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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND
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Ein Brennstoffzellensystem erzeugt elektrische Leistung durch eine chemische Reaktion zwischen einem Oxidationsmittelgas bzw. Oxidansgas und einem Brenngas bzw. Brennstoffgas. Zur Zeit einer Leistungserzeugung wird das Oxidationsmittelgas zu einem Brennstoffzellenstapel unter Druck durch einen Kompressor in Erwiderung auf die angeforderte Ausgabe zugeführt. Zum Beispiel offenbart die
internationale Publikation Nr. 2013/157488 eine Anregung zum geeigneten Fördern bzw. Zuführen des Oxidationsmittelgases mit der Sollströmungsrate.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINGUNG
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu bieten, das ein hohes Ansprechverhalten einer Strömungsrate von Luft erreicht, die unter Druck zu einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Folgendes aufweist: einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem Oxidationsmittelgas und einem Brenngas versorgt wird, um elektrische Leistung zu erzeugen; einen Zentrifugalkompressor, der das Oxidationsmittelgas komprimiert und zu dem Brennstoffzellenstapel zuführt; ein Regulierventil, das einen Druck an einem Auslass des Kompressors steuert; und eine Steuereinheit, die den Kompressor und das Regulierventil steuert, wobei die Steuereinheit Folgendes aufweist: eine Steuerbefehlseinheit, die eine Drehzahl des Kompressors und einen Öffnungsgrad des Regulierventils basierend auf einer Sollluftströmungsrate gemäß einem vorliegenden Wert bestimmt, der dem Brennstoffzellenstapel angewiesen ist, den Kompressor basierend auf der bestimmten Drehzahl betätigt und das Regulierventil basierend auf dem bestimmten Öffnungsgrad betätigt; eine Ist-Strömungsratenerlangungseinheit, die einen Wert einer Ist-Strömungsrate von Luft erlangt, die zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, während der Kompressor und das Regulierventil basierend auf Steuerbefehlen von der Steuerbefehlseinheit arbeiten; und eine Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit, die eine Differenz zwischen der Ist-Strömungsrate von Luft und der Sollströmungsrate von Luft berechnet; und eine Regelungseinheit, die die Differenz in einer Luftströmungsrate durch ein Ändern des Öffnungsgrads des Regulierventils verringert, während die Drehzahl des Kompressors beibehalten wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Übersichtskonfiguration eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt;
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2 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Steuereinheit, die an dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform vorgesehen ist;
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3 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung des Brennstoffzellensystems in der Ausführungsform darstellt;
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4 ist ein Graph, der eine Grundbeziehung zwischen einem angewiesenen Stromwert und einer erforderlichen Luftströmungsrate darstellt;
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5 stellt ein Kennfeld der Drehzahl eines Kompressors und den Öffnungsgrad eines Regulierventils dar, das eine Luftströmungsrate und einen Abgabedruck steuert; und
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6 stellt ein Kennfeld dar, das verwendet wird, um den Öffnungsgrad eines Umgehungsventils zu erlangen, um ein gewünschtes Strömungsratenverhältnis einer Strömungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel hin strömt, und einer Strömungsrate von Luft zu erreichen, die zu einer Umgehungsleitung hin strömt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Der Kompressor, der das Oxidationsmittelgas zu dem Brennstoffzellenstapel unter Druck zuführt, wird im Allgemeinen in einen Zentrifugalkompressor und einen Verdrängungskompressor kategorisiert. Der Zentrifugalkompressor verdichtet Luft zu dem Auslass des Kompressors hin durch ein Verwenden einer Zentrifugalkraft, die durch die Drehung der Lamellen verursacht wird. Der Zentrifugalkompressor kann gestaltet sein, um kompakt zu sein, und ist hinsichtlich der Kosten verglichen zu dem Verdrängungskompressor bevorzugt. Daher kann der Zentrifugalkompressor in dem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, um die vorangehend beschriebenen Vorteile zu unterstreichen. Wenn der Zentrifugalkompressor in dem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, wurde das Erreichen einer geeigneten Strömungsrate von Luft durch ein Steuern der Drehzahl des Kompressors versucht, während der Auslassdruck der Leitung für das Oxidationsmittelgas, das sich in dem Brennstoffzellenstapel befindet, mit einem Ventil konstant gehalten wird, das den Gegendruck des Brennstoffzellenstapels steuert. Jedoch, wenn die Drehzahl des Kompressors gesteuert wird, tritt die Verzögerung auf, bis die Drehzahl eine Solldrehzahl erreicht. Daher gab es Raum für Verbesserung bei einem Erreichen der guten Ansprechbarkeit der Strömungsrate von Luft.
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Hiernach wird eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf angefügte Zeichnungen gegeben. In den Zeichnungen müssen die Größe von jeder Komponente und das Verhältnis zwischen den Komponenten nicht vollständig jenen der tatsächlichen entsprechen. Einige Zeichnungen können die Darstellung der Details der Komponenten oder die Darstellung einer Komponente, die in Realität montiert ist, weglassen. Die Komponenten, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, können in der folgenden Beschreibung genannt sein.
