DE102015118922B4

DE102015118922B4 - Brennstoffzellensystem mit gesteuerter Zirkulationsströmungsrate und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102015118922B4
Application number: DE102015118922.4A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yamamoto; Hiroyuki Imanishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: CA2909930C; KR20160057995A; KR101825790B1; DE102015118922A1; JP6187431B2; CN105609821B; CN105609821A; CA2909930A1; JP2016095999A; US20160141660A1; US9806359B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) aufweisend:eine Brennstoffzelle (10);einen Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) zur Zufuhr eines Anodengases zu der Brennstoffzelle (10);einen Anodengas-Ausleitungsdurchlauf (61) zum Ausleiten eines Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (10);einen Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) zur Verbindung des Anodengas-Zufuhrdurchlaufs (51) und des Anodengas-Ausleitungsdurchlaufs (61);eine Zirkulationsvorrichtung (64), die an dem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) vorgesehen ist und zur Zufuhr des Anodenabgases zu dem Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) dient; undeinen Controller (20), der, wenn sich flüssiges Wasser in der Zirkulationsvorrichtung (64) befindet, eine Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) steuert mit der das flüssige Wasser, das sich in der Zirkulationsvorrichtung (64) befindet, ausgeleitet wird, wobeider Controller (20), wenn bestimmt wird, dass eine in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibende Menge an flüssigem Wasser gleich ist wie oder größer ist als ein festgelegter Wert, eine Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) begrenzt.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren hierfür.
Stand der Technik
Bezüglich eines Brenngaszufuhrsystems zur Zufuhr eines Brenngases (Wasserstoff) zu einer Anode einer Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel), wurde konventionell ein Brennstoffzellensystem entwickelt, in dem Brenngas, das von der Anode der Brennstoffzelle nicht verbraucht wurde, mittels einer Zirkulationspumpe eines Brenngaskreislaufs zu dem Brenngaszufuhrsystem rückgeführt wird. Als ein Beispiel dieses Brennstoffzellensystems mit einem Brenngaskreislauf, ist in JP 2007-115460 A offenbart, dass flüssiges Wasser, das an einer Leitungsinnenwand eines Brenngaskreislauf kondensiert, durch Erhöhen der Drehzahl der Zirkulationspumpe ausgeleitet wird, um die Möglichkeit zu verringern, dass überschüssiges flüssiges Wasser in die Zirkulationspumpe fließen könnte. Weiter ist in JP 2008-171770 A offenbart, dass die Geräusche, die mit dem Antrieb einer Zirkulationspumpe (Wasserstoffpumpe) einhergehen, durch die Geräusche, die mit dem Antrieb eines Kompressors oder eines Motors einhergehen, der als Last für eine Brennstoffzelle dient, überdeckt werden.
In Fällen, in denen jedoch ein Betrieb des Brennstoffzellensystems bei einer geringen Last über eine lange Zeit fortgeführt wird, wie beispielsweise wenn eine Stromerzeugung bei einer geringen Last über eine lange Zeit fortgeführt wird, kann ein Betrieb der Zirkulationspumpe bei geringer Drehzahl, wenn er über eine lange Zeit fortgeführt wird, verursachen, dass flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle oder an bestimmten Stellen in einem Brenngaskreislauf, insbesondere zwischen einem Auslass eines Gas-Flüssigkeits-Abscheiders und einem Sauganschluss der Zirkulationspumpe, verbleibt. Es gibt beispielsweise Fälle, in denen flüssiges Wasser als Folge von Kondensation auf Grund von Temperaturdifferenzen zwischen der Brennstoffzelle und der Zirkulationspumpe oder von flüssigem Wasser, das durch die Zirkulationspumpe aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider angesaugt wird, verbleibt. Wenn dieses verbleibende Wasser über einem festgelegten Wert liegt, kann bei einer hohen Drehzahl der Zirkulationspumpe ein Wasserschlag des verbleibenden Wassers in der Zirkulationspumpe auftreten. Dies kann zu einer abnormalen Geräuschentwicklung führen oder einer hohen Lautstärke der Geräusche, die mit dem Antrieb der Luftpumpe einhergehen (nachstehend auch als „abnormales Geräusch oder dergleichen“ bezeichnet), was dem Fahrer problematischer Weise ein Gefühl des Unbehagens oder ein Gefühl von Inkompatibilität, Angst vor Störungen und dergleichen vermittelt. In den Schriften JP 2009-151999 A und JP 2010-135194 A sind jeweils Brennstoffzellensysteme beschrieben, welche eine Brennstoffzelle, eine Anodengaszuführung, eine Anodengasabführung und einen Rezirkulationspfad haben. Ein Controller steuert jeweils die Strömungsrate in der Zirkulationsvorrichtung.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in der Absicht geschaffen, zumindest einen Teil der oben beschriebenen Probleme zu lösen und kann nach den unten beschriebenen Aspekten realisiert werden.
(1) Gemäß einem ersten Aspekt liegt ein Brennstoffzellensystem vor. Das Brennstoffzellensystem hat einen Anodengas-Zufuhrdurchlauf bzw. Anodengas-Zufuhr-Strömungsweg zur Zufuhr eines Anodengases zu der Brennstoffzelle; einen Anodengas-Ausleitungsdurchlauf bzw. Anodengas-Ausleitungs-Strömungsweg zum Ausleiten eines Anodenabgases aus der Brennstoffzelle; einen Anodengas-Zirkulationsdurchlauf bzw. Anodengas-Zirkulations-Strömungsweg zur Verbindung des Anodengas-Zufuhrdurchlaufs und des Anodengas-Ausleitungsdurchlaufs; eine Zirkulationsvorrichtung, die an dem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf vorgesehen ist und zum Zuführen des Anodenabgases zu dem Anodengas-Zufuhrdurchlauf dient; und einen Controller. Wenn flüssiges Wasser in der Zirkulationsvorrichtung verbleibt, steuert der Controller eine Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung, um das in der Zirkulationsvorrichtung verbleibende flüssige Wasser auszuleiten. Der Controller begrenzt eine Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung, wenn bestimmt wird, dass eine in der Zirkulationsvorrichtung verbleibende Menge an flüssigem Wasser gleich ist wie oder größer als ein festgelegter Wert.
Gemäß einem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts, wird eine Zirkulationsströmungsrate einer Zirkulationsvorrichtung langsam erhöht, um ein Ansaugen des in einem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf verbleibenden flüssigen Wassers in die Zirkulationsvorrichtung zu blockieren; auch wenn das in dem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf verbleibende flüssige Wasser in die Zirkulationsvorrichtung angesaugt wird, ist es möglich, die Entwicklung eines abnormalen Geräusches oder dergleichen als Arbeitsgeräusch der Zirkulationsvorrichtung zu unterdrücken.
(2) Bei dem Brennstoffzellensystem ermittelt der Controller, ob das in der Zirkulationsvorrichtung verbleibende Wasser gleich ist wie oder größer ist als der festgelegte Wert, indem er eine Menge an in der Zirkulationsvorrichtung verbleibendem Wasser anhand eines Verhältnisses zwischen einer ausleitfähigen Menge bei einer wasserausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung ausgeleitet werden kann, und einer Menge an in der Zirkulationsvorrichtung verbleibendem flüssigen Wasser bei einer wasser-nicht-ausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser nicht aus der Zirkulationsvorrichtung ausgeleitet werden kann, schätzt.
Gemäß einem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts, kann das in einer Zirkulationsvorrichtung verbleibende flüssige Wasser einfach geschätzt werden, so dass einfach entschieden werden kann, ob die Menge des verbleibenden flüssigen Wassers gleich ist wie oder größer als ein festgelegter Wert.
(3) Bei dem Brennstoffzellensystem kann der Controller, wenn der Controller die Zirkulationsströmungsrate auf einen festgelegten Wert oder darüber erhöht, um flüssiges Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung auszuleiten, die Begrenzung der Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung aufheben.
Gemäß einem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts, ist es, wenn die Zirkulationsströmungsrate auf eine festgelegte Menge oder darüber erhöht wird, möglich, die Zirkulationsströmungsrate schnell zu erhöhen, unter der Bedingung, dass beispielsweise ein großes Volumen einer Stromerzeugungsmenge (Ausgangsstrommenge) für die Brennstoffzelle benötigt wird, so dass eine schnelle Erhöhung der Zirkulationsströmungsrate des Anodenabgases ermöglich wird und eine schnelle Erhöhung der Zirkulationsströmungsrate erwünscht ist.
