direkt verbunden” ist, es mit dem weiteren Element ohne das dazwischen angeordnete weitere Element verbunden oder gekoppelt sein kann. Andere Ausdrücke, die die Beziehung zwischen Komponenten beschreiben, das heißt, ”zwischen”, ”direkt zwischen”, ”benachbart/neben” oder ”direkt/unmittelbar benachbart/neben” sollten in einer ähnlichen Weise ausgelegt werden.
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Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe werden lediglich zur Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und nicht als Einschränkung der vorliegenden Beschreibung verwendet. Die hierin verwendeten Singularformen sind dazu vorgesehen, dass sie die Pluralformen umfassen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Es versteht sich ferner, dass die in dieser Beschreibung verwendeten Ausdrücke ”umfassen/umfasst” oder ”aufweisen/aufweist” die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Schritte, Operationen, Komponenten, Teile oder einer Kombination davon beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Komponenten, Teilen oder einer Kombination davon ausschließen.
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge, Elektro-Brennstoffzellenfahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen. Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Zusätzlich versteht es sich, dass die unten beschriebenen Verfahren durch zumindest eine Steuerung ausgeführt werden. Der Ausdruck Steuerung bezieht sich auf eine Hardware-Vorrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst, die eingerichtet ist, um einen oder mehrere Schritte auszuführen, die als ihre algorithmische Struktur interpretiert werden sollten. Der Speicher ist eingerichtet, um algorithmische Schritte zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten algorithmischen Schritte auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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Wenn nicht anders angegeben, versteht es sich, dass alle in der Beschreibung verwendeten Begriffe mit technischen und wissenschaftlichen Begriffen dieselbe Bedeutung wie jene haben, die von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden. Es ist so zu verstehen, dass die durch das Wörterbuch definierten Begriffe mit der Bedeutung im Kontext übereinstimmen und sie nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne ausgelegt werden sollten, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. In jeder Zeichnung vorgeschlagene Bezugszeichen bezeichnen ähnliche Komponenten.
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1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 kann das Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingerichtet sein, um einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Ejektor 20, ein Luftgebläse 30, eine Befeuchtungsvorrichtung (Befeuchter) 40, eine Wasserstoffzuführungsvorrichtung 50, ein Ablass-Spül-Ventil 60, einen Wasserabscheider 70 und eine Steuerung 80 zu umfassen. Da einige der Komponenten des Brennstoffzellensystems 100, wie oben beschrieben, im Stand der Technik bekannt sind, wird jeweils eine Beschreibung der Komponenten weggelassen.
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Insbesondere bevorratet eine Wasserstoffzuführungsvorrichtung 50, zum Beispiel ein Wasserstofftank, Hochdruck-Wasserstoff darin und führt den Hochdruck-Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel zu. Der Druck des von der Wasserstoffzuführungsvorrichtung 50 abgeführten Hochdruck-Wasserstoffs wird durch einen Druckregler, ein Druckeinstellventil, einen Injektor, einen Druckeinstellaktuator (nicht gezeigt) und dergleichen erneut vermindert und dann zusammen mit einem Rückfahrgas, das in die Versorgungsleitung zugeführt wird, durch den Ejektor 20 an den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt.
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Der Ejektor 20 führt Niederdruck-Wasserstoff, dessen Druck von dem durch die Wasserstoffzuführungsvorrichtung 50 zugeführten Hochdruck-Wasserstoff verringert wird, an den Brennstoffzellenstapel 10 zu. Darüber hinaus kann der Ejektor 20 Wasserstoff, der keine Reaktion in einer Anode des Brennstoffzellenstapels 10 eingeht, unter Verwendung von niedrigem Druck, der durch einen Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffstrahls erzeugt wird, während der Hochdruck-Wasserstoff durch eine Düse (z. B. eine konvergierende Düse oder konvergierende-divergente Düse) tritt, ansaugen und wieder zuführen.