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(Ausführungsform)
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Zuerst wird eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems 1 einer Ausführungsform mit Bezug auf 1 gegeben. 1 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Grundkonfiguration des Brennstoffzellensystems 1 der Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann an beweglichen Körpern, wie zum Beispiel Fahrzeugen, Gefährten, Flugzeugen und Robotern montiert sein und kann auf stationäre Leistungsquellen angewendet werden. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2, eine Oxidationsmittelgaszuführleitung 4, einen Ladeluftkühler bzw. Zwischenkühler 5, einen Kompressor K1, eine Brenngaszuführleitung 9, einen Wasserstofftank 10, Leitungen, die diese Komponenten verbinden, ein Regulierventil V1, ein Umgehungsventil bzw. Bypass-Ventil V2 und andere Ventile auf. Der Kompressor K1 ist ein sogenannter Zentrifugalkompressor, der ein Oxidationsmittelgas unter Druck durch die Drehung eines Motors fördert bzw. zuführt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine ECU (elektronische Steuereinheit) 21 auf, die als eine Steuereinheit funktioniert. Der Brennstoffzellenstapel 2 in der vorliegenden Ausführungsform ist von einer Feststoffriesenpolymer-Art. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist mehrere Einheitszellen auf, die jeweils eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine elektrolytische Membran aufweisen, die sich zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode befindet. Die Einheitszellen sind gestapelt, um den Brennstoffzellenstapel 2 auszubilden. Eine Oxidationsmittelgasleitung 3a und eine Brenngasleitung 3b sind innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 ausgebildet. Die Elektrolytmembran ist zum Beispiel eine Feststoffpolymerelektrolytmembran mit einer Protonenleitfähigkeit. In 1 sind die Einheitszellen nicht dargestellt. Eine Kühlmittelleitung 3c, die es einem Kühlmittel, das verwendet wird, erlaubt, den Brennstoffzellenstapel 2 zu kühlen, um dort hindurchzuströmen, befindet sich in dem Brennstoffzellenstapel 2. In dem Brennstoffzellenstapel 2 wird ein Wasserstoffgas, d. h. ein Brenngas, zu der Anodenelektrode zugeführt, und Luft, die Sauerstoff enthält, d. h. ein Oxidansgas bzw. Oxidationsmittelgas wird zu der Kathodenelektrode zugeführt. Wasserstoffionen, die durch die katalytische Reaktion an der Anodenelektrode erzeugt werden, dringen durch die Elektrolytmembran hindurch, bewegen sich zu der Kathodenelektrode und durchlaufen eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff. Die elektrische Leistung wird durch diesen Prozess erzeugt. Ein Spannungsmeter bzw. Voltmeter, das einen Spannungswert der erzeugten elektrischen Leistung misst, und ein Amperemeter bzw. Strommesser, der einen Stromwert der erzeugten elektrischen Leistung misst, sind an den Brennstoffzellenstapel 2 gekoppelt. Das Kühlmittel, das durch die Kühlmittelleitung 3c hindurchströmt, kühlt den Brennstoffzellenstapel 2.
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Die Oxidationsmittelgaszuführleitung 4 ist mit dem Einlass des Brennstoffzellenstapels 2, genauer gesagt mit einem Einlass 3a1 der Kühlmittelgasleitung 3a des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Ein Luftfilter 4a ist an das Ende der Oxidationsmittelgaszuführleitung 4 angebracht. Der Kompressor K1, der Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 unter Druck zuführt, ist in der Kühlmittelgaszuführleitung 4 angeordnet. Der Kompressor K1 weist einen Einlass K1a und einen Auslass K1b auf. Ein Luftmengenmesser 20 befindet sich zwischen dem Auslass K1b des Kompressors K1 der Oxidationsmittelgaszuführleitung 4 und dem Einlass 3a1 der Oxidationsmittelgasleitung 3a.
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Der Ladeluftkühler bzw. Zwischenkühler 5 ist zwischen dem Einlass 3a1 der Oxidationsmittelgasleitung 3a und dem Auslass K1b des Kompressors K1 in der Oxidationsmittelgaszuführleitung 4 angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 ist mit einer Kühlmittelzirkulationsleitung 17 verbunden und tauscht Wärme mit dem Kühlmittel aus, um Luft zu kühlen, die von dem Kompressor K1 abgegeben wird. Wenn das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 2 angefordert wird, erhöht der Ladeluftkühler 5 die Temperatur des Kühlmittels mit der Wärme der Luft, deren Temperatur aufgrund der Kompression durch den Kompressor K1 angehoben wurde. Die Details bzw. Spezifikationen der Kühlmittelzirkulationsleitung 17, durch die das Kühlmittel zirkuliert, werden später beschrieben. Der Luftmengenmesser 20 ist weiter stromabwärts als der Ladeluftkühler 5 angeordnet.