(4) Bei dem Brennstoffzellensystem kann die Zirkulationsvorrichtung eine Zirkulationspumpe sein, und der Controller kann die Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate begrenzen, indem er eine Erhöhungsrate einer Drehzahl der Zirkulationspumpe entsprechend der Zirkulationsströmungsrate begrenzt.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, beispielsweise derart wie durch ein Brennstoffzellensystem oder ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems als eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine erklärende Ansicht, die eine Wasserstoff-Zirkulationspumpe und einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider in einem Anodengas-Kreislauf unter Vergrößerung zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess des Einstellens einer Erhöhungsrate zur Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe zeigt:
4 ist ein erklärendes Schaubild, das eine Grundtechnik zur Entscheidung über Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Wasserschlaggeräusches zeigt;
5 ist ein erklärendes Schaubild, das die Entscheidung bezüglich des Wasserschlaggeräusches basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Wasserausleitungs-Fortführungszeit und einer Verbleib-Fortführungszeit zeigt;
6 ist ein Flussdiagramm, das ein konkretes Beispiel einer Wasserschlaggeräusch-Entscheidung zeigt;
7 ist ein erklärendes Schaubild, das ein Beispiel eines Ausgangswert-Kennfelds zeigt;
8 ist ein erklärendes Schaubild, das ein Beispiel eines Entscheidungsgrenzwert-Kennfelds zeigt; und
9 ist ein Zeitdiagramm, das ein konkretes Beispiel der Wasserschlaggeräusch-Entscheidung und der Erhöhungsraten-Einstellung zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen:
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 als eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 100 in ein Fahrzeug (auch als „Brennstoffzellenfahrzeug“ bezeichnet) eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 100 gibt als Reaktion auf eine Anforderung eines Gaspedals (nicht gezeigt) durch einen Fahrzeugführer (die Anforderung wird nachstehend auch als „Gaspedalposition“ bezeichnet) elektrischen Strom aus, der als Stromquelle für das Fahrzeug dient.
Das Brennstoffzellensystem 100 hat eine Brennstoffzelle 10, einen Controller 20, ein Kathodengas-Zufuhrsystem 30, ein Kathodengas-Ausleitungssystem 40, ein Anodengas-Zufuhrsystem 50, einen Anodengas-Kreislauf 60, einen Kühlmittelkreislauf 70, und ein Stromauflade-/Entladesystem 80.
Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die bei Erhalt einer Zufuhr von Wasserstoff als ein Brenngas (auch als „Anodengas“ bezeichnet) und Luft (genau genommen Sauerstoff) als ein Oxidationsgas (auch als „Kathodengas“ bezeichnet) elektrischen Strom erzeugt. Nachstehend werden das Anodengas und das Kathodengas auch gesamtheitlich als „Reaktionsgase“ bezeichnet. Die Brennstoffzelle 10 hat eine Stapelstruktur, bei der eine Mehrzahl an Einheitszellen 11 gestapelt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 10 eine Brennstoffzelle vom so genannten Gegenstrom-Typ, bei der das Anodengas und das Kathodengas gegenüberliegend in entgegengesetzte Richtungen strömen. Für gewöhnlich ist die Brennstoffzelle 10 derart positioniert, dass das Anodengas entlang der Oberflächen der einzelnen Einheitszellen 11 von oben nach unten abströmt, während das Kathodengas von unten nach oben aufströmt. Zudem sind bei der Brennstoffzelle 10 Sammelleitungen für die Reaktionsgase und das Kühlmittel als Durchgangslöcher, die sich in Stapelrichtung erstrecken, ausgebildet; die Sammelleitungen wurden jedoch in der Zeichnung weggelassen.
Jede der Brennstoffzellen 11, die nicht gezeigt sind, hat im Grunde eine Struktur, bei der eine MEA (Membran-Elektroden-Einheit) als Stromerzeugungselement zwischen Separatoren angeordnet ist. Die MEA besteht aus einer Polymerelektrolytmembran (auch einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet), die aus einer Ionen-Austausch-Membran gebildet ist, einer Anode aus einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht, die auf einer anodenseitigen Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist, und einer Kathode aus einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht, die auf einer kathodenseitigen Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist. Zudem sind rinnenartige Gasdurchläufe auf den Oberflächen der Separatoren, die mit den Gasdiffusionsschichten in Kontakt sind, ausgebildet, die ein Durchströmen des Anodengases und des Kathodengases zulassen. In manchen Fällen ist jedoch ein Gasdurchlaufelement zwischen einem Separator und einer Gasdiffusionsschicht angeordnet.
Der Controller 20 ist eine Steuereinheit, die das Kathodengas-Zufuhrsystem 30, das Kathodengas-Ausleitungssystem 40, das Anodengas-Zufuhrsystem 50, den Anodengas-Kreislauf 60 und den Kühlmittelkreislauf 70 derart steuert, dass die Brennstoffzelle 10, als Reaktion auf eine Ausgabeanforderung von außen an das System, Strom erzeugt. Der Controller 20 ist beispielsweise ein Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, und einem RAM, und er führt Softwareprogramme entsprechend verschiedenen Steuerarten aus, wodurch er Funktionen als ein allgemeiner Controller erfüllt, ein Kathodengas-Controller zur Steuerung des Kathodengas-Zufuhrsystems 30 und des Kathodengas-Ausleitungssystems 40, ein Anodengas-Controller zur Steuerung des Anodengas-Zufuhrsystems 50 und des Anodengas-Kreislaufs 60, und ein Kühlmittel-Controller zur Steuerung des Kühlmittelkreislaufs 70.
Das Kathodengas-Zufuhrsystem 30 hat eine Kathodengas-Zufuhrleitung 31, einen Luftverdichter 32, einen Luftmassenmesser 33, ein Öffnungs-/Schließventil 34, und eine Druckmesseinheit 35. Die Kathodengas-Zufuhrleitung 31 ist mit der Kathodengas-Zufuhr-Sammelleitung der Brennstoffzelle 10 verbunden.
Der Luftverdichter 32 ist mit der Brennstoffzelle 10 mittels der Kathodengas-Zufuhrleitung 31 verbunden. Der Luftverdichter 32 saugt Außenluft an und verdichtet diese, um der Brennstoffzelle 10 die verdichtete Luft als Kathodengas zuzuführen. Der Luftmassenmesser 33 misst die Menge an Außenluft, die von dem Luftverdichter 32 an einer Aufströmseite des Luftverdichters 32 eingesogen wird, und übermittelt ein Messergebnis an den Controller 20. Der Controller 20 treibt den Luftverdichter 32 basierend auf dem Messwert an, um dadurch die Luftzufuhrmenge zu der Brennstoffzelle 10 zu steuern.
Das Öffnungs-/Schließventil 34 ist zwischen dem Luftverdichter 32 und der Brennstoffzelle 10 angeordnet. Das Öffnungs-/Schließventil 34 ist für gewöhnlich geschlossen, und wird geöffnet, wenn der Kathodengas-Zufuhrleitung 31 von dem Luftverdichter 32 Luft mit einem festgelegten Druck zugeführt wird. Die Druckmesseinheit 35 misst einen Druck der von dem Luftkompressor 32 zugeführten Luft an einer Position in der Nähe eines Einlasses der Kathodengas-Zufuhr-Sammelleitung der Brennstoffzelle 10, und gibt ein Messergebnis an den Controller 20 aus.
Das Kathodengas-Ausleitungssystem 40 hat eine Kathodenabgasleitung 41, ein Druckregelventil 43, und eine Druckmesseinheit 44. Die Kathodenabgasleitung 41 ist mit der Kathodengas-Ausleitungs-Sammelleitung der Brennstoffzelle 10 verbunden. Das Kathodenabgas (auch als Kathodenemissionsgas bezeichnet) wird mittels der Kathodenabgasleitung 41 nach außen aus dem Brennstoffzellensystem 100 ausgeleitet.
Der Öffnungsgrad des Druckregelventils 43 wird durch den Controller 20 gesteuert, um den Duck des Kathodenabgases an der Kathodenabgasleitung 41 (Gegendruck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10) anzupassen. Die Druckmesseinheit 44, die stromaufwärts des Druckregelventils 43 angeordnet ist, misst den Druck des Kathodenabgases und gibt ein Messergebnis an den Controller 20 aus. Der Controller 20 passt den Öffnungsgrad des Druckregelventils 43 basierend auf dem Messwert der Druckmesseinheit 44 an, um dadurch den kathodenseitigen Gegendruck der Brennstoffzelle 10 zu steuern.
Das Anodengas-Zufuhrsystem 50 hat eine Anodengas-Zufuhrleitung 51, einen Wasserstofftank 52, ein Öffnungs-/Schließventil 53, einen Regler 54, eine Wasserstoff-Zufuhreinheit 55, und eine Druckmesseinheit 56. Der Wasserstofftank 52 ist mittels der Anodengas-Zufuhrleitung 51 mit dem Einlass der Anodengas-Zufuhr-Sammelleitung (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 10 verbunden und führt der Brennstoffzelle 10 einen in den Tank eingefüllten Wasserstoff zu. Die Anodengas-Zufuhrleitung 51 wird auch als „Anodengas-Zuführdurchlauf“ bezeichnet.
An der Anodengas-Zufuhrleitung 51 sind in absteigender Reihenfolge von der Aufströmseite (Wasserstofftank 52-Seite) das Öffnungs-/Schließventil 53, der Regler 54, die Wasserstoff-Zufuhreinheit 55, und die Druckmesseinheit 56 angeordnet. Das Öffnungs-/Schließventil 53 wird durch einen Befehl des Controller 20 geöffnet oder geschlossen, um das Einströmen des Wasserstoffs von dem Wasserstofftank 52 zu der Aufströmseite der Wasserstoff-Zufuhreinheit 55 zu steuern. Der Regler 54 ist ein Druckminderungsventil zur Anpassung eines Wasserstoffdrucks an der Aufströmseite der Wasserstoff-Zufuhreinheit 55, und sein Öffnungsgrad wird durch den Controller 20 gesteuert.
