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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems, das die Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels durch Erfassen und Überwinden der Ursache einer Leistungsbeschränkung erhöht, wenn der Brennstoffzellenstapel die Leistungsbeschränkung erreicht, während ein Brennstoffzellenfahrzeug in hohen Lagen betrieben wird, wodurch eine verbesserte Stapelleistung und Fahrzeugleistung erzielt werden.
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(b) Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumwandlungsvorrichtung, die chemische Energie, die in einem Brennstoff gespeichert ist, in elektrochemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion umwandelt, anstatt die chemische Energie durch Verbrennung in Wärme umzuwandeln. Brennstoffzellen können verwendet werden, um elektrische Energie für Industrie, Haushalt und Fahrzeuge zu liefern, und auch um kleine elektrische/elektronische Produkte und tragbare Geräte mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die derzeit untersuchte Fahrzeug-Brennstoffzelle ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC) mit einer hohen elektrischen Leistungsdichte. In der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle ist eine Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA), die der Hauptbestandteil derselben ist, an einer innersten Position angeordnet. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran, mit der Wasserstoffionen bewegbar sind, und eine Kathode (d. h. Luftpol) und eine Anode (d. h. Wasserstoffpol), die Elektrodenschichten auf beiden Flächen/Oberflächen der Elektrolytmembran sind und einen darauf aufgebrachten Katalysator zum Ermöglichen von Wasserstoff- und Sauerstoffreaktionen aufweisen.
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Darüber hinaus ist eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer – GDL) an dem Außenabschnitt der Membranelektrodenanordnung gestapelt, d. h. dem Außenabschnitt, an dem die Kathode und die Anode angeordnet sind. An der Außenseite der Gasdiffusionsschicht sind wiederum Bipolarplatten angeordnet und die Bipolarplatten bilden ein Strömungsfeld, durch welches Reaktionsgas (beispielsweise Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsgas) zugeführt wird und durch welches Kühlwasser durchläuft.
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Zum Beispiel ist eine Dichtung, die zum Abdichten eines Fluids verwendet wird, derart gestapelt, dass die zwischen die Bipolarplatten eingefügt ist. Nach Stapeln einer Mehrzahl von Zellen werden Endplatten an einer äußersten Position/Stelle gekoppelt, um die Zellen dort dazwischen aufzunehmen. Da jede Elementarzelle eine niedrige Spannung erzeugt, werden bis zu Hunderten von Zellen in Reihe gestapelt, um die Spannung zu erhöhen. Demzufolge wird die in der Form eines Stapels hergestellte Zelle als eine Energieerzeugungsvorrichtung verwendet.
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Ein Brennstoffzellensystem, das bei einem Brennstoffzellenfahrzeug eine Anwendung finden soll, besteht aus einem Brennstoffzellenstapel und Vorrichtungen, die eingerichtet sind, um Reaktionsgas zuzuführen. 1 zeigt eine Ansicht, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel 10, der eingerichtet ist, um Elektrizität aus der elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgas zu erzeugen, eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20, die eingerichtet ist, um Wasserstoff als Brennstoff an den Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführen, eine Luftversorgungsvorrichtung 30, die eingerichtet ist, um Luft einschließlich Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführen, ein Wärme- und Wasser-Management-System 40, das eingerichtet ist, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 einzustellen und um eine Wasserregelungsfunktion durchzuführen, und eine Brennstoffzellensystemsteuerung (nicht dargestellt), die eingerichtet ist, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben.
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In dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem umfasst die Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Beispiel einen Wasserstoffbehälter (z. B. einen Wasserstofftank) (nicht dargestellt), einen Regler (nicht dargestellt), ein Wasserstoffdruck-Einstellventil 21 und eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung/Wasserstoffumwälzvorrichtung 22. Die Luftversorgungsvorrichtung 30 umfasst zum Beispiel ein Luftgebläse (für einen Niederdruckbetrieb) oder einen Luftkompressor (für einen Hochdruckbetrieb) 32, eine Befeuchtungsvorrichtung (Befeuchter) 33 und ein Luftdruck-Einstellventil 34. Das Wärme- und Wasser-Management-System umfasst zum Beispiel eine elektrische Wasserpumpe (z. B. Kühlwasserpumpe), einen Wassertank und einen Kühler, obwohl nicht dargestellt, ebenso wie einen Wasserabscheider 41.