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Eine Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 ist mit einem Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Das Regulierventil V1 ist in der Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 angeordnet. Das Regulierventil V1 reguliert einen Druck an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 2, genauer gesagt einen Druck an dem Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a. Das soll heißen, das Regulierventil V1 reguliert einen Kathodengegendruck. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Druck an dem Auslass K1b des Kompressors K1 ebenfalls durch den Kathodengegendruck und den Druckabfall in dem Brennstoffzellenstapel 2 gesteuert. In dem Brennstoffzellensystem 1 wird der Druck von Luft, die in den Brennstoffzellenstapel 2 eingeleitet wird, gesteuert, um die Strömungsrate von Luft, die einem angewiesenen Stromwert des Brennstoffzellenstapels 2 entspricht, durch ein Einstellen des Öffnungsgrads des Regulierventils V1 zu erreichen. Das soll heißen, ein angewiesener bzw. instruierter Öffnungsgrad des Regulierventils V1 wird basierend auf dem angewiesenen Stromwert des Brennstoffzellenstapels 2 bestimmt und der Ist-Öffnungsgrad wird eingestellt. Wenn das Finetuning bzw. die Feineinstellung der Strömungsratenluft erforderlich ist, wird der Öffnungsgrad des Regulierventils V1 eingestellt. Ein Schalldämpfer 7 ist weiter stromabwärts als das Regulierventil V1 in der Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 angeordnet. Das Regulierventil V1 kann direkt an dem Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a montiert sein, die sich innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 befindet, aber es ist nicht immer erforderlich, immer an dem Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a montiert zu sein. Das Regulierventil V1 muss lediglich weiter stromabwärts als der Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a angeordnet sein. Das Regulierventil V1 kann nahe dem Auslass 3a2 durch eine kurze Leitung von dem Auslass 3a2 der Oxidationsmittelgasleitung 3a wie in der vorliegenden Ausführungsform angeordnet sein, in der das Regulierventil V1 in zum Beispiel der Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 angeordnet ist, die mit dem Auslass 3a2 verbunden ist.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Umgehungsleitung bzw. Bypassleitung 8 auf, die auf der stromabwärtigen Seite des Ladeluftkühlers 5 von der Oxidationsmittelgaszuführleitung 4 abzweigt und den Brennstoffzellenstapel 2 umgeht, d. h., die Oxidationsmittelgasleitung 3a umgeht, um sich mit der Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 zu verbinden. Das Umgehungs- bzw. Bypassventil V2, das den Öffnungszustand der Bypassleitung 8 steuert, ist in der Bypassleitung 8 angeordnet. Das Bypassventil V2 wird geöffnet, wenn die Batterie auf nahezu vollständige Kapazität zu der Zeit einer regenerativen Leistungserzeugung eines Antriebsmotors geladen wird, und der Kompressor K1 wird angetrieben, um elektrische Leistung zu konsumieren bzw. zu verbrauchen. Entsprechend wird Luft an die Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 abgegeben, ohne an den Brennstoffzellenstapel 2 geschickt zu werden.
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Die Brenngaszuführleitung 9 ist mit einem Einlass 3b1 der Brenngasleitung 3b des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Der Wasserstofftank 10, der eine Zuführquelle von Wasserstoff ist, ist mit dem Ende der Brenngaszuführleitung 9 verbunden. Der Wasserstofftank 10 hält Wasserstoff als ein Hochdruckbrennstoffgas bzw. -brenngas in sich. Ein Verschlussventil 11, das eine Zufuhr von Wasserstoff abschaltet bzw. sperrt, und ein Regulator bzw. eine Reguliereinrichtung 12, die den Druck von Wasserstoff reduziert, sind in der Brenngaszuführleitung 9 angeordnet.
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Ein Abgas- bzw. Auslassrohr 15 ist mit einem Auslass 3b2 der Brenngasleitung 3b des Brennstoffzellenstapels 2v bevorzugt, erbunden. Ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider 16 ist an dem Ende des Abgasrohrs 15 angeordnet. In dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 16 teilen sich eine Zirkulationsleitung 15a und eine Abführleitung 15b auf. In dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 16 wird Wasser, das in einem Anodenabflussgas enthalten ist, abgeschieden. Das Anodenabflussgas, dessen Wasser abgeschieden wurde, wird zu der Zirkulationsleitung 15a hin abgegeben. Andererseits wird abgeschiedenes Wasser zu der Abführleitung 15b hin abgegeben. Eine Pumpe P1 ist in der Zirkulationsleitung 15a angeordnet. Die Anordnung der Pumpe P1 in der Zirkulationsleitung 15a ermöglicht es dem Anodenabflussgas, wieder zu der Brenngasleitung 3b zugeführt zu werden. Die Abführleitung 15b, die in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 16 abzweigt, ist mit der stromabwärtigen Seite des Regulierventils V1 verbunden, das sich in der Oxidationsmittelgasabgabeleitung 6 befindet. Ein Abführventil 16a ist in der Abführleitung 15b angeordnet. Die Öffnung des Abführventils 16a ermöglicht es dem Anodenabflussgas, das nicht zirkuliert wird, zusammen mit einem Kathodenabflussgas abgegeben zu werden.