Die Wasserstoff-Zufuhreinheit 55 kann aus einem Injektor bestehen, der ein Öffnungs-/Schließventil eines elektromagnetischen Antriebs-Typs ist. Die Druckmesseinheit 56 misst den Wasserstoffdruck an der Abströmseite der Wasserstoff-Zufuhreinheit 55, und übermittelt ein Messergebnis an den Controller 20. Der Controller 20 steuert die Wasserstoff-Zufuhreinheit 55 basierend auf dem Messwert der Druckmesseinheit 56, um dadurch die Strömungsrate des zu der Brennstoffzelle 10 zugeführten Wasserstoffs zu steuern.
Der Anodengas-Kreislauf 60 hat eine Anodenabgasleitung 61, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62, eine Anodengas-Zirkulationsleitung 63, eine Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, eine Anoden-Ablassleitung 65, ein Ablassventil 66, eine Druckmesseinheit 67, und eine Temperaturmesseinheit 68. Der Anodengas-Kreislauf 60 führt ein Zirkulieren und Ausleiten eines Anodenabgases (auch als „Anodenemissionsgas“ bezeichnet) aus, das Abwasser und nicht umgesetztes Gas (Wasserstoff, Stickstoff, etc.) enthält, das aus der Anode der Brennstoffzelle 10 ausgeleitet wird, ohne in der Stromerzeugungsreaktion verwendet worden zu sein.
Die Anodenabgasleitung 61 verbindet den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 und einen Auslass der Anodengas-Ausleitungs-Sammelleitung (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 10 miteinander. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 ist mit der Anodengas-Zirkulationsleitung 63 und der Anoden-Ablassleitung 65 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 scheidet eine in dem Anodenabgas enthaltene gasförmige Komponente und flüssiges Wasser voneinander ab, und führt die gasförmige Komponente der Anodengas-Zirkulationsleitung 63 zu, während er das flüssige Wasser der Anoden-Ablassleitung 65 zuführt. Die Anodenabgasleitung 61 wird auch als „Anodengas-Ausleitungsdurchlauf“ bezeichnet.
Die Anodengas-Zirkulationsleitung 63 ist mit einer Stellung der Anodengas-Zufuhrleitung 51 stromabwärts der Wasserstoff-Zufuhreinheit 55 verbunden. Die Anodengas-Zirkulationsleitung 63 hat eine Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64. In der gasförmigen Komponente enthaltener Wasserstoff, der von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 abgeschieden wurde, wird der Anodengas-Zufuhrleitung 51 durch die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 geliefert, um als Anodengas wiederverwendet zu werden. Die Anodengas-Zirkulationsleitung 63 wird als „Anodengas-Zirkulationsdurchlauf“ bezeichnet. Ferner wird die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 als „Zirkulationsvorrichtung“ bezeichnet.
Die Anoden-Ablassleitung 65 dient zur Ausleitung des von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 abgeschiedenen flüssigen Wassers aus dem Brennstoffzellensystem 100. Die Anoden-Ablassleitung 65A hat ein Ablassventil 66. Der Controller 20 hält das Ablassventil 66 für gewöhnlich geschlossen, und öffnet das Ablassventil 66 zu einem zuvor eingestellten Zeitpunkt des Ablassens oder einem Ausleitungszeitpunkts eines Inertgases in dem Anodenabgas.
Die Druckmesseinheit 67 des Anodengas-Kreislaufs 60 ist an der Anodenabgasleitung 61 angeordnet. In einer Nähe der Anodengas-Ausleitungs-Sammelleitung der Brennstoffzelle 10 misst die Druckmesseinheit 67 einen Druck des Anodenabgases (Gegendruck auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 10) und übermittelt ein Messergebnis an den Controller 20. Der Controller 20 steuert die Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle 10, basierend auf dem Messwert der Druckmesseinheit 67 in dem Anodengas-Kreislauf 60 und dem oben beschriebenen Messwert der Druckmesseinheit 56 in dem Anodengas-Zufuhrsystem 50.
Zudem misst die Temperaturmesseinheit 68 des Anodengas-Kreislaufs 60 eine Umgebungstemperatur des Anodengas-Kreislaufs 60, insbesondere eine Umgebungstemperatur (Außenlufttemperatur) der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 als eine Temperatur der Außenluft, und übermittelt ein Messergebnis an den Controller 20. Der Controller 20 steuert, wie nachstehend beschrieben wird, die Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 basierend auf dem Messwert der Temperaturmesseinheit 68.
Der Kühlmittelkreislauf 70 hat eine Aufströmseiten-Leitung 71a, eine Abströmseiten-Leitung 71b, einen Kühler 72, eine Kühlmittel-Zirkulationspumpe 75, einen Aufströmseiten-Temperatursensor 76a, und einen Abströmseiten-Temperatursensor 76b. Die Aufströmseiten-Leitung 71a und die Abströmseiten-Leitung 71b sind jeweils Kühlmittelleitungen durch die das Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 zirkuliert wird. Die Aufströmseiten-Leitung 71a verbindet einen Einlass des Kühlers 72 und einen Auslass der Kühlmittel-Ausleitungs-Sammelleitung (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 10 miteinander. Die Abströmseiten-Leitung 71b verbindet einen Auslass des Kühlers 72 und einen Einlass der Kühlmittel-Zufuhr-Sammelleitung (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 10 miteinander.
Der Kühler 72 kühlt das Kühlmittel durch das Ausführen eines Wärmeaustausches zwischen dem durch die Kühlmittelleitung 71 fließenden Kühlmittel und der Außenluft. Die Kühlmittel-Zirkulationspumpe 75 ist auf halber Höhe der Abströmseiten-Leitung 71b angeordnet, um das gekühlte Kühlmittel in dem Kühler 72 zu der Brennstoffzelle 10 auszuspeisen. Der Aufströmseiten-Temperatursensor 76a ist an der Aufströmseiten-Leitung 71a angeordnet, und der Abströmseiten-Temperatursensor 76b ist an der Abströmseiten-Leitung 71b angeordnet. Der Aufströmseiten-Temperatursensor 76a und der Abströmseiten-Temperatursensor 76b übermitteln jeweils gemessene Kühlmitteltemperaturen an den Controller 20. Der Controller 20 steuert den Betrieb des Kühlers 72 basierend auf den Messwerten (Kühlmitteltemperaturen) des Aufströmseiten-Temperatursensors 76a und des Abströmseiten-Temperatursensors 76b.
Das Stromauflade-/Entladesystem 80 hat einen Antriebsmotor 82 als eine Ladevorrichtung, einen Wechselrichter (INV) 84, eine Sekundärbatterie 86, und einen DC/DC-Wandler 88. Die Brennstoffzelle 10 ist mittels Gleichstromleitungen DCL elektrisch mit dem Wechselrichter 84 verbunden, während die Sekundärbatterie 86 mit den Gleichstromleitungen DCL mittels des DC/DC-Wandlers 88 elektrisch verbunden ist.
Die Sekundärbatterie 86 wird durch einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 und Regenerativstrom des Antriebsmotors 82 geladen, und dient zusammen mit der Brennstoffzelle 10 als elektrische Stromquelle. Die Sekundärbatterie 86 kann beispielsweise durch einen Lithium-Ionen-Akkumulator realisiert werden.
Der DC/DC-Wandler 88 steuert Stromstärke und Spannung der Brennstoffzelle 10, steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 86, und passt das Spannungsniveau der Gleichstromleitungen DCL basierend auf Befehlen des Controllers 20 variabel an. Der Wechselrichter 84 wandelt einen von der Brennstoffzelle 10 und er Sekundärbatterie 86 erhaltenen Gleichstrom in Wechselstrom um, und führt den Strom dem Antriebsmotor 82 zu. Der Antriebsmotor 82 wird entsprechend dem von dem Wechselrichter 84 als Reaktion auf die Gaspedalposition zugeführten elektrischen Strom betrieben, um dadurch Räder WL, die mit ihm mittels Getrieben oder dergleichen verbunden sind, anzutreiben. Zudem wandelt der Wechselrichter 84, wenn der Antriebsmotor 82 Regenerativstrom erzeugt, den Regenerativstrom in Gleichstrom um und lädt hiermit die Sekundärbatterie 86 mittels des DC/DC-Wandlers 88.
Bei dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 werden das Kathodengas-Zufuhrsystem 30 sowie das Kathodengas-Ausleitungssystem 40, das Anodengas-Zufuhrsystem 50 sowie der Anodengas-Kreislauf 60, und das Stromauflade-/Entladesystem 80 von dem Controller 20 derart gesteuert, dass elektrischer Strom, der als Stromquelle für das Fahrzeug dient, als Reaktion auf die Gaspedalposition, von der Brennstoffzelle 10 ausgegeben wird. Bezüglich des Prozesses zur Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, um das Zirkulationsvolumen des Anodengases (Wasserstoff) durch den Anodengas-Kreislauf 60 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 zu erhöhen, wird nachstehend eine Erklärung gegeben.