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In der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 wird von dem Wasserstofftank zugeführter Hochdruck-Wasserstoff auf einen bestimmten Druck in dem Regler dekomprimiert, bevor er an den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. Dementsprechend wird der dekomprimierte Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 10 durch eine geregelte Zufuhrmenge über eine Druckregelung auf der Grundlage der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt. Mit anderen Worten wird Wasserstoff, der durch den Regler von dem Wasserstofftank geströmt ist, an den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt, nachdem sein Druck durch das Wasserstoffdruck-Einstellventil 21 an der Einlassseite eines Stapel-Wasserstoffpols eingestellt worden ist.
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Das Wasserstoffdruck-Einstellventil 21 wird eingestellt, um den Druck des Wasserstoffs, der durch den Regler dekomprimiert wird, zu ändern, dass er für die Betriebsbedingungen des Stapels geeignet ist. Die Steuerung ist eingerichtet, um das Wasserstoffdruck-Einstellventil 21 nach Empfangen von Rückkopplungswerten von zwei Wasserstoffdrucksensoren 25 und 26, die an der Einlass- beziehungsweise der Auslassseite des Stapel-Wasserstoffpols angebracht sind, zu steuern.
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Darüber hinaus wird der nach der Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbleibende Wasserstoff durch den Auslass des Stapel-Wasserstoffpols (Anode) abgeführt oder an den Einlass des Stapel-Wasserstoffpols durch die Wasserstoffrückführungsvorrichtung 22 zurückgeführt/umgewälzt. Die Wasserstoffrückführungsvorrichtung 22 ist eine Vorrichtung, die die Zuverlässigkeit der Wasserstoffversorgung erhöht und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verbessert. Obwohl es verschiedene Verfahren zum Umwälzen gibt, umfassen bekannte beispielhafte Verfahren ein Verfahren unter Verwendung eines Ejektors 23, eines Gebläses und sowohl eines Ejektors als auch eines Gebläses.
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Die Wasserstoffrückführungsvorrichtung 22 trägt bei zur Wiederverwendung von Wasserstoff durch Rückführen von nicht umgesetztem Wasserstoff, der zurückbleibt, nachdem er in dem Wasserstoffpol (Anode) des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet wird, an den Wasserstoffpol durch eine Rückführungsleitung 24. Darüber hinaus erhöht die Wasserstoffrückführungsvorrichtung 22 die Menge an Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff, Wasser und Dampf, die zu dem Wasserstoffpol durch die Elektrolytmembran innerhalb des Stapels der Brennstoffzelle geleitet werden, und bewirkt eine reduzierte Wasserstoffmenge in dem Wasserstoffpol, was zu einer Verschlechterung der Reaktionseffizienz führt. Demzufolge ist es erforderlich, die Verunreinigungen durch Öffnen eines Spülventils 27 nach einem vorgegebenen Zeitraum abzuführen.
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Mit anderen Worten werden durch Einbauen des Spülventils 27 zum Spülen von Wasserstoff an einer Rohrleitung an der Auslassseite des Wasserstoffpols des Brennstoffzellenstapels 10, um den Wasserstoff periodisch von dem Wasserstoffpol abzuführen, Verunreinigungen wie beispielsweise Stickstoff und Wasser ebenfalls abgeführt und entfernt, und die Nutzungsrate von Wasserstoff nimmt zu.
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Das oben beschriebene Austragen der Verunreinigungen von dem Brennstoffzellenstapel erhöht in vorteilhafter Weise die Konzentration von Wasserstoff, erhöht die Wasserstoffnutzungsrate und verbessert die Diffusion und Reaktivität des Gases. Darüber hinaus können die Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems im Allgemeinen in ein Niedrigdruck-Betriebsverfahren und ein Hochdruck-Betriebsverfahren unterteilt werden. In den jeweiligen Betriebsverfahren stellt der Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels einen der Faktoren mit vorherrschender Wirkung auf die Gesamtleistung dar.
