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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel, die in der Lage sind, eine Luftzufuhr bis zu einem erforderlichen Volumenstrom schnell zu verringern, wenn es erforderlich ist, einen Volumenstrom der an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft für eine plötzliche Verringerung der Fahrzeugleistung usw. in einem druckbeaufschlagten Betriebszustand unvermittelt zu verringern.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das bei Brennstoffzellenfahrzeugen eine Anwendung findet, wird in einen Umgebungsdruck-Typ und einen Typ mit variablem Druck klassifiziert. In jedem der Betriebsverfahren stellt ein Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels einen Faktor dar, der die Gesamtleistung des Brennstoffzellenfahrzeugs beeinflusst. Unter den Brennstoffzellensystemen verwendet das Umgebungsdruck-Brennstoffzellensystem ein Luftgebläse, das keine erhebliche Menge an Energie benötigt, um Umgebungsdruck-Luft an eine Kathode der Brennstoffzelle zuzuführen. Berücksichtigt man, dass Leistung von Peripheriegeräten zum Zuführen von Luft von dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, kann das Umgebungsdruck-Brennstoffzellensystem möglicherweise den Energieverbrauch der Peripheriegeräte verringern. Andererseits, wenn man berücksichtigt, dass die Effizienz der Brennstoffzelle zunimmt, wenn sich der Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels erhöht, kann der niedrige Druck des Brennstoffzellensystems möglicherweise die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels verringern.
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Demzufolge ist das Brennstoffzellensystem mit variablen Druck entwickelt worden, das bei einem im Wesentlichen niedrigen Druck arbeitet, um eine parasitäre Leistung in einem Niedrigleistungsabschnitt zu minimieren, um die Effizienz des Brennstoffzellensystems zu verbessern, und bei einem im Wesentlichen hohen Druck in einem Hochleistungsabschnitt arbeitet, um die Leistung des Brennstoffzellensystems zu verbessern. Das Brennstoffzellensystem mit variablem Druck verwendet einen Luftkompressor, um Luft mit einem höheren Druck als der Umgebungsdruck an die Kathode zuzuführen, und weist ein separates Gegendruck-Regelventil auf, das innerhalb einer (Rohr-)Leitung für durch den Brennstoffzellenstapel strömendes Gas angebracht ist, um einen Druck des an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases einzustellen.
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In Erwiderung auf ein Bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels trocken ist, oder wenn eine hohe Leistung erforderlich ist, wie beispielsweise hohe Temperatur, hohe Leistung und eine hohe Last, ist es erforderlich, dass das Brennstoffzellensystem mit variablem Druck in einem Zustand mit hohem Luftdruck betrieben wird. Wenn die Fahrzeugleistung unter dem Betriebszustand plötzlich verringert wird, ist eine Fahrzeugsteuerung eingerichtet, um unvermittelt eine Drehzahl des Luftkompressors zu vermindern, um den Volumenstrom der Luft auf einen Schlag zu verringern, wodurch verhindert wird, dass der Brennstoffzellenstapel aufgrund der übermäßigen Luftzufuhr ausgetrocknet wird.
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Wenn der Druck, der durch die zuvor an die Brennstoffzelle während des obigen Prozesses zugeführte Luft gebildet wird, nicht verringert wird (z. B. beibehalten wird oder erhöht wird), kann der Luftkompressor in einem Anstiegsbereich/Zunahmebereich betrieben werden, während der Volumenstrom des Luftkompressors plötzlich verringert wird. Wenn der Luftkompressor in dem Anstiegsbereich betrieben wird, erscheinen der Druck und der Volumenstrom innerhalb einer Kathodenleitung instabil. Ferner, wenn der Luftkompressor wiederholt in dem Anstiegsbereich betrieben wird, hat die Instabilität des Drucks und des Volumenstroms einen nachteiligen Effekt auf die langfristige Haltbarkeit des Luftkompressors und des Brennstoffzellenstapels und somit kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels instabil sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Luftzufuhr bis zu einem erforderlichen Volumenstrom schnell zu verringern, wenn es erforderlich ist, einen Volumenstrom der an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft für eine plötzliche Verringerung der Fahrzeugleistung usw. in einem druckbeaufschlagten Betriebszustand unvermittelt zu verringern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel umfassen: einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft zu komprimieren und um die Luft an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels zuzuführen; ein Gegendruck-Regelventil, das eingerichtet ist, um in einer Leitung angebracht zu werden, an welche Luft, die einer Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel ausgesetzt wird, abgegeben wird; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um das Gegendruck-Regelventil und den Luftkompressor auf der Grundlage eines derzeitigen Luftzufuhrdrucks und einer erforderlichen Luftreduziermenge des Luftkompressors zu betreiben, wenn es erforderlich ist, die in den Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft zu verringern.