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Das Ablass-Spül-Ventil 60 ist ein Ventil zum Entfernen von Verunreinigungen in der Anode des Brennstoffzellenstapels 10. Das aufgrund einer elektrochemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle erzeugte/produzierte Wasser wird innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt und sollte in regelmäßigen Abständen (periodisch) an die Außenseite des Brennstoffzellenstapels 10 abgeführt werden. Wenn das Wasser nicht von dem Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in geeigneter Weise abgeführt wird, kann ein Überlaufen auftreten. Diese erschwert die Zufuhr des Wasserstoffs und verschlechtert somit die Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 und verursacht in den schwersten Fällen Schäden an Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10.
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Um das Wasser der Anode abzuführen, sollte eine Fließgeschwindigkeit eines Fluids (z. B. ein Fluidgasgemisch) innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 durch Erhöhen einer Durchflussmenge von Wasserstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht werden. In diesem Fall wird hauptsächlich ein regelmäßiges (periodisches) Wasserstoffspülen verwendet. Das heißt, wenn die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 entfernt werden soll, wird das Spülen durch das Ablass-Spül-Ventil 60 durchgeführt, wodurch es möglich ist, eine Durchflussmenge des Wasserstoffs innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zeitlich zu erhöhen. Das Spülen durch das Ablass-Spül-Ventil 60 dient nicht nur dazu, um eine Konzentration von in die Anode eingeleiteten Stickstoff zu verringern, sondern führt auch einigen Wasserstoff an die Außenseite des Systems ab, wodurch die Kraftstoffeffizienz verringert und eine Umweltverschmutzung verursacht wird.
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Die Steuerung 80 kann eingerichtet sein, um das Ablass-Spül-Ventil 60 zu öffnen und zu schließen, um ein Abführen/Ablassen von Kondenswasser und ein Spülen des Wasserstoffs einzustellen. Im Einzelnen kann die Steuerung 80 das Ablass-Spül-Ventil 60 öffnen, um das Kondenswasser abzuführen, wenn eine Produktionsmenge von Kondenswasser eine Kapazität des Wasserabscheiders 70 überschreitet. Wenn das Abführen des Kondenswassers zu Ende ist, kann die Steuerung 80 eine Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils 60 in Abhängigkeit von einer Wasserstoffkonzentration einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 und einer Soll-Wasserstoffkonzentration bestimmen. Das heißt, die Steuerung 80 kann das Kondenswasser durch Öffnen des Ablass-Spül-Ventils 60 abführen und den Wasserstoff spülen, indem das gleiche Ablass-Spül-Ventil 60 offen gehalten wird, sobald das Abführen/Ablassen des Kondenswassers für eine vorgegebene Zeit beendet ist.
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Zunächst, in Verbindung mit dem Abführen des Kondenswassers, kann die Steuerung 80 einen mittleren Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels berechnen, um eine Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers zu berechnen. Der mittlere Ausgangsstrom und die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers können im Wesentlichen proportional zueinander sein und sind bevorzugt proportional zueinander. Die Steuerung 80 kann die Produktionsmenge des Kondenswassers in Abhängigkeit von der berechneten Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers berechnen. Die Steuerung 80 vergleicht die Produktionsmenge des Kondenswassers mit der Kapazität des Wasserabscheiders 70. Die Kapazität des Wasserabscheiders 70 kann in Abhängigkeit von einer Art des Wasserabscheiders 70, der verwendet wird, variieren. Das heißt, die Steuerung 80 kann die Produktionsmenge des Kondenswassers mit der Kapazität des Wasserabscheiders 70 (bei der anfänglichen Konfiguration eingestellt) vergleichen und das Ablass-Spül-Ventil 60 öffnen, um das Kondenswasser abzuführen, wenn die Produktionsmenge des Kondenswassers gleich oder größer als die Kapazität des Wasserabscheiders 70 ist.