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In einem mit Niedrigdruck arbeitenden Brennstoffzellensystem wird in der Regel ein Luftgebläse verwendet, um Luft mit niedrigem Druck an den Luftpol (Kathode) des Stapels zuzuführen. In einem mit Hochdruck arbeitenden Brennstoffzellensystem wird der Luftkompressor 32 verwendet, um Luft mit höherem Druck an den Luftpol des Stapels zuzuführen. Darüber hinaus wird in dem mit einem hohen Druck arbeitenden Brennstoffzellensystem die durch einen Filter 31 hindurch geleitete Luft an den Luftpol des Brennstoffzellenstapels 10 unter Verwendung des Luftkompressors 32 zugeführt, und der Auslassdruck des Luftpols wird unter Verwendung eines Druckreglers an dem hinteren Ende des Stapels, d. h., das Luftdruck-Einstellventil 34, das an einer Rohrleitung an der Auslassseite des Luftpols des Stapels angebracht ist, geregelt.
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Im Allgemeinen, um den Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems einzustellen, werden Sollwerte (eingestellte Werte) von Einlass- und Auslassdrücken des Wasserstoffpols und des Luftpols aus einem Betriebsdruck-Steuerkennfeld auf der Grundlage der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle bestimmt, und die Messwerte der Wasserstoffdrucksensoren 25 und 26 und der Luftdrucksensoren 35 und 36 werden zurückgeführt, um auf die Sollwerte für die Einlass- und Auslassdrücke des Wasserstoffpols und des Luftpols eingestellt zu werden.
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Indessen kann die Ursache für eine Verschlechterung eines Brennstoffzellensystems, mit welchem ein Brennstoffzellenfahrzeug ausgerüstet ist, in hohen Lagen in (1) eine Verschlechterung der Gesamtleistung des Brennstoffzellenstapels aufgrund des reduzierten Betriebsdrucks eines Luftpols und (2) eine Verringerung der maximalen Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels unterteilt werden.
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Bei diesen Ursachen kann die Verschlechterung der gesamten Stapelleistung aufgrund des reduzierten Betriebsdrucks des Luftpols verbessert werden, wenn der Druck der an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft durch Zuführen von Druckluft unter Verwendung eines Hochdruck-Betriebssystems, d. h. eines Luftkompressors, erhöht wird. Jedoch kann die Verringerung der maximalen Ausgangsleistung nicht durch einfaches Anwenden des mit Hochdruck arbeitenden Systems verbessert werden.
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Die Ursache einer Begrenzung/Beschränkung der Ausgangsleistung des Stapels aufgrund der Verringerung der maximalen Ausgangsleistung kann in (a) den unzureichenden Luftdurchsatz und (b) die Einführung einer akzeptablen Mindestspannung aufgrund der Verschlechterung der Stapelleistung unterteilt werden. Jedoch kann die Ursache der unzureichende Luftdurchsatz sein, wenn der Stapel in Ordnung ist (z. B. keine/ohne Verschlechterung), und die Ursache kann die Einführung einer akzeptablen Mindestspannung aufgrund der Verschlechterung der Stapelleistung sein, wenn die Verschlechterung des Stapels bis zu einem gewissen Ausmaß fortgeschritten ist.
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Demzufolge besteht die Notwendigkeit für ein Betriebssteuerverfahren, das in der Lage ist, die maximale Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels zu erhöhen, indem der Zustand des Stapels positiv bestimmt wird, während das Brennstoffzellensystem in hohen Lagen betrieben wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems bereit, das die Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels erhöht, indem die Ursache einer Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung erfasst und überwunden wird, wenn der Brennstoffzellenstapel die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung erreicht, während ein Brennstoffzellenfahrzeug in hohen Lagen betrieben wird, wodurch eine verbesserte Stapelleistung und Fahrzeugleistung erzielt werden.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems bereit, das umfassen kann ein Bestimmen, ob ein Betriebszustand eines innerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs angebrachten Brennstoffzellenstapels einer vorgegebenen Bedingung entspricht, in der eine Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels auftritt, durch Erfassen von derzeitigen Betriebszustandsinformationen, und Einstellen eines Betriebsdrucks eines Luftpols des Brennstoffzellenstapels durch Einstellen eines Öffnungsgrades eines Luftdruck-Einstellventils auf einen Steuerbefehlswert auf der Grundlage des Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels, wenn der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels der vorgegebenen Bedingung, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels auftritt, entspricht.