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Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um das Gegendruck-Regelventil zu öffnen und die Drehzahl des Luftkompressor zu verringern, wenn eine Differenz zwischen einem derzeitigen Luftzufuhrdruck des Luftkompressors und einem voreingestellten Anstiegsreferenzdruck kleiner als ein voreingestellter Schwellenwert ist. Die Steuerung kann ferner eingerichtet sein, um das Gegendruck-Regelventil zu öffnen und um die Drehzahl des Luftkompressors zu verringern, wenn die erforderliche Luftreduziermenge größer als der voreingestellte Schwellenwert ist. Das Gegendruck-Regelventil kann auf einen maximalen Öffnungswert geöffnet werden und der Luftkompressor kann durch regeneratives Bremsen verlangsamt/gebremst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern/Regeln einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel umfassen: Überwachen einer Erfassung eines derzeitigen Luftzufuhrdrucks eines Luftkompressors, der an eine Kathode durch Komprimieren von Luft zugeführt wird; Empfangen einer erforderlichen Luftreduziermenge, die an den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird; und Betreiben des Gegendruck-Regelventils und des Luftkompressors auf der Grundlage eines derzeitigen Luftzufuhrdrucks des Luftkompressors, der während des Überwachens erfasst wird, und der erforderlichen Luftreduziermenge, die in dem Empfangen der erforderlichen Luftreduziermenge eingegeben wird.
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In dem Überwachungsprozess kann der derzeitige Luftzufuhrdruck des Luftkompressors mit einem Anstiegsreferenzdruck auf der Grundlage des voreingestellten Betriebsbereichs des Luftkompressors verglichen werden, und in dem Empfangen der erforderlichen Reduziermenge der Luft kann die erforderliche Luftreduziermenge mit einem voreingestellten ersten Schwellenwert verglichen werden. In dem Betreiben des Gegendruck-Regelventils, wenn eine Differenz zwischen dem derzeitigen Luftzufuhrdruck und dem Anstiegsreferenzdruck kleiner als ein voreingestellter zweiter Schwellenwert ist und die erforderliche Luftreduziermenge eines Volumenstromes größer als der erste Schwellenwert ist, kann das Gegendruck-Regelventil, das in einer (Rohr-)Leitung angebracht ist, an/in welche Luft, die einer Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel ausgesetzt wird, abgegeben wird, geöffnet werden und der Luftkompressor kann verlangsamt werden. Zusätzlich kann das Gegendruck-Regelventil zuerst geöffnet werden und dann kann der Luftkompressor verlangsamt werden. Der Luftkompressor kann durch regeneratives Bremsen verlangsamt werden.
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Das Verfahren kann ferner umfassen: vor dem/der Ventilbetrieb/Ventilbetätigung, Speichern eines Öffnungswertes des Gegendruck-Regelventils; und nach dem/der Ventilbetrieb/Ventilbetätigung, Zurückgeben eines das Gegendruck-Regelventil betreibenden Öffnungswertes derart, so dass er dem in dem Speichern des Öffnungswertes gespeicherten Öffnungswert entspricht, wenn der an den Brennstoffzellenstapel zugeführte Volumenstrom auf der Grundlage der erforderlichen Luftreduziermenge verringert wird.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern/Regeln einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel umfassen: Öffnen eines Gegendruck-Regelventils, das in einer (Rohr-)Leitung angebracht ist, an/in welche Luft, die einer Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel ausgesetzt wird, abgegeben wird, und Verlangsamen eines Luftkompressors auf der Grundlage eines derzeitigen Luftzufuhrdrucks und einer erforderlichen Luftreduziermenge des Luftkompressors, der die Luft komprimiert und die komprimierte Luft/Druckluft an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels zuführt, wenn es erforderlich ist, die in den Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft zu verringern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen:
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1 ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 einen Graphen, der eine Differenz zwischen einem Volumenstrom der in einem Fahrzeug erforderlichen Zufuhrluft und einem tatsächlichen Volumenstrom der Zufuhrluft während eines plötzlichen Verringerns des Volumenstromes der in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft in einem druckbeaufschlagten Betriebszustand gemäß dem Stand der Technik darstellt; und
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4 und 5 Diagramme zum Vergleichen eines Betriebsbereichs eines Luftkompressors während eines plötzlichen Verringerns des Volumenstromes der in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft in dem druckbeaufschlagten Betriebszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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 Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module 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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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
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Nachfolgend wird eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 kann die Vorrichtung zum Steuern/Regeln einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen einen Brennstoffzellenstapel 11, einen Luftkompressor 13, der eingerichtet ist, um Luft zu komprimieren und die komprimierte Luft/Druckluft an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels 11 zuzuführen, ein Gegendruck-Regelventil 15, das in einer Leitung angebracht ist, an/in welche Luft, die einer Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgesetzt wird, abgegeben wird, und eine Steuerung 17, die eingerichtet ist, um den Luftkompressor 13 und das Gegendruck-Regelventil 15 auf der Grundlage eines derzeitigen Luftzufuhrdrucks und einer erforderlichen Luftreduziermenge eines Volumenstromes eines Luftkompressors 13 zu betreiben, wenn es erforderlich ist, einen Volumenstrom der in den Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft zu verringern.