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Ein erstes Ende der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 ist mit einem Einlass 3c1 der Kühlmittelleitung 3c des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Ein zweites Ende der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 ist mit einem Auslass 3c2 der Kühlmittelleitung 3c verbunden. Eine Pumpe P2, die das Kühlmittel zirkuliert, um das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen, ist in der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 angeordnet. Ein Kühler 18 ist ebenfalls in der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 angeordnet. Ein Dreiwegeventil 19 befindet sich in der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 und eine Bypassleitung bzw. Umgehungsleitung, die den Kühler 14 umgeht, zweigt von dem Dreiwegeventil 19 ab. Das Dreiwegeventil 19 ist ein sogenanntes Thermostatventil, das einen Temperatursensor aufweist und den Öffnung-/Schließzustand in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels ändert, jedoch kann es auch ein elektrisches Ventil sein. Das Dreiwegeventil 19 zirkuliert das Kühlmittel zu dem Kühler 18, um das Kühlmittel zu kühlen, wenn die Temperatur des Kühlmittels höher bzw. größer als ein vorbestimmter Wert wird.
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Der Ladeluftkühler 5 ist an die Kühlmittelzirkulationsleitung 17 angeschlossen. Genauer gesagt zweigt eine erste Eingangsleitung 17a und eine zweite Eingangsleitung 17b von der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 ab. Die erste Eingangsleitung 17a zweigt zwischen der Pumpe P2 und dem Einlass 3c1 der Kühlmittelleitung 3c ab und schließt den Ladeluftkühler 5 an. Das Kühlmittel strömt in den Ladeluftkühler 5 durch die erste Eingangsleitung 17a. Andererseits zweigt die zweite Eingangsleitung 17b zwischen dem Dreiwegeventil 19 und dem Auslass 3c2 der Kühlmittelleitung 3c ab und schließt den Ladeluftkühler 5 an. Das Kühlmittel kehrt von dem Ladeluftkühler 5 zu der Kühlmittelzirkulationsleitung 17 durch die zweite Eingangsleitung 17b zurück.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist die ECU 21 auf. Die ECU 21 ist als ein Mikrocomputer gestaltet, der eine CPU, einen ROM und einen RAM in sich aufweist, und arbeitet als eine Steuereinheit. Die ECU 21 ist elektrisch mit den Pumpen P1, P2 verbunden und steuert die Betriebe dieser Vorrichtungen. Die ECU 21 ist ebenfalls elektrisch mit dem Kompressor K1 verbunden und die ECU 21 befehligt den Kompressor K1, um bei einer gewünschten Drehzahl zu arbeiten. Das soll heißen, die ECU 21 schickt eine befohlene Drehzahl an den Kompressor K1. Die ECU 21 ist ferner mit dem Regulierventil V1, dem Bypassventil V2, dem Verschlussventil 11 und dem Abführventil 16a verbunden und steuert das Öffnen/Schließen dieser Ventile. Die Werte, die durch verschiedene Sensoren erfasst werden, werden an die ECU 21 eingegeben. Die ECU 21 speichert ein Strom-Spannungs-Kennfeld und dergleichen. Die ECU 21 führt einen Ausgabeeinstellprozess aus. Das soll heißen, die ECU 21 stellt eine Luftzuführmenge, einen Kathodengegendruck, eine Wasserstoffzuführmenge, einen Wasserstoffdruck, einen Stromwert und eine Spannung ein.
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Wie in 2 dargestellt ist, weist die ECU 21 eine Sollluftströmungsratenerlangungseinheit 21a, eine Kompressordrehzahlerlangungseinheit 21b, eine Regulierventilöffnungsgraderlangungseinheit 21c, eine Steuerbefehlseinheit 21d, eine Ist-Luftströmungsratenerlangungseinheit 21e, eine Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f und eine Regelungseinheit 21g auf. Die Sollluftströmungsratenerlangungseinheit 21a erlangt eine Sollluftströmungsrate entsprechend einem Stromwert, der an den Brennstoffzellenstapel angewiesen ist. Genauer gesagt erlangt die Sollluftströmungsratenerlangungseinheit 21a die Sollluftströmungsrate, um den Stromwert, der dem Brennstoffzellenstapel 21 angewiesen ist, basierend auf einem Leistungserzeugungszustand, einer Beschleunigerposition und dergleichen auf einer Moment-zu-Moment-Basis zu erreichen. Die Kompressordrehzahlerlangungseinheit 21b bestimmt eine angewiesene bzw. befohlene Drehzahl des Kompressors K1 basierend auf der Sollluftströmungsrate, die durch die Sollluftströmungsratenerlangungseinheit 21 erlangt ist. Die Regulierventilöffnungsgraderlangungseinheit 21c bestimmt einen angewiesenen bzw. befohlenen Öffnungsgrad des Regulierventils V1 basierend auf der erlangten Sollluftströmungsrate. Die Details der Bestimmung der angewiesenen Drehzahl des Kompressors K1 und des angewiesenen Öffnungsgrads des Regulierventils V1 werden später beschrieben. Die Steuerbefehlseinheit 21d betätigt den Kompressor K1 basierend auf der angewiesenen bzw. befohlenen Drehzahl des Kompressors K1, die bestimmt wurde, und betätigt das Regulierventil V1 basierend auf dem angewiesenen Öffnungsgrad des Regulierventils V1, der bestimmt wurde. Die Ist-Luftströmungsratenerlangungseinheit 21e erlangt den Wert der Ist-Luftströmungsrate, die durch den Luftmengenmesser 20 gemessen ist. Die Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f berechnet die Differenz zwischen dem Wert der Sollluftströmungsrate und dem Wert der Ist-Luftströmungsrate. Die Regelungseinheit 21g führt eine Regelung bzw. Feedbacksteuerung aus, die die Differenz in der Luftströmungsrate, die durch die Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f berechnet ist, reduziert. Zu dieser Zeit korrigiert die Regelungseinheit 21g die Luftströmungsrate durch ein Einstellen des Öffnungsgrads des Regulierventils V1, während die Ist-Drehzahl des Kompressors K1 beibehalten wird, genauer gesagt die Ist-Drehzahl konstant gehalten wird. Die ECU 21 steuert außerdem den Öffnungsgrad des Bypassventils V2.