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In einem Ausführungsbeispiel kann das Bestimmen und das Einstellen implementiert/realisiert werden in Erwiderung auf ein Erfassen eines Betriebs in hohen Lagen des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei ein Atmosphärendruck, der durch einen Luftdrucksensor/Atmosphärendrucksensor des Fahrzeugs erfasst wird, einem Einstelldruck (eingestellten/bestimmten Druck) oder weniger entspricht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die derzeitigen Betriebszustandsinformationen des Brennstoffzellenstapels eine Drehzahl (Umdrehungen pro Minute – U/min) eines Luftkompressors, der eingerichtet ist, um Luft einschließlich Sauerstoff als Oxidationsgas an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und eine Stapelspannung umfassen.
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Ferner, wenn eine derzeitige Stapelspannung größer als eine vorgegebene akzeptable Mindestspannung ist, aber eine derzeitige Drehzahl des Luftkompressors ungefähr eine vorgegebene Drehzahlgrenze durch eine Differenz eines Sollwertes von 1 oder weniger ist, kann es bestimmt werden, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels ein Zustand mit unzureichendem Luftdurchsatz ist, der der Bedingung entspricht, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels auftritt. In Erwiderung auf ein Bestimmen, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels der Zustand mit unzureichendem Luftdurchsatz ist, der der Bedingung entspricht, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels auftritt, kann der Öffnungsgrad des Luftdruck-Einstellventils auf einen Steuerbefehlswert auf der Grundlage der derzeitigen Drehzahl (U/min) des Luftkompressors erhöht werden, um den Betriebsdruck des Luftpols des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren.
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Darüber hinaus, wenn eine Differenz zwischen der derzeitigen Stapelspannung und der akzeptablen Mindestspannung größer als ein Sollwert von 2 ist und die derzeitige Drehzahl (U/min) des Luftkompressors ungefähr die Drehzahlgrenze durch eine Differenz des Sollwertes von 0 oder weniger ist, kann der Zustand mit unzureichendem Luftdurchsatz entsprechend der Bedingung, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung auftritt, bestimmt werden. Wenn eine derzeitige Drehzahl eines Luftkompressors kleiner als eine vorgegebene Drehzahlgrenze ist und eine derzeitige Stapelspannung ungefähr eine vorgegebene akzeptable Mindestspannung durch eine Differenz eines Sollwertes von 2 oder weniger ist, kann es bestimmt werden, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels der Bedingung entspricht, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung auftritt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in Erwiderung auf ein Bestimmen, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels der Bedingung entspricht, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung auftritt, den Öffnungsgrad des Luftdruck-Einstellventils auf einen Steuerbefehlswert auf der Grundlage der derzeitigen Stapelspannung verringert werden, um den Betriebsdruck des Luftpols des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Wenn eine Differenz zwischen der derzeitigen Drehzahl des Luftkompressors und der Drehzahlgrenze größer als ein Sollwert von 1 ist und die derzeitige Stapelspannung ungefähr (z. B. annähernd) die akzeptable Mindestspannung durch eine Differenz des Sollwertes von 2 oder weniger ist, kann es bestimmt werden, dass der Betriebszustand der Bedingung entspricht, in der die Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung auftritt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen:
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1 eine Ansicht, die die Konfiguration/Anordnung eines mit Hochdruck arbeitenden Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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2 ein Flussdiagramm, das ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3A–3C Ansichten, die ein Betriebssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen, wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels aufgrund des unzureichenden Luftdurchsatzes auftritt; und
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4A–4C Ansichten, die ein Betriebssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen, wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Leistungsbeschränkung/Leistungsbegrenzung des Stapels aufgrund der Einführung einer akzeptablen Mindestspannung des Stapels auftritt.
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt. In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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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, wasserstoffgetriebene 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/Steuereinheit 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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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/in etwa”, 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/in etwa” 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/in etwa” verändert.
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Nachstehend wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Erfindung auf jene Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsbeispiele abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Erfindung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems bereit, das die Ausgangsleistung erhöht und die maximale Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels erzielt, indem die Ursache einer Leistungsbeschränkung erfasst und überwunden wird, wenn der Brennstoffzellenstapel die Leistungsbeschränkung in hohen Lagen erreicht.