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Darüber hinaus kann die Vorrichtung umfassen einen Strömungssensor 18 und einen Drucksensor 19, die eingerichtet sein, um einen Volumenstrom/Durchsatz beziehungsweise einen Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft zu erfassen. Ein Brennstoffzellensystem mit variablen/veränderlichen Druck gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ferner umfassen einen Filter 21, der eingerichtet ist, um Fremdstoffe in der Außenluft zu filtern, ein Luftabsperrventil 23, das in einer Luftausgangsleitung des Filters 21 angebracht ist, einen Schalldämpfer 25, der eingerichtet ist, um die durch das Luftabsperrventil 23 bereitgestellte Luft an den Luftkompressor 13 durchströmen zu lassen, während die von der zugeführten Luft erzeugten Geräusche beseitigt werden, und eine Befeuchtungsvorrichtung (Befeuchter) 27, der eingerichtet ist, um die von dem Luftkompressor 13 an die Kathode zugeführte Luft zu befeuchten. Im Allgemeinen kann feuchte Luft, die einer Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 11 ausgesetzt wird, durch Hindurchleiten durch die Befeuchtungsvorrichtung 27 abgegeben werden.
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Ein Verfahren zum Steuern einer Zufuhr von Luft gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der vorhergehenden Konfiguration wird im Folgenden beschrieben. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann das Verfahren zum Steuern einer Zufuhr von Luft in einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen: Überwachen, durch eine Steuerung 17, eines Drucks der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft (S101). Insbesondere kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob eine Differenz zwischen einem Anstiegsreferenzdruck des Luftkompressors auf der Grundlage von zuvor bestimmten Betriebseigenschaften des Luftkompressors 13 und einem Druck der von dem Luftkompressor 13 tatsächlich zugeführten Luft kleiner als ein voreingestellter Schwellenwert P ist (S101). Der Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft kann durch den an einem Ende des Luftkompressors 13 angebrachten Drucksensor 19 erfasst und dann an die Steuerung 17 zugeführt werden. Ferner kann ein Anstiegsreferenzdruck auf der Grundlage der zuvor bestimmten Betriebseigenschaften des Luftkompressors 13 an/in die Steuerung 17 von außen eingegeben werden oder kann in der Steuerung 17 gespeichert werden.
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In Schritt (S101) kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um einen Anstiegsreferenzdruck mit dem Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft zu vergleichen, um Ähnlichkeiten zwischen dem Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft und dem Anstiegsreferenzdruck zu bestimmen. Mit anderen Worten kann, wenn die Differenz zwischen dem Anstiegsreferenzdruck und dem Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft verringert wird, bestimmt werden, dass der Druck der von dem Luftkompressor 13 zugeführten Luft ähnlich (z. B. etwa das gleiche wie) dem Anstiegsbereich des Luftkompressors 13 ist, und Luft kann mit einem im Wesentlichen hohen Druck zugeführt werden.