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Hierbei ist der mittlere Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 ein Mittelwert einer Mehrzahl von Ausgangsstromdaten, die für eine voreingestellte Zeit gemessen werden. Der mittlere Ausgangsstrom kann in einem vorgegebenen Zeitraum mit dem Ablauf der Zeit aktualisiert werden. Das heißt, die Steuerung 80 kann die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers durch den Mittelwert der Ausgangsströme des Brennstoffzellenstapels 10 berechnen, die für eine voreingestellte Zeit gemessen werden, während der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 geändert wird. Dann kann die Steuerung 80 eine Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers in der nächsten Periode durch einen Mittelwert von Ausgangsströmen des Brennstoffzellenstapels 10 für eine voreingestellte Zeit in der nächsten Periode auf der Grundlage eines kontinuierlich geänderten Ausgangsstromes des Brennstoffzellenstapels 10 berechnen.
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Alternativ kann die Steuerung 80 auch einen Zeitpunkt, an dem das Kondenswasser abgeführt wird, in Abhängigkeit von einem Wert, der durch einen Niveaugeber (nicht gezeigt) innerhalb des Wasserabscheiders 70 abgetastet wird, bestimmen.
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Darüber hinaus kann die Steuerung 80 eine Betriebstemperatur beim Berechnen der Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers berücksichtigen. Im Einzelnen kann im Vergleich mit dem Fall, in dem die Produktionsgeschwindigkeit berechnet wird, wenn eine Temperatur eine Soll-Betriebstemperatur erreicht, die Produktionsgeschwindigkeit, wenn die Temperatur die Soll-Betriebstemperatur nicht erreicht, durch Multiplizieren der Produktionsgeschwindigkeit, die in dem Zustand berechnet wird, in dem die Temperatur die Soll-Betriebstemperatur erreicht, mit einem Skalierungsfaktur berechnet werden.
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In dem obigen Szenario, wenn die Temperatur die Soll-Betriebstemperatur nicht erreicht, kann eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 höher oder niedriger als eine Soll-Temperatur sein. In dem Fall, in dem die Temperatur niedriger als die Soll-Betriebstemperatur ist, wird eine Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers erhöht, und in dem Fall, in dem Temperatur höher als die Soll-Betriebstemperatur ist, wird eine Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers verringert. Demzufolge wenn die Temperatur niedriger als die Soll-Betriebstemperatur ist, kann der Skalierungsfaktor ein Wert größer als 1 sein, und in dem Fall, in dem die Temperatur höher als die Soll-Betriebstemperatur ist, kann der Skalierungsfaktor ein Wert kleiner als 1 sein.
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Die Steuerung 80 kann eine Zeit bestimmen, in der der Wasserstoff gespült wird, nachdem das Abführen des Kondenswassers beendet ist. Die Steuerung 80 kann das Produkt aus dem Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 und einem Korrekturfaktor, der in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom geändert wird, zum Berechnen einer aufgelaufenen (akkumulierten) elektrischen Korrektur-Ladungsmenge integrieren. Darüber hinaus kann die Steuerung 80 eine Wasserstoffkonzentration in Abhängigkeit von der berechneten aufgelaufenen elektrischen Korrektur-Ladungsmenge berechnen. Die Steuerung 80 kann die Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils 60 in Abhängigkeit von der berechneten Wasserstoffkonzentration und der Soll-Wasserstoffkonzentration bestimmen.
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Dieser Korrekturfaktor kann variiert werden, um eine Änderung der Wasserstoffkonzentration in Abhängigkeit von dem Strom und einer Stromänderungsrichtung wiederzugeben. Das heißt, ob der Strom von einem hohen Strom zu einem niedrigen Strom geändert wird oder von einem niedrigen Strom zu einem hohen Strom geändert wird.