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In der vorliegenden Erfindung kann zuerst erfasst werden, ob ein Brennstoffzellenfahrzeug in hohen Lagen/bei großer Höhe betrieben wird. Wenn der Betrieb bei hohen Lagen erfasst wird, kann bestimmt werden, ob der Betriebszustand eines Brennstoffzellenstapels einer Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels (d. h. die Bedingung, bei der eine Beschränkung der Ausgangsleistung des Stapels auftreten kann) entspricht. Danach, wenn dieser der Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels entspricht, kann die Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems durchgeführt werden, um die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
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Wie oben beschrieben, kann die Ursache einer Verschlechterung der maximalen Ausgangsleistung des Stapels und der Leistungsbeschränkung des Stapels, während das Brennstoffzellenfahrzeug in hohen Lagen betrieben wird, (1) der unzureichende Durchsatz von Luft, die als Reaktionsgas an den Stapel zugeführt wird, und (2) die Einführung einer akzeptablen Mindestspannung des Stapels aufgrund der Verschlechterung der Stapelleistung sein. Wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine Beschränkung der maximalen Ausgangsleistung aufgrund des unzureichenden Luftdurchsatzes auftritt, kann ein Erhöhen des Luftdurchsatzes durch Reduzieren des Betriebsdrucks eines Luftpols einen Stapelstrom erhöhen, wodurch die maximale Ausgangsleistung des Stapels erzielt wird. Darüber hinaus, wenn die Wahrscheinlichkeit der Einführung einer akzeptablen Mindestspannung des Stapels aufgrund der Verschlechterung der Stapelleistung besteht, kann ein Erhöhen des Betriebsdrucks des Luftpols die Stapelspannung erhöhen, wodurch die maximale Ausgangsleistung des Stapels erzielt wird.
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Dementsprechend kann in der vorliegenden Erfindung der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels, d. h., ob der Luftdurchsatz unzureichend ist und ob die akzeptable Mindestspannung erreicht worden ist, auf der Grundlage einer Beschränkung der Ausgangsleistung des Stapels während eines Betriebs in hohen Lagen erfasst werden. Wenn die Ursache der Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels der unzureichende Luftdurchsatz ist, kann der Betriebsdruck des Luftpols reduziert werden, um den Luftdurchsatz zu erhöhen. Wenn die Ursache der Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels die Einführung einer akzeptablen Mindestspannung ist, kann der Betriebsdruck des Luftpols erhöht werden, um die Stapelspannung zu erhöhen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die folgende Tabelle 1 zeigt ein Betriebssteuerverfahren zum Überwinden einer Ausgangsleistungsbeschränkung und Erhöhen der Stapelausgangsleistung auf der Grundlage der Ursache der Ausgangsleistungsbeschränkung, wenn die maximale Ausgangsleistung beschränkt ist. Tabelle 1
| Klassifizierung | Art der Ausgangsleistungsbedingung (tritt auf = 1, tritt nicht auf = 0) |
| Fall #1 | Fall #2 | Fall #3 | Fall #4 |
| Nahe der akzeptablen Mindestspannung | 0 | 1 | 1 | 0 |
| Nahe der Drehzahlgrenze des Luftkompressors | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Betriebssteuerstrategie | Erhöhen des Öffnungsgrades des LuftdruckEinstellventils → Verringerung des Betriebsdrucks des Luftpols, Zunahme des Luftdurchsatzes | Verringern des Öffnungsgrades des LuftdruckEinstellventils → Verringerung des Betriebsdrucks des LuftPols, Zunahme der Stapelspannung | Derzeitigen Zustand beibehalten |
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Zunächst kann die Steuerung eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob der Betriebszustand des Brennstoffzellenfahrzeugs eine Betriebsbedingung in hohen Lagen ist (S11). Wenn der Atmosphärendruck, der durch einen Atmosphärendrucksensor/Luftdrucksensor des Fahrzeugs erfasst wird, ein eingestellter Druck oder kleiner ist, kann die Steuerung eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass der Betriebszustand der Betriebsbedingung in hohen Lagen entspricht.
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Anschließend kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Betriebszustandsinformation/Betriebszustandsinformationen des Brennstoffzellenstapels unter der Betriebsbedingung in hohen Lagen zu bestimmen (S12), wodurch bestimmt wird, ob der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels der Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels entspricht, d. h. die Bedingung, bei der eine Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels auftreten kann. Zu diesem Zeitpunkt können die derzeitige Drehzahl (RPM – U/min) eines Luftkompressors, der komprimierte Luft/Druckluft, d. h. Oxidationsgas an den Brennstoffzellenstapel zuführt, und die Stapelspannung als die Betriebszustandsinformationen bestimmt werden (S13, S14 und S15).