2 ist eine erklärende Ansicht, die die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 in dem Anodengas-Kreislauf 60 unter Vergrößerung zeigt. Die Anodenabgasleitung 61, die mit dem Auslass der Anodengas-Ausleitungs-Sammelleitung (nicht gezeigt) in dem unteren Abschnitt der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, ist mit dem unteren Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 62 verbunden. Eine erste Anodengas-Zirkulationsleitung 63a, die mit dem senkrechten oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeit-Abscheiders 62 verbunden ist, ist mit einem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, der an dessen unterem Abschnitt platziert ist, verbunden. Eine zweite Anodengas-Zirkulationsleitung 63b, die mit einem Zustellanschluss 644 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, der an deren oberem Abschnitt platziert ist, verbunden ist, ist mit der Anodengas-Zufuhrleitung 51 (in dieser Figur nicht gezeigt) verbunden, und ist mit einem Einlass (nicht gezeigt) der Anodengas-Zufuhr-Sammelleitung des Brennstoffzelle 10, die an deren oberem Abschnitt platziert ist, verbunden. Das heißt, die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 hat eine Struktur, bei der Wasserstoff, der von dem Unterabschnitt des Sauganschlusses 641 angesaugt wird, über den Oberabschnitt des Zustellanschlusses 644 ausgeleitet wird.
Wenn diese Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 weiter mit einer geringen Drehzahl betrieben wird, kann es in einigen Fällen vorkommen, dass flüssiges Wasser sich an einer Stelle, von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 zu der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 reichend, ansammelt, d.h. an Stellen der ersten Anodengas-Zirkulationsleitung 63a und des Sauganschlusses 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, so dass dieses in die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 strömt. Das resultierende, verbleibende, flüssige Wasser (auch als „verbleibendes Wasser“ bezeichnet) wird hauptsächlich wie folgt erzeugt. Zunächst wird, wenn die Temperatur der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 geringer ist als die der Brennstoffzelle 10, Kondenswasser durch deren Temperaturdifferenz erzeugt. Anschließend wird die Zirkulationsströmungsrate des Wasserstoffs, der durch die Anodengas-Zirkulationsleitung 63 fließt, bei einer geringen Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 weniger reaktiv auf die Drehzahl, so dass erzeugtes Kondenswasser nicht gelöst und über den Zustellanschluss 644 ausgeleitet werden kann. Dies hat zur Folge, dass flüssiges Wasser in dem unteren Abschnitt der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 verbleibt, d.h. an Stellen der ersten Anodengas-Zirkulationsleitung 63a und des Sauganschlusses 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64. Der Rückstand an flüssigem Wasser wird nicht nur durch den oben beschriebenen Prozess verursacht, sondern durch solche Prozesse, bei denen flüssiges Wasser, das in dem unteren Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 62 verbleibt, durch die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 eingesaugt wird; flüssiges Wasser, das aus der Brennstoffzelle 10 ausgeleitet wird und von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 abgeschieden wird, direkt durch die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 eingesaugt wird, ohne sich in dem unteren Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 62 zu sammeln; und flüssiges Wasser von Seiten des Zustellanschlusses 644 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 herunter rinnt.
Mit zunehmender Menge des verbleibenden Wassers an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, kann ein Wasserschlag an Laufrädern 642, 643 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 auftreten, die Veränderungen des Betriebsgeräusches der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 verursachen können und zur Entwicklung abnormaler Geräusche führen können. Dementsprechend wird bei dem Brennstoffzellensystem 100 dieser Ausführungsform eine Entwicklung abnormaler Geräusche durch das Ausführen der unten beschriebenen Prozesse unterdrückt.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess des Einstellens einer Erhöhungsrate zur Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 zeigt. Diese Einstellung der Erhöhungsrate (Erhöhungsgeschwindigkeit, oder Rate der Erhöhung) wird ausgeführt bevor der Controller 20 die Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 (nachstehend auch als „HP-Drehzahl“ bezeichnet) als Reaktion auf eine Anforderung einer Erhöhung der Drehzahl, wenn die Anforderung gestellt wird, die Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 zu erhöhen, um die Strömungsrate des Wasserstoffs, der der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, zu erhöhen, und ferner die Zirkulationsströmungsrate des Anodenabgases (Wasserstoff), das durch das Anodengas-Kreislauf 60 fließt zu erhöhen, tatsächlich erhöht.
Bei Schritt S10 wird entschieden, ob ein Anforderungswert der HP-Drehzahl Rhp (nachstehend auch als „angeforderte HP Drehzahl Rhprq“ bezeichnet) innerhalb eines Bereichs, von einer vorgegebenen ersten Drehzahl rp bis zu einer vorgegebenen zweiten Drehzahl ru reichend, liegt. Wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq niedriger ist als die erste Drehzahl rp oder höher ist als die zweite Drehzahl ru, wird die Erhöhungsrate der Drehzahl bei Schritt S30, bei dem eine Erhöhung der HP-Drehzahl Rhp gemäß der normalen Rate Kratt ausgeführt wird, auf eine vorgegebene normale Rate Kratt eingestellt. Wenn jedoch die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq innerhalb des Bereichs von der ersten Drehzahl rp bis zu der zweiten Drehzahl ru liegt, wird bei Schritt S20 bestimmt, ob eine Entscheidung über „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ bestätigt wurde. Dies wird dadurch bestimmt, ob ein Wasserschlaggeräusch-Marker als Folge einer Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ in einem nachstehend beschriebenen Wasserschlaggeräusch-Entscheidungs-Prozess, vor einem Vorgang einer Erhöhungsanforderung der HP-Drehzahl Rhp, gesetzt wurde. Wenn die Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ nicht bestätigt wurde, wird die Erhöhungsrate der Drehzahl bei Schritt S30, bei dem die HP-Drehzahl gemäß der eingestellten normalen Rate Kratt erhöht wird, auf die normale Rate Kratt eingestellt. Wenn die Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ jedoch bestätigt wurde, wird die Erhöhungsrate der Drehzahl bei Schritt S40, bei dem die Erhöhung der HP-Drehzahl gemäß der eingestellten niedrigen Rate Kratd ausgeführt wird, auf eine vorgegebene niedrige Rate Kratd (<Kratt) eingestellt. Das heißt, in einem Fall, in dem eine Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ nicht bestätigt wurde, ist die Erhöhung der HP-Drehzahl beschränkt. Ein Effekt der Beschränkung der Erhöhung der HP-Drehzahl wird nachstehend beschrieben.
Die erste Drehzahl rp ist ein Untergrenze der Drehzahl (auch als „wasserausleitfähige Drehzahl“ bezeichnet) entsprechend einer derartigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das verbleibende Wasser gelöst und ausgeleitet werden kann; die Drehzahl rp wird auch als „wasserausleitfähiger Drehzahlgrenzwert rp“ bezeichnet. Die zweite Drehzahl ru ist eine Drehzahl entsprechend einer Bedingung, dass eine schnelle Erhöhung der Wasserstoffzirkulationsströmungsrate auf Grund einer großen Menge an für die Brennstoffzelle 10 benötigtem erzeugten Strom (Ausgangsstrom) vorzugsweise benötigt ist. Die zweite Drehzahl ru ist eine Drehzahl entsprechend einer „festgelegten Menge oder mehr“ der Zirkulationsströmungsrate in einer beanspruchten Erfindung.
4 ist ein erklärendes Schaubild, das eine Grundtechnik zur Entscheidung über Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Wasserschlaggeräuschs zeigt. Die Entscheidung bezüglich dem Vorhandensein oder dem Nichtvorhandensein des Wasserschlaggeräuschs kann grundsätzlich mittels einer unten beschriebenen Technik getroffen werden.
Zunächst wird eine Wassermenge Vd (nachstehend als „ausleitungsfähige Wassermenge“ bezeichnet) geschätzt, die bei einem Zustand, bei dem die HP-Drehzahl Rhp der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 gleich ist wie oder höher als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, ausgeleitet werden kann (Schritt S50). Anschließend wird eine Menge flüssigen Wassers (nachstehend auch als „verbleibende Wassermenge“ bezeichnet) Vr geschätzt, die bei einem Zustand, bei dem die HP-Drehzahl Rhp geringer ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, weiter verbleibt (Schritt S60). Bei den Schritten S50 und S60 wird angenommen, dass verbleibendes Wasser ausgeleitet wird, wenn die Wasserstoff-Zirkulationsströmungsrate gleich ist wie oder höher als der Grenzwert (eine Zirkulationsströmungsrate bei dem wasserausleitfähigen Drehzahlgrenzwert rp), und dass verbleibendes Wasser nicht ausgeleitet wird, wenn die Wasserstoff-Zirkulationsströmungsrate niedriger ist als der Grenzwert. Danach wird die ausleitfähige Wassermenge Vd basierend auf einem Verlauf (Zeitvariation) der Zirkulationsströmungsrate, die gleich ist wie oder höher als der Grenzwert, berechnet, und die verbleibende Wassermenge Vr wird basierend auf einem Verlauf (Zeitvariation) der Zirkulationsströmungsrate, die geringer ist als der Grenzwert, berechnet. Beispiele sowohl für die ausleitfähige Wassermenge Vd als auch die verbleibende Wassermenge Vr werden nachstehend beschrieben.