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Die Steuerung 17 kann eingerichtet sein, um einen Befehl zum Verringern eines Volumenstroms der Luft einschließlich einer Zufuhrluft-Sollmenge, die verringert wird, zu empfangen, um die Fahrzeugleistung von außen zu reduzieren. Insbesondere kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um die verringerte Zufuhrluft-Sollmenge mit der derzeitigen Zufuhrluft-Sollmenge, die den Volumenstrom der Luft darstellt, der verringert werden soll, zu vergleichen. Die Steuerung 17 kann auch eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob die erforderliche Zufuhrluft-Sollmenge größer als ein voreingestellter Schwellenwert Q ist (S103). Mit anderen Worten, wenn der Befehl zum Verringern eines Volumenstromes der Luft zum Verringern der Leistung empfangen wird, während der Luftkompressor 13 bei einem hohen Druck, der in etwa dieselbe Höhe wie der Anstiegsreferenzdruck aufweist, betrieben wird, kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die erforderliche zu verringernde Zufuhrluft-Sollmenge größer als der voreingestellte Schwellenwert Q ist (S103).
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In dem Schritt (S103) kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um ein Volumen der erforderlichen Zufuhrluft-Sollmenge zu bestimmen. In dem Schritt (S103) kann die Tatsache, dass die erforderliche Zufuhrluft-Sollmenge größer als der voreingestellte Schwellenwert Q ist, anzeigen, dass der Volumenstrom der zu verringernden Luft substantiell ist, was anzeigt, dass es erforderlich ist, dass der Volumenstrom der Luft schnell verringert wird. Zusätzlich kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um einen Öffnungswert eines Gegendruck-Regelventils vor einem Betreiben des Luftkompressors 13 und des Gegendruck-Regelventils 15 zu speichern, um den Volumenstrom der Luft zu verringern (S105). In Schritt (S105), wenn es erforderlich ist, dass eine Steuerung/Regelung zum Druckbeaufschlagen des Luftkompressors 13 wiederholt wird, nachdem die Steuerung/Regelung zum Verringern eines Volumenstromes der Luft durchgeführt wird, kann der Luftkompressor 13 zu einem druckbeaufschlagten Betriebszustand zurückkehren. Wenn andere Steuertechniken zum Zurückkehren des Luftkompressors 13 zu dem druckbeaufschlagten Betriebszustand angewendet werden, kann der Schritt (S105) weggelassen werden.
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Ferner kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um das Gegendruck-Regelventil 15 zu öffnen (S107) und um den Luftkompressor 13 zu verlangsamen, um den Druck der an den Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft zu verringern (S109). In dem Öffnen des Gegendruck-Regelventils 15 kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um das Gegendruck-Regelventil 15 zu betreiben, um einen Öffnungswert aufzuweisen, der größer ist als der des Gegendruck-Regelventils 107. Zusätzlich wird die unvermittelte Verringerung des Volumenstromes, wenn sich der Luftkompressor 13 in dem Hochdruck-Betriebszustand befindet, in Schritt (S107) ausgeführt, und das Gegendruck-Regelventil 15 kann derart betrieben werden, um einen maximalen Öffnungswert aufzuweisen, um Luft maximal abzugeben (z. B. eine maximale Luftmenge abgeben).
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In Schritt (S109) zum Verlangsamen des Luftkompressors 13 kann die Motordrehzahl des Luftkompressors 13 verringert werden und somit kann der Druck der zugeführten Luft verringert werden, um den Luftstrom zu verringern. Zusätzlich kann in Schritt (S109) das regenerative Bremsen an dem Luftkompressor 13 durchgeführt werden, um die Motordrehzahl des Luftkompressors 13 zu verlangsamen. In Schritt (S109) kann es möglich sein, Energie durch Ausführen des regenerativen Bremsens zum Verlangsamen des Motors zurückzugewinnen.
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In dem Öffnen des Gegendruck-Regelventils 15 (S107) und dem Verlangsamen des Luftkompressors 13 (S108) startet zuerst der Schritt (S107) oder der Schritt (S108) oder die Schritte (S107 und S108) können gleichzeitig durchgeführt werden. Jedoch muss der Schritt (S107) starten, nachdem der Schritt (S109) startet. Mit anderen Worten, wenn die Verlangsamung/Verzögerung des Luftkompressors 13 für eine vorgegebene Zeit oder länger andauert und das Gegendruck-Regelventil 15 geschlossen bleibt, da Luft innerhalb einer Kathodenabgasleitung des Brennstoffzellenstapels 11 bleibt, wird der Druckabbau nicht schnell durchgeführt und der Luftkompressor 13 kann in dem Anstiegsbereich betrieben werden.