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Insbesondere wenn die derzeitige Stapelspannung größer als eine vorgegebene akzeptable Mindestspannung ist (d. h. die Differenz zwischen der Stapelspannung und der akzeptablen Mindestspannung ist größer als ein Sollwert von 2) und die derzeitige Drehzahl des Luftkompressors ungefähr eine vorgegebene Drehzahlgrenze ist (d. h. die Differenz zwischen der derzeitigen Drehzahl und der Drehzahlgrenze ist ein Sollwert von 1 oder kleiner), kann die Steuerung eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels die Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels ist, d. h. die Bedingung, bei der der Luftdurchsatz unzureichend ist.
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Demzufolge, um den unzureichenden Luftdurchsatz zu überwinden und um einen ausreichenden Luftdurchsatz zu erzielen, kann die Steuerung eingerichtet sein, um den Öffnungsgrad des Luftdruck-Einstellventils auf der Grundlage der derzeitigen Drehzahl des Luftkompressors zu erhöhen, wodurch der Betriebsdruck des Luftpols reduziert wird und folglich der Durchsatz der an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft erhöht wird (S16).
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Im Gegensatz dazu, wenn die derzeitige Drehzahl des Luftkompressors kleiner als die vorgegebene Drehzahlgrenze ist (d. h. die Differenz zwischen der derzeitigen Drehzahl und der Drehzahlgrenze ist größer als der Sollwert von 1) und die derzeitige Stapelspannung ungefähr die vorgegebene akzeptable Mindestspannung ist (d. h. die Differenz zwischen der Stapelspannung der der akzeptablen Mindestspannung ist der Sollwert von 2 oder kleiner), kann die Steuerung eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels die Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels ist, d. h. die Bedingung, bei der die akzeptable Mindestspannung erreicht worden ist. Dementsprechend, um die Stapelspannung zu erhöhen, kann die Steuerung eingerichtet sein, um den Öffnungsgrad des Luftdruck-Einstellventils auf der Grundlage der derzeitigen Stapelspannung zu reduzieren, wodurch der Betriebsdruck des Luftpols erhöht wird (S17).
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In Tabelle 1 stellt Fall #3 den Zustand dar, in dem die derzeitige Drehzahl des Luftkompressors ein Niveau annähernd der Drehzahlgrenze erreicht (d. h. die Differenz zwischen der derzeitigen Drehzahl und der Drehzahlgrenze ist der Sollwert von 1 oder kleiner) und die akzeptable Mindestspannung erreicht worden ist (d. h. die Differenz zwischen der Stapelspannung und der akzeptablen Mindestspannung ist der Sollwert von 2 oder kleiner). Insbesondere kann der derzeitige Zustand beibehalten werden, da eine Stromerzeugung, in der der Stapel einen Strom auf einen Pegel annähernd der akzeptablen Mindestspannung erzeugt, durchgeführt wird, und gleichzeitig kann der Stapel mit der maximalen Leistung betrieben werden, bis die Leistung des Luftkompressors annähernd die Leistungsgrenze ist.
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Weiterhin, wenn der Luftdurchsatz unzureichend ist oder die akzeptable Mindestspannung erreicht worden ist, kann der Öffnungsgrad des Luftdruck-Einstellventils wie oben beschrieben eingestellt werden, um den Betriebsdruck des Luftpols zu erhöhen oder zu reduzieren. Dementsprechend kann die Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels, d. h. die Bedingung, bei der die Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels auftreten kann, überwunden werden und folglich kann die Ausgangsleistung des Stapels erhöht werden, dass sie der Zustand von Fall #3 oder Fall #4 von Tabelle 1 wird. Die Bedingung einer Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels von Fall #1 oder Fall #2 kann beispielsweise auftreten, wenn es die Anforderung für eine schnelle Beschleunigung gibt, wenn der Fahrer schnell auf ein Gaspedal unter der Betriebsbedingung in hohen Lagen tritt (z. B. Druck auf das Pedal ausübt).