Anschließend wird eine Ausgleichsberechnung zwischen der ausleitfähigen Wassermenge Vd und der verbleibenden Wassermenge Vr ausgeführt, und wenn die verbleibende Wassermenge an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 gleich ist wie oder höher als ein vorgegebener Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth, dann wird entschieden, dass „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ (Schritt S70). Nach der Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“, wird bei einem nächsten Vorgang der Erhöhung der HP-Drehzahl Rhp von der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl auf eine wasserausleitfähige Drehzahl, die Einstellung der Erhöhungsrate, wie in 3 beschrieben ist, reaktiv auf die Entscheidung oder Nicht-Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ ausgeführt, und die Drehzahlerhöhung wird mit der eingestellten Erhöhungsrate ausgeführt. Der Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth wird unter Berücksichtigung einer Entscheidungsspanne auf einen beliebigen Wert, der geringer ist als ein Volumen oder eine Kapazität Vp des Sauganschlusses 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, eingestellt. Wie in 2 gezeigt ist, wird bei dieser Ausführungsform angenommen, dass Vth = Vp/2. Der Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth entspricht „einem festgelegten Wert“ der Menge des verbleibenden flüssigen Wasser in einer beanspruchten Erfindung.
Die ausleitfähige Wassermenge Vd kann durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden, und die verbleibende Wassermenge Vr kann durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden: $Vd = kd \cdot td$
$Vr = kr \cdot tr$
Wobei „kd“ eine Konstante ist, die eine Wasserausleitgeschwindigkeit darstellt, die durch eine Zirkulationsströmungsrate entsprechend der HP-Drehzahl Rhp der wasserausleitfähigen Drehzahl und einer Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, geschätzt wird. Die Bezeichnung „td“ ist eine Fortführungszeit (auch als „Ableitungs-Fortführungszeit“ bezeichnet) der Drehzahl Rhp der wasserausleitfähigen Drehzahl. Zudem ist die Bezeichnung „kr“ eine Konstante, die eine Zunahmegeschwindigkeit des verbleibenden Wassers darstellt, die durch eine Zirkulationsströmungsrate entsprechend der HP-Drehzahl Rhp der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl und einer Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 geschätzt wird. Die Bezeichnung „tr“ ist eine Fortführungszeit (auch als „Verbleib-Fortführungszeit“ bezeichnet) der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl. Die Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 wird durch die Temperaturmesseinheit 68 (1) gemessen. Ein Verhältnis zwischen der Wasserausleitgeschwindigkeit kd und den Parametern Rhp, Tr wird erfahrungsgemäß im Voraus eingestellt. Dies gilt ebenso für das Verhältnis zwischen der Drehzahl kr und den Parametern Rhp, Tr.
Wie den oben aufgeführten Gleichungen (1), (2) entnommen werden kann, stehen die Ableitungs-Fortführungszeit td und die ausleitfähige Wassermenge Vd in einem proportionalen Verhältnis, und die Verbleib-Fortführungszeit tr und die verbleibende Wassermenge Vr stehen ebenso in einem proportionalen Verhältnis. Dementsprechend kann die Entscheidung bezüglich des Wasserschlaggeräusches, wie oben beschrieben, anhand des Verhältnisses zwischen der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und der Verbleib-Fortführungszeit tr gemacht werden, anstatt die ausleitfähige Wassermenge Vd und die verbleibende Wassermenge Vr zu schätzen.
5 ist ein erklärendes Schaubild, das die Entscheidung bezüglich des Wasserschlaggeräusches basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und einer Verbleib-Fortführungszeit tr zeigt. Eine Kurve, angezeigt mit einer durchgezogenen Linie in 5, zeigt ein Verhältnis zwischen der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und der Verbleib-Fortführungszeit tr, während derer sich, bei einer Umgebungstemperatur Tr = Ta der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 (auch als „HP-Umgebungstemperatur“ bezeichnet), Wasser bis zu dem Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 sammelt. Wenn das Verhältnis zwischen der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und der Verbleib-Fortführungszeit tr innerhalb einem Bereich unterhalb der durchgezogenen Linie liegt (ein schraffierter Bereich), wird geschätzt, dass das verbleibende Wasser an dem Sauganschluss 641 den Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth noch nicht erreicht hat. Innerhalb dieses Bereichs ist die Möglichkeit eines Wasserschlags gering, und es ist möglich festzustellen, dass das „Wasserschlaggeräusch nicht vorhanden ist“. Im Gegensatz dazu, wird bei einem Verhältnis unterhalb der durchgezogenen Linie geschätzt, dass das verbleibende Wasser an dem Sauganschluss 641 gleich ist wie oder höher als der Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth, hinweisend auf eine hohe Möglichkeit eines Wasserschlags, wodurch es möglich ist, festzustellen, dass das „Wasserschlaggeräusch vorhanden ist“.
Daher ist es, wenn die Werte der in 5 gezeigten durchgezogenen Linie im Voraus als Kennfelder (auch als „Entscheidungs-Grenzwert-Kennfelder“ bezeichnet) mit Bezug auf die einzelnen Umgebungstemperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 erstellt werden, möglich, eine Entscheidung bezüglich des Wasserschlaggeräusches durch Erhalt einer Verbleib-Fortführungszeit tr entsprechend einer relevanten Wasserausleitungs-Fortführungszeit td als Entscheidungs-Grenzwert von einem Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeld entsprechend einer relevanten Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 zu treffen, und anschließend eine tatsächliche Verbleib-Fortführungszeit mit dem Entscheidungs-Grenzwert zu vergleichen.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein konkretes Beispiel des Wasserschlaggeräusch-Entscheidungs-Prozesses unter Verwendung des Kennfelds von 5 zeigt. Dieser Wasserschlaggeräusch-Entscheidungs-Prozess wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 fortlaufend von dem Controller 20 ausgeführt. Bei dem Start dieses Wasserschlaggeräusch-Entscheidungs-Prozesses wird zunächst bestimmt, ob eine Veränderung der angeforderten HP-Drehzahl Rhprq der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 vorliegt (Schritt S110, S120).
Wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl, die niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, darstellt, geht der Bearbeitungsablauf zu Schritt S130 über, und die Schritte S130 bis S170 werden wiederholt ausgeführt, bis bei Schritt S130 bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasserausleitfähige Drehzahl verändert ist, die gleich ist wie oder höher als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp. Die Inhalte dieses Prozesses werden nachstehend beschrieben.
Wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq jedoch eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl darstellt, die gleich ist wie oder größer als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, dann wird in dem Bearbeitungsablauf unterdessen zu Schritt S180 übergegangen. Nach Ausführen des Schritts S180 werden die Schritte S190 bis S220 wiederholt ausgeführt, bis bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasserausleitfähige Drehzahl verändert ist, die niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp. Die Inhalte dieses Prozesses werden ebenso nachstehend beschrieben.
Wenn bei Schritt S130 bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasserausleitfähige Drehzahl verändert ist, die nicht niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, dann wird in dem Bearbeitungsablauf zur Bearbeitung der Schritte S180 bis S220 übergegangen. Wenn bei Schritt S190 jedoch bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasser-nichtausleitfähige Drehzahl verändert ist, die niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp, dann wird bei dem Bearbeitungsablauf zur Bearbeitung der Schritte S130 bis S170 übergegangen.
Zunächst ist nachstehend ein Bearbeitungsablauf (Schritte S130 bis S170) beschrieben, der in dem Fall ausgeführt wird, in dem die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl darstellt, die niedriger ist als die wasserausleitfähige Drehzahluntergrenze rp.
Wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl darstellt, die niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp (Schritt S120 oder S190), dann wird bei Schritt S140 eine Fortführungszeit trc der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl erfasst, und diese Fortführungszeit trc wird bei Schritt S150 als eine Verbleib-Fortführungszeit tr eingestellt. Anschließend wird bei Schritt S160 bestimmt, ob die Verbleib-Fortführungszeit tr gleich ist wie oder größer als ein Entscheidungs-Grenzwert Sth. Zu einem Zeitpunkt, zu dem die Verbleib-Fortführungszeit tr den Entscheidungs-Grenzwert Sth erreicht oder überschritten hat, wird bei Schritt S170 bestimmt, dass das „Wasserschlaggeräusch vorhanden ist“ wenn ein Wasserschlaggeräusch-Entscheidungs-Marker gesetzt ist. Anschließend werden die Schritte S140 bis S170 wiederholt, bis bei Schritt S130 bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasserausleitfähige Drehzahl verändert ist, die gleich ist wie oder höher als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp.
Der Entscheidungs-Grenzwert Sth ist eine Verbleib-Fortführungszeit tr, die bei dem Kennfeld in 5 mit der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td bei der HP-Drehzahl Rhp der wasserausleitfähigen Drehzahl in Zusammenhang steht, die ausgeführt wurde bevor die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq zu einer wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl geworden ist; der Entscheidungs-Grenzwert Sth wird, wie nachstehend beschrieben wird, bei Schritt S220 erfasst. Dieser Entscheidungs-Grenzwert Sth wird zunächst auf einen voreingestellten beliebigen Ausgangswert eingestellt.
Als nächstes wird ein Bearbeitungsablauf (Schritte S180 bis S220) beschrieben, der ausgeführt wird, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasserausleitfähige Drehzahl darstellt, die gleich ist wie oder höher als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp.
Wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq eine Anforderung für eine Veränderung auf eine wasserausleitfähige Drehzahl darstellt, die gleich ist wie oder höher als der wasserausleitfähige Drehzahlgrenzwert rp (Schritt S110 oder Schritt S130), wird bei Schritt S180 ein erfasster Ausgangswert ts für die Wasserausleitungs-Fortführungszeit td eingestellt. Der Ausgangswert ts ist eine Wasserausleitungs-Fortführungszeit td, die mit einer Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) in Zusammenhang steht, die durch eine Differenz zwischen der Verbleib-Fortführungszeit tr und dem Entscheidungs-Grenzwert Sth bei der HP-Drehzahl Rhp der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl, die ausgeführt wurde, bevor die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq zu einer wasserausleitfähigen Drehzahl geworden ist, festgestellt wird. Die Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) ist eine Zeitdauer entsprechend einer Menge flüssigen Wassers (Verbleib-Wassermengen-Spanne), die sich zulässigerweise ansammelt, um den Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth zu erreichen, zusätzlich zu dem flüssigen Wasser (verbleibendes Wasser), das während der Verbleib-Wasser-Fortführungszeit tr verbleibt. Der Ausgangswert ts wird durch Erhalten einer Verbleib-Fortführungszeit tr, die mit der Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) in Zusammenhang steht, unter Verwendung eines Ausgangs-Kennfelds, entsprechend einer Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, die von der Temperaturmesseinheit 68 durch vorläufig erstellte Kennfelder (auch als „Ausgangs-Kennfelder“ bezeichnet) für einzelne Umgebungstemperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 gemessen wird, eingestellt
7 ist ein erklärendes Schaubild, das ein Beispiel der Ausgangswert-Kennfelder zeigt. Die Ausgangswert-Kennfelder, die ein Verhältnis zwischen der Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) und der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td zeigen, werden für einzelne Umgebungstemperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 erstellt. In 7 sind zwei Werte der Umgebungstemperatur Tr, Tr = Ta und Tr = Tb (>Ta), als Beispiele gezeigt. In einem Fall einer Umgebungstemperatur Tr, für die kein Kennfeld erstellt wird, kann gemäß vorgegebenen Regeln ein erstelltes Kennfeld für obere oder untere Umgebungstemperaturen Tr entsprechend verwendet werden. Beispielsweise kann ein Untere-Temperatur-Kennfeld für Temperaturen, die nicht unter dem Gefrierpunkt liegen verwendet werden, und ein Obere-Temperatur-Kennfeld für Temperaturen, die unterhalb des Gefrierpunkts liegen.
Bei Schritt S200 in 6 wird eine Fortführungszeit tdc der HP-Drehzahl, die eine wasserausleitfähige Drehzahl ist, erfasst. Bei Schritt S210 wird eine Zeitdauer, die durch Addieren der HP-Drehzahl-Fortführungszeit tdc mit dem Ausgangswert ts erhalten wird, als eine Wasserausleitungs-Fortführungszeit td eingestellt. Bei Schritt S220 wird der Entscheidungs-Grenzwert Sth, entsprechend der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td aktualisiert. Anschließend werden die Schritte S200 bis S220 wiederholt, bis bei Schritt S190 bestimmt wird, dass die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl verändert ist, die niedriger ist als der wasserausleitfähige Drehzahl-Grenzwert rp. Dementsprechend ist der Entscheidungs-Grenzwert Sth, der bei Schritt S160 verwendet werden soll, ein Wert, der aktualisiert wurde unmittelbar bevor die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl verändert wird.
Der Entscheidungs-Grenzwert Sth ist eine Verbleib-Fortführungszeit tr, die mit der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td in dem oben beschriebenen Kennfeld in 5 in Zusammenhang steht. Der Entscheidungs-Grenzwert Sth wird durch Erhalt einer Verbleib-Fortführungszeit tr, die mit der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td in Zusammenhang steht, aktualisiert, während ein Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeld entsprechend der Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 verwendet wird, die von der Temperaturmesseinheit 68 von den vorläufig erstellten Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeldern für die einzelnen Temperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 gemessen wird.
8 ist ein erklärendes Schaubild, das ein Beispiel der Entscheidungsgrenzwert-Kennfelder zeigt. Diese Entscheidungs-Grenzwert-Kennfelder, die ein Verhältnis zwischen der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und der Verbleib-Fortführungszeit tr zeigt, werden für einzelne Umgebungstemperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 erstellt. In 8 sind als Beispiele drei Werte Tr= Ta, Tr = Tb (>Ta), und Tr= Tc (<Ta) gezeigt. In einem Fall einer Umgebungstemperatur Tr, für die kein Kennfeld erstellt wird, kann gemäß vorgegebenen Regeln ein erstelltes Kennfeld für obere oder untere Umgebungstemperaturen Tr entsprechend verwendet werden. Beispielsweise kann ein Untere-Temperatur-Kennfeld für Temperaturen, die nicht unter dem Gefrierpunkt liegen, verwendet werden, und ein Obere-Temperatur-Kennfeld für Temperaturen, die unterhalb des Gefrierpunkts liegen.
Die Ausgangswert-Kennfelder in 7 und die Entscheidungs-Grenzwert-Kennfelder in 8 können im Voraus durch Ausführen tatsächlicher Messungen festgestellt werden. Ferner können die Ausgangswert-Kennfelder in 7 auch von den Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeldern in 8 abgeleitet werden.
9 ist ein Zeitdiagramm, das ein konkretes Beispiel der Wasserschlaggeräusch-Entscheidung und der Erhöhungsraten-Einstellung zeigt. 9(a) zeigt die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq für die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, 9(b) zeigt die HP-Drehzahl Rhp der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, und 9(c) zeigt restliches Wasser (auch als „Restwasser in HP“ bezeichnet) in dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, das als Reaktion auf die HP-Drehzahl Rhp variiert. 9(a) zeigt einen Fall, in dem die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq ab dem Startzeitpunkt bei Zeit t0 abwechselnd den wasserausleitfähige Drehzahl-Grenzwert rp (1800 U/min bei diesem Beispiel) als eine wasserausleitfähige Drehzahl annimmt und 600 U/min als eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl. Zudem zeigt 9(c) ein Beispiel, bei dem flüssiges Wasser, das sich auf einen Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth (1/2 der vollen Wasserkapazität) beläuft, sich als das Restwasser in der HP bei dem Startzeitpunkt der Zeit t0 ansammelt.
Wie in 9(a) gezeigt ist, wird, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq bei Zeit t0 von 600 U/min (wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl) auf 1800 U/min (wasserausleitfähige Drehzahl) verändert wird, eine Erhöhungsrate (siehe 3) eingestellt und ein Ausgangswert ts wird für die Wasserausleitungs-Fortführungszeit td entsprechen einer Toleranzmenge des Restwassers in der HP eingestellt (siehe Schritt S180 in 6). Anschließend wird, wie in 9(b) gezeigt ist, die HP-Drehzahl Rhp mit der eingestellten Erhöhungsrate erhöht. In diesem Fall wird als ein Ausgangszustand angenommen, dass die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung nicht getroffen wird, und kein Wasserschlaggeräusch-Marker gesetzt wird, so dass die Erhöhungsrate auf die normale Rate Kratt (6000 U/min/1sec bei diesem Beispiel) eingestellt worden ist. Zudem wird, da das Restwasser in der HP bei Zeit t0 wie oben beschrieben gleich ist wie der Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth, angenommen, dass die Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) 0 ist und der Ausgangswert ts auf 0 eingestellt ist.
Anschließend wird, wie in 9(b) gezeigt ist, während der Fortführungszeit tdc von 60sec, von der Zeit t0 zu der Zeit t1, die HP-Drehzahl Rhprq auf der wasserausleitfähigen Drehzahl von 1800 U/min gehalten, und das verbleibende Wasser wird, wie in 9(c) gezeigt ist, mit einer Wasserausleitmenge entsprechend der Fortführungszeit tdc (60sec) ausgeleitet, wodurch das Restwasser in der HP verringert wird. Es ist gezeigt, dass das Restwasser in der HP während der Zeitdauer von Zeit t0 bis Zeit t1 von dem Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth auf 0 fällt.
Ferner wird, wie in 9(a) gezeigt ist, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq bei Zeit t1 von 1800 U/min auf 600 U/min verändert wird, eine Verbleib-Fortführungszeit tr entsprechend der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td (=Fortführungszeit tdc + Ausgangswert ts) als ein Entscheidungs-Grenzwert Sth eingestellt (siehe Schritte S190 bis S220 in 6). Die Senkrate zur Senkung der HP-Drehzahl ist nicht speziell beschränkt. Es kann eine Senkrate ähnlich der normalen Rate Kratt der Erhöhungsrate, z.B. -6000 U/min/1sec, eingestellt werden.
Anschließend wird, wie in 9(b) gezeigt ist, die HP-Drehzahl Rhp während einer Fortführungszeit trc von 70 sec von Zeit t1 bis Zeit t2 auf einer wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl von 600 U/min gehalten. Bezüglich des Restwassers in der HP, sammelt sich das verbleibende Wasser, wie in 9(c) gezeigt ist, mit einer Menge entsprechend der Fortführungszeit trc, was eine Zunahme des Restwassers in der HP verursacht.