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Als ein Beispiel kann der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von einer mittleren Stromänderungsrate geändert werden. Die mittlere Stromänderungsrate kann ein Wert sein, der durch Dividieren eines Mittelwertes von allen Stromdaten durch einen Mittelwert einer voreingestellten Anzahl von Stromdaten, die zeitlich unter allen Stromdaten zuletzt gemessen werden, erhalten werden. Zum Beispiel, wenn der Mittelwert der letzten Daten durch einen Vergleich zwischen allen Stromdaten und den letzten Daten größer als der von allen Stromdaten ist, bedeutet dies, dass der Mittelwert in eine positive Richtung geändert wird, und wenn der Mittelwert der letzten Daten durch einen Vergleich zwischen allen Stromdaten und den letzten Daten kleiner als der von allen Stromdaten ist, bedeutet dies, dass der Mittelwert in eine negative Richtung geändert wird.
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Wenn die mittlere Stromänderungsrate 1 überschreitet, kann der gemäß einer Größe des Ausgangsstromes bestimmte Korrekturfaktor derart geändert werden, so dass er kleiner ist. Darüber hinaus kann in dem Fall, in dem die mittlere Stromänderungsrate kleiner als 1 ist, der gemäß der Größe des Ausgangsstromes bestimmte Korrekturfaktor derart geändert werden, so dass er größer ist.
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Die Steuerung 80 kann zeitlich das Produkt des geänderten Korrekturfaktors und des Ausgangsstromes integrieren, um eine elektrische Ladungsmenge zu berechnen und um die Wasserstoffkonzentration auf der Grundlage der berechneten elektrischen Ladungsmenge berechnen. Die Steuerung 80 kann die berechnete Wasserstoffkonzentration mit der Soll-Wasserstoffkonzentration vergleichen, um eine Wasserstoffspülzeit zu bestimmen.
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Das heißt, eine Gesamtöffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils 60 kann ein Wert sein, der durch Addieren einer Zeit zum Abführen des Kondenswassers und einer Wasserstoffspülzeit, die in Abhängigkeit von der Soll-Wasserstoffkonzentration und der derzeitigen Wasserstoffkonzentration der Anodenseite bestimmt wird, erhalten werden.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 kann die Steuerung 80 zuerst den mittleren Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 berechnen (S201). Die Steuerung 80 kann die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers in Abhängigkeit von dem berechneten mittleren Ausgangsstrom berechnen (S203). Im Einzelnen kann eine Beziehung zwischen dem berechneten mittleren Ausgangsstrom und der Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers durch die folgende Gleichung 1 dargestellt werden.
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[Gleichung 1]
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Produktionsgeschwindigkeit von Kondenswasser = A·Mittlerer Ausgangsstrom + B (hierbei geben A und B Konstanten an)
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Diese Beziehung entspricht dem, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eine voreingestellte Soll-Betriebstemperatur erreicht. Wenn sich die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 von der voreingestellten Soll-Betriebstemperatur unterscheidet, kann die Beziehung zwischen dem berechneten mittleren Ausgangsstrom und der Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers durch die folgende Gleichung 2 dargestellt werden.
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[Gleichung 2]
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Produktionsgeschwindigkeit von Kondenswasser = (A·Mittlerer Ausgangsstrom + B)·C (hierbei geben A, B und C Konstanten an)
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Das heißt, in einem Übergangszustand, in dem die aktuelle Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 der Soll-Betriebstemperatur angenähert wird, kann die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers durch Multiplizieren einer Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers bei der Soll-Temperatur mit einem Skalierungsfaktor C berechnet werden. Zum Beispiel kann in dem Fall, in dem ein Fahrer ein Fahrzeug schnell beschleunigt, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 höher als die Soll-Betriebstemperatur sein. In diesem Fall kann die Produktionsgeschwindigkeit des Kondenswassers niedriger als die des Kondenswassers bei der Soll-Temperatur sein. Der Skalierungsfaktor C dient dazu, um dies zu berücksichtigen.