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Eine Beschreibung der Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 der Ausführungsform wird als nächstes mit Bezug auf 3 gegeben. 3 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 in der Ausführungsform darstellt. Die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 wird hauptsächlich durch die ECU 21 ausgeführt. Das Brennstoffzellensystem 1 wird kontinuierlich gesteuert, nachdem das Brennstoffzellensystem 1 einen Betrieb startet.
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Bei Schritt S1 erlangt die ECU 21 die Sollströmungsrate von Luft, die in die Oxidationsmittelgasleitung 3a des Brennstoffzellenstapels 2 eingeleitet wird. Die Sollluftströmungsrate wird durch die Sollluftströmungsratenerlangungseinheit 21a erlangt. Genauer gesagt erlangt die ECU 21 den Wert der Sollluftströmungsrate basierend auf einem Kennfeld, das in 4 dargestellt ist. 4 ist ein Graph, der eine Grundbeziehung zwischen dem angewiesenen Stromwert und einer erforderlichen Luftströmungsrate darstellt. Der angewiesene Stromwert ist ein Wert, der von der ECU 21 dem Brennstoffzellenstapel 2 angewiesen ist, und das Brennstoffzellensystem 1 wird derart gesteuert, dass die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 2 den angewiesenen Stromwert erreicht. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug montiert ist, werden die angeforderten Ausgaben an den Brennstoffzellenstapel 2 und die Batterie basierend auf der gewünschten Ausgabe bestimmt, die von dem Brennstoffzellensystem 1 angefordert bzw. angefragt wird, gemäß der Position des Beschleunigers, der in dem Fahrzeug vorgesehen ist. Jedoch kann der Brennstoffzellenstapel 2 nicht immer die angefragte Ausgabe unmittelbar zuführen. Genauer gesagt, aufgrund von zum Beispiel einer transienten Antwortcharakteristik des Kompressors K1 kann die Ausgabe, die in der Lage ist, von dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt zu werden, geringer als die Ausgabe sein, die von dem Fahrzeug angefragt wird. Nach einem Erlangen der Ausgabe, die in der Lage ist, von dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt zu werden, korrigiert die ECU 21 die angefragte Ausgabe an den Brennstoffzellenstapel 2 je nach Bedarf und bestimmt den angewiesenen bzw. instruierten Stromwert basierend auf einer gespeicherten Strom-Leistungs-Kurve (I-P-Kurve) des Brennstoffzellenstapels 2 als einen Stromwert, der in der Lage ist, die korrigierte angefragte Ausgabe zu erreichen. Die erforderliche Luftmenge wird berechnet, sodass der instruierte Stromwert erreicht wird. Die berechnete erforderliche Luftmenge wird als der Wert der Sollluftströmungsrate bestimmt.
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Bei Schritt S2 nachfolgend zu Schritt S1 bestimmt die ECU 21, ob der Wert der Sollluftströmungsrate, die bei Schritt S1 erlangt ist, größer als Null ist. Wenn die Bestimmung bei S2 NEIN ist, fährt der Ablauf mit Schritt S3 fort. Bei Schritt S3 öffnet die ECU 21 das Bypassventil V2 vollständig und schließt das Regulierventil vollständig. Zum Beispiel, wenn der Beschleuniger des Fahrzeugs rasch gelöst wird, wird die Bestimmung bei Schritt S2 NEIN. In solch einem Fall ist die Strömung des Oxidansgases bzw. Oxidationsmittelgases, d. h. die Strömung von Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 unnötig. Dementsprechend öffnet die ECU 21 das Bypassventil V2 vollständig, um es Luft zu ermöglichen, in die Bypassleitung 8 zu strömen, sodass Luft den Brennstoffzellenstapel 2 umgeht. Zu diesem Zeitpunkt, wenn das Regulierventil V1 vollständig geschlossen ist, da der Druck in der Oxidationsmittelgasleitung 3a steigt, wird weniger Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 eingeleitet und die Zufuhr von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 ist reduziert. Als ein Ergebnis wird das Trocknen der Elektrolytmembran aufgrund der Strömung von übermäßiger Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 reduziert und die Verschlechterung in einer Leistungserzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels 2 wird reduziert.