Während des Ansammelns des verbleibenden Wassers wird eine Verbleib-Fortführungszeit tr entsprechend einer verbleibenden Wassermenge (entsprechend der Fortführungszeit trc) mit einem Entscheidungs-Grenzwert Sth entsprechend dem Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth verglichen. Während die Verbleib-Fortführungszeit tr (=trc) geringer ist als der Entscheidungs-Grenzwert Sth, wird bestimmt, dass das „Wasserschlaggeräusch nicht vorhanden ist“. Wenn und nachdem die Verbleib-Fortführungszeit tr den gleichen Wert oder einen höheren annimmt als der Entscheidungs-Grenzwert Sth, wird bestimmt, dass das „Wasserschlaggeräusch vorhanden ist“. Bei diesem Beispiel erreicht das Restwasser in der HP während der Zeitdauer von Zeit t1 bis Zeit t2 den Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth mit einer übrigen Spanne nicht, und zeigt den Zustand, bei dem bestimmt wird „Wasserschlaggeräusch nicht vorhanden“.
Dementsprechend wird, wie in 9(a) gezeigt ist, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq bei der Zeit t2 von einer wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl von 600 U/min auf eine wasserausleitfähige Drehzahl von 1800 U/min verändert wird, die Erhöhungsrate der HP-Drehzahl auf die normale Rate Kratt eingestellt (siehe 3) und die HP-Drehzahl wird mit der eingestellten normalen Rate Kratt erhöht. Zudem wird, wie in dem Fall der Zeit t0, ein Ausgangswert ts der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td eingestellt (siehe Schritt S180 in 6). In diesem Fall gibt es, da die Verbleib-Fortführungszeit tr geringer ist als Entscheidungs-Grenzwert Sth, eine Verbleib-Wasser-Spanne (auch als „Restwasser-Spanne“ bezeichnet) entsprechend der Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr), so dass ein positiver Ausgangswert ts entsprechend der Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) eingestellt wird (siehe 7).
Anschließend wird, wie in 9(b) gezeigt ist, während einer Zeitdauer von 40 sec von Zeit t2 bis zu der Zeit t3, wie in dem Fall der Zeitdauer von der Zeit t0 bis zu der Zeit t1, die HP-Drehzahl Rhp auf einer wasserausleitfähigen Drehzahl von 1800 U/min gehalten. Bezüglich des Restwasser in der HP wird, wie in 9(c) gezeigt ist, das verbleibende Wasser mit einer Ausleitmenge entsprechend der Fortführungszeit tdc ausgeleitet, wodurch das Restwasser in der HP abnimmt. In diesem Fall fällt das Restwasser in der HP hinsichtlich der Toleranzmenge früher auf 0 ab, da es bei der Zeit t2 eine übrige Restwasser-Spanne gibt, was einen Zustand anzeigt, bei dem das Restwasser in der HP vor der Zeit t3 auf 0 abgefallen ist.
Ferner wird, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq bei der Zeit t3 von einer wasserausleitfähigen Drehzahl von 1800 U/min auf eine wasser-nicht-ausleitfähige Drehzahl von 600 U/min verändert ist, wie in 9(a) gezeigt ist, eine Verbleib-Fortführungszeit tr entsprechend der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td (=Fortführungszeit tdc + Ausgangswert ts) als ein Entscheidungs-Grenzwert Sth, wie in dem Fall von Zeit t1, eingestellt (siehe Schritte S190 bis S220 in 6).
Anschließend wird, wie in 9(b) gezeigt ist, während einer Zeitdauer von 110 sec von der Zeit t3 bis zu der Zeit t5, wie in dem Fall der Zeitdauer von der Zeit t1 bis zu der Zeit t2, die HP-Drehzahl Rhp auf einer wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl von 600 U/min gehalten. Bezüglich des Restwassers in der HP, sammelt sich, wie in 9(c) gezeigt ist, das verbleibende Wasser mit einer Menge entsprechend der Fortführungszeit trc, wodurch das Restwasser in der HP zunimmt.
Während des Ansammelns des verbleibenden Wassers wird eine Verbleib-Fortführungszeit tr (Fortführungszeit trc) mit dem Entscheidungs-Grenzwert Sth verglichen, wodurch eine Wasserschlaggeräusch-Entscheidung getroffen wird. In diesem Fall wird ein Zustand angezeigt, bei dem, wenn eine Fortführungszeit von 96 sec von der Zeit t3 bis zu der Zeit t4 vergangen ist, das Restwasser in der HP den Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth erreicht, und eine Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ wird während der Zeitdauer von der Zeit t4 bis zu der Zeit t5 getroffen.
Nachfolgend wird, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq bei der Zeit t5, wie in 9(a) gezeigt ist, von einer wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl von 600 U/min auf eine wasserausleitfähige Drehzahl von 1800 U/min verändert wird, die Erhöhungsrate auf die niedrige Rate Kratd eingestellt, da eine Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ bei der Zeit t4 getroffen wurde (siehe 3). Die HP-Drehzahl Rhp erhöht sich, wie in 9(b) gezeigt ist, langsam mit der eingestellten niedrigen Rate Kratd, und erreicht bei der Zeit t6 ein Soll von 1800 U/min. Das heißt, die Erhöhung der HP-Drehzahl Rhp ist beschränkt. Zudem wird, wie in dem Fall der Zeit t0 und der Zeit t2 der Ausgangswert ts für die Wasserausleitungs-Fortführungszeit td eingestellt (siehe Schritt S180 in 6). In diesem Fall wird, da die Verbleib-Wasser-Fortführungszeit tr (=trc), wie in 9(b) gezeigt ist, größer ist als der Entscheidungs-Grenzwert Sth, die Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) zu einem negativen Wert, so dass das Restwasser in der HP den Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth überschreitet. Daher wird ein negativer Ausgangswert ts entsprechend der negativen Verbleib-Wasser-Zeitspanne (Sth - tr) eingestellt (siehe 7). Anschließend wird nach der Änderung auf die wasserausleitfähige Drehzahl von 1800 U/min das verbleibende Wasser mit einer Menge entsprechend seiner Fortführungszeit ausgeleitet, wodurch das Restwasser in der HP abnimmt.
Wie oben beschrieben ist, wird die HP-Drehzahl, wenn die angeforderte HP-Drehzahl Rhprq von der wasser-nicht-ausleitfähigen Drehzahl bei der Zeit t5 von 600 U/min auf die wasserausleitfähige Drehzahl von 1800 U/min erhöht wird, wenn eine Entscheidung „Wasserschlaggeräusch vorhanden“ im Voraus getroffen wurde, langsam mit einer Erhöhungsrate, die auf die niedrige Rate Kratd beschränkt ist, erhöht. Dies erhöht die HP-Drehzahl Rhp während das Wasserschlaggen in der HP unterdrückt wird, um dadurch das Ausleiten des verbleibenden Wassers zu starten. Darüber hinaus wird, da die HP-Drehzahl langsam mit der beschränkten niedrigen Rate Kratd erhöht wird, die Entwicklung abnormaler Geräusche unterdrückt, auch wenn das Wasserschlagen auftritt.
Modifikationen:
Modifikation 1
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle des so genannten Gegenstrom-Typs als die Brennstoffzelle 10 angenommen. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es können ebenso Brennstoffzellen des so genannten Gleichstrom-Typs oder des so genannten Kreuzstrom-Typs verwendet werden.
Modifikation 2
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde mit einer Konfiguration beschrieben, bei der der Controller 20 Softwareprogramme entsprechend verschiedenen Steuerverfahren mit einem Mikrocomputer ausführt, wodurch er Funktionen als der allgemeine Controller erfüllt, ein Kathodengas-Controller zur Steuerung des Kathodengas-Zufuhrsystems 30 und des Kathodengas-Ausleitungssystems 40, ein Anodengas-Controller zur Steuerung des Anodengas-Zufuhrsystems 50 und des Anodengas-Kreislaufes 60, und ein Kühlmittel-Controller zur Steuerung des Kühlmittel-Kreislaufs 70. Alternativ kann der Controller 20 durch genaues Verarbeiten des Schaltung mit einer Hardware-Konfiguration auch die Funktionen verschiedener Controller, wie jeweils als der Kathoden-Controller, der Anoden-Controller, der Kühlmittel-Controller.
Modifikation 3
Bei dem konkreten Beispiel der Wasserschlaggeräusch-Entscheidung in der obenstehend beschriebenen Ausführungsform, wie sie in 5 und 6 gezeigt ist, wird die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung durch Schätzen, ob die verbleibende Wassermenge an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 sich bis zu dem Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth (festgelegtes Niveau) angesammelt hat, basierend auf der Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und der Verbleib-Fortführungszeit tr entsprechend der ausleitfähigen Wassermenge Vd und der verbleibenden Wassermenge Vr, getroffen. Alternativ kann die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung auch durch Schätzen, ob die verbleibende Wassermenge an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 sich bis zu dem Verbleib-Wasser-Grenzwert Vth (festgelegtes Niveau) angesammelt hat, durch die ausleitfähige Wassermenge Vd und die verbleibende Wassermenge Vr, getroffen werden. Das heißt, die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform oder die Modifikationsbeispiele beschränkt, und eine konkrete Einrichtung hierfür ist nicht einschränkend, wenn sie in der Lage ist die in 4 gezeigte Grundtechnik für die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung zu erfüllen.