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Wenn die Produktionsgeschwindigkeit berechnet wird, kann die Steuerung 80 die Produktionsmenge des angesammelten Kondenswassers durch Multiplizieren der Produktionsgeschwindigkeit mit einer Zeit berechnen (S205). Die Steuerung 80 kann die berechnete Produktionsmenge des Kondenswassers mit der Kapazität des Wasserabscheiders 70 vergleichen (S207) und das Ablass-Spül-Ventil 60 öffnen, um das Kondenswasser abzuführen (S209), wenn die berechnete Produktionsmenge des Kondenswassers gleich oder größer als die Kapazität des Wasserabscheiders 70 ist.
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Nachdem das Abführen des Kondenswassers beendet ist, kann die Steuerung 80 die derzeitige Wasserstoffkonzentration der Anodenseite berechnen, um den Wasserstoff durch das Ablass-Spül-Ventil 60 zu spülen. Eine elektrische Ladungsmenge sollte berechnet werden, um die Wasserstoffkonzentration zu berechnen, und eine aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge sollte berechnet werden, um einen dynamisch geänderten Ausgangsstrom wiederzugeben (S211).
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Die aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge kann ein Wert sein, der durch zeitliches Integrieren des Produkts des Ausgangsstromes und des Korrekturfaktors erhalten wird. Der Korrekturfaktor kann ein Wert sein, der in Abhängigkeit von einem Bereich des Ausgangsstromes verschieden wird und kann einen Wert von 1 oder mehr aufweisen.
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Der Korrekturfaktor kann in Abhängigkeit von einer mittleren Stromänderungsrate geändert werden. Zum Beispiel, wenn die mittlere Stromänderungsrate erhöht wird, kann der Korrekturfaktor geändert werden, so dass er weniger als ein Korrekturfaktor beträgt, der in Abhängigkeit von dem Bereich des Ausgangsstromes bestimmt wird. Darüber hinaus, wenn die mittlere Stromänderungsrate verringert wird oder abnimmt, kann der Korrekturfaktor geändert werden, so dass er größer als ein Korrekturfaktor ist, der in Abhängigkeit von dem Bereich des Ausgangsstromes bestimmt wird. Dies dient dazu, um eine Änderung in dem Ausgangsstrom durch Vergleichen eines Mittelwertes einer voreingestellten Anzahl von Ausgangsstromdaten, die unter allen Ausgangsstromdaten innerhalb eines voreingestellten Zeitbereich relativ später gemessen werden, mit einem Mittelwert von allen Ausgangsstromdaten zu erfassen und um die Änderung in dem Korrekturfaktor wiederzugeben.
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Im Einzelnen kann die mittlere Ausgangsstromänderungsrate ein Wert sein, der durch Dividieren des Mittelwerts von allen Stromdaten durch den Mittelwert der voreingestellten Anzahl von Stromdaten, die unter allen Stromdaten zuletzt gemessen werden, erhalten wird. Die Richtungsabhängigkeit einer Änderung von einem niedrigen Ausgangsstrom zu einem hohen Ausgangsstrom oder einer Änderung von einem hohen Ausgangsstrom zu einem niedrigen Ausgangsstrom kann durch die mittlere Ausgangsstromänderungsrate erfasst werden. In dem Fall, in dem die mittlere Ausgangsstromänderungsrate größer als 1 ist, das heißt, in dem Fall, in dem der Wert, der durch Dividieren des Mittelwerts von allen Stromdaten durch den Mittelwert der voreingestellten Anzahl von Stromdaten, die unter allen Stromdaten zuletzt gemessen werden, erhalten wird, größer als 1 ist, wenn der Mittelwert von allen Stromdaten größer als der Mittelwert der voreingestellten Anzahl von zuletzt gemessenen Stromdaten ist, kann der Korrekturfaktor derart geändert werden, so dass er weniger als der Korrekturfaktor beträgt, der in Abhängigkeit von dem Bereich des Ausgangsstromes bestimmt wird. Das heißt, es kann eine Beziehung wie Korrekturfaktor = Korrekturfaktor·A (0 < A < 1) erfüllt werden.