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Jedoch ist ein erstes Starten des Betriebs des Gegendruck-Regelventils 15 (S107) zum Verringern des Gegendrucks der Kathode des Brennstoffzellenstapels 11 in der Stabilität zum Verhindern eines Anstiegs vorteilhaft. Mit anderen Worten, nachdem das öffnen des Gegendruck-Regelventils 15 zunächst startet, um einen Arbeitspunkt des Luftkompressors 13 von dem Anstiegsbereich zu beabstanden, kann der Druck in dem Verlangsamen des Luftkompressors 13 verringert werden (S108), um das Risiko eines Auftretens eines Anstiegs weiter zu reduzieren.
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Darüber hinaus kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um die in Schritt (S103) eingegebene Zufuhrluft-Sollmenge mit dem derzeitigen Volumenstrom der Luft zu vergleichen, um die Leistung zu verringern und um zu bestimmen, ob die Differenz kleiner als der voreingestellte Schwellenwert R ist (S111). In dem Schritt (S111) kann eine Steuerung/Regelung durchgeführt werden, um den Volumenstrom in Erwiderung auf die Verringerung der Fahrzeugleistung wie oben beschrieben zu verringern, um zu bestimmen, ob der Volumenstrom der derzeit an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft im Wesentlichen der gleiche wie die Zufuhrluft-Sollmenge ist. In dem Schritt (S111) kann der angewendete Schwellenwert R ein Referenzwert sein, der verwendet wird, um zu bestimmen, dass die Zufuhrluft-Sollmenge im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der derzeitige Volumenstrom der Luft aufweist.
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Der Schritt (S109) zum Verlangsamen der Drehung des Luftkompressors 13 kann wiederholt werden, bis die Zufuhrluft-Sollmenge im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der derzeitige Volumenstrom der Luft in dem Schritt (S111) aufweist. In Erwiderung auf ein Bestimmen, dass die Zufuhrluft-Sollmenge im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der derzeitige Volumenstrom der Luft in Schritt (S111) aufweist, kann die Steuerung 17 eingerichtet sein, um den Öffnungswert des Gegendruck-Regelventils 15 derart einzustellen, so dass er dem gespeicherten Öffnungswert in dem Schritt (SD105) entspricht, und kann das Brennstoffzellensystem zu dem druckbeaufschlagten Betriebszustand zurückführen.
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In der Vorrichtung und dem Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn es erforderlich ist, dass der Volumenstrom der Zufuhrluft schnell oder unvermittelt verringert werden soll, um die Fahrzeugleistung in dem Brennstoffzellensystem, das sich in dem druckbeaufschlagten Betriebszustand befindet, zu verringern, kann der Luftkompressor 13 den Volumenstrom der Zufuhrluft schnell einstellen, so dass er der erforderlichen Zufuhrluft-Reduziermenge in dem Betriebsbereich entspricht, in dem er sich nicht in einem Anstiegszustand befindet. Ferner kann es möglich sein, die Energie durch das regenerative Bremsen des Luftkompressors maximal zurückzugewinnen.
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3 zeigt einen Graphen, der eine Differenz zwischen einem Volumenstrom der in einem Fahrzeug erforderlichen Zufuhrluft und einem tatsächlichen Volumenstrom der Zufuhrluft während eines plötzlichen Verringerns des Volumenstromes der in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft in einem druckbeaufschlagten Betriebszustand gemäß dem Stand der Technik darstellt.
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Unter Bezugnahme auf 3, wenn die plötzliche Verringerung des Volumenstromes erforderlich ist, benötigt das Fahrzeug die Verringerung eines über eine kurze Zeitdauer zugeführten Luftstromes, wie dies durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Jedoch kann beim plötzlichen Verringern der Drehzahl des Luftkompressors, um dem erforderlichen Volumenstrom der Zufuhrluft zu entsprechen, wie dies durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, ein Anstieg in einer Luftversorgungsleitung/Luftzufuhrleitung auftreten. Demzufolge zeigt der Stand der Technik die langsame Verringerung des tatsächlichen Volumenstromes der Zufuhrluft, wie dies durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, um zu verhindern, dass der Anstieg auftritt. Beim langsamen Verringern des Luftstromes wie im Stand der Technik, wird der Brennstoffzellenstapel durch die übermäßige Zufuhr von Luft weiter ausgetrocknet und somit kann sich die Leistung des Brennstoffzellenstapels verschlechtern und die Energierückgewinnungsmenge, die durch das regenerative Bremsen des Motors zurückgewonnen werden kann, wenn die Drehzahl des Luftkompressors verringert wird, und somit die Systemeffizienz können reduziert werden.