In einem Fall, in dem die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung nicht durch die Wasserausleitungs-Fortführungszeit td und die Verbleib-Fortführungszeit tr getroffen wird, sondern durch die ausleitfähige Wassermenge Vd und die verbleibende Wassermenge Vr, kann die Wasserschlaggeräusch-Entscheidung in 6 beispielsweise mit den unten beschriebenen Ergänzungen und Veränderungen ausgeführt werden.
Ein Prozess einer Festlegung einer verbleibenden Wassermenge Vr, basierend auf der Gleichung (2) wird zwischen Schritt S150 und Schritt S160 in 6 hinzugefügt, und Schritt S160 wird derart verändert, dass eine festgelegte verbleibende Wassermenge Vr mit dem Entscheidungs-Grenzwert Sth verglichen wird. Außerdem wird Schritt S180 zu einem Prozess geändert, bei dem ein Ausgangswert Vs der ausleitfähigen Wassermenge Vd eingestellt wird. Ferner wird zwischen Schritt S200 und Schritt S210 ein Prozess der Bestimmung einer ausleitfähigen Wassermenge Vdc basierend auf der Gleichung (1) hinzugefügt, und Schritt S210 wird auf Vd = Vs+ Vdc verändert.
Der Ausgangswert Vs bei Schritt S180 kann durch Bestimmen einer ausleitfähigen Wassermenge Vd entsprechend der Verbleib-Wassermengen-Spanne (Sth - Vr) durch Ausgangswert-Kennfelder eingestellt werden, die Verhältnisse zwischen der Verbleib-Wassermengen-Spanne (Sth - Vr) und der ausleitfähigen Wassermenge Vd zeigen, und die im Voraus für einzelne Umgebungstemperaturen Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 erstellt werden. Der Entscheidungs-Grenzwert Sth bei Schritt S220 wird im Voraus für jede Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 erstellt. Der Entscheidungs-Grenzwert Sth kann entsprechend aktualisiert werden durch Bestimmen einer verbleibenden Wassermenge Vr entsprechend einer ausleitfähigen Wassermenge Vd von einem Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeld, das ein Verhältnis zwischen der ausleitfähigen Wassermenge Vd und der verbleibenden Wassermenge Vr zeigt, zu dem flüssiges Wasser (verbleibendes Wasser) des Verbleib-Wasser-Grenzwerts Vth sich an dem Sauganschluss 641 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 ansammelt.
Modifikation 4
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Erhöhungsrate der Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 auf eine niedrige Rate eingestellt. Alternativ kann die Drehzahl auch schrittweise mit beschränkten Drehzahlen einer Mehrzahl von Phasen erhöht werden. Das heißt, die Erhöhungsrate der Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 kann beschränkt werden.
Modifikation 5
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde beschrieben, dass das Ausgangswert-Kennfeld und das Entscheidungs-Grenzwert-Kennfeld basierend auf einer Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, die von der Temperaturmesseinheit 68 gemessen wird, ausgesucht wird. Alternativ kann, wenn eine Außenluft gemessen wird, die gemessene Außenluft anstelle der Umgebungstemperatur Tr der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 verwendet werden. Temperaturen, die zur Auswahl des Kennfelds verwendet werden müssen nur Temperaturen sein, die als diejenigen der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 behandelt werden können.
Modifikation 6
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde mit einem Beispiel beschrieben, bei dem die Erhöhungsrate der Drehzahl der verwendeten Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 beschränkt ist. Da jedoch die Drehzahl der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 der Zirkulationsströmungsrate der Anodengas-Kreislaufs 60 entspricht, ist die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 nicht einschränkend und kann durch beliebige Zirkulationsvorrichtungen ersetzt werden, die die Zirkulationsströmungsrate des Anodengas-Kreislaufs 60 anpassen können. In einem solchen Fall kann die Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung eingeschränkt sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform und die Modifikationen beschränkt und kann nach verschiedenen modifizierten Konfigurationen erfüllt werden, sofern dieser Modifikationen nicht von dem Hauptinhalt der Erfindung abweichen. Es können beispielsweise technische Merkmale in der Ausführungsform und den Modifikationen, die den technischen Merkmalen in den einzelnen, in dem Teil „Kurzfassung“ beschriebenen Aspekten entsprechen, wie geeignet durcheinander ersetzt oder miteinander kombiniert werden, um die oben beschriebenen Probleme teilweise oder vollständig zu lösen oder um die oben beschriebenen vorteilhaften Effekte teilweise oder vollständig zu erreichen. Des Weiteren können diese technischen Merkmale wie geeignet weggelassen werden, sofern sie hierin nicht als wesentlich beschrieben wurden.

Claims

Brennstoffzellensystem (100) aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); einen Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) zur Zufuhr eines Anodengases zu der Brennstoffzelle (10); einen Anodengas-Ausleitungsdurchlauf (61) zum Ausleiten eines Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (10); einen Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) zur Verbindung des Anodengas-Zufuhrdurchlaufs (51) und des Anodengas-Ausleitungsdurchlaufs (61); eine Zirkulationsvorrichtung (64), die an dem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) vorgesehen ist und zur Zufuhr des Anodenabgases zu dem Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) dient; und einen Controller (20), der, wenn sich flüssiges Wasser in der Zirkulationsvorrichtung (64) befindet, eine Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) steuert mit der das flüssige Wasser, das sich in der Zirkulationsvorrichtung (64) befindet, ausgeleitet wird, wobei der Controller (20), wenn bestimmt wird, dass eine in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibende Menge an flüssigem Wasser gleich ist wie oder größer ist als ein festgelegter Wert, eine Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) begrenzt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Controller (20) ermittelt, ob das in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibende flüssige Wasser gleich ist wie oder größer ist als der festgelegte Wert, indem er eine Menge an in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibendem flüssigen Wasser anhand eines Verhältnisses zwischen einer wasserausleitfähigen Menge (Vd) bei einer wasserausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung (64) ausgeleitet werden kann, und einer Menge (Vr) an in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibendem flüssigen Wasser bei einer wasser-nicht-ausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser nicht aus der Zirkulationsvorrichtung (64) ausgeleitet werden kann, schätzt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenn der Controller (20) die Zirkulationsströmungsrate auf einen festgelegten Wert oder darüber erhöht, um flüssiges Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung (64) auszuleiten, der Controller (20) die Begrenzung der Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) aufhebt.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zirkulationsvorrichtung (64) eine Zirkulationspumpe ist, und der Controller (20) die Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate begrenzt, indem er eine Erhöhungsrate einer Drehzahl der Zirkulationspumpe entsprechend der Zirkulationsströmungsrate begrenzt.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystem (100), eine Brennstoffzelle (10) aufweisend, einen Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) zur Zufuhr von Anodengas zu der Brennstoffzelle (10), einen Anodengas-Ausleitungsdurchlauf (61) zum Ausleiten von Anodenabgas aus der Brennstoffzelle (10), einen Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) zur Verbindung des Anodengas-Zufuhrdurchlaufs (51) und des Anodengas-Ausleitungsdurchlaufs (61), eine Zirkulationsvorrichtung (64), die an dem Anodengas-Zirkulationsdurchlauf (63) vorgesehen ist und zum Zuführen des Anodenabgases zu dem Anodengas-Zufuhrdurchlauf (51) dient, das Verfahren aufweisend: wenn sich flüssiges Wasser in der Zirkulationsvorrichtung (64) befindet, steuern einer Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64) mit der das flüssige Wasser, das in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibt, ausgeleitet wird, begrenzen einer Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate der Zirkulationsvorrichtung (64), wenn bestimmt wird, dass eine in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibende Menge an flüssigem Wasser gleich ist wie oder größer ist als ein festgelegter Wert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bestimmung, ob das in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibende flüssige Wasser gleich ist wie oder größer als der festgelegte Wert durch Schätzen einer Menge eines in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibenden Wassers, anhand eines Verhältnisses zwischen einer wasserausleitfähigen Menge (Vd) bei einer wasserausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung (64) ausgeleitet werden kann, und einer Menge (Vr) an in der Zirkulationsvorrichtung (64) verbleibendem flüssigen Wasser bei einer wasser-nicht-ausleitfähigen Zirkulationsströmungsrate, bei der das flüssige Wasser nicht aus der Zirkulationsvorrichtung (64) ausgeleitet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei beim Erhöhen der Zirkulationsströmungsrate auf eine festgelegte Menge oder darüber, um flüssiges Wasser aus der Zirkulationsvorrichtung (64) auszuleiten, die Beschränkung der Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate durch die Zirkulationsvorrichtung (64) aufgehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Zirkulationsvorrichtung (64) eine Zirkulationspumpe ist, und die Beschränkung einer Erhöhungsrate der Zirkulationsströmungsrate durch das Beschränken einer Erhöhungsrate der Drehzahl der Zirkulationspumpe entsprechend der Zirkulationsströmungsrate ausgeführt wird.