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Wenn der Prozess von Schritt S3 ausgeführt wird, wird die Drehzahl des Kompressors K1 bei der Drehzahl beibehalten, die vorangehend bestimmt wurde. Dies ermöglicht es, die erforderliche Menge von Luft unmittelbar durch lediglich ein Betätigen des Regulierventils V1 und des Bypassventils V2 zu erreichen, wenn die Zufuhr von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 wieder benötigt wird nach diesem Prozess. Das soll heißen, die zeitliche Verzögerung, die auftritt, bis die Drehzahl des Kompressors K1 wiederhergestellt ist, kann verhindert werden. Dieser Prozess kehrt nach dem Prozess von S3 zurück.
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Wenn die Bestimmung bei Schritt S2 JA ist, fährt der Prozess bzw. Ablauf mit Schritt S4 fort. Bei Schritt S4 erlangt die Kompressordrehzahlerlangungseinheit 21b die angewiesene bzw. befohlene Drehzahl des Kompressors K1 und die Regulierventilöffnungsgraderlangungseinheit 21c erlangt den angewiesenen bzw. befohlenen Öffnungsgrad des Regulierventils V1. Die angewiesene Drehzahl des Kompressors K1 und der angewiesene Öffnungsgrad des Regulierventils V2 werden erlangt durch ein Bezugnehmen auf ein Kennfeld, das in 5 dargestellt ist, basierend auf der Sollluftströmungsrate. 5 stellt ein Kennfeld der Kompressordrehzahl und des Regulierventilöffnungsgrads dar, das die Strömungsrate von Luft und den Abgabedruck steuert. Die Strömungsrate von Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, wird durch die Ist-Drehzahl des Kompressors K1 und den Ist-Abgabedruck des Kompressors K1 beeinflusst. Im vorliegenden Fall ist der Kompressor K1 ein Zentrifugalkompressor und der Ist-Abgabedruck des Kompressors K1 wird durch den Druck an dem Auslass K1b des Kompressors K1 beeinflusst. Der Druck an dem Auslass K1b des Kompressors K1 kann mit dem Öffnungsgrad des Regulierventils V1 eingestellt werden. Das soll heißen, der Druck an dem Auslass K1b des Kompressors K1 verringert sich mit einem Anstieg des Öffnungsgrads des Regulierventils V1 und erhöht sich mit einer Verringerung des Öffnungsgrads des Regulierventils V1. Wie vorangehend beschrieben ist kann der Abgabedruck des Kompressors K1 durch ein Einstellen des Öffnungsgrads des Regulierventils V1 gesteuert werden. Das Kennfeld, auf das bei Schritt S4 Bezug genommen wird, weist den Öffnungsgrad θn des Regulierventils V1 auf und θ1 bis θ5 sind in dem Beispiel des Kennfelds dargestellt, das in 5 dargestellt ist. Die Beziehung von θ1 < θ2 < θ3 < θ4 < θ5 ist zwischen θ1 bis θ5 gegeben. Das Kennfeld, auf das bei Schritt S4 Bezug genommen wird, weist die Drehzahl Rn des Kompressors K1 auf und R1 bis R4 sind in dem Beispiel des Kennfelds dargestellt, das in 5 dargestellt ist. Die Beziehung von R1 < R2 < R3 < R4 gilt unter R1 bis R4. Im vorliegenden Fall gibt es mit Bezug auf das Kennfeld, das in 5 dargestellt ist, mehrere Kombinationen von der Kompressordrehzahl und dem Regulierventilöffnungsgrad, die in der Lage sind, die gleiche Luftströmungsrate zu erreichen. Zum Beispiel ist die Kompressordrehzahl, die in der Lage ist, die Luftströmungsrate Q2 zu erreichen, R2, R3 und R4. Wie vorangehend beschrieben ist, gibt es mehrere Kompressordrehzahlen zum Erreichen einer bestimmten Luftströmungsrate, jedoch unterscheiden sich die Regulierventilöffnungsgrade gemäß den Kompressordrehzahlen voneinander. In diesem Fall wird die Kompressordrehzahl, bei der der Regulierventilöffnungsgrad eine größere Bandbreite zur Einstellung hat, als die angewiesene bzw. befohlene Drehzahl ausgewählt. Um die vorangehend genannte Luftströmungsrate Q2 zu erreichen, wird R3 als die angewiesene Drehzahl unter den Kompressordrehzahlen R2, R3 und R4 ausgewählt. Wie vorangehend beschrieben ist, wenn R3, bei der der Regulierventilöffnungsgrad eine größere Bandbreite zur Einstellung hat, als die angewiesene Drehzahl ausgewählt wird, wird die Luftströmungsrate leicht eingestellt durch ein Einstellen des Öffnungsgrads des Regulierventils V1. Wenn die Bestimmung bei Schritt S2 JA ist, wird das Bypassventil V2 vollständig geschlossen gehalten.