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Umgekehrt kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die plötzliche Verringerung des Luftstromes realisiert werden, wie dies durch eine durchgezogene Linie von 3 dargestellt ist, und demzufolge kann das Problem des Standes der Technik gelöst werden. Die Wirkung wird aus der folgenden Beschreibung von 4 und 5 deutlicher.
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4 und 5 zeigen Diagramme zum Vergleichen eines Betriebsbereichs eines Luftkompressors während eines plötzlichen Verringerns des Volumenstromes der in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft in dem druckbeaufschlagten Betriebszustand. 4 stellt den Fall zum Steuern eines Volumenstromes durch Verringern der Drehzahl des Luftkompressors 13 dar. Wenn die Drehzahl des Luftkompressors 13 plötzlich verringert wird, um den Volumenstrom in einem Arbeitspunkt A des Luftkompressors während des druckbeaufschlagten Betriebs zu verringern, kann ein Arbeitspunkt B des Luftkompressors in dem Anstiegsbereich gebildet werden und somit kann das oben beschriebene Problem auftreten.
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Um das Auftreten eines solchen Problems zu lösen, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Gegendruck-Regelventil 15 auf der Grundlage einer verringerten Drehzahl des Luftkompressors 13 geöffnet werden, um einen Differenzdruck der Kathode zu reduzieren, wodurch der Arbeitspunkt des Luftkompressors 13 von der gekrümmten Anstiegslinie bis zu dem durch 'C' von 5 gekennzeichneten Arbeitspunkt beabstandet wird. Da der Differenzdruck der Kathode beim Öffnen des Gegendruck-Regelventils 15 verringert werden kann, selbst wenn die Betriebsdrehzahl des Luftkompressors 13 plötzlich verringert wird, kann der Luftkompressor ohne eine Abweichung des Arbeitspunktes D des Luftkompressors in Richtung des Anstiegsbereichs stabil betrieben werden.
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Ferner, wenn die Steuerung wie in 5 dargestellt durchgeführt wird, kann die in der Kathodenleitung erzeugte Luftlast in Erwiderung auf das Öffnen des Gegendruck-Regelventils 15 verringert werden, um die Energie durch das regenerative Bremsen des Motors des Luftkompressors 13 maximal zurückzugewinnen, und die zurückgewonnene Energie kann in der Batterie gespeichert werden, wodurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems verbessert wird. Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem mit variablen/veränderlichen Druck arbeitet, verbraucht der Luftkompressor 13 bei dem Maximalleistungs-Betriebszustand der Brennstoffzelle ungefähr 10% oder mehr Energie und demzufolge hat die Energie, die durch das regenerative Bremsen während der Verringerung des Volumenstromes der Luft zurückgewonnen wird, einen wesentlichen Effekt auf die Verbesserung der Systemeffizienz.
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Wie oben beschrieben können gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung und das Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel das Gegendruck-Regelventil der Leitung, in/an welche Luft ausgeströmt wird, öffnen, um den Luftkompressor während eines Verringerns des Drucks der zuvor zugeführten Luft zu verlangsamen, wenn es erforderlich ist, dass der Volumenstrom der Zufuhrluft plötzlich verringert werden soll, um die Fahrzeugleistung in dem Brennstoffzellensystem, das sich in dem druckbeaufschlagten Betriebszustand befindet, zu verringern, wodurch verhindert wird, dass der Luftkompressor in dem Anstiegsbereich betrieben wird. Demzufolge kann der Luftkompressor unvermittelt den Volumenstrom verringern, ohne in dem Anstiegsbereich betrieben zu werden, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel austrocknet, wodurch verhindert wird, dass sich die Stapelleistung verschlechtert. Ferner können die Vorrichtung und das Verfahren zum Steuern einer Luftzufuhr in einen Brennstoffzellenstapel die in der Kathodenleitung erzeugte Luftbelastung auf der Grundlage des Öffnens des Gegendruck-Regelventils verringern, um die Energie basierend auf dem regenerativen Bremsen des Motors des Luftkompressors maximal zurückzugewinnen, wodurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen verbessert wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden ist, wird es für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert und geändert werden kann, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt, abzuweichen.