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Alternativ kann in dem Fall, in dem die mittlere Ausgangsstromänderungsrate kleiner als 1 ist, eine Beziehung, wie Korrekturfaktor = Korrekturfaktor·B (1 < B) erfüllt werden.
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Die Wasserstoffkonzentration eines Auslasses der Anodenseite kann unter Verwendung der aufgelaufenen elektrischen Korrektur-Ladungsmenge berechnet werden. Die aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge kann durch zeitliches Integrieren des Produkts des Ausgangsstromes und des Korrekturfaktors berechnet werden. Das heißt, die aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge wird durch die folgende Gleichung 3 dargestellt.
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[Gleichung 3]
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Aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge = ∫(Strom·Korrekturfaktor)dt
Wasserstoffkonzentration (5) = A·log (aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge) + B·Zeit + C (hierbei geben A, B und C Konstanten an)
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Das heißt, der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels und der Korrekturfaktor, der in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom variiert und in Abhängigkeit von der mittleren Stromänderungsrate geändert wird, werden miteinander multipliziert und werden zeitlich integriert, so dass die aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge bestimmt wird. Wenn die aufgelaufene elektrische Korrektur-Ladungsmenge bestimmt ist, kann die Wasserstoffkonzentration berechnet werden.
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Die Steuerung 80 kann die Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils 60 in Abhängigkeit von der berechneten Wasserstoffkonzentration und der Soll-Wasserstoffkonzentration bestimmen (S213). Das heißt, die Steuerung 80 kann das Ablass-Spül-Ventil 60 öffnen, um zuerst das Kondenswasser abzuführen, und die berechnete Wasserstoffkonzentration mit der Soll-Wasserstoffkonzentration vergleichen, um eine Zeit zu bestimmen, in der das Ablass-Spül-Ventil 60 geschlossen sein sollte, nachdem das Abführen des Kondenswassers beendet ist. Der Wasserstoff und dergleichen kann für eine Zeit, in der das Ablass-Spül-Ventil 60 geöffnet bleibt, gespült werden, nachdem das Wasser abgeführt ist (S215).
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Als solches wird nur das Ablass-Spül-Ventil 60 verwendet, um das Kondenswasser abzuführen und um den Wasserstoff und dergleichen zu spülen. Das Abführen des Kondenswassers und das Spülen werden gleichzeitig in regelmäßigen Abständen (periodisch) durch ein Ablass-Spül-Ventil 60 durchgeführt. Zu diesem Zweck bestimmt die Steuerung 80 einen Zeitpunkt, an dem das Kondenswasser abgeführt wird, und die Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils 60. Demzufolge wird die unnötige Verschwendung des Wasserstoffs verringert, wodurch es möglich ist, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, während es gleichzeitig möglich ist, ein Überlaufen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
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3 zeigt einen Graphen, der einen Betrieb eines Ablass-Spül-Ventils in Bezug auf die Zeit in dem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und Änderungen der Konzentrationen des Kondenswassers und von Wasserstoff entsprechend dem Betrieb darstellt. Unter Bezugnahme auf 3 kann man erkennen, dass das Ablass-Spül-Ventil geöffnet wird, wenn eine angesammelte Menge des Kondenswassers die Kapazität des Wasserabscheiders erreicht und das Spülen startet, wenn die angesammelte Menge des Kondenswassers 0 wird. Wenn das Spülen startet, wird die Öffnungszeit des Ablass-Spül-Ventils in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration der Anodenseite und der Soll-Wasserstoffkonzentration bestimmt und das Spülen wird für die bestimmte Öffnungszeit durchgeführt, so dass die Wasserstoffkonzentration der Anodenseite erhöht wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist dies nur ein Beispiel. Es versteht sich für einen Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Modifikationen und andere äquivalente Ausführungsbeispiele von der vorliegenden Erfindung möglich sind. Demzufolge sollt ein tatsächlicher technischer Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