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Bei Schritt S5 nachfolgend zu Schritt S4 befehligt die Steuerbefehlseinheit 21d den Kompressor K1, bei der befohlenen Drehzahl des Kompressors K1, die bei Schritt S4 erlangt ist, zu arbeiten, und befehligt das Regulierventil V1, bei dem befohlenen Öffnungsgrad des Regulierventils V1, das bei Schritt S4 erlangt ist, zu arbeiten. Nachdem der Steuerbefehl bei Schritt S5 ausgegeben ist, erlangt die Ist-Luftströmungsratenerlangungseinheit 21e die Ist-Luftströmungsrate, die durch den Luftmengenmesser 21 gemessen wird, bei Schritt S6.
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Bei Schritt S7 nachfolgend zu Schritt S6 berechnet die Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f die Differenz zwischen der Ist-Luftströmungsrate, die bei Schritt S6 erlangt ist, und der Sollluftströmungsrate, die bei Schritt S1 erlangt ist. Dann wird es bestimmt, ob die Differenz gleich einem vorbestimmten Schwellenwert Qth oder weniger ist. Der Schwellenwert Qth ist ein vorbestimmter Wert, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Ist-Luftströmungsrate übermäßig ist. Wenn die Bestimmung bei Schritt S7 NEIN ist, fährt der Ablauf mit Schritt S8 fort. Die Prozesse von S7 und Schritt S8 hindern die Elektrolytmembran daran, aufgrund der Strömung von übermäßiger Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 zu trocknen, wenn der Beschleuniger des Fahrzeugs zum Beispiel rasch gelöst wird. Wenn der Beschleuniger des Fahrzeugs rasch gelöst wird oder dergleichen, ist die Ist-Strömungsrate von Luft, die von dem Kompressor K1 zu dieser Zeit abgegeben wird, größer als die Sollluftströmungsrate, die angefordert wird, nachdem der Beschleuniger gelöst ist. Daher wird übermäßige Luft veranlasst, zu der Bypassleitung 8 hin zu strömen. Genauer gesagt, bei Schritt S8 wird durch ein Bezugnehmen auf ein Kennfeld, das in 6 dargestellt ist, der befohlene Öffnungsgrad des Bypassventils V2 bestimmt, um den Öffnungsgrad einzustellen bzw. anzupassen. Im vorliegenden Fall stellt 6 ein Kennfeld dar, das verwendet wird, um den befohlenen Öffnungsgrad des Bypassventils V2 zu erlangen, um ein gewünschtes Strömungsratenverhältnis einer Strömungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 hin strömt, und einer Strömungsrate von Luft zu erreichen, die zu der Bypassleitung 8 hin strömt. Dies ermöglicht es der Strömungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 hin strömt, näher an die Sollluftströmungsrate zu kommen. In dem Kennfeld, das in 6 dargestellt ist, ist lediglich eine einzelne Linie dargestellt, die die Verteilung zwischen der Strömungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 hin strömt, und der Strömungsrate von Luft dargestellt, die zu der Umgehungs- bzw. Bypassleitung 8 hin strömt. Jedoch weist das vorliegende Kennfeld mehrere Linien auf, die den Ist-Luftströmungsraten und den Regulierventilöffnungsgraden entsprechen. Der Grund, warum das Kennfeld mehrere Linien aufweist, die den Ist-Luftströmungsraten entsprechen, ist jener, um die Steuerung auszuführen, die den Effekt des Druckabfalls oder dergleichen in Betracht zieht, da der Effekt des Druckabfalls und dergleichen in Abhängigkeit von der Ist-Luftströmungsrate differiert. Der Prozess kehrt nach Schritt S8 zu Schritt S6 zurück.