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3A–3C stellen den Fall dar, in dem der Betriebszustand des Stapels das Niveau der Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels entsprechend Fall #1 von Tabelle 1 erreicht. Wie in 3A dargestellt, kann die Steuerung eingerichtet sein, um einen Ventilsteuerbefehl auf der Grundlage des derzeitigen Betriebszustandes des Stapels zu bestimmen, wenn die Drehzahl des Luftkompressors ungefähr die gleiche wie die Drehzahlgrenze in Erwiderung auf zum Beispiel die Anforderung für eine schnelle Beschleunigung ist. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um den Ventilsteuerbefehlswert auf der Grundlage der Drehzahl unter Verwendung eines Steuerkennfeldes wie in 3B dargestellt, aus der derzeitigen Drehzahl des Luftkompressors zu bestimmen, die den derzeitigen Betriebszustand des Stapels darstellt, und kann eingerichtet sein, um das Luftdruck-Einstellventil auf der Grundlage des bestimmten Steuerbefehlswertes zu betreiben.
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Ferner, da der Betriebsdruck des Luftpols durch Erhöhen des Öffnungsgrades des Ventils reduziert werden kann und folglich der Durchsatz (z. B. Massendurchsatz) der Luft wie in 3C dargestellt, erhöht werden kann, kann der Stapelstrom durch Erzielen des ausreichenden Luftdurchsatzes erhöht werden, der eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Stapels und die Erlangung der maximalen Ausgangsleistung durch den erhöhten Strom ermöglicht.
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4a–4C stellen den Fall dar, in dem der Betriebszustand des Stapels das Niveau der Ausgangsleistungsbeschränkung entsprechend Fall #2 von Tabelle 1 erreicht. Wie in 4A dargestellt, kann die Steuerung eingerichtet sein, um einen Ventilsteuerbefehl auf der Grundlage des derzeitigen Betriebszustandes des Stapels zu bestimmen, wenn die Stapelspannung reduziert wird, um in etwa so viel wie der akzeptable Mindestspannungspegel zu betragen.
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Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um den Ventilsteuerbefehl auf der Grundlage der Stapelspannung unter Verwendung eines Steuerkennfeldes wie in 4B dargestellt, aus der Stapelspannung, die den derzeitigen Betriebszustand des Stapels darstellt, zu bestimmen, und kann eingerichtet sein, um das Luftdruck-Einstellventil auf der Grundlage des bestimmten Steuerbefehlswertes zu betreiben. Da der Betriebsdruck des Luftpols durch Verringern des Öffnungsgrades des Ventils erhöht werden kann und die Stapelspannung erhöht werden kann, wie dies in 4C dargestellt ist, kann die Ausgangsleistung des Stapels erhöht werden und die maximale Ausgangsleistung kann erhalten werden.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann in einem Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Bedingung, bei der eine Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels auftreten kann, aus dem Betriebszustand eines Brennstoffzellenstapels erfasst werden. Wenn die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Ausgangsleistungsbeschränkung besteht, kann der Betrieb des Systems derart gesteuert werden, um die Ursache des Auftretens der Ausgangsleistungsbeschränkung zu überwinden und um die maximale Ausgangsleistung des Stapels zu erhalten.
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Insbesondere, um die Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels aufgrund des unzureichenden Luftdurchsatzes zu überwinden, der die Bedingung darstellt, in den die Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels auftreten kann, wenn die Drehzahl des Luftkompressors in etwa die Drehzahlgrenze ist, kann der Betriebsdruck eines Luftpols durch Erhöhen des Öffnungsgrades eines Luftdruck-Einstellventils reduziert werden und folglich kann die Ausgangsleistung des Stapels über die Erlangung des erhöhten Luftdurchsatzes erhöht werden.
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Zusätzlich, um die Ausgangsleistungsbeschränkung des Stapels zu verhindern, die verursacht wird, wenn die Stapelspannung die akzeptable Mindestspannung erreicht hat, wenn die Stapelspannung ungefähr (z. B. annähernd) die gleiche wie die akzeptable Mindestspannung ist, kann der Betriebsdruck des Luftpols durch Reduzieren des Öffnungsgrades des Luftdruck-Einstellventils erhöht werden und folglich kann die Ausgangsleistung des Stapels über die erhöhte Stapelspannung erhöht werden.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele davon ausführlich beschrieben worden. Es versteht sich jedoch für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt wird, abzuweichen.