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Andererseits, wenn die Bestimmung bei Schritt S7 JA ist, fährt der Prozess mit Schritt S9 fort. Bei Schritt S9 berechnet die Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f die Differenz zwischen dem Wert der Sollluftströmungsrate, die bei Schritt S1 erlangt ist, und der Ist-Luftströmungsrate, die bei Schritt S6 erlangt ist, um zu bestimmen, ob die Sollluftströmungsrate gleich der Ist-Luftströmungsrate ist. Im vorliegenden Fall ist die vollständige Übereinstimmung zwischen zwei Werten nicht notwendig, um zu bestimmen, dass die Sollluftströmungsrate gleich der Ist-Luftströmungsrate ist. Zum Beispiel, wenn der Absolutwert der Differenz zwischen der Ist-Luftströmungsrate und der Sollluftströmungsrate geringer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, können die zwei Werte als gleich angesehen werden. Wie vorangehend beschrieben ist, selbst wenn die zwei Werte voneinander differieren, wenn die zwei Werte als die gleichen angesehen werden, wird die Bestimmung bei Schritt S9 JA. Wenn die Bestimmung bei Schritt S9 JA ist, kehrt der Prozess zurück. Andererseits, wenn die Bestimmung bei Schritt S9 NEIN ist, fährt der Prozess mit Schritt S10 fort. Bei Schritt S10 ändert die ECU 21 den Regulierventilöffnungsgrad. Das soll heißen, bei Schritt S10 führt die Regelungseinheit 21g eine Regelung aus. Genauer gesagt führt die ECU 21 eine Regelung aus, um die Differenz in der Luftströmungsrate, die durch die Luftströmungsratendifferenzerlangungseinheit 21f berechnet ist, durch ein Ändern des angewiesenen Öffnungsgrads des Regulierventils V1 zu reduzieren, während die Drehzahl des Kompressors K1 beibehalten wird. Zum Beispiel, wenn R3 als die befohlene bzw. angewiesene Drehzahl des Kompressors K1 bei Schritt S4 ausgewählt wird, ändert die ECU 21 den angewiesenen bzw. befohlenen Öffnungsgrad des Regulierventils V1, während die Drehzahl R3 des Kompressors K1 bei Schritt S10 beibehalten wird. Wenn der Vergleich zwischen der Ist-Luftströmungsrate und der Sollluftströmungsrate bei Schritt S9 anzeigt, dass die Ist-Luftströmungsrate unzureichend ist, erhöht die ECU 21 den Öffnungsgrad des Regulierventils V1, um den Gegendruck zu reduzieren. Diese Steuerung erhöht die Strömungsrate von Luft, die durch die Drehung des Kompressors K1 geschickt wird, wodurch die Ist-Luftströmungsrate, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, erhöht wird. Andererseits, wenn der Vergleich zwischen der Ist-Luftströmungsrate und der Sollluftströmungsrate bei Schritt S9 anzeigt, dass die Ist-Luftströmungsrate übermäßig ist, verringert die ECU 21 den Öffnungsgrad des Regulierventils V1, um den Gegendruck zu erhöhen. Diese Steuerung reduziert die Strömungsrate von Luft, die durch die Drehung des Kompressors K1 geschickt wird, wodurch die Ist-Luftströmungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, reduziert wird. Nachdem der Prozess von Schritt S10 beendet ist, werden die Prozesse von Schritt S6 an wiederholt.
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Wie vorangehend beschrieben ist, wenn die Strömungsrate von Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, geregelt wird, wird ein hohes Ansprechverhalten der Luftströmungsrate erreicht durch ein Einstellen des Öffnungsgrads des Regulierventils V1, während die Drehzahl des Kompressors K1 beibehalten wird. Das Kennfeld, das in 5 dargestellt ist, verrät, dass die Abgabemenge des Kompressors K1 durch ein Ändern des Öffnungsgrads des Regulierventils V1 selbst dann in großem Maße geändert werden kann, wenn die Drehzahl des Kompressors K1 die gleiche ist. Das soll heißen, die Luftströmungsrate kann durch ein Ändern des Öffnungsgrads des Regulierventils V1 geändert werden, während die Drehzahl des Kompressors K1 gleich beibehalten wird. Das Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüstet ist, erfordert eine große Luftströmungsrate zur Zeit einer Beschleunigung. Wenn die Luftströmungsrate sich rasch ändert, wie vorangehend beschrieben ist, wird die Steuerung ausgeführt, die die Änderung der Drehzahl des Kompressors K1 beinhaltet. Andererseits, wenn die Luftströmungsrate zu einer Zeit verschieden zu der Zeit einer Beschleunigung und einer Zeit, wenn die erforderliche Luftströmungsrate klein ist, gesteuert wird, ist es effektiv, den Öffnungsgrad des Regulierventils V1 einzustellen, während die Drehzahl des Kompressors K1 beibehalten wird, wie es die vorliegende Ausführungsform macht.
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Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, variiert oder geändert werden.
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Ein Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf: einen Brennstoffzellenstapel; einen Zentrifugalkompressor, der das Oxidationsmittelgas verdichtet und zu dem Brennstoffzellenstapel zuführt; ein Regulierventil, das einen Druck an einem Auslass des Kompressors steuert; und eine Steuereinheit, die den Kompressor und das Regulierventil steuert, wobei die Steuereinheit eine Drehzahl des Kompressors und einen Öffnungsgrad des Regulierventils basierend auf einer Sollluftströmungsrate steuert, die einem Stromwert entspricht, der dem Brennstoffzellenstapel angewiesen ist, den Kompressor basierend auf der bestimmten Drehzahl bestätigt und das Regulierventil basierend auf dem bestimmten Öffnungsgrad betätigt. Die Steuereinheit führt eine Regelung aus, um die Differenz zwischen einer Ist-Luftströmungsrate und einer Sollluftströmungsrate durch ein Ändern des Öffnungsgrads des Regulierventils zu reduzieren, während die Drehzahl des Kompressors beibehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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